矿井局部降温系统设计与降温技术工艺研究.pdf

分类号分类号TD 727 密密 级公级公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 学学 位位 论论 文文 矿井局部降温系统设计与降温矿井局部降温系统设计与降温 技术工艺研究技术工艺研究 付会龙 付会龙 申请学位级别硕士学位申请学位级别硕士学位 专业名称安全技术及工程专业名称安全技术及工程 指导教师姓名指导教师姓名 辛嵩辛嵩 职职 称称 教授教授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二〇一二年四月二〇一二年四月 论文题目论文题目 矿井局部降温系统设计与降温矿井局部降温系统设计与降温 技术工艺研究技术工艺研究 作者姓名作者姓名 付会龙 付会龙 入学时间 入学时间 2009 年 9 月 2009 年 9 月 专业名称专业名称 安全技术及工程安全技术及工程 研究方向研究方向 灾害预测与防治 灾害预测与防治 指导教师指导教师 辛嵩 辛嵩 职职 称 教授 称 教授 论文提交日期2012 年 6 月 13 日论文提交日期2012 年 6 月 13 日 论文答辩日期2012 年 6 月 4 日 论文答辩日期2012 年 6 月 4 日 授予学位日期2012 年 6 月 29 日 授予学位日期2012 年 6 月 29 日 STUDY OF THE MINE LOCAL COOLING SYSTEM DESIGN AND COOLING TECHNICAL PROCESS A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Fu Huilong SupervisorXin Song College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘 要要 高温热害作为深部煤炭资源开采中的严重灾害，高温不仅影响了围岩的力学性质， 而且严重影响矿井安全生产。课题研究首先从矿井热害理论入手，运用矿井热源计算与 矿井冷负荷计算理论，研究分析了采煤工作面热源分布规律，计算济宁二号煤矿矿井需 冷负荷，完善和丰富了矿井热害防治理论体系。局部降温从思路到技术方案设计，整体 方案在国内尚没有同类研究，在实践应用上具有创新性，在矿井热害防治领域有较强的 实用价值及推广价值。 针对济宁二号煤矿热害状况和矿井实际条件，提出区域集中式冷水降温系统设计思 路。利用制冷降温系统制取低温冷水，降低风流温度，介绍了系统工作原理、布置流程 及冷凝热排放方案，并对冷凝热排放方案进行了比较分析，选择间接使用矿井涌水作为 冷却水方式。区域集中式矿井冷水降温系统可以更有效的提高制冷系统降温效率，降低 初期投入成本，便于降温系统日常维护管理。区域集中式矿井降温系统设计是矿井降温 技术一次新的探索。 根据矿井具体条件提出了适合济宁二号煤矿的掘进工作面热害治理方案。利用局部 降温系统制取低温冷水，降低风流温度，介绍了系统工作原理、布置流程及其运行情况， 并对深井降温效果进行了分析。极大改善了井下工作环境，热害控制效果显著，具有广 阔的推广应用前景。 关键词关键词矿井热害，矿井涌水，降温系统，集中制冷，局部降温 山东科技大学硕士学位论文摘要 Abstract High temperature in coal mine at great depth is one of the most important facors that associate with mining disaster.It effects not only on the property of rock,but also on the safety of production in coal mine.Research of the subject start from the mine heat hazard theory, using of mine heat source calculation and mine cooling load calculation theory, research and analysis the heat source distribution law in coalface and cooling load of the Jining II coal mine. Further improve and enrich mine thermal damage control theory system. From ideas to technology design, the overall program in the country yet there is no similar studies in some innovative applications. The program is innovative on the practical application, and strong practical value and promote value in the mine field of the heat injury prevention. On account of the heat injury situation and the actual mine conditions of Jining NO.2 coal mine,Suggest new designing ideas of regional centralized cold water cooling system. Use of the low temperature cold water from cooling system, reduce the air temperature.Introduces the system operating principle, arrangement and the solutions of discharge heat condensation,Through the comparative and analysis, choose the solution of indirect use mine gushing water as cooling water.The regional centralized cold water cooling system of mine can more effectively improve the cooling system cooling efficiency, reduce initial investment costs, facilitate Cooling system routine maintenance and management.Centralized mine mine cooling technology cooling system is a new exploration. According to the specific conditions of the Jining No.2 coal mine make heat injury management program in driving face. Making use of local low-temperature water from cooling system, lower the heat of airflow, introduced the system working principle, layout and operation processes, and analyzes the effect of deep mine cooling.It greatly improves the working environment of the working face and the heat-harm control is efficient. Keywords heat hazard in mine, mine discharge, cooling system, central cooling, local cooling 山东科技大学硕士学位论文目录 目目 录录 1 绪 论 绪 论 ..............................................................................................................1 1.1 课题研究的背景及意义.............................................................................................1 1.2 国内外研究现状.........................................................................................................3 1.3 课题研究的主要内容和研究方法.............................................................................5 2 矿井热害及回采工作面热源分布规律矿井热害及回采工作面热源分布规律..........................................................8 2.1 矿井热害的类型及危害.............................................................................................8 2.2 井下主要热源...........................................................................................................11 2.3 采煤工作面热源分布规律研究...............................................................................17 2.4 本章小结...................................................................................................................24 3 矿井降温冷负荷计算矿井降温冷负荷计算................................................................................... 25 3.1 矿井热害形成机理...................................................................................................25 3.2 矿井冷负荷计算.......................................................................................................30 3.3 济宁二号煤矿需冷负荷的确定...............................................................................33 3.4 本章小结...................................................................................................................36 4 矿井局部制冷降温方案设计矿井局部制冷降温方案设计....................................................................... 37 4.1 局部移动式降温系统设计.......................................................................................37 4.2 井下区域集中式冷水降温系统设计.......................................................................45 4.3 特殊岗位热害防治...................................................................................................55 4.4 本章小结...................................................................................................................58 5 冷凝热排放方案设计冷凝热排放方案设计................................................................................... 59 5.1 回冷机与冷却塔方案...............................................................................................59 5.2 矿井涌水排热方案设计...........................................................................................62 5.3 本章小结...................................................................................................................68 6 济宁二号煤矿局部降温工程实践济宁二号煤矿局部降温工程实践............................................................... 69 山东科技大学硕士学位论文目录 6.1 工程实践情况...........................................................................................................69 6.2 降温效果分析...........................................................................................................70 6.3 本章小结...................................................................................................................72 7 结论与展望结论与展望................................................................................................... 73 7.1 主要结论...................................................................................................................73 7.2 主要创新点及工作展望...........................................................................................74 致致 谢谢 ................................................................................................................. 75 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 76 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况......................................... 79 附录附录 ..................................................................................................................... 80 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction.........................................................................................................................1 1.1 Backgroud and Significance of Project...........................................................................................1 1.2 Research status at home and abroad................................................................................................3 1.3 Main research contents and s...............................................................................................5 2 Mine heat-harm and heat source distribution law...........................................................8 2.1 Types of mine heat-harm and hazards.............................................................................................8 2.2 Main heat source in mine.............................................................................................................. 11 2.3 Heat source distribution law in coalface .......................................................................................17 2.4 Summary.......................................................................................................................................24 3 Cooling load of mine cooling calculation.........................................................................25 3.1 ation mechanism of mine heat harm.....................................................................................25 3.2 Mine cooling load calculations .....................................................................................................30 3.3 cooling load calculations of JiningⅡCoal....................................................................................33 3.4 Summary.......................................................................................................................................36 4 Mine local refrigeration program design........................................................................37 4.1 Local mobile cooling system design.............................................................................................37 4.2 Regional centralized cold water cooling system design................................................................45 4.3 Special post heat damage control..................................................................................................55 4.4 Summary.......................................................................................................................................58 5 Condensation heat emission program design.................................................................59 5.1 Back cooling device and cooling tower program..........................................................................59 5.2 Discharge heat by mine inflow design..........................................................................................62 5.3 Summary.......................................................................................................................................68 6 Local cooling engineering practice in JiningⅡⅡCoal ......................................................69 6.1 Engineering practice......................................................................................................................69 6.2 Analysis of the cooling effect........................................................................................................70 山东科技大学硕士学位论文目录 6.3 Summary.......................................................................................................................................72 7 Conclusion and Prospect...................................................................................................73 7.1 Conclusion ....................................................................................................................................73 7.2 Innovation and job prospect..........................................................................................................74 Acknowledgement ...................................................................................................................75 References ................................................................................................................................76 Scientific Research and Published Papers ............................................................................79 Appendix ..................................................................................................................................80 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪 论 绪 论 1.1 课题研究的背景及意义 课题研究的背景及意义 1.1.1 课题来源 论文依托企业委托项目， 2010 年 8 月山东科技大学与兖矿集团济宁二号煤矿合作开 展了“济宁二号煤矿深部开采降温技术研究”的研究工作。针对兖州矿业集团有限公司 所辖济宁二号煤矿目前存在的采掘工作面等主要工作地点高温热害问题， 进行理论分析、 工程实践与现场试验研究。论文就是在原有研究的基础上，对高温矿井局部降温系统方 案设计及主要热害地点的降温技术工艺进行了更深层次的研究，以期达到更好的应用效 果。 1.1.2 选题依据选题依据 我国华东地区的多数生产矿井、部分新建矿井都不同程度的存在着高温热害问题。 井下高温高湿的气候环境会降低工人的劳动效率导致工人失误率增加，危害工人身体健 康，从而影响矿井的正常安全生产。为了有效的解决这一问题，就必须进行相关的理论 研究与试验应用[1]。不断拓宽矿井降温的新思路、新方法，对我国矿产资源的深部开采， 意义重大。但目前我国对于矿井降温的研究相对国外来说又十分缺乏，不能满足煤炭资 源开采的发展需求。基于巨大的开发价值、科学的理论依据以及广阔的市场前景，可以 确定高温矿井热害防治技术的研究是可行的，而且是势在必行的。 1.1.3 课题背景课题背景 矿井热害是继瓦斯、煤尘、水、火、顶板影响煤矿安全生产的“第六大灾害” 。近年 来，随着煤矿开采向深部转移，越来越多的矿井面临着又一难题高温热害。我国东部 地区尤其是华东地区经济发达,能源消耗量大。但是这一地区煤炭资源赋存又十分紧张, 开采深度不断加大,部分生产矿井开采深度已经达到-1000m 左右。因此，合理开发利用 深部煤炭资源对我国华东地区乃至整个国家二十一世纪经济的可持续发展具有重要的战 略意义[2]。 高温热害矿井，一般情况下依靠矿井通风不能完全解决热害问题。所以，传统的矿 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 井通风观念与常规的矿井通风方法已不能彻底解决高温高湿的矿井热害问题。为提供良 好的矿井工作环境条件，当开采深度超过矿床极限开采深度时，机械制冷降温成为矿井 热害治理的必须手段。目前矿井机械制冷空调系统根据热力学特点主要分为为机械制冷 水降温矿井空调系统、冰冷却矿井空调系统、空气压缩制冷矿井空调系统。采用何种矿 井降温系统，并如何进行方案设计是做好矿井制冷降温工作的重点。 目前矿井制冷降温有多种方式，如全矿井式制冷降温、局部制冷机降温。介于全矿 井集中制冷降温系统与局部制冷机组制冷降温，区域集中制冷降温系统技术研究仍有许 多亟待解决的问题，本课题就是针对这一特定矿井降温方式提出的[3]。 本论文就是在这样的社会、经济、科技背景下，通过研究矿井深部资源开采安全高 效的降温技术，促进我国深部矿产资源的开发。 1.1.4 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 在充分了解矿井热害现象产生规律的基础上，对矿井局部降温系统及其设计方案进 行分析研究，提出合理的局部降温系统设计方案，通过方案的实施完善矿井深部资源开 采区域制冷降温技术理论和技术工艺。矿井局部降温系统建立后，针对矿井具体开采、 开拓部署，对采掘工作面、机电硐室等主要热害地点制冷降温技术工艺进行优化分析， 提高矿井降温效果。最终形成矿井热环境调查分析→矿井降温系统及方案设计→制冷降 温技术工艺优化分析→局部降温效果研究分析，这一完整矿井热害防治技术体系。 1）课题研究的意义 课题研究首先从矿井降温系统设计理论入手，运用相关矿井制冷降温系统设计理论 方法进行应用创新；针对高温热害矿井局部制冷降温方式，结合矿井通风理论、试验研 究等多种研究手段及方法，对矿井热害防治理论体系的进一步完善和丰富。从思路到技 术方案设计，整体方案在国内尚没有同类研究，其在应用上有一定创新，矿井局部降温 方案设计对防治矿井热害有较强的实用价值及广泛