文_王旭 寧夏煤礦設(shè)計研究院有限責任公司

1 項目背景

隨著煤礦開采深度越來越深，礦井的熱害對安全生產(chǎn)的影響逐步增大，某熱害礦井生產(chǎn)工作面預測氣溫為32℃，已經(jīng)超出了《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定值，急需采取措施對巷道溫度進行控制。

目前常見的降溫方法有通風、人工制冰、移動式井下局部制冷、地面集中制冷、井下集中制冷等方式。根據(jù)該礦的實際情況，目前采掘深度約800m，處于二級熱害區(qū)，通過通風、人工制冰很難將工作面溫度有效控制。又因該礦目前2個采區(qū)工作面同時開采，相對位置較遠，若采用集中式系統(tǒng)，管路造價高、冷損失大，還需在井筒中重新打鉆孔敷設(shè)冷凍水管路，最終從制冷效率、運行費用、保溫鉆孔設(shè)置等多方面綜合考慮，采用移動式井下局部降溫，技術(shù)可行，經(jīng)濟最為合理。

另一方面，進風井采暖期的防凍熱負荷，一般是煤礦采暖期的最大熱負荷，如能利用回風余熱利用設(shè)備對進風進行加熱，可大大減少采暖期的運行費用，相比采用燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐等熱源，有著良好的節(jié)能效果和環(huán)保效益。

本文以具有熱害的某礦回風立井為例，將井下局部降溫與地面風-風換熱裝置相結(jié)合，在回風井口建設(shè)風-風換熱裝置，并利用井下降溫設(shè)備置換出的熱量，一定意義上實現(xiàn)了礦井采暖期回風余熱的循環(huán)利用（圖1）。

圖1 礦井采暖期回風余熱的循環(huán)利用示意圖

2 井下部分

2.1 井下氣象條件預測

該礦井田煤層厚度大，而上覆巖層主要是熱阻大的粉砂巖和泥巖類，不能為地熱的運移和散失提供良好的條件。另外，該區(qū)地下徑流較弱、排泄不暢，補給水少、循環(huán)交替較弱，地下水與圍巖熱交換已達平衡，因此，造成本區(qū)地溫較高，存在一、二級熱害區(qū)。本文以1110208（11采區(qū)，10煤2層，編號為08的工作面）工作面為對象，進行氣象條件預測。

2.1.1 井下圍巖散熱

根據(jù)最不利設(shè)計采煤工作面主要設(shè)計參數(shù)，放熱系數(shù)取6.97×10-3，巷道粗糙系數(shù)取1.65，平均風速2.40m/s，巷道斷面積16.0m2，恒溫帶溫度12.02℃，恒溫帶深度64.5m，水平地溫率32.05m/℃，測算深度820m，計算得圍巖散熱量Qw=748.06kW。

2.1.2 壓縮熱

空氣沿井筒下行時，近似絕熱壓縮過程，其壓力和溫度均會增加，按照無潛熱轉(zhuǎn)移考慮，則空氣位能變化增加的熱值為：Qy=GA(Z1-Z2)·E=21.38kW，其中風流放熱系數(shù)取0.2，高差220m，熱工當量0.00981，風流質(zhì)量49.54kg/s。

2.1.3 機電設(shè)備散熱

井下采煤工作面各種設(shè)備、局扇等，在運行過程中電機產(chǎn)生的熱量都要釋放到巷道的風流中去，其散熱量計算式為：Qd=Σψ·Nds，工作面同時使用裝機設(shè)備功率2585kW，取折算系數(shù)0.2，則Qd=517kW。

2.1.4 氧化散熱量

在一定的條件下，煤礦中已經(jīng)形成的煤巷表面、煤壁表面與風流中的空氣發(fā)生氧化反應，這也是井下熱害最重要的三個影響因素之一。Qh=q0FhWp0.8=240.47kW。

2.1.5 人體散熱

主要是在巷道從事采煤工作的管理人員及工人自身散熱量，按一個工作面21人配置，人體散熱系數(shù)按中等程度勞動0.21kW/人，重勞動強度按0.47kW/人，Qt=Rt×Nt=9.4kW。

2.1.6 礦井熱源的總散熱量預測

總散熱量為以上5項之和，即：

ΣQ=QW+Qy+Qd+Qh+Qt=1535.91kW。

2.2 井下局部降溫設(shè)備選型

2.2.1 冷負荷計算

1110208綜采工作面采暖期的氣象參數(shù)為干球溫度32.1℃，相對濕度95%，空氣密度1.22kg/m3，工作面進風量為19.33m3/s。

則Q1=M(I1-I2)×1.22=39.9×19.33×1.22=941.11kW，根據(jù)規(guī)范取1.2附加系數(shù)，設(shè)計冷負荷為1129.33kW。因氣象預測中的散熱量是不考慮通風因素的自然散熱量，除去通風帶走的熱量約600kW，本設(shè)計冷負荷與預測值基本一致。

2.2.2 主要設(shè)備選型

（1）局部降溫設(shè)備

井下局部降溫系統(tǒng)主要由制冷站、空冷器、冷卻站三個主要部分及配套的水泵、循環(huán)冷卻水管道等組成，其工藝流程見圖2。

圖2 局部降溫系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)的循環(huán)過程分為兩個循環(huán)：一是制冷劑的循環(huán)，低溫低壓的制冷劑通過空冷器吸收工作面的熱量、降低工作面溫度后，變成氣態(tài)送至冷卻器，經(jīng)壓縮、冷卻、節(jié)流后進行循環(huán)制冷；二是冷卻水的循環(huán)，冷卻站提供的30℃左右的冷卻水，吸收第一循環(huán)制冷劑放出的熱量后，溫度升至40℃，通過冷卻水泵的機械循環(huán)，返回冷卻站，再通過噴淋水泵的噴淋蒸發(fā)及回風冷卻，將冷卻水溫降至30℃繼續(xù)循環(huán)，產(chǎn)生的熱風經(jīng)由回風大巷返回到地面回風井口排出。

根據(jù)計算冷負荷，1110208工作面需配套4套移動式局部制冷設(shè)備（包括制冷主機、空冷器、冷卻器、水泵等），3用1備。

（2）局扇選型

空冷器及風管總壓損約為1150Pa，制冷側(cè)局扇選型主要參數(shù)為：Q=800m3/min，P=1265Pa，功率為N=2×37kW，防爆型。冷卻站及風管總壓損1000Pa，冷卻側(cè)局扇選型主要參數(shù)為：Q=860m3/min，P=1100Pa，功率為N=2×45kW，防爆型。經(jīng)校核，設(shè)計工況點處于風機特性曲線高效區(qū)內(nèi)。

2.2.3 主要水泵選型

（1）循環(huán)水泵及配套管道選型

冷卻站與制冷站的最大高差為174.49m，循環(huán)水管道總長度為9790m(D219×7管路共計3360m，D273×8管路共計6430m)。根據(jù)礦井涌水水質(zhì)和煤礦安全要求，選用礦用防爆耐磨水泵，3臺，2用1備，冷卻水泵主要參數(shù)Q=80～125m3/h，H=324～300mH2O，P=132kW, 1140/660V。

（2）噴淋水泵選型

根據(jù)計算，系統(tǒng)所需冷卻噴淋水流量為50m3/h，揚程50m，選取防爆型噴淋水泵主要參數(shù)為：Q=30～55m3/h，H=68～55mH2O，P=15kW、1140V，3臺，2用1備。

3 地面部分

3.1 井筒防凍熱負荷核算

副立井井筒防凍采用風-風換熱系統(tǒng)。間壁式換熱器先吸取部分新風，通過從回風中提取的熱量，將其加熱至10℃左右，再通過新建的風管送入井口房，與井口房新風混合，混和后空氣的設(shè)計溫度為2℃，從而達到井筒防凍的目的。井筒防凍室外計算溫度：tr=-25.4℃，空氣加熱溫度：tr=10℃，冷熱風混合溫度：tn=2℃，考慮到各風井的風量要滿足初期及后期的整體要求，本設(shè)計按進風副立井困難時期最大進風量204.4m3/s進行計算：

副立井井筒防凍耗熱量為Q=aGγCp（2-W）=6948.48kW。

3.2 回風余熱提取量計算

回風余熱提取前空氣參數(shù)：干球溫度：18℃；相對濕度：85%；焓：50.70kJ/kg；密度：1.03kg/m3；預測回風余熱提取后空氣參數(shù)：干球溫度：5℃；相對濕度：100%；焓：20.60kJ/kg；密度：1.102kg/m3。

理論提熱量采用焓差法進行計算：Q1=M1(I1×1.03-I2×1.102)=9163.91kW。

風-風換熱器的效率為90%，實際提取熱量9163.9×0.9=8247.42kW，可以滿足該礦副立井井筒防凍的需要，并對未來礦井擴大生產(chǎn)、進風量增加時留有一定余量。

3.3 井筒防凍熱設(shè)備選型

3.3.1 設(shè)備選型

根據(jù)回風與熱量計算，本設(shè)計風-風換熱裝置的總換熱量為9200kW，采用2套換熱器并聯(lián)布置，單套換熱能力為3600kW。自動控制采用PLC控制系統(tǒng)，在回風井、進風井、風道內(nèi)布置遠傳溫度計，并通過調(diào)聯(lián)動節(jié)風機運行臺數(shù)和運行頻率來適應外部氣溫變化，達到穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行效果。

換熱器本體采用間壁式換熱器，采用0.8mm厚SS304材質(zhì)，ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)=13.06℃，每個模塊傳熱面積為1455m2，考慮到運行過程中回風中的雜質(zhì)附著于換熱器表面造成換熱效率降低，取富裕系數(shù)1.10，取1600m2。每套設(shè)備由8個模塊組成，換熱面積為12800m2。

3.3.2 風機及風道設(shè)計

綜合考慮風道阻力、流速和事故保證率，新風-風道采用6根圓形風管并聯(lián)，將熱風由換熱器送至進風井的井口房內(nèi)，與室外空氣混合后送入井口。每個風道設(shè)置1套軸流風機，單套主要技術(shù)參數(shù)為：風量Q=2000m3/min，風壓P=1200Pa，電機功率N=55kW。風機采用防爆變頻電機，由PLC系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度反饋，控制井口房熱風進風量。

新風風道材料采用1.2mm厚鍍鋅鋼板，敷設(shè)方式為低支架架空敷設(shè)。在風管外部包裹橡塑材料保溫，保溫層采用0.5mm鍍鋅白鐵皮包裹作為外護殼。保溫層厚度50mm，密度不小于45kg/m3。

回風風道因氣流濕度較大，考慮一定的防腐厚度，采用內(nèi)外防腐的4mm厚Q235B鋼板，低支架架空敷設(shè)，保溫層設(shè)置同新風風管。經(jīng)核算，根據(jù)現(xiàn)有回風井主扇的風機性能曲線，風道增加的阻力為127Pa，工況點位于原設(shè)計范圍內(nèi)，不會對礦井的通風安全產(chǎn)生影響。

4 運行效果分析

該系統(tǒng)自2019年1月投入運行以來，1110208工作面切眼到溫度由原來的32℃降至26℃，冷卻站排出的熱量，使得回風大巷回風溫升2.6℃，回風溫度平均升至12.4℃。這樣風-風換熱系統(tǒng)提熱量增加，進一步保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定供熱。

風-風換熱系統(tǒng)在室外溫度變化，最低達到-13.5℃時，礦井回風溫度基本穩(wěn)定，井口房室內(nèi)實測平均溫度6.2℃，最低2.5℃，可以穩(wěn)定滿足煤炭工業(yè)礦井規(guī)范對井口房混風溫度≥2℃的要求。運行效果見圖3。

圖3 某礦采暖期最冷月運行曲線圖

5 結(jié)語

煤礦進風井在采暖期時井口防凍的熱負荷一般是礦井最大的熱負荷，而在熱害礦井中，采用風-風換熱系統(tǒng)對礦井回風進行熱量提取，加上井下局部降溫機組冷卻站散到回風中的散熱量，足以滿足礦井新風加熱的熱負荷，并留有未來擴大生產(chǎn)的余量，達到了很好的節(jié)能環(huán)保的效果。該項目的順利實施，可以為其他熱害礦井采暖期的設(shè)計提供一個良好的參考。