自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降温技术研究.pdf

shi 全日制硕士学位论文 申请人姓名 尚雅斐 指 导 教 师 徐文忠 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 土木工程 研 究 方 向 通风及空调工程 河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院 二二〇〇一一五五年年四四月月 自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井 降温技术研究降温技术研究 万方数据 中图分类号中图分类号TD727 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井 降温技术研究 Study on the Natural Cold Source Precooling Mine Cooling Technology of Compressed Air Transport Cold 申请人姓名申请人姓名 尚雅斐尚雅斐 学位学位类别类别 工工学学硕士硕士 专专 业业 名名 称称 土木工程土木工程 研究方向研究方向 通风及空调工程通风及空调工程 导导 师师 徐文忠徐文忠 职职 称称 教授教授 提提 交交 日日 期期 2015.04 答辩日期答辩日期 2015.06 河南理工大学 万方数据 万方数据 河南理工大学河南理工大学 学 位 论 文 原学 位 论 文 原 创 性 声 明创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降温 技术研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰 写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 指导教师签名指导教师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 万方数据 致致 谢谢 时光荏苒，光阴似箭，三年的研究生生活即将划上句号。回首三年间的学习 和生活，有很多经历难以忘怀，有很多感慨还留在心中，有很多人需要感谢。我 希望在此向你们给予我的帮助表达最诚挚的谢意。 首先，我要感谢我的导师徐文忠教授，本次论文是在徐文忠教授耐心细致的 指导下完成的。徐文忠教授不仅在专业知识上学识渊博、融会贯通，教学态度上 兢兢业业、勤勤恳恳，还在工作中精益求精、诲人不倦，其朴实无华、平易近人 的作风也深深地影响了我。这次能够如期顺利完成研究生毕业论文的研究内容， 离不开徐文忠教授平时的严格要求。从选题、开题到对论文的反复修改，每一项 过程徐文忠教授都倾注了大量的时间和精力对我耐心指导。在此，我想向徐文忠 教授致以我最衷心的感谢与最崇高的敬意。 同时，还要感谢土木工程学院院长刘希亮教授、副院长余永强教授、研究生 秘书范利丹老师和建筑环境与设备工程教研室的全体老师们平时对我的教导和关 心。你们为我们提供了一个良好的学习氛围，为我们的学习和科研提供了一个高 层次的平台，让我们无后顾之忧的在你们的肩膀上飞的更高、更远。 在此还要感谢土木工程学院的全体同学，是你们的陪伴和帮助让我拥有了一 个丰富充实的研究生经历，你们带给我的快乐，我会一直铭记在心，成为我以后 生活的甜美回忆。 最后还要感谢我的母校河南理工大学。明德任责好学力行的校风校训， 一直鞭策着我要不断学习，不断前进，不怕困难，勇攀高峰，我相信这些习惯会 伴随着我一生，成为我人生前进的动力和永远的财富。 感谢审阅本论文的各位专家、教授，谢谢你们提出的宝贵建议 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 随着煤炭开采深度的日益增加，深部矿井热害问题也日趋突出，严重影响矿 井的生产效率和井下作业人员的身体健康。 目前矿井主要采用的降温系统有非人 工制冷降温技术、机械制冷水降温技术、机械制冰降温技术、空气压缩式制冷降 温技术、深井 HEMS 降温系统以及热电乙二醇制冷降温技术等。但这些矿 井降温技术都有一定的适用范围或者使用弊端。 而自然冷源预冷的压缩空气输冷 矿井降温技术研究主要是将地面空气经压缩机压缩后， 先经过天然冷源冷却系统 对压缩空气进行预冷却，再经过人工冷源冷却系统对压缩空气进一步冷却，最后 由引射器将压缩空气喷射至矿井工作面。该系统可以克服其它制冷系统的不足， 并且具有制冷负荷低，运行费用低，输冷能力强，体积流量小，管道断面小，安 全性能好，便于布置和保温等优点。本文对自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降 温技术的设计方法进行了研究。具体的研究工作如下 （1）根据实际情况，对矿井热源产生的根本原因进行分析，总结了现有各个 热源的热计算方法及公式。对井下不同性质的巷道热源进行分析，总结出各种类 型巷道热源散热量的计算方法及公式。 （2）介绍了自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降温技术的原理和基本组成。 给出了该系统的空气处理方法及各设备的选型设计方法。 重点介绍了该系统首次 提出的自然冷源预冷的矿井降温技术和冷却塔获取低温技术。 （3）运用 FLUENT 软件建立工作面气流组织及分布模型，并根据目前矿井 实际情况设置模拟参数，对气流组织及分布进行优化，确定了较为合理的气流组 织形式。 （4）结合矿井实例，进一步阐述了自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降温系 统的组成及设计方法。论证自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降温技术的可行 性。 关键词关键词热害；矿井降温；压缩空气；冷负荷；天然冷源冷却系统；人工冷 源冷却系统 万方数据 II 万方数据 III Abstract With the increase of coal mining depth, the problem of deep mine heat harm have become increasingly prominent, it seriously affect the mine production efficiency and the health of miners. Currently the mine cooling system mainly include the artificial refrigeration cooling technology, mechanical refrigeration water cooling technology, mechanical ice cooling technology, air-compression refrigeration technology, deep HEMS cooling system and heat-electricity-glycol cooling technology. But these mine cooling technologies has a certain scope of application or use disadvantages. Mine cooling technology of compressed air transport cold is mainly the compressor compressed the ground air, through the natural cooling source cooling system pre-cooling, then through the artificial cold source cooling system further cooling, and finally the ejector eject compressed air to the mine working face. This system can overcome the shortage of other systems, and it has many advantages like low cooling load, low operating cost, good transport cold ability, small volume flow, small pipe section, safety perance, convenient arrangement and insulation. In this paper, the design of the natural cold source precooling mine cooling technology of compressed air transport cold was studied. Specific research works are as follows 1 Analysised the fundamental cause of the heat source in mine, and summarized the various s and ulas to calculate the thermal heat source. Thermal analysis of the different nature of the laneway summarized various s and ulas to calculate the each type of laneway. 2 Introduced the principle and basic components of natural cold source precooling mine cooling technology of compressed air transport cold. And gived the of air processed by the system, the selection and design of equipment. Mainly introduced the natural cold source precooling mine cooling technology and cooling tower get cryogrnic technology which were first proposed. 3 According to the actual situation, used FLUENT software to build the working surface airflow organization and distribution model, set the simulation parameters under the current mine situation, optimization the air flow organization 万方数据 IV and distribution, determined a reasonable airflow organization . 4 Combined with mine instance, further expounds the composition and the design of natural cold source precooling mine cooling technology of compressed air transport cold. Demonstrate feasibility of mine cooling technology of compressed air transport cold. Key words thermal damage； compressed air； cooling load； natural cold source system；artificial cold source system 万方数据 V 目录目录 摘要摘要I 目录目录ⅴⅴ 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 选题背景和意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外矿井降温技术研究现状 ............................................................................ 4 1.2.1 国外矿井降温技术研究现状 ................................................................................................ 4 1.2.2 国内矿井降温技术研究现状 ................................................................................................ 6 1.3 课题研究的主要内容 ............................................................................................ 8 1.4 主要研究方法和技术路线 .................................................................................... 9 1.5 本章小结 ................................................................................................................ 9 2 矿井内热源分析及冷负荷计算矿井内热源分析及冷负荷计算 ............................................................................. 11 2.1 矿井内主要热源及冷负荷计算 .......................................................................... 11 2.1.1 井巷围岩放热及冷负荷计算 .............................................................................................. 11 2.1.2 机械设备放热及冷负荷计算 .............................................................................................. 14 2.1.3 地下热水放热及冷负荷计算 .............................................................................................. 15 2.1.4 运输中煤炭与矸石的放热及冷负荷计算 .......................................................................... 15 2.1.5 矿物及其他有机物的氧化放热及冷负荷计算 .................................................................. 16 2.1.6 人员放热及冷负荷计算 ...................................................................................................... 17 2.1.7 空气自压缩放热及冷负荷计算 .......................................................................................... 17 2.1.8 其他热源放热及冷负荷计算 .............................................................................................. 18 2.2 矿井各类型巷道冷负荷计算 .............................................................................. 18 2.2.1 回采工作面 .......................................................................................................................... 18 2.2.2 掘进工作面 .......................................................................................................................... 18 2.2.3 机电硐室 .............................................................................................................................. 19 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 19 3 新型压缩空气矿井降温技术研究新型压缩空气矿井降温技术研究 ......................................................................... 21 3.1 提出背景 .............................................................................................................. 21 3.2 系统组成及流程 .................................................................................................. 21 万方数据 VI 3.3 自然冷源预冷的压缩空气输冷矿井降温技术的优点 ...................................... 23 3.4 空气处理设备及参数的确定 .............................................................................. 23 3.4.1 空气压缩机的选型 ...............................................................................................................24 3.4.2 表冷器设计 ...........................................................................................................................27 3.4.3 冷却塔的选型 .......................................................................................................................34 3.4.4 制冷机组的选型 ...................................................................................................................38 3.4.5 喷射器设计 ...........................................................................................................................39 3.4.6 管道的水力计算及保温 .......................................................................................................44 3.5 本章小结 .............................................................................................................. 45 4 工作面气流组织的模拟研究工作面气流组织的模拟研究 ................................................................................. 47 4.1 数值模拟方法介绍 .............................................................................................. 47 4.1.1 基本控制方程 .......................................................................................................................48 4.1.2 FLUENT 求解过程 ................................................................................................................49 4.2 工作面模型的模拟过程 ...................................................................................... 50 4.2.1 工作面几何模型的建立 .......................................................................................................50 4.2.2 工作面数学模型的建立 .......................................................................................................51 4.2.3 工作面模型降温前情况模拟 ...............................................................................................51 4.2.4 工作面降温模型的建立 .......................................................................................................53 4.2.5 工作面模型降温后情况模拟 ................................................................................................55 4.3 本章小结 .............................................................................................................. 60 5 工程实例工程实例 ................................................................................................................. 61 5.1 矿井概况与矿山热害情况 .................................................................................. 61 5.1.1 矿井简介 ...............................................................................................................................61 5.1.2 生产情况 ...............................................................................................................................61 5.1.3 地温情况 ...............................................................................................................................61 5.2 降温系统设计 ...................................................................................................... 62 5.2.1 冷负荷计算 ............................................................................................................................62 5.2.2 空气压缩机的选型 ...............................................................................................................63 5.2.3 表冷器设计 ...........................................................................................................................63 5.2.4 冷却塔的选型 .......................................................................................................................65 万方数据 VII 5.2.5 制冷机组的选型 .................................................................................................................. 66 5.2.6 管道的水力计算及保温 ...................................................................................................... 66 5.2.7 喷射器设计 .......................................................................................................................... 66 5.3 本章小结 .............................................................................................................. 67 6 结论结论 ......................................................................................................................... 69 6.1 本文结论 .............................................................................................................. 69 6.2 工作展望 .............................................................................................................. 69 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 71 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 75 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 77 万方数据 VIII 万方数据 1.绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 选题背景和意义选题背景和意义 近年来，随着我国经济的快速发展，社会对煤炭资源的需求量急速增加。国 内浅部煤炭资源日趋枯竭，大部分煤矿进入深部开采[1-2]状态。而矿井开采深度和 开采范围的不断增加，各种热源的放热、扩散过程不断加剧，使得井下温度越来 越高，热害程度日益严重，高温矿井数目也不断增多。 煤矿安全规程第 102 条 [3]明确规定“生产矿井采掘工作面空气温度不得超过 26℃，机电设备硐室的空气 温度不得超过 30℃” 。矿井热害不仅会降低井下工作人员的工作效率和身体健康， 降低人员机警能力，增大事故率，同时还影响矿井的安全生产和经济效益，增大 井下设备事故发生率。 井下气温超过 30℃的情况均被称为矿井高温。在高温条件下，工人若从事繁 重的体力劳动，人体散发的热量不能及时被井下周围环境吸收，使得人体产热量 和散热量之间的热平衡受到破坏，可能导致井下工作人员产生一系列生理机能的 改变，如体温调节障碍；盐、水代谢紊乱；神经系统、消化系统、泌尿系统病变 等。根据相关资料表明，不同温度对人体的危害不同。当温度为 32℃时，人体通 过皮肤表面蒸发汗水来散发体内热量，以达到自我冷却的目的；3334℃时，人体 容易出现心跳加快，呼吸急促，突发心脏病等风险；3536℃时，人容易出现头晕， 站立失稳，生命危急，甚至需要紧急救护的情况[4]。根据德国的调研数据可知，若 矿井内作业环境温度每超过标准温度 1℃，则井下工作效率将下降 6.8，当井下 温度超过 28 度时，事故率增加了 20。日本的调查结果表明环境温度 3037℃ 的矿井工作面较之 30℃以下的矿井工作面事故率激增了 1.152.13 倍[5]。对我国矿 井进行调查后，调查结果表明我国高温矿井生产率普遍较低，部分矿井的生产 率仅有 3040[6]。目前，高温热害已经成为与水、火、瓦斯并列成为矿井四大 灾害。 矿井内任何机电设备、电缆线路均需与井下环境中的空气进行对流换热来散 发本身所产生的热量。若其工作环境的温湿度超过矿井安全生产规定的最高限度 值或长期