煤矿工作面冷却除尘设备的性能实验研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 煤矿工作面冷却除尘设备的性能实验研究 姓名潘黎 申请学位级别硕士 专业供热、供燃气、通风与空调工程 指导教师朱能 20070601 中文摘要 随着矿井深度的增加，矿井高温热害问题会越来越严重。开采深度越大，岩 石温度越高。就世界范围来看，矿井高温热害的主要因素有地热、采掘机电设备 运转时放热，运输中的矿物和矸石放热、以及风流下流时自压缩放热等四大热源。 就个别矿山而言，矿内高温水的涌出、强烈氧化等也可能形成该矿高温热害的主 要因素。 另一方面，矿井工作面空气含尘也是一个亟待解决的问题，煤矿井下粉尘是 在煤矿井下生产过程中产生的微细煤尘和岩尘，对人体和生产安全也有很严重的 危害。因此我们必须努力解决矿井高温和空气含尘的问题。 本文对矿井降温除尘系统进行了论述，重点对更加适合井下工作面的新型降 温设备的降温和除尘进行了详细测试。通过模拟井下的工况，包括空气温度，含 湿量，含尘浓度，采取相似的粒径分布，测试在不同的通风量，不同的喷淋量的 情况下，实验设备的降温和除尘效果。对于测试结果进行分析，然后提出解决和 改进方案。 该设备采用喷淋水雾的方式实现了降温和除尘一体化，旨在解决现有设备存 在的各种弊端，使其能真正的适应矿井这一特殊高温高湿环境。作为矿井工作面 新型设备的研制，关键在于它的可行性，也就是要适用于实际的矿井生产，为模 拟设备矿井内实际应用效果以及进一步发现问题、解决问题，最终使设备达到最 优化提供了有效的平台。 关键词矿井空调喷淋降温喷淋除尘 A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p i n go fm i n ed e p t h ，t h ep r o b l e mo fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h h u m i d i t y b e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ．T h ed e e p e rt h ee x p l o r i n gd e p t hi s ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ei s ． I naw o r l d w i d es i g h t ，t h em a i nf a c t o r sl e a d i n gt om i n e ’Sh i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g hh u m i d i t yh a r m a r eb e l o w e a r t hh e a t ，t h eh e a to fr u n n i n gm a c h i n e ，t h eh e a to fm i n em a t e r i a lo nt r a n s p o r t ，t h e s e l f - c o n d e n s i n gh e a to fa i rw h e nf a l l i n g ．T os o m ep a r t i c u l a rm i n e ，t h es p r i n g i n go fh o tw a t e r , s t r o n go x i d a n ta l s oc o n t r i b u t et ot h eh a r m ． O nt h eo t h e rh a n d ，t h ed u s t ya i ri sa n o t h e rp r o b l e mw h i c hi si na nu r g e n tn e e dt os o l v e ．T h e d u s ta i ri sm a i n l yf o r m e do f m i c r oc o a ld u s ta n dr o c kd u s t ，w h i c hh a sad i r e c th a r mt ot h eb o d y h e a l t ha n dw o r k i n gs a f e t y ．T h u si ti sn od e l a yt or e l e a s et h ep r o b l e mo fh i g h - t e m p e r a t u r ea n da i r d u s t y ． T h i sp a p e rf o c u s e sO i lt h e t e s t i n go ft h ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma b o u tt h ec o o l i n ga n d d u s t - r e m o v a la b i l i t y ．T oc e r t i f yt h ep o s s i b i l i t yo fp u a i n gi ti n t ot h ep r a c t i c a lm i l l ew o r k ．B y m o n i t o r i n gt h ec o n d i t i o no fm i n ew o r k i n gf a c e ，i n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , d u s t c o n c e n t r a t i o na n dt h es i m i l a rp a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o n ，t h r o u g ht h ec h a n g i n go fc o n d i t i o n s ， w ec a ng e tt h ec o n c r e t er e s u l ta b o u tt h ea i r - c o n d i t i o n i n ga n dd u s t - r e m o v a lc a p a c i t y , t h e nf i n d i n g o u tt h ew a yt oi m p r v et h es i t u a t i o n ，． T h ee q u i p m e n tC a nr e a c ht h ee f f o r t so fc o o l i n ga n dd u s t r e m o v a la tt h es a m et i m e ，t h u si tC a n g e tu s e dt ot h ec o n d i t i o no fm i n ew h i c hh a sas p e c i a lh i g ht e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ．T h e e x p e r i m e n tp l a t f o r mi sb u i R ，a n da f t e rt h et e s t i n g ，w ef m do u tt h ep r o b l e ma n dt h ep o i n t ss h o u l d b ed e v e l o p e d ，t h e ni m p r o v ei t sc a p a c i t yi no r d e rt om a k ei tf i tt h em i n ew o r k p e r f e c t l y ． K E YW O R D S n l i n e a i r - c o n d i t i o n ，s p r a yc o o l i n g ，s p r a yd u s t ．r e m o v a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 潜艇签字日期沙刁 年阳t 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁奎盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期砂巧7 车舌月Ig 日 签字日期 年月日 第一章绪论 1 ．1 问题的提出 1 ．1 ．1 热害的产生及危害 第一章绪论 热害是矿井的自然灾害之一，随着矿井开采深度的增加，矿井高温热害问题 会越来越严重，这主要表现在两个方面一是在现生产水平还未出现高温热害的 矿井，承平开采就有可能出现更加严重的热害闻题。隧着开采深度的增加，机械 化程度也越来越高，由此出现的机械散热也愈来愈大。 造成矿井气温升高的热源很多，主要有相对热源和绝对热源。相对热源的散 热量与其周围气溢差值有关，如高温岩层和热水散热；绝对热滚的散热量受气温 影响较小，如机电设备、化学反应却空气压缩等热源散热。高温岩层散热是影响 矿井空气温度升高的重要原因，它主要通过井巷岩壁和冒落、运输中的矿岩与空 气进行热交换而造成的矿井空气温度升高；另外当矿井中有高温热水涌出时，也 将影响整个矿井的微气候，藤使矿井空气湿度略有拜高p 】。 从总体上来看，造成矿井高温热害的主要因素有地热、采掘机电设备运转时 放热、运输中矿物和矸石防热和风流下流时自压缩放热等四大热源。’就个别矿山 两言，矿井内高澄承漏患、矿物强烈氧化等也霹能形成高温熟害。另外造成矿势 高温还有以下几个因素 其一是矿井开采深度大、岩石温度高。在我国中、北部地区，大部分高温矿 井都是由于此类原因所致。 其二是地下热水涌出。地下热水由予易于流动，且热容量大，是良好的载体， 地下热水主要是通过两个途径把热量传递给风流 ①岩层中的热水通过对流作用，加热了并巷围岩，围岩再将热量传递给风流； ②热水涌入巷道中，直接加热了风流； 采掘工作面风量偏低。通风不良风量偏低，是我国目前造成采掘工作面气温 较高的普遍性因素。据调查统计，我国煤矿长壁面供风量8 0 ％以上在 2 0 0 8 0 0 m ／r a i n 之阈，焉按降溢要求，离温回采工作面供风量至少应为8 0 0 m ／m i n 以上。 ’ 矿井的湿度通常采用相对湿度表示，矿并最适宜的相对湿度为5 0 ％．6 0 ％， 两矿井下空气的摺对湿度大多为8 0 ％- 9 0 ％左右，总回风道和圜风井的相对湿度 第一章绪论 接近1 0 0 ％[ 2 1 。造成矿井下空气湿度过大的主要原因是井巷壁面的散湿和矿井水 的蒸发；另外矿井开采过程的生产用水也是造成矿井下空气湿度过大的一个不可 忽视的重要因素。 长期在矿井下高温环境中作业，人的中枢神经系统特别容易失调，从而造成 人精神恍惚、疲劳、浑身无力、昏昏沉沉，这种状况成为矿山劳动生产率低下的 主要原因。调查表明在我国高温矿井中，一般劳动生产率均较低，有的矿山劳 动生产率仅为3 0 ％- - - 4 0 ％。矿井高温除了造成矿山劳动生产率低下外，还成为诱 发矿山事故的重要原因。据调查，1 9 8 4 年8 月3 0 日，黑龙江鹤壁某矿因回采工 作面风温高达3 2 ℃，相对湿度达9 9 ％以上，一个班就有4 名矿工因高温中暑晕 倒在工作地点；湖南省湘潭某煤矿1 9 9 6 年～1 9 9 8 年3 年的调查统计表明，在矿 井中2 9 ℃～3 2 ℃气温的工作面，矿井下温度与工伤频次的关系为作业地点气 温2 9 ℃，工伤频次为1 5 5 次／千人，作业地点气温3 0 ℃，工伤频次为2 3 1 次／千人， 作业地点气温3l ℃，工伤频次为3 2 0 次／千人，作业地点气温3 2 ℃，工伤频次为 4 8 6 次／千人；日本1 9 9 9 年全国调查统计，矿井中3 0 - - - 4 0 ℃气温的工作面比低于 3 0 ℃气温的工作面的事故率高3 ．6 倍；南非多年全国调查统计表明，当矿井中作 业地点的空气湿球温度达到2 8 ．9 “ C 时，相当于干球温度3 0 ℃，就开始出现高温 中暑死亡事故【3 J 。 矿井中高湿对人体的危害高湿是指矿井下的相对湿度超过8 0 ％，长期在高 湿的矿井下作业，将会使人产生一系列的生理功能改变，影响人的正常生理功能， 使人的机理不能有效地散发热量，出现中暑晕倒，严重的会出现死亡。另外，矿 工长期在高湿的矿井下作业，会使人患上风湿病、皮肤病、皮肤癌、心脏病及泌 尿系统和消化系统的疾病，还会使人产生心绪不宁、心情浮燥，诱发入精神方面 的疾病，严重影响矿工的身心健康。据调查有以下典型案例1 9 9 6 年7 月2 5 日， 湖南省邵阳某矿，因回采工作面风温高达3 2 ℃，相对湿度达9 8 ％以上，一个班 就有5 名矿工因中暑晕倒在工作地点，经抢救才幸免于难；湖南省冷水江某矿多 年调查统计表明，矿工长期在高湿的矿井下作业，患风湿病、皮肤病、皮肤癌、 心脏病的比例很高，并有如下调查结果患风湿病的比例为1 8 6 人／千人，患心 脏病的比例为7 9 人／千人，患皮肤病的比例为1 2 1 人／千人，患皮肤癌的比例为 4 5 人／千人【4 】。 ’ 由此可见，为了工人的身体健康，生产的顺利进行，必须严格保证矿井工作 面的环境要求，以适应高强度生产的需要。 1 ．1 ．2 煤矿井下粉尘性质及危害 煤矿井下粉尘是在煤矿井下生产过程中产生的微细煤尘和岩尘的总称【5 1 。煤 2 第一章绪论 矿井下粉尘具有如下特性 1 粉尘表面会吸附一层空气薄膜，阻碍粉尘的凝聚沉降； 2 细微岩尘粒径小、表面积大，其中游离二氧化硅容易溶解于人体肺细胞 中 3 采掘工作面产生的新鲜粉尘容易带电。 由于粉尘具有的这些特性，决定了它会产生以下危害 1 引起尘肺病 长时间吸入5l a1 1 1 以下的粉尘，就会引起肺组织纤维增生，即尘肺病，是煤矿 行业中最主要的职业病【6 】。严重的尘肺病还可能发展为肺心病，有很高的死亡率。 据统计，目前全国国有重点煤矿职工平均尘肺病患病率为6 ．3 3 ％，比西方发达国 家高出约5 ％【7 1 。 尘肺病患者累计达2 0 余万人，占全国尘肺病患者的一半。每年尘肺病患者死 亡人数是煤矿工伤死亡人数的5 倍，并且每年以4 0 0 0 , - ～5 0 0 0 人的速度递增。而在 地方国有煤矿和私人煤矿，患病的比例和人数还要高的多。 2 降低现场可见度 粉尘浓度过大会影响工作人员的视线，长时间停留在高粉尘浓度工作面会造 成视力衰退，不仅会妨碍正常的生产，降低采煤的工作效率，还会可能会造成生 产事故。 3 煤尘爆炸 煤尘爆炸的下限浓度为4 5 9 ／m 3 ，上限浓度为2 0 0 0 9 ／m 3 ，浓度为3 0 0 9 ／m 3 左右时 煤尘的爆炸力最强【8 】。虽然井下煤尘很少能达到这个浓度，但局部空问粉尘浓度 过高仍会引起爆炸，也会增加瓦斯爆炸的危险性。而一旦发生煤尘爆炸，就会造 成人员大量伤亡，设备严重损坏，同时爆炸时产生的高温、高压和冲击波甚至会 毁坏整个矿井，其后果不堪设想。 4 容易自燃 由于粒径小使煤尘自由表面能增加，从而提高了其化学活性和氧化产热能 力。当氧化反应产生的热量不能及时散发时，就会使反应自动加速，最终导致燃 烧的发生。根据自燃温度将可燃性粉尘分为两大类第一类粉尘的自燃温度高于 周围环境的温度，只有在加热时才能引起燃烧；另一类粉尘的自燃温度低于周围 环境的温度，即使不加热也会引起自燃。这种细小的煤尘颗粒漂浮在巷道中或者 过多的沉积就会有自燃可能，极易形成火灾。 5 损坏设备 高浓度粉尘会加速机械磨损，缩短精密仪器的使用寿命，造成较大的经济损 失。还会堵塞喷嘴，影响防尘设备的正常运行【9 】。 3 第一章绪论 1 ．2 本论文主要研究内容及研究方法 由上文看出，矿井工作面的降温和除尘是亟待解决的任务，它关系到生产的 顺利进行，关系到人们的生命安全，因此要研究出合理的设备，使之能比较高效 的降温和除尘。设备已经基本成型，本文的主要任务对其进行性能测试，并找出 提高降温除尘效率的有效方法。 为了完成本课题的研究，分以下三个方面 1 ．对矿井降温系统从整体上对降温解决方案进行探讨； 2 ．对矿井工作面末端设备喷淋过程中的热质交换过程建立数学模型， 3 ．对矿井工作面末端设备进行性能测试，测试包括以下几个方面 1 在室外正常情况下实验台的降温性能； 2 模拟矿井工作面工况，不含尘，测试在参数改变 包括温度、风速、空 气湿度，冷冻水的温度 的情况下实验台的喷淋降温性能； 3 模拟矿井工作面工矿，着重考虑其含尘情况，发尘，测试在参数改变 包 括温度、风速、空气湿度，水的流速 的情况下，实验台的喷淋除尘性能； 4 对测试结果进行分析，并提出解决方案，已获得更加有效更加实用的矿 井工作面空气除尘冷却末端设备。 4 第二章矿井高温热害的解决途径 2 ．1 引言 第二章矿井高温热害的解决途径 为保障矿工的身心健康和生产的安全进行，我国的矿山安全条例规定井下 工人作业地点的空气温度，不得超过2 8 ℃，超过是应该采取降温和其他保护措 施，同时煤矿安全规程规定采掘工作面的空气温度不超过2 6 ℃，机电峒室的 空气温度不得超过3 0 。C ，空气温度超过时，要采取降温措施。 改善矿内气候条件的措施很多，归纳起来有两个方面一为非人- r - 银j 冷措 施，即矿下通风一般来说，在地温3 1 ℃以上、3 7 。C 以下时，可能才生热害， 但这种热害一般通风方法 即非人工流的措施 就可以解决。二为人- r N 冷来冷 却风流的措施，也称为矿井空气调节；在地温达到3 7 。C 以上的地区，一般来 说，单靠加强通风来降低温度难以达到目的，应考虑采用人工制冷降温系统。 2 ．2 非制冷降温方法 煤矿井下热源很多，有物理热源，即地热、地下热水、空气压缩热、岩层沉 降热及其他电气机械热等。化学热源，即氧化反应热、坑木腐烂发热等。各种热 源的共同作用，使得煤矿井下温度升高，给煤矿生产造成困难【1 0 】。 通过对矿井热害进行调查，在矿井热害等级划分后，根据热源分布状况的分 析结果制定出合理的降温措施。 1 ．间接措施 1 加强安全教育，深刻认识热害的危害，提高自我保护能力。 2 借鉴国外先进经验，加强对矿工的耐热检验。 3 提高劳动生产率，减少劳动时间，降低劳动强度。 4 建立通风安全信息系统。 2 ．直接措施 不用空气冷却设备的降温方法 1 提前疏干热含水层。水的热容量非常大，在岩石空隙中有热水流动时， 围岩表面的散热系数就显著增大。矿井开采前可通过打钻孔或掘进疏干巷道，集 中排出热水，将水位降低到开采水平以下。 2 采用通风降温。采用通风降温的主要方法是增加风量法。增加风量可以 第二章矿井高温热害的解决途径 大大降低空气的含热量，是一种有效的降温措施。但是风量的增加不是无限制的， 它受到规定的风速和降温成本的制约。因此，为了改善通风系统，有效增加井下 通风量，可采取减少风阻、防止漏风、加大扇风机能力、采用合理分风与辅助风 路通风法、利用地温预冷井下入风风流、采用多级机站通风系统、加强通风管理 等措施。据现场增风降温的经验，高温工作面的风量最低限应为8 0 0 , - , 1 0 0 0 。采 场通风有多种形式，但以能抑制采空区热气串入工作面和增加工作面有效风量的 形式对降温最为有利。采用下行通风时，矿岩运输方向与风流相同，这样能使矿 岩运输过程中放出的热量和水蒸气以及运输设备的机电设备散热等不再返回工 作面，从而大大改善工作面入风流的空气状态。此外，新鲜风流从岩温较低的上 水平进入采区，从围岩获得的热量也相对较少。 3 选择合理的开拓方式和采煤方法。选择合理的通风系统、开采顺序和采 煤方法对井下风温控制是会起到一定作用的。苏联对科切加尔卡矿的中央式、侧 翼式、混合式通风方式进行了比较，在风速相同的情况下，对9 6 0 m 水平巷道的预 计风温进行了计算，其集中运输大巷末端的风温与中央式比较，侧翼式降低了 2 ．2 “ - 6 ．3 ．c ，混合式降低了2 ．4 “ - 9 ．3 “ C 。 采用后退式开采的采区，生产初期通风线路较长，这时回采工作面的风温将 较之前进式大为增高；前进式开采时，由于漏风量大，工作面风温将增高。 另外，顶板管理方法 充填法、冒落法 、工作面的推进速度以及工作面的 长度，对井下的温度也有不同程度的影响。 4 减少热源法降温。为了有效地降低工作面的温度，可以采取减少热源的 方法降温。主要包括①岩层热的控制。采用隔热物质喷涂岩层，防止围岩传热； 使巷道保持适当的干湿，提高风速以提高空气冷却能力；预冷矿层等。②机械热 的控制。采取机电硐室独立通风；选择辅助风扇并选择合适的位置；避免使用低 效率机械等。③热水及管道热的控制。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水仓。将高温排水管和热压风管敷设于回风道， 或将压缩空气冷却后再送入井下。④爆破热的控制。井下采掘爆破产生的热量， 一般在爆破后不久即由回风道排到井外，为了免受其影响，通常采取将爆破时间 与井下人员的工作时问分开。 5 采用个体防护措施。在矿工分散的井下高温作业点，不便采取集中降温 措施时，可采用个体防护措施。澳大利亚布里斯班的昆士兰大学研制成功两种新 型冷却工作服。其试验结果表明，当使用水冷却工作服时，人体出汗率可减少。 即使温度高达集中和地面与井下分别设制冷站的联合系统。这种工作服仍可将温 度调节到适合人体的温度。 6 其他降温措施。矿井高温在采用非制冷空调降温方面还有其他一些措施。 6 第二章矿井高温热害的解决途径 如全矿性的，可采用进风井口喷水；利用进风巷道岩层调热圈冷却风流；利用冻 结井筒的冻结壁，自然解冻作空调冷源等。局部性的措施有喷雾，放置冰块，利 用压风引射器通风，利用空气调节器降温等。 对某些矿井来说，不采用人工降温设备，有时也可以达到降温要求。但 是，对于热害较严重的矿井，采用上述措施改善井下气候条件不经济时，必须 安设制冷设备，进行人工空气调节【1 1 ’1 2 | 。 2 ．3 制冷降温方法 2 ．3 ．1 降温方法概述 矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域。当采用非空调降温措施仍 无法达到所要求的作业环境标准或不经济时，应考虑使用空调降温技术。人工制 冷降温是目前国内外普遍采用的降温措施。人工制冷降温技术关键是制冷、输冷、 传冷与排热，以及降温系统及其控制【1 3 】。． 1 制冷。制冷机按其结构特征分为离心式、螺杆式和活塞式，按对风流的 冷却方式不同又分为冷风机组和冷水机组。所谓冷水机组，就是载冷剂或称冷水 被制冷机的蒸发器冷却后，再输送到空气冷却器冷却风流，这样的制冷机组称为 冷水机组。用蒸发器直接冷却风流的制冷机组称为冷风机组。 由于煤矿井下空气中含有瓦斯、煤尘等可燃易爆气体，因此，要求制冷机所 用的制冷剂必须符合无毒、不可燃和无爆炸危险的要求。目前国内外广泛采用的 制冷剂为氟里昂。这种制冷剂虽然符合煤矿井下的特殊要求。但其散放到大气中 对臭氧层有破坏作用，世界上已逐步限制使用氟里昂制冷，2 0 1 0 年后，我国将 停止使用氟里昂。由于矿井冷负荷巨大，在地面上的冷机一般采用离心式冷水机 组。 2 输冷。在大范围的矿井降温工程中，制冷站制取的冷量大都通过管道用 水作为载冷剂进行输冷。在管道输冷技术中，主要解决1 个问题，即降低供冷管 道的冷量损失与降低管道的阻力损失。鉴于井下空气湿度大，巷道中有淋水，管 道敷设条件差及搬运困难等原因，保冷材料必须由防腐 防锈 层、隔热 保冷 层、防潮层 又称空气阻凝层 和保护层组成。 目前，国内外常用的矿用保冷材料以泡沫塑料制品为主。主要有聚苯乙烯、 聚乙烯、聚氨酯、苯酚甲醛、聚异氰脲酸酯及脲醛等泡沫塑料[ 1 4 , 1 5 1 。 利用冰块输冷。目前在南非已由试验向实际应用转化。2 0 世纪8 0 年代初期对 南非金矿的降温系统分析表明，井深达3 0 0 0 m 其井下地热条件相当于我国煤矿 1 5 0 0 m 深的井下条件 时，用冰块输冷较用水输冷有利。井越深，这种优点越突 7 第二章矿井高温热害的解决途径 出。在向井下输同样的冷量时，冰的质量、耗量约为水的1 ／5 。 3 传冷。如何有效地将制冷设备制取的冷量传递给风流，这是矿井降温中 的重要环节，目前国内外在传冷方式上主要有以下几种①表面式空气冷却器传 冷；②喷淋式空冷器传冷；③其他传冷方式传冷。 4 排热。如何有效地排除制冷机的冷凝热，是维持制冷机正常运行、提高 矿井降温系统经济效益的技术关键之一。制冷机安设在地面时，排热问题比较简 单，容易解决；当安设在井下时，排热问题比较复杂，且难以解决。目前世界上 许多井下大型降温系统都是利用回风流排热。普遍认为，利用回风流排热是一种 经济有效的方法。利用井下回风流排热的主要方式有①在井下水平巷道中建立 喷淋硐室；②利用井下暗立井建立垂直冷却塔；③为了适应井下小型制冷设备的 排热要求，制造出可移式水冷却器。 集中制冷降温系统分为3 种基本类型，即地面集中、地下集中和地面与井下 分别设制冷站的联合系统。用哪一种，要根据矿井的具体条件，通过技术经济分 析比较和系统优化确定。 蒸气压缩式循环制冷空调、热电站为热源的吸收式制冷机组都是利用制冷机 制备的冷冻水作为供冷媒质，通过空冷器冷却风流，从而向采掘工作面供冷，其 基本结构模式如图2 1 所示。这种空调系统根据制冷站的安装位置、冷却矿内风 流的地点、载冷剂的循环方式等，可分为井下集中空调系统、地面集中空调系统、 井上下联合空调系统和井下分散局部空调系统。 1 井下集中空调系统。该系统的制冷机设在井下，通过管道集中向各工作 面供冷水，系统比较简单，供冷管道短，没有高低压换热器，仅有冷水循环管路。 但是必须在井下开凿大断面峒室，给施工和维护带来困难，并且电机和控制设备 都需防爆，难度大，造价高。并且，随着矿井开采深度的增加，矿井需求冷量的 增大，井下集中空调系统的冷凝热排放困难则成为突出的问题，制约了制冷能力。 图2 ．1 人工制冷系统示意图 8 第二章矿井高温热害的解决途径 2 地面集中空调系统。该系统分为2 种一种是地面冷却风流系统，其全 部设备都在地面，对矿井总进风流进行冷却。由于冷却降温后的低温风流不断被 井下热源加热，降温效果变低。故仅适用于开采深度小、风流距离短的高温矿井。 另一种是井下冷却风流系统，其制冷机位于地面。载冷剂 冷水或盐水 通过隔热 管道被送到井下采掘工作面内的空冷器。从地面到井下高差大，载冷剂输送管道 中的静压很大，所以必须在井下增设一个中间换热装置 高低压换热器 。其中， 高压侧的载冷剂循环管道承压大，易被腐蚀损坏，且冷损较大。 3 井上下联合空调系统。该系统制冷机分别设在地面和井下，具有地面和 井下2 个系统的特点。该设备布置分散，冷媒循环管路复杂，操作管理不便。 4 井下分散局部空调系统。该系统的制冷机可移动，仅供1 个或局部高温 场所空调使用。蒸发器即相当于空冷器。冷量传输距离小，冷损小，初期投资少j 移动灵活。系统比较简单，但冷凝热排放困难，故仅适用于小范围的煤矿降温空 调[ 1 6 , 1 7 】。 由于矿井逐步向深部延深，地温高，回风温度也高，利用回风流排热困 难。因此，集中制冷站由井下转移到地面将成为发展趋势。 2 ．3 ．2 降温原理一 人工制冷降温系统由制冷机、空气冷却器和冷却水塔三部分组成。在制冷机 内，制冷剂在蒸发器内蒸发吸热而制冷，受压缩后在冷凝器内散热。冷媒在制冷 机的冷端 蒸发器内 冷却后。经管道送入空气冷却器，用于冷却空气。冷媒在制 冷机的冷端和空气冷却器之问循环。制冷机产生的热量则由冷却水带走。经冷却 水塔喷淋排热后。由水泵送回冷却器，循环使用。 常用的制冷剂有氨和氟利昂。氨有臭味和毒性，在井下不能使用。氟利昂 商 品名，化学名为卤化烃，分子式C 卅圩．f a ，，召‘是目前应用最广的制冷剂。常用的 种类有氟利昂1 2 R 】2 ，氟利昂2 2 R 2 2 和氟利昂1 l R 1 1 掣1 8 】。随着科学技术的进步， 氟利昂也将被其他性能更好的不污染环境的制冷剂所取代。 人工制冷应用形式 1 ．制冷机和冷却水塔在地面，对矿井总进风进行冷却。 2 ．制冷机和冷却水塔在地面，冷媒通过隔热管道送往井下，空气冷却器设 在作业面入口处，对作业面的入风降温。 2 ．3 ．3 制冷过程的计算 深井中散热源和常规空调的热源相比要复杂得多。并且不同的矿井相差很 大，下面介绍深井的主要热源的特点和计算方法【1 9 】。 9 第二章矿井高温热害的解决途径 1 矿井围岩表面放热 巷道掘进所暴露的围岩都是新鲜的，岩体对流热 g 和辐射热 Q 2 活动强 烈，其传热量与掘进面的风速、表面岩体温度等有关，传热过程呈动态变化。 表面放热产生的冷负荷由对流热和辐射热组成，在工程中采用等效温度法。 Q l Q 2 ％￡ 1 0 △‘一乙 2 - 1 式中Q 1 、Q 2 岩体对流热、辐射热所产生的冷负荷，w ； 吒，{ 广井表面放热系数，一般情况按风速来决定，W ／m 2 e ，矿井巷道表面积，m 2 ； 乞，岩体表面温度，‘℃； 乙矿井内空气温度，一般取2 6 ℃； △气由于辐射而产生的等效温度，当围岩的温度小于6 0 ℃，取3 ～5 ℃， 当大于6 0 ℃时取5 ℃。 2 矿内热水放热 位于断层附近的矿井，某些地点地下循环水的温度很高，甚至超过地岩温度， 成为热水型矿井，从裂隙流动的热水向空气大量放热，其散热量与水温、水的表 面积、风速等有关。其放热量的计算与岩表温放热相似，用Q 来表示。 Q 3 ％乞 乞 A r k f 式中 Q 3 _ 热水放热冷负荷，W ； C ，各类水的暴露面积，m 2 ； f 水温，℃。 3 矿物氧化放热 一些矿物容易和周围介质的氧气结合放出大量热量。开采这类矿物时产生的 粉尘由于其与空气接触面积增大，能助氧化并放热，因此氧化放热量计算非常困 难，一般以现场实测为准，用Q 4 表示。 4 井下机电设备、电力照明设备的散热量 电动机散发热量Q ，主要有①电动机本体温度升高而散入室内的热量；② 电动机所带设备散出的热量。 珐 1 0 0 0 n l 门2 n3 N ／r l 1 0 2 ．3 第二章矿井高温热害的解决途径 式中g 电机发热冷负荷，W ； n a 、一、九，利用系数、同时使用系数、负荷系数； 刁电动机效率。％； r 电动设备的功率，k W 。 照明设备属稳定得热，般得热量不随时间变化，用皱来表示。 Q 1 0 0 0 N 式中Q 照明冷负荷，W ； Ⅳ照明灯具所需功率，k W 。 5 人体散热量 人体散热量可按下式进行计算 Q n q 2 - 4 2 5 式中9 人体冷负荷，W ； 刀人数； 口不同室温和劳动强度散热量，井下工人应取每人4 0 7 W ／s 。 综上所述，并且考虑损失系数，取K I ．1 。所以，深井中空调总的冷负荷 鲰 1 ．1 E Q f 哪。 矿井降温中的空气调节 以下简称为井下空调 的重点放在高温的采掘工作 面，图2 - 1 中所示的是某一高温采煤工作面。由矿井风机向井下提供的新鲜空气 在采煤工作面的流动方向，是从机巷进入，流经工作面后由风巷排出，并且不能 回流或重复利用。图中阴影处表示需要开采的煤炭，是一种后退式采煤方式，工 作面将随开采推进方向而移动，直到留下保安煤柱为止。由于该气流沿图2 - 2 所 示流动方向被各种热源加热之故，其温度也随着升高，以至超过矿山安全条例 中的规定温度。 第二章矿井高温热害的解决途径 图2 ．2 采煤工作面的气流流动方向 目前，国内外井下空调的末端装置均采用表面式空气冷却器 以下简称空冷 器 ，它在采煤工作面的典型布置位置，如图2 - 3 所示，其中I I 剖面处为气流 干球温度降到矿山安全条例中规定温度的控制位置，在气流进入表面式空冷 器的一端，装有相应的轴流风机，并配备防爆电机。 图2 - 3 采煤工作面空冷器最佳位置图 进入空冷器的空气只是进入机巷的部分气流即如图2 - 4 所示，混合后再流入 工作面，即B ．B 剖面之后。混合后的气流温度t o 的高低，取决于进入机巷的空 气量 A ．A 剖面处，M 和它的状态参数 温度t o ，相对湿度巾。 以及空冷器的功率， 这正是井下空调中研究的核心问题。现将上述气流冷却与混合过程用i - d 图表示 于图2 5 中。根据图2 - 4 中A ．A 和B ．B 剖面之间系统的能量平衡，可以得N - 1 2 第二章矿井高温热害的解决途径 AB 6 、触卜 ≮一 矿用l U ．．／一 f 鲁；≥／ ”。- ／ l’J』‘ 。停栅 AB 图2 ．5 空气混合过程i - d 图 1 0 0 ％ 用冷却器处理空气时，一般来说，存在这样两个过程一是冷却器中冷媒的 温度低于空气的温度，但高于空气的露点温度，被处理空气温度降低而含湿量不 变，称为干式冷却；二是冷却器中冷媒的温度低于空气的露点温度，空气中的水 蒸汽将被凝结出来，空气温度和含湿量同时降低，称为析湿冷却过程。 2 ．4 喷淋降温方法的引入 目前国内外供井下掘进刚的移动式空调装置多为冷风机组，即利用制冷机上 的蒸发器来直接冷却风流，并通过通风机及导风筒将冷风送到掘进迎头。这里存 在着两个问题 第二毒矿势高温热害的解决途径 。 第一，由于风流和金属管道阉的传热系数要比液体 制冷剂或载冷剂 的低数 酉倍，为了增大它们的换热效果，表面式空气冷却器多采用翅片管，以增大其换 热面积，所以表面式空气冷却器的体积往往需要做得很大，此外，风流中的尘埃 也往往由于空气串水分的冷凝而一同淤积在其表面上，从而恶化了传热。 第二，输送冷风的风筒的表瑶积甚大，两且冷风机距离掘进迎头往往得有吾 来米远，由于漏风及散冷，送风沿途冷损甚剧，甚至会超过5 0 ％，致使掘进迎头 的空调效果大减。 为了解决这些闫题，可以认为在条件合宣时应该采用冷水直接喷淋式换热器 来直接冷却风流以取代问接的表面式空气冷却器，从而可使空气冷却器 或制冷 机上的蒸发器 的构造简单得多，体积也可以缩小。而且采用水泵、水管来取代 通风梳和导风篱来输送冷量也能大大缩小整套祝组的体积及减少冷损。 在掘进王作面上喷淋冷水直接冷却新裸鳕的岩石表面或在风筒里喷冷水以 冷却风流，其冷量基本上能全部作用到矿工工作的场所里，所以其冷却效果要比 冷风视好得多。此外，水一风壹接换热时，由于消除了温度跃迁，冷却风流的冷 水的进水温度要比表面式换热器的低一些，面回水的温度却可以高得多，使得制 冷机生产出来的冷量得以充分利用。 用水直接喷淋冷却掘进迎头的效采取决于永一岩与水一风闻换热的性能，计 算比较复杂。现仅对近～些年来薪推导出来的，用以计算矿井里水一风换热性能 的计算法。 2 ．5