孔庄煤矿集中降温方案的选择与优化.pdf

［收稿日期］ ２０１１ － ０８ － ３０ ［作者简介］ 吴继忠（１９６２），男，江苏南京市人，教授级高级工程师，主要研究方向为采矿工程；Ｅ －ｍａｉｌ ｗｊｚ６８８８＠１２６． ｃｏｍ 孔庄煤矿集中降温方案的选择与优化 吴继忠， 刘祥来， 姚向东， 王建军 （上海大屯能源股份有限公司，江苏沛县 ２２１６１１） ［摘要］ 从孔庄煤矿井筒布置和矿井生产条件出发，先后总结、分析了片冰降温系统、热 － 电 － 乙二醇降温 系统、井下低温水排热的井下集中降温系统（ＨＥＭＳ）和真空制冰降温系统。 从集中降温方案效果、投资、降温 系统运行稳定性、井筒输冷管路安装、矿井制冷水质、井下制冷排热等方面综合考虑，适合孔庄煤矿特点的集 中降温途径只能是真空制冰降温方案，为矿井三期改扩建工程按期投产、验收创造了条件。 同时，该降温工 程的实施必将填补我国在矿井集中降温领域的一项技术空白，并在制冰技术、输冰管道、输冰工艺、压风冷 却、井下融冰工艺、制冰节能技术上取得突破，进而推动我国煤矿降温制冷工艺的创新和发展。 ［关键词］ 煤矿；热害治理；集中降温系统；真空制冰；方案选择；优化 ［中图分类号］ ＴＤ７２７ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００９ － １７４２（２０１１）１１ － ００５９ － ０９ 1 前言 孔庄煤矿主采下二叠系山西组 ７ 号和 ８ 号煤 层，７ 号煤层平均厚度为 ４． ５４ ｍ，８ 号煤层平均厚度 为 ２． ９３ ｍ，矿井核定生产能力为 １５０ 万 ｔ／ ａ。 ２００７ 年进行矿井三期改扩建，深部扩建区生产能力为 ７５ 万 ｔ／ ａ。矿井改扩建后仍采用立井开拓，共 ５ 个立 井，即主副井担负矿井进风和运输，东风井和南风井 担负矿井回风，距现有主井约 ８５０ ｍ 新建一个混合 立井至井田深部 － １ ０１５ ｍ 水平，担负扩建区域的 进风和运输。 矿井总排风量为 １７ ０００ ｍ ３ ／ ｍｉｎ，通风 方式为混合式，通风方法为抽出式。 矿井采用立井多水平开拓方式，开采深度为 － １５０ ｍ ～－１ ３００ ｍ。 全矿共划分为 ４ 个开采水 平，第一水平标高为 －３７５ ｍ， 第 二 水平 标高 为 － ６２０ ｍ，第三水平标高为 － ７８５ ｍ，第四水平标高为 － １ ０１５ ｍ。－ １ ０１５ ｍ 水平为新扩建水平，目前正 进行开拓。 矿井恒温带深度为 ２６ ～３０ ｍ，温度为 １６ ℃。 － ６２０ ｍ以上区域的地温梯度为 ２． ３６ ℃／ １００ ｍ， － ６２０ ｍ以下区域的地温梯度为 ２． ４２ ℃／ １００ ｍ。 － ４５０ ｍ ～ －６２０ ｍ 水 平 地 温 为 ２６ ～３０ ℃， － ６２０ ｍ ～－ ９００ ｍ水平地温为 ３０ ～３７ ℃，为一级 热害区。－ ９００ ｍ ～－ １ ０００ ｍ 地温为 ３８ ～ ３９ ℃，为 二级热害区。－ ７８５ ｍ 原岩温度为 ３５． ２ ℃，气温约 为 ３０ ℃。－ １ ０１５ ｍ 原岩温度为 ４０． ４ ℃，气温约 为 ３４ ℃。 2 降温课题的提出 根据国家有关规定及孔庄矿的实际情况，孔庄 矿目前及将来的开采区域会遇到矿井高温热害，从 安全生产和保护矿工合法权益出发，必须采取降温 措施。 该项目列为中国中煤能源集团有限公司（以 下简称中煤集团）２０１１ 年重大科技项目。 2． 1 煤矿建设项目“三同时”的要求 根据孔庄煤矿三期改扩建进度安排和矿井接续 计划，三期工程的Ⅳ１ 采区首采工作面于 ２０１２ 年 ７ 月份投产。 Ⅳ１ 和Ⅳ２ 采区放在 － １ ０１５ ｍ 水平回 采，目前正紧张地施工 － １ ０１５ ｍ 水平大巷和Ⅳ１ 采 区准备巷道。 矿井深部降温系统为改扩建工程安全 设施，必须和煤矿建设项目主体工程同时设计、同时 施工和同时投入使用。 2． 2 国家法律法规的要求 ［1，2］ 枟煤矿安全规程枠第 １０２ 条规定“生产矿井采 95 ２０１１ 年第１３ 卷第１１ 期 掘工作面空气温度不得超过 ２６ ℃，采掘工作面的空 气温度超过 ３０ ℃时，必须停止作业”。 因此，矿井 降温是为了严格按照国家法规进行生产。 2． 3 消除热害对职工和安全生产的影响 综合国内外最新研究成果，矿井高温热害可分 为对人的影响、对机电设备的影响和综合影响。 ２． ３． １ 对人的影响 当气温为 ３０ ℃时，在这种温度下工作 ２ ～ ３ ｈ， 人体通过微微渗汗散发积蓄的体热。 ３１ ℃时，人体 心跳加快， 血 液 循 环 加 速， 应 限 制 体 弱 者 工 作。 ３２ ℃时，人体通过蒸发汗水散发热量进行“自我冷 却”，每天大约排出 ５ Ｌ 汗液，可带走 Ｎａ １５ ｇ、维生 素 Ｃ ５０ ｍｇ 及其他矿物质，血容量也随之减少从而 容易造成电解质紊乱。 ３３ ℃时，多脏器参与降温， 人体通过汗腺排汗已非常困难，且难以保证正常体 温，不仅肺部急促“喘气”以呼出热量，就连心脏也 要加快速度。 ３４ ℃时，汗腺濒临衰竭，这时很容易 出现心脏病猝发的危险。 ３５ ℃时，高温直逼生命中 枢，导致头昏眼花、站立不稳。 ３６ ℃时，已危及生命 并可造成休克。 ２． ３． ２ 对机电设备的影响 矿井里任何机电设备、电缆均是通过与环境的 对流来散发本身所产生的热量，其工作环境温度、湿 度超过规定的限值或长期处在限值附近，必将导致 设备散热困难，以致发生设备故障。 一般情况下，按 常规方法难以查明发生事故的原因。 机电设备的环境温度要求我国矿用一般型机 电设备的工作环境温度需≤４０ ℃；矿用隔爆型机电 设备的工作环境温度需≤４５ ℃。 但这并不等于说， 只有到了上述限值才会发生设备故障，如果机电设 备长期处在上述限值附近，则机电设备故障率将明 显上升。 日本通产省的调查统计表明，机电设备在相对 湿度 ９０ ％以上且气温为 ３０ ～ ３４ ℃的地点工作时， 其事故率比低于 ３０ ℃的作业地点高 ３． ６ 倍。 ２． ３． ３ 矿井高温的综合影响 以目前的气候标准为基础，国内外研究统计表 明，气温每升高 １ ℃，矿井生产效率则降低 ６ ％ ～ ８ ％，矿工劳保医疗费增加 ８ ％ ～ １０ ％。 根据南非 的最新统计，在湿球温度 ３２． ８ ～ ３３． ８ ℃下工作的工 人，千人中暑死亡率为 ０． ５７。 以 ３０ ℃为标准，气温 每升高 １ ℃，井下机电设备的故障率增加 １ 倍以上。 实际上姚桥、孔庄两矿内，高温作业地点的工作效率 相对低下的情况也是客观存在的。 综上所述，孔庄煤矿Ⅳ１ 采区生产和 － １ ０１５ ｍ 大巷开拓掘进均受热害影响，并且热害比较严重。 如果不采取降温措施，势必制约矿井三期工程投产， 违反国家有关法规、危害职工身心健康、增加设备故 障率、影响高温地点作业效率，从而影响公司发展战 略的实现。 因此，建立孔庄煤矿集中降温系统势在 必行。 3 孔庄煤矿集中降温系统方案的选择 3． 1 降温系统方案选择的提出 孔庄矿改扩建初步设计于 ２００７ 年 ８ 月由北京 华宇设计公司设计完成，设计中含一套矿井地面集 中降温系统，降温工艺为地面电制片冰，然后将冰输 入井下融冰池，制成冷水，将冷水输往工作地点进行 风水热交换，以达到降低作业地点气温的目的。 井 筒输冰管设计外径为 ３２５ ｍｍ，井筒装备的采购和安 装按照输冰管设计外径尺寸预留位置。 降温范围为 １ 个采煤工作面和 ６ 个掘进工作面，日需冰量 ７２０ ｔ。 设计中提出了热害治理方案，但方案没有细化，只是 列出了大概的投资及制冰规模。 结合项目的不断推进，发现井筒预留输冰管路 的管径无法满足输送片冰的要求。 电制片冰厂家提 出最小输冰管径为 ４６０ ｍｍ，再加上输冰管外保温 层，输送片冰管路外径达 ５６０ ｍｍ，混合井筒内无法 安装。 这就限制了采用片冰降温的可能性。 为确保矿井集中降温方案按期实施，需对国内 外集中降温方案进行考察，选择适合孔庄煤矿实际 特点的降温系统。 3． 2 国内外集中降温系统方案工艺特点 从 ２００９ 年起，上海大屯能源股份有限公司（以 下简称大屯公司）先后多次组织人员对煤矿集中降 温系统进行了实地考察。 先后考察了新汶矿业集团 孙村矿、唐口矿和中国平煤神马能源化工集团有限 责任公司（以下简称中平能化集团）六矿电制片冰 降温和四矿、十一矿热电乙二醇低温制冷技术；徐州 矿务集团有限公司（以下简称徐矿集团）夹河矿、三 河尖矿井下集中降温。 ２０１１ 年 ３ 月份组织相关部 门及武汉星田热环境控制技术有限公司、北京华宇 设计公司有关人员对南非最深金矿真空制冰降温系 统进行了考察。 ３． ２． １ 电制片冰降温系统 平煤六 矿 隶 属 中 平 能 化 集 团， 原 煤 产 量 为 06 中国工程科学 ３６０ 万 ｔ／ ａ，最深水平为 ６５０ ｍ，降温前工作面温度为 ３４ ～ ３６ ℃。制冰机装机容量为 ２ ４４９ ｋＷ （电功率）， 总制冷量为 ３ ５００ ｋＷ，降温地点冷量为 ２ １００ ｋＷ， 制冷量损失约为 １ ４００ ｋＷ。 设计日产片冰 ７２０ ｔ，实 际产冰 ６００ ｔ，系统于 ２００６ 年 ２ 月 １２ 日开始安装， ７ 月 １２ 日安装调试后投入运行，设计供 １ 个采煤工 作面和 ２ 个掘进工作面使用。 ２００９ 年至今，降温系 统已停止使用。 该冰冷降温系统总投资 ５ ２００ 多万 元，其中设备投资 ２ ９００ 万元。 制冷站占地面积 ５００ ｍ ２ ，主要由地面制冷机房、主井井筒及主回风巷 降温管路、主井底供水泵房、各采掘迎头分支管路及 空冷器 ４ 个部分组成，其中地面制冷机房是降温系 统的核心部分，主要作用是制出矿井降温所需的 片冰。 其主要设备组成及流程如下首先由 Ｇｒａｓｓｏ 公 司生产的 ４ 台制冷机提供冷源，再由 １２ 台 Ｘ６０Ｔ 型 片冰机制出片冰，通过 ２ 台螺旋输冰机把冰收集到 各自的落冰口，然后分别经螺旋输冰装置将片冰送 至主井井口漏斗。 片冰进入主井输冰管路，靠自重 进入井底融冰硐室融冰池。 由 １ 台 ２２０ ｋＷ 供冷水 水泵将融冰池内低温冷水通过输冷管路送至各用冷 地点，并利用安装在进风巷和采掘工作面的空冷器、 裸管、喷淋等进行冷量交换，来降低风流温度，交换 后剩余大部分水再通过管路流回融冰池，用于融冰。 其他主要配套设备由 １２ 台蒸发器和 ４ 座冷却 塔组成，主要配电装置采用 １０ ｋＶ ＫＹＧＧ 型高压开 关柜。 降温系统年运行费用为 ８４８ 万元，维护人员 １８ 人，工作量集中在制冰站。 制冷剂选用 Ｒ２２，年 消耗 ５． ５ ｔ 左右。 目前系统运行采用非集中控制，不能监测井下 采掘工作面温度，也不能根据井下热负荷变化来自 动控制制冷机的制冷量。 降温系统能将工作面上口 温度降低 ３ ～ ４ ℃，下口温度降低 ６ ～ ８ ℃，但存在输 冰立管二次结冰产生的冰堵问题，对输冰管管径要 求较高，管径小则无法使用。 运行成本上能耗高，一天的运行电费为 ２． ６ 万 元左右，一年的综合运行成本达 ８４８ 万元。 电制片 冰降温系统流程如图 １ 所示。 ３． ２． ２ 热 － 电 － 乙二醇低温制冷系统 ［３］ 平煤四 矿 隶 属 中 平 能 化 集 团， 原 煤 产 量 为 ３００ 万 ｔ／ ａ，最深水平为 － ８５０ ｍ，降温前工作面进风 温度为 ２８． ８ ℃。 制冷机装机总容量为 １ ３５０ ｋＷ （电功率），总制冷量为 ７ ０９２ ｋＷ，降温地点冷量为 图1 电制片冰降温系统流程图 Fig． 1 System diagram of mine cooling by slice- ice ４ ６００ ｋＷ，制 冷 量 损 失 约 为 １ ３００ ｋＷ。 系 统 于 ２００７ 年 ２ 月 ２６ 日开始安装，７ 月 ８ 日安装调试后投 入运行，供 １ 个采煤工作面和 ４ 个掘进工作面使用。 目前采煤工作面空冷器运行 ２ 组（共 ３ 组），降温后 进风温度为 １９． ２ ℃，掘进工作面温度为 ２４ ～ ２６ ℃。 降温系统总投资为 ３ ９８０ 多万元，其中设备投资 １ ６００ 万元，占地面积 ９００ ｍ ２，主要由 １ 台溴化锂冷 水机组、２ 台乙二醇螺杆冷水机组及 ７ 台矿用高低 压换冷器、４２ 台矿用高压组合式空冷器、 １０ 台水泵 等部分组成。 其中地面制冷机房是降温系统的核心 部分，主要作用是制出矿井降温所需的低温乙二醇 溶液。 其主要设备组成及流程如下（见图 ２）由远大 集团生产的 １ 台 ＢＹＳ３００ 型制冷机提供冷源，再由 Ｇｒａｓｓｏ 公司生产的 ２ 台 １０００ 型螺杆制冷机组制出 － ３． ４ ℃低温乙二醇溶液（目前为 ８ ℃的冷水）。 通 过 １ 台水泵把低温乙二醇溶液送入主井输冷管路， 通过低温乙二醇溶液循环与井下冷冻水热交换。 由 １ 台 ２００ ｋＷ 供冷水水泵将低温冷水通过输冷管路 送至各采掘工作面，并利用安装在进风巷和采掘工 作面的空冷器进行热交换，来降低风流温度。 交换 后剩余大部分水再通过管路返回，继续与低温乙二 醇溶液热交换。 其他主要配套设备由 ３ 台蒸发器和 ３ 座冷却塔 组成。 降温系统年运行费用 ４５５ 万元，维护人员 １８ 人，工作量集中在地面制冷站和井下换冷硐室。 制 冷剂选用溴化锂，年消耗为零。 目前系统运行实现了集中控制，并可监测井下采 掘工作面温度，还可根据井下热负荷变化来自动控制 制冷机的运转。 降温系统能将工作面上口温度降低 ６ ℃左右，下口温度降低８ ℃左右，不会产生冰堵现象， 能连续运转，但井筒中需布置两趟输冷管路。 16 ２０１１ 年第１３ 卷第１１ 期 图2 热 － 电 － 乙二醇低温制冷流程图 Fig． 2 Flow diagram of heat- power- glycol low temperature refrigeration 运行成本上，该系统充分利用本矿瓦斯电站及 矸石电厂余热，能耗较低，一天的运行电费为 １． ４７ 万元，一年的综合运行成本为 ４５５ 万元。 ３． ２． ３ 井下集中降温系统 该系统在徐矿集团三河尖煤矿得到成功应用。 三河尖煤矿核定生产能力为 ２２０ 万 ｔ／ ａ，最深水平为 － ９８０ ｍ，降温前工作面气温为 ３６ ℃左右。 系统于 ２００８ 年 ７ 月投入运行，供 ２ 个采煤工作面和 ４ 个掘 进工作面使用。 工作面降温后进风温度为 ２６ ～ ２９ ℃。矿 井 －７００ ｍ 水 平 矿 井 涌 水 量 为 １００ ～ １２０ ｍ ３ ／ ｈ，水温为 ２５ ～３０ ℃。 奥 陶 系灰 岩水 在 ２１１０２ 工作面突水动态补给量为 １ ０２０ ｍ ３ ／ ｈ，水温 为 ５０ ℃左右。 其主要组成及流程如下针对三河尖矿冷源短 缺、地热资源丰富的特点，采用 ＨＥＭＳ 降温技术，结 合三河尖矿地面供热情况，利用三河尖煤矿底层温 度存在热异常特性，首先利用井下热水进行地面热 能利用，冬季取热代替锅炉供热，将取热后的冷水进 行地下储存，夏季补充井下冷量不足，进行井下降温 取冷 换 热。 地 热 异 常 降 温 工 作 原 理 如 图 ３ 所 示 ［４，５］ 。 在井下 －７００ ｍ 水平设置 ＨＥＭＳ- Ｉ 制冷工作 站，从循环水体中提取冷能，供给 ＨＥＭＳ- ＩＩ 降温工 图3 井下低温水热的井下集中降温系统 Fig． 3 Systematic diagram of HEMS 作站。 在井下 － ９８０ ｍ 水平设置 ＨＥＭＳ- ＩＩ 降温工作 站，对井下高温采掘工作面进行降温。 在地面设置 ＨＥＭＳ- ＩＩＩ 热（冷）能利用工作站，提取循环水体中的 热能，取代地面锅炉系统进行供热。 在 － ７００ ｍ 水 平设置 ＨＥＭＳ- ＰＴ 压力转换工作站，降低 ＨＥＭＳ- Ｉ 承 受的压力。 将第四系含水层作为储能层调节冷热 能。 整个项目分两期实施，一期实现井下降温，二期 实现井上供热。 降温系统能将工作面温度降低 ６ ～ １０ ℃，实现 连续运转，对矿井冷源量要求较高，井下需要有良好 的排热条件，且水质硬度较高会对系统热交换效果 产生一定影响。 该系统如果在孔庄煤矿使用，其降 温系 统总 投 资约 为 ２ １００ 万元， 年 运行 费 用 为 26 中国工程科学 ２１４ 万元。 ３． ２． ４ 真空制冰降温系统 英美矿业母朋能金矿（南非）年产黄金 ５００ 万 盎司（１ 盎司≈２８． ３５ ｇ），最深水平为 ４ ０００ ｍ，主井 深为 ３ ７７０ ｍ，降温前作业地点气温为 ５５ ℃，水温为 ５５ ～ ６０ ℃，岩温为 ６０ ℃，降温后作业地点气温为 ２８ ℃。 真空制冰降温系统主要由 ９ 套 ＶＩＭ８５０ 真空制 冰机、５ 台螺杆式冷水机、９ 座冷却水塔、１ 条水平输 冰皮带和 ２ 趟垂直输冰管（直径分别为 ３００ ｍｍ 和 ５００ ｍｍ）组成，其中真空制冰机是降温系统的核心 部分，主要作用是制出矿井降温所需的颗粒冰。 地 面制冷系统无建筑物，设置防雨篷。 制冰机装机容 量为 ３ ４１０ ｋＷ （电功率），系统总装机制冰量为 ９ １８０ ｔ／ ｄ，总制冷量为 ２７ ＭＷ，设计日产颗粒冰为 ９ １８０ ｔ。 整个降温系统分三期建设，第一套制冰系 统于 １９９０ 年开始安装，１９９１ 年安装调试后投入运 行，安装周期为 ３ 个月。 设计供冷 ２ 个水平 ２０ 多个 作业地点。 真空制冰降温系统投入运行后，降温幅 度达 ２７ ～ ３０ ℃。 真空制冰工作原理如图 ４ 所示。 图4 真空制冰机工作原理 Fig． 4 Working diagram of vacuum ice maker（VIM） 真空制冰降温系统主要设备有压缩机、搅拌器、 刮冰机、冰浆泵、冷却水泵、增压泵、真空泵和乙二醇 泵。 当冷水机组预冷的 ５ ℃的水泵入制冰机内处于 真空的蒸发器内时，水在真空状态下，部分水将蒸 发。 蒸发所需要的潜热来自没有蒸发的水，从而导 致没有蒸发的水因放热而冷冻成冰。 每蒸发 １ ｋｇ 的水大约可以产生 ７． ５ ｋｇ 的冰。 料浆泵的额定流量为 ２００ ｍ ３ ／ ｈ，用来抽出蒸发 器内体积浓度为 １６ ％ ～ ２０ ％的冰浆，并输送至冰 水分离器的集冰器，在集冰器内冰的质量含量达到 ７５ ％。 从冰浆中排出的水通过缓冲罐返回到蒸发器。 集冰器的原理类似于一个液压活塞，冰块浮在水的上 部经浓缩过滤，实现冰水分离，同时水返回至蒸发器。 集冰器上部的冰通过刮刀刮下，通过皮带或气 动输送至井筒内的垂直高密度聚乙烯（ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＨＤＰＥ）管输冰管内，通过管道输送至 井下。 蒸发器内的水蒸气由 ２ 台串联运行的特殊压 缩机抽出，送至直接接触式冷凝器，水蒸气在冷凝器 内与来自冷却塔的补给水相向流动而凝结成水，凝 结水再返回蒸发器蒸发。 抽出系统经冷凝后的不溶 气体通过除雾分离器真空泵抽出。 降温系统维护人员有机械维护工 ５ 人，电气维 护工 ２ 人，工作量集中在泵、电机等转动设备，制冷 剂选用 Ｒ１３４Ａ。 降温系统每周进行一次机械润滑 检查及添加润滑剂，每月一次 ８ ｈ 停机维护，每 ５ 年 一次大的检修维护。 真空制冰降温系统工作流程螺杆式冷水机制出 低温冷水，输送到真空制冰机制冰（见上述制冰机工作 原理），真空制冰机制出的冰浆通过管道泵送到冰水分 离器。 冰水分离后通过水平输冰皮带、漏斗输送到垂 直输冰管，垂直输冰管下口通过水泵水力输送到融冰 池，经融冰后，冷冻水通过保温管道输送到降温地点安 装的空冷器进行风水热交换，实现降温目的。 地面除 用皮带输冰外，也有 １ 台冰水分离器直接布置在井筒 附近，利用冰的自身重力倾斜向下至垂直输冰管。 螺 杆式冷水机产生的热量由冷却水带走，冷却水吸收的 热量经冷却塔冷却散热。 真空制冰降温系统制冷对水质要求不高，不需要 特殊处理。 在使用和维护方面，按照正常的维护程序 执行，真空制冰系统很少出现问题，仅在冬季气温 － ７ ～－ ８ ℃时偶有堵管现象发生。 该矿自制冰系统运 行２０ 年以来仅发生过２ 次堵管，每次处理用时约一周。 按照 孔庄 煤 矿设 计 制 冰 量，降 温 系 统 总 投 资 为 ６ ８００ 万 ～ ７ ０００ 万元，年运行成本为４２７ 万元。 3． 3 国内外集中降温系统方案比较与选择 １）从降温效果来看，片冰降温系统、热电乙二 醇降温系统、ＨＥＭＳ 井下集中降温系统和真空制冰 降温系统均能够满足孔庄煤矿井下降温需要，真空 制冰降温系统效果较优。 ２）从项目投资总费用来看，片冰降温系统和热 电乙二醇降温系统总投资相差不大，真空制冰降温 系统投资最高，ＨＥＭＳ 井下集中降温系统投资最省。 ３）从降温系统运行稳定性来看，热电乙二醇降 温系统、ＨＥＭＳ 井下集中降温系统和真空制冰降温 36 ２０１１ 年第１３ 卷第１１ 期 系统降温性能连续稳定，输冷管路不会出现冰堵现 象，而片冰降温的管路一旦出现冰堵将导致较长时 间不能运行。 ４）从井筒输冰管路安装来看，片冰降温的管路 管径较大（４６０ ｍｍ），热电乙二醇降温系统需布置 ２ 趟输冷管路，均不适合孔庄矿混合井布置。 ５） ＨＥＭＳ 井下集中降温系统对水质要求较高， 且冷源水量要求也大（１８７ ｍ ３ ／ ｈ 左右）。 而孔庄矿 水质较硬，且矿井 － ７８５ ｍ 水平涌水量为 ４０ ｍ ３ ／ ｈ， － １ ０１５ ｍ 水平涌水量为 ４０ ｍ ３ ／ ｈ，不满足井下制冷 排热条件。 综上所述，在国内外所有降温方案中，电制片冰 降温要求输冰管路直径为 ４６０ ｍｍ 以上，热电乙二 醇低温制冷降温要求井筒敷设两趟 ＤＮ２５０ 保温管， 井下集中降温孔庄矿又不具备排热条件，符合孔庄 矿条件的只有真空制冰降温方案。 因此，初步决定 把该方案作为孔庄矿深部开采的主体降温方案，进 行细化设计。 4 孔庄煤矿真空制冰降温方案的优化 4． 1 矿井冷负荷及冷量分布 根据孔庄煤矿井下实际情况，降温标准执行国 家枟煤矿安全规程枠的规定，按 ２６ ℃考虑，实际降温 幅度平均为 ８ ℃，即可以确保降到 ２６ ℃以下。 降温 范围按 １ 个采煤工作面和 ６ 个掘进工作面考虑，结 合孔庄煤矿条件，根据 ＴＥＭＰＳ 计算软件，相关参数 计算结果见表 １。 表1 孔庄煤矿井下风流热力参数 Table 1 Thermodynamic parameters of underground airflow in Kongzhuang Coal Mine 热力参数 降温目标 相关参数 降温前 回采工作面 降温前 掘进工作面 干 ／ 湿球温度 ／ ℃２６ ／ ２４． ０８３４ ／ ３３． ２８３４ ／ ３３． ２８ 大气压力 ／Ｐａ１１４ ５５３１１４ ５５３１１４ ５５３ 相对湿度 ／ ％８５９５９５ 含湿量 ／ （ｇ ｋｇ － １） １５． ９１２８． ７１２８． ７１ 焓 ／ （ｋＪ ｋｇ － １） ６６． ６３１０７． ９３１０７． ９３ 露点温度 ／ ℃３３． ０８３３． ０８ 密度 ／ （ｋｇ ｍ － ３） １． ３２１． ２８１． ２８ 风量 ／ （ｍ３ｍｉｎ － １） １ ２００ （２０ ｍ３／ ｓ） ３００ （５ ｍ３／ ｓ） 显热负荷 ／ｋＷ１ ０５７． ２８２６４． ３２ 除湿量 ／ （ｇ ｓ － １） ３２７． ６８８１． ９２ 全热负荷 ／ ｋＷ １ １１８． ６３ （取 １ １２０） ２７９． ６６ （取 ２８０） 根据孔庄煤矿采掘接替安排，需对 １ 个综采工 作面和 ６ 个掘进工作面降温，因此孔庄煤矿的采掘 工作 面 降 温 冷 负 荷 为 qｗ＝１１２０ ＋２８０ ６ ＝ ２ ８００ ｋＷ。 按服务 １ 个综采工作面和 ６ 个掘进工作面以及 总冷负荷为 ２ ８００ ｋＷ 进行矿井降温系统设计，根据 工作面风水热交换需要的水量和温度，可以确定需 冰量为 ３７ ｔ／ ｈ。 选用以色列产 ＶＩＭ８５０ 型真空制冰 机（日产颗粒冰 １ ０２０ ｔ），可以满足 － １ ０１５ ｍ 水平 降温需 要。 采 掘 工 作 面 降 温 需 要 的 冷 水 总 量 Q ＝ １０６ ＋ ２７ ６ ＝ ２６８ ｍ ３ ／ ｈ，供冷温度按 ３ ℃考虑。 4． 2 真空制冰降温方案比较 世界上最早采用冰降温的国家是南非的英美矿 业公司母朋能金矿，采用以色列产真空制冰机制取 颗粒状冰，形成了完整的制冰、水平输冰和垂直输 冰、井下融冰工艺。 根据考察，由于该矿井深大，井 下工作面温度高，降温系统基本一年 ３６５ 天连续运 转。 该矿开发真空制冰降温系统的主要原因是 １）井深大，热害严重，传统的井下集中制冷规 模受限； ２）采用地面集中制冷水降温时，井下热压转换 设备技术要求高、投资大，能耗大； ３）采用电制片冰降温时，冰堵严重、运行成本 高、降温效果差、维护费用高。 根据技术经济比较和孔庄煤矿井筒预留位置以 及矿井实际情况，在是用电还是用余热作为制冰动 力上，共提出了 ３ 个方案，即余热真空制冰、自备锅 炉蒸汽真空制冰和电真空制冰，各方案的技术经济 比较如下。 ４． ２． １ 真空制冰方案 １）方案一电厂余热真空制冰。 根据大屯矿区 的建 设 安排， 计 划在 沛县 经 济 开 发 区 建 设 ２ ３５０ ＭＷ 热电联产电厂。 电厂距孔庄矿 ５． ７ ｋｍ，距 ６ ０００ 户住宅小区 ２． ５ ｋｍ，距大屯公司新建行政办 公楼 ２ ｋｍ，冬季供热基本上满足这 ３ 个单位（小区） 的使用。 如何提高夏季的余热利用量，是决定电厂 热效率能否提高到热电联产要求的关键因素之一。 同时，实施集中供热可取消周边用户自建的锅炉房， 减少环境污染，提高供热效率，实现循环经济的发 展。 结合孔庄矿特点，探讨余热制冷降温的可行性 具有重要意义。 大屯公司已把夏季余热降温作为热 电联产项目经济合理性的主要因素之一。 电厂可提 供蒸汽直供孔庄矿。 在孔庄矿工业广场建热交换 站，在换热站预留制冰站蒸汽接口，为孔庄矿余热制 冰（利用蒸汽量为６． ２３ ｔ／ ｈ） 及办公场所中央空调 46 中国工程科学 （利用蒸汽量为６ ｔ／ ｈ）服务。 在 ２ ３５０ ＭＷ 发电站 建成前，在孔庄矿现有锅炉房预留位置安装 １ 套 １０ ｔ／ ｈ蒸汽炉，一旦电厂建成，可改成电厂供汽。 再 利用溴化锂吸收式冷水机组制取低温冷水，通过真 空制冰机实现制冰。 ２）方案二自备锅炉蒸汽真空制冰。 目前孔庄 矿锅炉房安装有 ２ 台１０ ｔ／ ｈ 热水炉和 ２ 台１０ ｔ／ ｈ 蒸 汽炉，并留有 １ 台位置，设计新增 ＳＺＬ１０- １． ２５- Ｐ 蒸 汽炉 １ 套，专用于降温系统热源供应。 除制冷水方 式用自备锅炉和溴化锂冷水机组外，其他方案内容 和电厂余热真空制冰相同。 ３）方案三电真空制冰。 采用电力驱动螺杆冷 水机组制取低温冷水，通过真空制冰机制冰。 除制 冷水方式不同外，其他方案内容和电厂余热真空制 冰相同。 方案布置主要组成有地面散热塔、３ 台螺 杆式冷水机组、１ 台真空制冰机、１ 台冰水分离器、地 面水平输冰管、混合井垂直输冰管、井底融冰池、井 下输冷管和工作面空冷器，方案布置如图 ５ 所示。 图5 真空制冰方案布置图 Fig． 5 Diagram of equipment distribution of VIM ４． ２． ２ 技术经济比较 真空制冰降温技术是南非深井开采普遍采用的 降温技术，因此从技术可行性、可靠性、降温效果而 言，提出的 ３ 个方案在技术上没有大的差别，只是提 供冷水的方式有差别，也就是说，技术上均可行，主 要技术经济指标比较见表 ２。 表2 三套方案主要技术经济指标比较 Table 2 Comparison of main technological and economic inds 序号名称 指 标 余热真 空制冰 自备锅炉 蒸汽真空 制冰 电真空 制冰 １服务范围 １ 综面 ＋ ６ 头 １ 综面 ＋ ６ 头 １ 综面 ＋ ６ 头 ２降温幅度 ／ ℃６ ～ １０６ ～ １０６ ～ １０ ３总制冷量 ／ｋＷ５ ８１５５ ８１５５ ２８９ 续表 序号名称 指 标 余热真 空制冰 自备锅炉 蒸汽真空 制冰 电真空 制冰 ４总电功率 ／ｋＷ１ ６７８． ７１ ９６４． ７２ ７１８． ５ ５总有功功率 ／ｋＷ１ ３５０． ８１ ５７１． ６２ ２３２． １ ６系统 ＣＯＰ（ｋＷ ／ｋＷ）４． ３０３． ７０２． ３７ ７蒸汽耗量 ／ （ｔ ｈ － １） ６． ２３ ８煤耗量 ／ （ｔ ｈ － １） ０． ９０ ９总耗水量 ／ （ｍ３ ｈ － １） ７３． ５８０． ５７４． ５ 冷却补给 ／ （ｍ３ ｈ － １） ３６． ５４３． ５３７． ５ 制冰消耗 ／ （ｍ３ ｈ － １） ３７３７３７ １０主要工程量 地面建筑物 ／ ｍ３３ ２７６３ ２７６４ ７８８ 地面构筑物 ／ ｍ３２２０２２０２２０ 56 ２０１１ 年第１３ 卷第１１ 期 续表 序号名称 指 标 余热真 空制冰 自备锅炉 蒸汽真空 制冰 电真空 制冰 设备硐室 ／ ｍ６１． １３６１． １３６１． １３ 输冷管道 ／ ｍ１０ １５８１０ １５８１０ １５８ 制冷设备 ／ 台５２５６６３ 电气设备 ／ 台３２３４３７ １１总投资 ／ 万元７ ０１６． ８９７ ００８． ６７６ ６４１． ６８ 制冷单元 ／ 万元３ ９２０． ９７３ ９２０． ９７３ ８２１． ３３ 换冷单元 ／ 万元２４５． ２４２４５． ２４２４５． ２４ 散冷单元 ／ 万元５６７． ６２５６７． ６２５６７． ６２ 输冷管路 ／ 万元１ １２４． ４０１ １２４． ４０１ １２４． ４０ 供配、电 ／ 万元２３０． ４２２３０． ４２３２４． ２９ 余热利用 ／ 万元１８５． １８１７７． ６４０． ００ 其他费用 ／ 万元７４３． ０６７４２． ３８７５８． ８０ １２劳动定员 ／ 人２４２８２４ １３年运行费 ／ 万元１ ０６８１ ０２４８６０ 电费 ／ 万元１９１２２２３１５ 热力 ／ 原煤费 ／ 万元３２３２３４ 水费 ／ 万元２１２５２２ 人工费 ／ 万元４６５２４６ 折旧费 ／ 万元４４１４４５４３３ 维修费 ／ 万元４６４６４４ １４单位运行费用 ／ （元 ｔ － １） ８． ８９８． ５３７． １７ １５安装周期 ／ 月１４１４１４ 注ＣＯＰ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）为能效比；１ 综面 ＋６ 头指一 个综采工作面和 ６ 个掘进工作面 根据表 ２，从投资和运行费用比较，方案三，即 电真空制冰最低，因此设计推荐采用电真空制冰降 温方案作为孔庄矿的主体降温方案。 但制冷站预留 余热制冷机组的位置，同时预留孔庄矿新建办公楼 的中央空调主机位置，如果将来在孔庄矿附近的电 厂建成投产，则直接利用电厂余热实施余热真空制 冰，可最大限度地发挥企业整体经济效益。 电真空 制冰降温的要点是螺杆式冷水机组制取低温冷水， 再通过真空制冰机实现制冰。 5 结语 文章从孔庄煤矿井筒布置和矿井现存冷源出 发，先后研究了片冰降温系统、热电乙二醇降温系 统、ＨＥＭＳ 井下集中降温系统、真空制冰降温系统等 方案布置方式。 从集中降温方案效果、投资、降温系 统运行稳定性、井筒输冷管路安装、矿井制冷水质、 井下制冷排热等方面，找到了一条适合孔庄煤矿特 点的集中降温途径，为矿井三期工程按期投产验收 创造了条件，项目研究具有较大的经济效益和社会 效益。 通过对余热真空制冰、自备锅炉蒸汽真空制冰 和电真空制冰 ３ 个方案的比较优选，找到了适合孔 庄煤矿的真空制冰降温最佳方案，为下一步矿井降 温设计和设备招标奠定了基础。 真空制冰降温为国内首创，在制冰技术、输冰管 道、输冰工艺、压风冷却、井下融冰工艺、制冰节能技 术上均具有突破性，在项目建成后，不仅填补了我国 在矿井集中降温上的一项技术空白，而且推动了我 国煤矿降温制冷工艺的创新和发展。 项目实施完成 后，将作进一步总结，为丰富深井开采做出应有 贡献。 参考文献 ［１］ 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验 检疫总局．ＧＢ５０２１５- ２００５ 煤炭工业矿井设计规范［ Ｓ］． 北京 中国计划出版社，２００５． ［２］ 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验 检疫总局．ＧＢ５０４１８- ２００７ 煤矿井下热害防治设计规范［Ｓ］． 北 京中国计划出版社，２００７． ［３］ 卫修君，胡春胜．矿井降温理论与工程设计［ Ｍ］．北京煤炭 工业出版社，２００８． ［４］ 袁 亮．淮南矿区矿井降温研究与实践［Ｊ］．采矿与安全工程 学报，２００７，２４（３）２９８ － ３０１． ［５］ 何满潮，郭平业，陈学谦，等．三河尖矿深井高温体特征及其热 害控制方法［ Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２０１０，２９（ 增 １） ２５９３ － ２５９７． 66 中国工程科学 Optimization of centralized cooling schemes in Kongzhuang Coal Mine Ｗｕ Ｊｉｚｈｏｎｇ， Ｌｉｕ Ｘｉａｎｇｌａｉ， Ｙａｏ Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ， Ｗａｎｇ Ｊｉａｎｊｕｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄａｔｕｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｐｅｉｘｉａｎ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１６１１，Ｃｈｉｎａ） ［Abstract］ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ- ｓｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ Ｋｏｎｇｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｍｉｎｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉ- ｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｓｌｉｃｅ ｉｃｅ ｃｏｏｌｉｎｇ， ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ- ｐｏｗｅｒ ｇｌｙｃｏｌ ｃｏｏｌｉｎｇ， ＨＥＭＳ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ， ａｎｄ ｖａｃｕｕｍ ｉｃｅ ｃｏｏｌｉｎｇ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ， ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ， ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｐｉｐｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ， ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ， ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ， ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｍ- ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｌａｎ， ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｗａｙ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｉｃｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ， ｉｔ ｗｉｌｌ ｆｉｌｌ ａ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｇａｐ ｉｎ ｉｃｅ ｍａｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｉｃｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｐｉｐｅｓ， ｉｃｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｏｌｉｎｇ， ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｉｃｅ ｍｅｌｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ- ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｉｃｅ ｍａｋｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｇｒｅａｔ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ． ［Key words］ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ； ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｄｉｓａｓｔｅｒ； ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｖａｃｕｕｍ ｉｃｅ ｍａｋｉｎｇ； ｓｃｈｅｍｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ； ｓｃｈｅｍｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ （上接 ３８ 页） Research on key technology of thi