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        泉店煤礦14010 工作面高溫?zé)岷Ψ乐窝芯考皯?yīng)用

        2021-11-09 08:28:18尹站穩(wěn)
        山東煤炭科技 2021年10期

        尹站穩(wěn)

        (河南神火煤電有限公司泉店煤礦,河南 許昌 461000)

        泉店煤礦14010 工作面位于礦井西翼14 采區(qū)東北部,東鄰二1-12070 工作面,西鄰14 采區(qū)三條上山,南鄰二1-14030 綜采工作面。工作面地面標(biāo)高+118.1~ +120.5 m,井下標(biāo)高-386.7~ -237.7 m,主采二1 煤層,平均傾角約27°,煤厚1.5~6.5 m?;夭善陂g工作面溫度過高,在31 ℃以上,嚴(yán)重影響工人作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)安全。

        1 工作面熱量來源分析

        1.1 原始巖溫的影響

        隨著地殼深度的增加,巖體溫度逐漸升高,這主要是地心由內(nèi)至外的熱流造成的[1-2]。地?zé)嵩黾影匆欢ǖ販靥荻茸兓昝旱V的平均地溫梯度約為2.3 ℃/hm,14010 工作面埋深約500 m,工作面較地面溫度高11.5 ℃。另外工作面裂隙水溫度較高,約37 ℃。故埋深和高溫的裂隙水是造成工作面地溫較高的主要原因之一。

        1.2 空氣流動自壓縮放熱及人體發(fā)熱

        空氣流動的自壓縮放熱,是由于地球重力場作用,空氣沿井巷向下流動時,其位能轉(zhuǎn)化為焓,致使溫度升高。一般可知空氣自壓縮發(fā)熱量與風(fēng)量、風(fēng)流高差均成正比[3-4],如公式(1)。

        式中:Q壓為空氣流動自壓縮放出的熱量,kJ;MB為風(fēng)量,m3/min;ΔH為風(fēng)流流動的高差,m。

        當(dāng)?shù)孛鏈囟仍?5 ℃時,14010 工作面入風(fēng)口所處位置的氣體溫度達(dá)27 ℃左右。也就是說,由于空氣的自壓縮效應(yīng),工作面的溫度增加了2 ℃。

        1.3 工作面風(fēng)量偏小引起的溫度升高

        14010 工作面初采時的風(fēng)量按照標(biāo)準(zhǔn)配風(fēng)為1000 m3/min,綜采工作面平均空間面積為9.3 m2,換算成平均風(fēng)速為1.79 m/s,比較適合井下環(huán)境的適宜風(fēng)速。

        理論和實踐證明:在其他條件相同時,流過巷道的風(fēng)量增加,從巖體中及其他熱源放出的熱量分散到更多體積的空氣中,風(fēng)流溫度會降低。在巖石溫度較高時,提高回采工作面風(fēng)量,可有效地改善工作面微氣候條件,當(dāng)工作面入風(fēng)風(fēng)流的溫度低于圍巖溫度時,其降溫效果比較明顯。故風(fēng)量偏小也是溫度升高的原因之一。

        1.4 工作面破落的煤體散熱

        14010 工作面煤壁斜長L=201 m,平均煤厚M=4.34 m,煤壁溫度分地段不一致,高的地段可達(dá)30 ℃左右,而煤壁內(nèi)實體煤的溫度還會更高。工作面煤炭平均日產(chǎn)量為2800 t,大量破落的煤體散熱是工作面高溫的主要來源之一。

        實測工作面檢修班不出煤時的出風(fēng)口的平均溫度比入風(fēng)口的平均溫度高0.8 ℃,正常生產(chǎn)時出風(fēng)口的平均溫度比入風(fēng)口的平均溫度高2.3 ℃。也就是說,由于出煤時的散煤散熱使工作面的溫度增加了1.5 ℃。

        1.5 井下機(jī)械設(shè)備散熱

        工作面及下順槽的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)等大功率動力電機(jī)及照明設(shè)備等工作時都會產(chǎn)生熱量[5-8],使風(fēng)流溫度提升。井下實測顯示工作面設(shè)備運行后周邊溫度升高1.3 ℃左右。工作面主要設(shè)備散熱引起的周邊空氣溫升數(shù)據(jù)見表1。

        表1 井下設(shè)備運行時周圍溫升情況

        2 工作面降溫措施研究

        通過對14010 工作面熱量來源的分析,原始巖溫和空氣流動自壓縮放熱無法人為控制,其他熱量可通過采取針對性措施實施有效降溫[9-10]。

        2.1 工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)

        通常情況下,隨著工作面的風(fēng)量增大降溫效果越好。風(fēng)量的上限值一是考慮不能超過巷道最大風(fēng)速,二是考慮降溫效果及經(jīng)濟(jì)效益。基于風(fēng)流通過井巷熱交換的基本規(guī)律,得出工作面溫度與風(fēng)量變化的關(guān)系,找到最佳結(jié)合點是風(fēng)量調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。風(fēng)流通過巷道熱交換基本規(guī)律是基于風(fēng)流為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程,風(fēng)流沿巷道流動示意圖如圖1。假設(shè)質(zhì)量流量為G通過巷道,在入口處能量為E1(kJ/s),在出口處能量為E2(kJ/s),在流動過程中熱交換能量為Q(kJ/s),風(fēng)流能量E可由風(fēng)流內(nèi)能(U=Gu)、位能(Ew=GgZ)、動能(Ed=Gv2/2)和流動功(Gpv)表示,則熱力學(xué)第一定律可表示為:

        圖1 風(fēng)流沿巷道流動示意圖

        其中:u1、u2分別為風(fēng)流入口、出口的內(nèi)能,J/kg;p1、p2分別為風(fēng)流入口、出口的壓強(qiáng),J/kg;ρ1、ρ2分別為風(fēng)流入口、出口的比容,m3/kg;Z1、Z2分別為風(fēng)流入口、出口的標(biāo)高,m;v1、v2分別為風(fēng)流入口、出口的風(fēng)速,m/s;g為重力加速度,m/s2。

        又知Gg(Z1-Z2)為風(fēng)流高差的自壓縮熱,可歸入總熱量交換中,風(fēng)流流過巷道將熱量一部分轉(zhuǎn)化為顯熱,一部分轉(zhuǎn)化為潛熱,其和為焓,則可表示為:

        式中:t1、t2分別為井巷風(fēng)流入口、出口的干球溫度,℃;Δt為干球溫度變化量,℃;Δd為巷道出入口的含濕量變化量,g/kg;cp為空氣的質(zhì)量定壓熱容,為常數(shù),一般取1.005 kJ/(kg·℃)。

        結(jié)合工作面放熱量來源,列出熱平衡方程,可得到工作面不同風(fēng)量和干球溫度的關(guān)系,如圖2,可知工作面干球溫度在27 ℃時,工作面最佳風(fēng)量約為22 m3/s。

        圖2 工作面干球溫度與風(fēng)量關(guān)系曲線

        2.2 工作面下行通風(fēng)

        研究表明,煤層傾角較大時,工作面采用下行通風(fēng)方式可適當(dāng)降低工作面溫度。14010 工作面傾角為28 ℃,為大傾角工作面,實施上順槽進(jìn)風(fēng)、下順槽回風(fēng),可在以下方面降低工作面風(fēng)流溫度:

        (1)主要運煤設(shè)備工作時產(chǎn)生的熱量。由表1可知,主要運煤設(shè)備工作時產(chǎn)生熱量可提高周圍溫度1.3 ℃,其主要放置在下順槽,下行通風(fēng)時將該部分熱量直接帶入回風(fēng)大巷中,不再進(jìn)入工作面。

        (2)采空區(qū)散熱。實測表明,采用下行風(fēng)時工作面后方采空區(qū)的漏風(fēng)量比采用上行風(fēng)時減少20%左右。由于漏風(fēng)量的降低,使得采空區(qū)由于漏風(fēng)而帶入工作面的熱量也同樣降低。

        (3)散煤運輸產(chǎn)生的熱量。如公式(4)所示,工作面采落煤體散熱量計算得出136.88 kcal/h,當(dāng)上行通風(fēng)風(fēng)流逆煤流而行,將散發(fā)的熱量再次帶入工作面,下行通風(fēng)時將煤體散發(fā)熱量直接帶入回風(fēng)大巷。

        式中:Qs為采落煤炭放熱量,kcal/h;Gy為工作面產(chǎn)煤量,取160 kg/h;CY為煤的比熱,取1.16 kcal/kg·℃;t0、tB分別為原煤溫度和風(fēng)流溫度,分別取31 ℃、29 ℃;J、J0為系數(shù),分別可取0.8、0.45。

        2.3 噴霧灑水降溫

        灑水管道將地面的水流至工作面,沒有受到自壓縮放熱的影響,溫度較低。實測表明,地面空氣溫度25 ℃時,灑水池內(nèi)的水溫23 ℃,水流至工作面時溫度24 ℃,工作面入風(fēng)口處的氣溫要低3 ℃左右。在工作面進(jìn)風(fēng)巷中設(shè)置兩道水霧棚,利用水吸熱蒸發(fā)物理屬性,噴霧灑水可降低工作面0.5 ℃左右。

        2.4 機(jī)械制冷降溫

        當(dāng)夏季地面溫度到達(dá)28 ℃及以上時,采取機(jī)械降溫措施輔助降溫[9-10]。機(jī)械制冷是在主井附近建立制冰站用于制取冰片,通過輸送管路將冰片輸送至井底融冰池,融冰池的泵將低溫的水通過管路輸送至工作面的空冷器,將工作面的熱量吸收后重新返回融冰池,部分冷水用于冷卻工作面的機(jī)械設(shè)備和噴霧灑水等。泉店礦輸冰系統(tǒng)采用SL-400型螺旋輸冰裝置,井下輸冷散冷系統(tǒng)采用MD155-30X9 水泵,融冰池采用MD155-30*8 型水泵。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用及結(jié)論

        根據(jù)研究的結(jié)果,14010 工作面采用將風(fēng)量調(diào)節(jié)為1380 m3/min,風(fēng)路采取上順槽進(jìn)風(fēng)、下順槽回風(fēng)的下行風(fēng)方案,在進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置兩道噴霧灑水設(shè)施等措施后,當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀?5 ℃時,14010 工作面的溫度可保持在28 ℃左右,夏季時,地面溫度超過28 ℃時,采用機(jī)械制冷輔助降溫,保障工作面溫度不超過30 ℃。工作面作業(yè)環(huán)境明顯改善,不僅保證了生產(chǎn)安全,同時保證了工人的作業(yè)環(huán)境和工作效率。

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