矿井降温技术的研究与应用.pdf

耩 整攀 一 ／ 矿井降温技术的研究与应用 技 术 中一 李洪刘贵平 。 7 ≥ 7 内容提要 末文针对 五矿 井下热害现状 ， 经过 分析研 究与优化 ． 提 出可行 的降温 措施 ． 并取得 j 良好的经济效益和社会效益 。 关 键 词井下 降温措施选 用 设备研制 效 益 效果 一’ ～ 1 基 本情 况 五 矿是 1 9 5 6年 底开 工 兴 建． 1 9 5 8年 底 投 产的大型矿 井 ． 设计生 产能力 1 2 0万 1 ／ a 日前 己三采 区是 该矿 的主力采 区 设计能力 6 0万 t ／ a ． 1 9 9 4年 5月 投 产 主 要 回采 6 5 0 m 水 平以上煤层 ， 现 有 3个 回采 _ I 作而 ． 一 般配置 j 7个掘进 工作面 随着开采深度 不断增加 ， 岩层温度也随之 升高 。 采掘工作面 环境 不断恶 化 ， 是 目前 平顶 山矿 区热害 最严 重 的 采 区． 工 作 面 空 气 温 度 一 般 为 3 1 3 4 C， 个 别高 达 3 5 C， 空 气 相 对 湿 度 9 6 ～ 1 O 0 ， 大 大 超 过 了 矿 山安 全 法 规 定 的 2 8 C的指标 工人们在闷热潮湿的环境条件 下工作 ， 不同程度 的出现胸 闷、 头晕、 中暑 、 皮 肤患湿疹 等症状 例如 l 9 9 5年 己三采区曾发 生 3 0多人次 在作业地 点昏倒 。 高温热害严重 地威胁着 矿工的身心健康 ， 出勤率 、 劳动生产 率明显下 降 对此平煤集 团公 司领 导十分重 视 ， 把五矿井 下降温工作列为重 点 ． 每年 拨专 项资金用于研 究矿 井热 害的治理 2 造成 己三采区气温偏高的原 因 为查 清 己三采 区热 害状况 ． 技术 中心 与 五矿等单位， 对井下风流热力参数和工作面 围岩参数进行 了长期观测． 经整理分析后认 为 ． 造成 己■采区气温偏高的主要原 阁是 『 n柔深 大． 最 大采探 达 9 0 0 m． 原 始 岩温 确咏 高 ． 由原来 的 3 7 C上 升到 4 2 c 4 j 0 m ， 围 岩放热是主要原 ， 纠占 放热量的 6 5 。 ②热水涌 出放拙 ． 三三皮带下 山等 多 处有 4 2 、 的热水涌 iL 经进 风巷 ． 使进风流 焓值增丈 风温升高 趣 通风距离长 新鲜风流沿途 1 断被驯 热 升 温 -毒其他热源 ． 如 大功 耋的机 电设 胺热 氧化散热等 。 3 降温措施选择 目前常用的降温措施有 增大 风量 、 局部 降温 、 井下集 中空 ． 地面婆中降温和井 上下 联合集中降温 5种 3 ． J 增 吼降温 。在 条件许可 时应优先 采坩。 当进风温度小于 2 8 ． 工作 面围岩温 度不太 高 的情 况 F， 采取加大风量可达到 降温 目的 但 当进风 温度大于 2 8 C， 围岩温度高于 3 7 L 时 ， 采 取加大风 量 的方 法是不 可能将 工作 面 的干球气温 降到 2 8 c以下 的 据调 查 ． 6-9 月份工作 面进风温度均超过 2 8 、 ， 达 3 0c左 右 ． 仅 靠加大风量 已币能满足降温要求 3 ． 2 局部降温 。 此方 式投 资小 ． 上马快 ． 机动 灵活 ， 适用于个别边远局部工作面制冷降温 。 缺 点是制 冷量小 ， 运 行费较 高 ． 不 易管 理等 。 在井下集 中空 渊 系统 来运 行 之前 ． 为尽快 解 决 近期 己三采 区的高温 热害 问题 ， 在掘进 l r 维普资讯 撵 鬟黪 作面采用 由平煤技术 中心与 6 0 9所共同研制 的 KKI ． 1 0 1矿 用空气制冷 机 ． 取 得 了 ～定的 降温效果 但是 ， 己三采区的 3 个采面 6 个掘 进 头气 温 均 在{ 0 3 4 C． 采取增 风 降温 、 局 部降温从根 上解决不 了降温 问题 。 因此 ． 结 合 己三 采区的具体条件经过详细的技术经济 分析 比较 和优 化设计 ． 确 定采用井 下集 中制 冷降温方式对 已三 采区的高温采掘工作面进 行降温 。 实践证 明， 井下集 中制冷降温方式是 行之有效的措施 。 4 井下 集中制冷 空调 系统 4 ． 1 井下集 中空调 系统 井下集 中空调就是将 1台或多台制冷机 集 中放 在井下 专 用硐室 ． 通过输送 冷媒 水 至工 作地 点的空 冷 器而 达到 冷 却 风流 的 目 的 ， 如 图 1所示 。 制冷站设在 己三风井底的进 回风联 络 巷处 ， 1 9 9 6年安 装 1台 3 0 0 KW 的 防爆制 冷机 组 ， 1 9 9 8年 又安 装 1台 1 0 O 0 KW 的防爆制冷 机组 ， 总制冷能力 1 3 0 0 KW ， 对 4 5 0 m 标 高 以上 的 高温 采掘 面 进 行 制 冷 降 温。工作方式是 从制 冷机蒸茇器制 出的 6 8 c低温冷水 ． 通 过铺 设在己三 轨道 下山的隔 热 管道 ． 送至工 作面 附近的高 压空冷 器 中与 新鲜 风流 进行冷 热交换 ． 后返 回制冷 机循 环 使用 ， 被冷却后 的风 流再 由隔热 风筒送 至工 作面 ， 达到降温 目的 。 制冷机 冷凝器 排出的冷 凝热 ， 分 别采 用井 下喷 淋 回风 排热 和地 面 冷 却塔 散热把 冷凝热 排往大 气 中 ． 这 种井 下集 中制 冷 井 上下联 合排热 的空调方式是 目 前国内唯一正 式投 入运行 的系统 。 4 ． 2 热力计算 4 ， 2 ． 1 降温标准与范围 己三 采 区现有 3个 采面 6个掘进 头 ． 环 境 温 度 一 般 在 3 O 3 4 、 ． 均 大 于 2 8 、 的 标 准 ， 都需 要降温 。 但考虑资金情 况和五矿 生产 计划安 排， 先对 2面 2头实施制冷降温 ， 把采 掘工作面的气温 降低到 2 8 c以下 4 ． 2 ． 2采掘工作面需冷量 据 实 际测 定 ． 己三 采 区总 的供 风 量 为 R 4 8 0 0 m ／ mi n ． 采 面 配 风 量 8 0 0 m ／ rai n ． 掘进 面配 风量 3 3 0 m。 ／ mi n ． 根据 降温 标 准和长 期 现场观测 参数 ， 需冷量 由下式求得 图 1五矿 己三 降温 工程 I期 示意 图 Q 0 ． 0 2 G x i 式中Q 需冷量 ． KW ； G介质流量 ， m ／ mi n； △i 介质增焓 ． K J ／ k g 经计算求得采煤工作面需冷量 3 8 0 KW ． 掘进面 1 3 0 KW ． 总需玲量 1 0 2 0 KW 4 ， 2 ． 3 制冷站能力 由总需冷量考 虑一 定的冷 量 损失 ， 则制 冷站制 冷能力 1 2 2 4 KW ． 排热 能力 1 7 0 0 KW 所 以 ， 选 择 3 0 0 KW 和 1 0 0 0 KW 的制 冷 机各 一 台 ． 总制冷 能力 1 3 0 0 KW 4 ． 3确定制 冷站 位置 制冷 站位置应根 据 矿井 的生产条 件 、 供 冷范 围、 方便 排热 等因素来 确定。 考虑制冷站 主要服务于 己三采 区及延伸后采 区的降温需 求 ． 本着投资少 ， 上马快 ． 见效快 的原则 ， 并结 合采 区巷道 布置 ， 确定制冷站 设在 己三 采 区 维普资讯 上车 场的进 回风联络巷 处 ， 通过铺 设在采 区 轨道 下山的保 冷管道 向采掘 工 作 面供 冷 降 温 。优点是 ①无须开凿新的硐室 ， 利用原有 的进 回风联络巷 ， 稍加整理就可使用 ②冷凝 热排放方 便 。 制冷站 比邻采 区总 回风巷 ， 距 离 仅有 1 0 0 m， 不 论采取 “ 回风排 热” 还是 “ 地 面 排热” 都非常方便 。 ③制冷站标高 一2 2 0 m， 目 前服 务 于 一4 5 0 m 以上 的 工 作面 降温 ， 今 后 采 区下延 ， 只需延长输 冷 主干管和 更换大 扬 程的冷水泵即可 ， 无需搬迁制冷站 ， 避 免重复 投资 ， 做到一次设计到位 ， 逐 步配套完善 4 ． 4 开发矿用 空调设备 我 国从 7 0年代开 始对矿 井热 害的治 理 研 究以来 ， 曾成功地 开发 出小型矿 用制冷设 备用 于局部地点制冷降温 。如掘 进面使用的 “ 冷风 机” 、 “ 涡轮膨胀机 ” 等 。 但 目前国 内还没 有适 合煤矿井 下制冷降温的大型 防爆 制冷机 组 ， 急需研制开发 。 根据五矿 己三采 区降温工 程 ， 我 们成 功地开发研 制 出了大型 矿用 防爆 螺杆制冷机组及其配套设备 该机 由平煤 技 术 中心与武汉苇 单位 合作 ， 共 同开发研制 的 ， 从而解决 了 目前 国内一直没有解决的制冷机 防爆 技术难题 。经上海 防爆 检查站认证 “ 达 到 防爆要 求 ， 允 许下井使 用” 。 该机的特 点是 ①矿 用防爆 ， 采用正压 防 爆技 术 ， 使有害气体 无法进入 电控柜 内， 杜绝 了燃 爆的 可能性 ， 适合煤 矿井 下及有爆 破危 险的 场合使用、 ②改冷媒大流 量为小流 量 、 小 温 差为大温差等非 标参 数。 这 样 ， 既满 足了井 下空 调需求 ， 又节省 了管 材和运行 费用 ． 并 且 循 环水量小好处理。 ⑧改变设 备体 积 ， 受井下 特殊条件限制 ， 提高制冷机工作压力 ， 并把 该 机解体为三部分 ， 以适应井下 空间狭小 ， 运 输 安 装不便的特定环境 。 本着 由小到 大逐步推广 的原则 ， 1 9 9 6年 研 制 I台 3 0 0型的防爆 制冷机用 于 1个采煤 工作面降温试点 。应用证 明 设备性能 稳定 t 运 行可靠 ， 效果 明显 ， 为下一步降温工作积累 了经验 1 9 9 7年 又研制 1台 i 0 0 0型制 冷机 ． 与 已运行 的 3 0 0型 机联合运 行 ． 对 己三采 区 的 2面 2头 实施 降温 ． 取得了 良好的效果 4 ． 5 低耗输玲 用平煤 技 术 中心研 制 的双层 隔热 管道 ． 把制冷机输 出的 冷媒 最大 限度 地输 送到 需冷 地 点。特点是 冷 损小 ， 只占 总供冷量的 5 ． 结构简单 ， 坚固耐用 ， 加工 安装 方便 等 。 4 ． 6 矿 用 空 冷 器 指具有 良好换热性 能的末 端设 备 。空冷 器 冷热交换性 能的优 劣 ， 直接 影 响到 采掘工 作面空调效果 ， 目前国 内无定型产品 。 针 对煤 矿 井下粉尘大 ， 湿度 高 ， 空 间狭小 、 工 作压力 - 、运输安装不便的特殊要求 ， 开发 研制 出小 型 可移动高 压组合 式矿用 空冷器 ， 填 补 了国 内矿用 空冷器的 空白。 其技术达到 国际先进 水平 ， 适合煤矿井下使用 ， 能满足井下空调 要 求 ， 并取 得 了 良好 的效果 。该设 备 主要特 点 是 ①机 芯为光管式结构 ， 具 有较高 的换 热系 数和 良好的 防尘能力 ； ② 内设高压喷淋排管 ． 可 定期清洗积尘 ； ③体积小重量轻 ． 移动安装 方 便 ． 可 根据需 冷 负荷 的大 小象积 木一 样任 意组合 ， 满足不同的降温需求 。 4 ． 7 排放制冷机冷凝热 目前 ． 制 冷站设 在井 下时常 用 的排热方 式 有 利 用 回风 排热 、 利用矿 井水排 热 、 地表 水排热和地 面排热等 4种 。针 对制 冷站 位置 比邻 己三 采 区总 回风 的有 利条件 ． 优 先选 用 “ 利用 回风排热” 方式 。 经实测 ， 己三 回风温度 夏 季为 2 8 3 O ℃， 相对湿度 1 0 0 ． 且在己三 风井底有 一段近 百米 的平 巷稍 加改造就 可以 利用 ， 外部条件 非常 好 。但经过 热力 参数计 算 ， 回风最大 排 热能力 不足 8 0 0 KW ， 只能带 走约 1 ／ 2的制冷机冷 凝热 。 因此 ， 采用以地面 冷却塔散 热 为主、 井 下喷淋 巷道 利 用 回风散 热 为辅 ， 形成井下集 中制冷 ． 地面井下联 台排 热 的空调方 式 。 5空调效果 井 下 集 中 空 调 系 统 运 行 后 、先 后 对 己_ 2 3 O 7 1 、 己 2 3 1 1 1 、 己 一2 3 1 O 1采煤 日 维普资讯 灌 箨 工作面及 己三采区行 人下延掘进工作面进行 降温 ． 效 果 良好 据 实测 ． 平均降温 4 s【 、 ， 大大 改善了作业 环境 ． 提高 了劳动生产效率 据 不完全 统计 ． 采煤 工 作面 产量 降温 后 比降 温 前 多 出原 煤 6 0 0 0 t ／ 月 ． 劳 动 生 产率 提 高 1 8 ． 出勤率 由 5 0 6 7 提 高 到 g O ， 并 且 采取空调措 施 的采 掘 工作面未 发生 中暑 、 晕 倒 、 皮肤患湿疹等疾病 。 工人“ j 高兴地 说 我 们煤 矿工人真 有福气 ． 下班后 金 茸 谭 ． 上 班到井 下干活也有 空调 ． 再不 用光着 I 股 干 活了” 。收到了很好的经济效盏和社 会效益 采煤工作 面降温前后 风温对 比曲线 记圉 2 图 2不 煤 工 作 面 降 温 前 后 风 温 对 比 曲 线 从 空调效 果看 ． 影响 工作面 降温效 果 的 因素比较多 ， 当空冷器释放出的冷量 一 定时 ． 空冷器离工 作面越近 ， 隔热风筒 隔热性 能越 高 ， 供风 量越小 在允许范 围内j ． 形成 的降温 效果越好 。但是 在采煤工作面 的 上部效果 不 明显 ， 这 是 由于 低温冷 风在 由采 面下 口进 八 向上部 流动 的过程 中， 受岩温 ． 特别是老塘散 热 的影 响 ． 风流的冷量衰减特别快 ． 造成 采面 上接 6页 而锚索支 护仅需投入锚索 ， 锚杆 ， w 钢带 钢 筋梁 ． 网 等 ． 一次 性 投 入 2 5 ． 0 9 2 万元 ． 可节省材料 费 1 6 9 ． 8 5 7 了 元 3 节 约 工 期 2 ． 5个 月 按 月 产原 煤 9 ． 0 万 t 计算 ． 可 多产原煤 2 2 ． 5万 t ． 按售 价 l d 0 元计算 ． 叮产生经济效益 价值 3 l j 0 J 5 应 用前景 由于 目前锚索支护施工越来越广泛地l j ， 用于断层破碎带 、 裂 隙带 、 经软岩层大断童 ⋯0 下部 风温较 低冷量过 剩 ． 采面 上部冷 量不足 降温幅度不大 ， 难点 是采 面上 出13附近 。 建议 采取一 些措 施 ， 把 有效冷 量尽 可能地均 布采 煤工作 面， 如加长隔热风筒 、 增设挡风帘等 6 结束语 1 制 玲降 温是 解决矿 井 高温热害 的有 效手段 ． 既有 明显 的经 济效 益 ． 也有不可估量 的 社 会 效 益 2 成功 开发并应 用矿 用防爆制冷机组 ． 解决 r一 直 围扰着我 们的制冷 机 防爆 问题 ， 并改 变 了我 国制 冷行业 小温 差 At 5 、 、 大 流量不 适用 于井下 空调 的现 状 ， 代 之 大 温 差小流量。 3 新开发的高压组合式空玲器 ， 特别适 合井 F粉 尘大 、 湿度高 、 空 间狭 小． 运输 安装 不便的特 殊场合使 用 ． 并 能随着 需冷 负荷 的 变 化而变 化， 满足不同场台要 求 。 4 五矿 己三 采 区井下制冷 一地面排 热 降温 系统是 目前 国内正式投 运行的唯一一 家 ， 实践证 明， 系统设计合理 ， 运行可靠 ， 降温 效 果 明显 ， 平均 降温 幅度 4 6 、 ， 能够 满足 把 采掘 工作面气温 由 3 3 C降到 2 8 、 的要 求 ， 为今 后其 他高温矿井制冷积 累了经验 。 【 5 鉴于集中制冷工程一次性投 资大 ． 施 工 周期长 ． 建 议今后 加强“ 冰 蓄冷 技术” 在矿 井空调方面 的应 用研究 ． 开发研制投 资少 ． 上 马快 ， 机动灵活 ， 适台芳下使 用的小型 防爆制 冷机 例如 ， 国外开发研 制的 小型 防爆冰孔机 在掘进 ] 作 面制冷 降温 ． 获得成功 工程 中 ． 只要 支护 参数选择 得当、 保证施工质 量． 其效果十分明显。同金支、 砌碹等支护相 比． 青其 明显 的优越性 ， 就 目前 而 言 ． 类似煤 层综放面沿煤层底板掘进全锚支护在全国仍 是 - 一 个空 白 ． 相信 ． 随着锚索 支护在 实践 巾的 长期 摸索 与 不断 创 新 以及 在煤 矿 、 水利 、 隧 道、 地铁等行 业的大力推r应用 ， 这一技 术亦 会逐 步 趋 1 完善取 得 良好 的技 术及 经 济 效 果 } I 维普资讯