论矿井热害治理技术.pdf

2 0 0 9 年4 月 矿 业安 全 与环 保 第3 6 卷第2 期 论 矿 井 热 害 治 理 技 术 王长元 ， 张习军 ， 姬 建虎 煤炭科 学研 究总 院重庆研 究院， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘 要 随着煤矿开采深度的增加 ， 矿井热害 问题 日益突 出， 给矿 井的安全 生产带来严重影响。机 械制冷降温技术 已取代 了传统的降温方法， 成为矿井 降温的主要手段。机械制冷降温技术结合传统的 降温方法进行综合降温， 是实现高效、 节能的有效途径。论述 了国内外常用 的一些降温技术和方法、 矿 井降温设计过程中的一些计算方法， 指 出矿井热害治理过程 中需要注 意的问题 ， 并说 明了高效、 节能是 矿井热害治理技术的发展趋势。 关键词 矿井热害； 热害治理； 机械制冷； 降温设计； 节能 中图分类号 T D 7 2 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 9 0 2 0 0 6 2 0 3 随着浅部煤炭资源储量的减少 ， 越来 越多的矿 井已进入深部开采。据资料显示 ， 我 国已预测的煤 炭总储量的 7 3 ． 2 ％埋深在 1 0 0 0 m以下⋯。随着开 采深度的增加 ， 地温大幅度地升高 ， 直接导致了矿井 热害的形成 ， 给矿井的正常安全生产 、 矿工 的身体健 康和劳动生产率造成了严重的影响， 热害治理 已成 为矿井安全管理工作中的一项重要任务。 1 矿 井热 害治理技术 国内外 矿井热害治理 主要采 取 2个方 面的措 施 一是非人工制冷 降温措施 ， 主要有通风降温 、 控 制热源 、 预冷入风流 、 个体防护 、 煤层注水预冷煤体 等； 二是人工制冷降温措施 ， 包括人工制 冷水降温 、 人工制冰降温和压缩空气制冷降温。 1 ． 1 非人工制冷降温措施 1 ． 1 ． 1 通风降温 对于一些热 害不是很严重的矿井 ， 通风是既经 济又有效的方法 。通常采取的通风措施主要有 1 加大通风强度。加 大通风强度并 不是盲 目 地增加风量 ， 因为受风速的限制， 采掘工作面都有一 个通风降温的极限。当采掘工作面的风量还没有达 到通风降温的极限时， 可以依靠增加风量来降低工 作面的温度； 当超过最大风量时， 增风降温 的效 果就 不太明显。据统计 ， 我 国煤矿高温采 面在净断 面积 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 1 0 ； 2 0 0 8 1 1 2 6修订 作者简 介 王长 元 1 9 5 5 一 ， 男， 重庆 壁 山人 ， 高 级 工程 师 ， 主要研 究方 向为矿 井通风 防灭火 、 煤矿 安全技 术及 工程。 Te J 0 2 36 52 3 9 3 5 7。 6 2 为 6 ～8 m 2的情况下 ， 增风 降温合理 的风量上限为 8 0 0～ 1 0 0 0 m3 ／ mi n。 2 选择 合理的通风方式。减少 风流在风路上 的吸热量 ， 可采取 同流通 风或下行通 风 倾 斜煤层 时 的方式。当风流方向和运煤方 向一致 、 机 电设备 都布置在 回风侧时 ， 进风侧和采煤工作面就少了外 运的煤和机电设备这 2个热源 ， 从 而使得这些地点 的环境条件得到改善。资料显示 ， 我 国有 5 0余个矿 的 1 8 9个工作 面采用下行通 风 ， 取得 了较好 的降温 效果 。 1 ． 1 ． 2 控制热源 在矿井众多 的热源 中， 有 的可 以采取措施加 以 控制 ， 而有 的是不 能控 制 的。可 以控 制 的热 源主 要 有 1 围岩散热 的控制。主要措施就是采用 隔热 物质喷涂岩壁 ， 减缓围岩 的传热。在井下 围岩温度 大于 3 5℃ 条 件下 ， 可 使 巷 道 内的 温度 降低 3～ 4 ． 5℃， 采煤工作面 的温度降低 2～3 。但是 围岩 散热只能减缓而不能 消除 ， 所 以隔热层的作用在一 定的时间后就会消失。国外 曾用喷射聚氨基 甲酸酯 作冻土墙的保护层进行隔热。 2 机 电设备散 热的控制。尽量将 工作 面的辅 助设备布置在回风侧 ； 机电硐室建独立的回风系统 ； 安装辅助风机 ， 局部散热 ； 使用高效率的机电设备 。 3 爆破热 的控制 。采掘工作面爆破 时产生 的 热量要及时用风流排出， 为 了免受其影响， 通常实行 爆破时间与井下人员的工作时间分开。 4 热水及管道热 的控制 。对于有热水 涌出的 2 0 0 9 年4 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6 卷第2 期 矿井 ， 采取超前疏排热水， 并用隔热管道排 至地面 ， 或经过有隔热盖板的水沟导入井下水仓， 再由隔热 管道排至地面。将高温排水管和热压风管敷设于回 风道 中。 I ． 1 ． 3 预冷 入风流 夏季可以采用预冷人风流的方法来降低风流温 度 ， 措施有 1 在地面预冷入风流， 结合空气制冷机将风流 温度降低 ， 再进入井下， 可起到一定的降温作用。 2 将风流通过一段喷淋巷道， 利用巷道的地温 水与风流进行热交换 ， 达到降温的 目的； 也可利用恒 温层温度最低的特点， 使风流经过岩层 温度较低的 巷道 ， 风流与围岩进行热交换 ， 达到降温的 目的。经 验表明， 采取上述措施后 的风流温度要 比直接进入 井下的风流温度低 3 ～5 。 1 ． 1 ． 4个体防护 冷却眼可以防止热环境对矿工身体的对流和辐 射传热， 并且使人体在体力劳动 中所产生 的新陈代 谢热传给冷却服中的冷媒。在矿井局部高温区域， 不宜采取风流冷却措施时 ， 可以采取个体防护 。个 体防护的制冷成本仅为其他制冷成本的 1 ／ 5 。 1 ． 1 ． 5 其他降温措施 除了上述的一些常用措施外 ， 根据矿井 的具体 情况还可采取的措施有 煤层注水预冷煤体 、 采用合 理的开拓系统和开采方法 、 合理的充填方法和充填 材料 、 储存冬季的天然冷源作为夏季的降温冷源等。 1 ． 2 人工制冷 降温措 施 1 ． 2 ． 1 人工制冷水降温 人工制冷水降温系统由制冷机 、 空冷器 、 冷媒管 道 、 高低压换热器 制冷站设在地面时 、 水泵及冷却 塔组成 ， 分为制冷 、 输冷 、 散冷 、 排热 4大系统。目前 国内外的大部分矿井降温系统都是采用这种形式。 根据制冷站的安装位置和载冷剂的循环方式 ， 人工 制冷降温系统又有 4种类型 地面集中制冷降温系 统 、 井下集中制冷降温系统 、 地面井下联合集 中制冷 降温系统和井下分散式局部制冷降温系统。 1 地面集 中式制冷降温系统 。主要工艺是将 制冷站设在地 面工业场地内， 安装冷水机组若干台， 制冷机组出来的冷水， 通过保冷管道送至设置在井 下开采水平的高低压换热器中， 由高低压换热器转 换的二次低压冷水， 用泵送至各采掘工作面空冷器 冷却风流， 冷凝热 由地面冷却塔排放。对有条件的 矿井， 可实行矿井 降温冷 源与煤 矿热 电站联 产 。 利用丰富的劣质煤 ， 建设小型坑 口自备热电站 ， 配置 溴化锂吸收式制冷机组， 再与其串联一级压缩式制 冷机组 ， 最终制出 1 q C 的冷水送往井下降温系统。 2 井下集中式制 冷降温系统。在井下设置一 个集 中制冷站， 根据需要安装冷水机组若干台， 保证 全矿井下采掘工作面的冷量需要。制冷机蒸发器蒸 发出来的低温冷水通过保冷管道 ， 送至各采掘工作 面的空冷器冷却风流 ， 在井下排放冷凝热。 3 地面、 井下联合集 中式制冷降温系统。在地 面 、 井下 同时设 置制 冷站 ， 冷凝 热在 地 面集 中排 放⋯。该系统相当于 2级制冷， 井下制冷机 的冷凝 热是借助于地面制冷机冷水系统冷却。因井下最大 的制冷容量受制于相应的空气和水流的回流排热能 力 ， 所以通常需要在地面安装附加的制冷机组。 4 井下分散式局部制冷降温系统。当实际矿 井工程中只有几个点需要降温， 并且点与点相隔较 远时， 只在需要降温的地点， 如采掘工作面 、 大型机 电硐室等附近建立小 型的制冷站 ， 对局部区域进行 降温。这时井下分散式局部空调系统是一种高效经 济的降温系统。 4种制冷降温系统的优缺点 比较如表 1 所示。 表 1 4 种矿井空调 系统优缺点比较表 1 ． 2 ． 2 人工制冰降温 人工制冰降温系统 主要 由制冰 、 输 冰和融冰 3 个环节组成。在矿井采深很大 超过 3 0 0 0 m ， 冷负 荷很大的情况下 ， 冰冷却降温系统就显示 出其优越 性 需水量少 ， 大大节约成本 ； 输送到空冷器的冷水 温度较低 ， 换热效率高； 克服了静水压力和冷凝热排 放的难题 ， 但是在输 冰和融冰环节上还要做很多的 研究。冰冷却降温技术在 国外应用较早 ， 尤其是南 6 3 2 0 0 9 年4 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 6卷第2 期 非的金矿 ， 如南非 E R P M矿 ， 其冰冷却降温系统 已经 运行了 l 0多 a ， 积累了丰富的经验。在我国要实现 冰冷却降温技术 的应用 ， 需要在借鉴国外经验 的基 础上 ， 集中科研院所和各大高校的力量 ， 联合煤炭企 业立项攻关 ， 才能取得实质性 的进展。 1 ． 2 ． 3 压缩空气制冷降温 空气由压缩机压缩 、 经过冷却器冷却 ， 再 由减压 机减压膨胀后 由管道输送到采掘工作面 ， 通过引射 器均匀喷向工作面， 吸收工作面风流的热量 ， 达到降 温的目的 j 。该系统在技术上具有显著 的优点 ， 采 用压缩空气作为载冷介质 ， 大大减小 了输气管道断 面积； 该系统运行经济合理 ， 能够有效地解决我国当 前矿井集中降温存在的实际问题 ， 可用金属或橡胶 软管沿工作面布置， 使工作面上的冷量分布合理 ， 降 温效果好 ， 而且系统简单 ， 应用灵活。由于压缩空气 的吸热量有限， 该方法只能适用 于需冷量不大 的小 型矿井降温。 2 矿井 降温设计 中涉及的计算 问题 目前 ， 国内许多大型矿井都是采用人工制冷降 温技术来治理矿井热 害， 其中主要涉 及的是需冷量 和管道的计算 ， 最终计算出制冷系统的冷负荷。 2 ． 1 采掘工作面或机电设备硐室需冷量的计算 采掘工作面或主要机电设备硐室的需冷量按下 式计算 QG i 一i 式中 p为采掘工作面及机 电设 备硐室 的需 冷量 ， k w； G为采掘工作面及机 电设备硐室 的质量风量 ， k g ／ s ； i 为处理前采掘工作面及机电设备硐室的进风 风流焓值 ， k J ／ k g ； i 为处理后采掘工作面及机电设备 硐室的进风风流焓值， k J ／ k g 。 2 ． 2 供冷管径及保温层厚度计算 供冷管径可参照下式计算 D1 ． 1 3 V 厂 式中 D 为供冷管径 ， m； 为载冷剂循环量 ， ／ s ； 为流速 ， 一般可选用 1 ． 5～ 2 ． 5 m ／ s 。 保温层厚度可按下式计算 ． n 式中 D ． 为隔热管外径 ， m； D 为无隔热层管外径 ， m； t 为管内介质温度 ， ℃； t 为管外周围空气温度 ， ℃； 6 4 t 为隔热管外表面温度 ， ℃； a为隔热层外表 面的隔 热系 数 ， w／ m 2 K ； 为 隔 热 材 料 的 热 导 率 ， W／ m K 。 2 ． 3 载冷剂在 管道中的冷量损失计算 载冷剂在沿管道循环 的过程 中， 由于管壁传热 、 摩擦以及局部阻力 等原 因， 造成一定 的冷量损失 。 保温管道的冷量损失可按下式计算 7 c t 2一t 1 q T m瓦 式 中 q为每 1 m管道的冷损失量 ， W／ m。 制冷系统最终的冷负荷应该是采掘工作面或机 电设备硐室需冷量 、 输冷管道的冷损失 、 水泵对载冷 剂的加热量等的总和， 再乘 以一个附加系数。 3 发展趋势 对于一个矿井的降温工作 ， 具体的实施过程应 该是先采取 以通风为主的非制冷降温措施。当局部 地点热害严重时 ， 考虑局部制冷降温措施来对局部 地点降温。当热害范 围扩大到整个矿井时 ， 就要考 虑集中制冷的降温措施 ， 并逐 步实现制 冷系统 的大 型化 ， 制冷设备的多样化。提高制冷系统的效率 ， 实 现控制系统和测试系统的 自动化 、 可视化 ， 最终使矿 井降温系统朝着综合 、 高效 、 节能的方向发展。 4 结束语 根据 煤矿井下热害防治设计规范 ， 矿井热害 的治理应遵循技 术先 进 、 安 全可靠 、 经济合理 的原 则 ， 综合运用 国内外 已有 的科研成果 和成熟经 验。 针对热害十分严重 的矿井 ， 坚持人工制冷降温措施 和非人工制冷降温措施 相结合 的原则 ， 采取针对性 强的措施 ， 可取得 良好的降温效果。 参考文献 [ 1 ]王进 ． 矿井 降温空调 系统 的分 类及 发展 现状[ J ] ． 中 山大 学学报， 2 0 0 7 ， 2 7 2 1 0 9 1 1 3 ． f 2 ]刘忠宝． 高温矿井降温空调的概况及进展[ J ] ． 真空与低 温 ， 2 0 0 2 。 9 8 1 3 0 1 3 4 ． 『 3 ]陈平 ． 采用压 气供冷 的新 型矿 井集 中空调 系统[ J ] ． 矿 业 安全 与环保 ， 2 0 0 6 ， 3 1 3 1 4 ． 责任编辑 李琴