高温热害矿井地热治理与应用技术探讨.pdf

2 0 0 8 年矿井地热防治专刊 童撼蔗舛枝 5 7 高温热害矿井地热治理与应用技术探讨 邸建友莫技仉学利 新矿集团孙村煤矿，山东新泰2 7 1 2 1 9 摘要本文针对深部高温热害问题，通过2 0 年来地温、气温实测、分析和研究，摸索了不同通风方式的降 温效果，对通风降温及机械降温工作不断探索，对高温热害矿井地热治理和利用技术进行探讨，分析总结实 践中采用的具体降温措施和效果。 关键词地热治理通风降温冰冷辐射散冷 中图分类号T I Y 7 2 7 2 文献标识码B l 近年来地热治理工作进展情况 为解决高温热害难题，孙村煤矿自上世纪八十 年代开始，分别与抚顺煤科院、中国矿大、武汉煤炭 设计院及山东科技大学等大专院校裙科研单位联合 攻关，共投入科研资金近亿元，2 0 年来先后试验应 用了四期大型机械降温工程，分别为1 9 8 2 年在 一4 0 0 m 水平利用矿井回风进行排热的井下集中降 温工程、1 9 9 4 年在北立井建立的井上水冷集中降温 工程、1 9 9 6 年在掘进工作面试验应用的井下移动式 空调、2 0 0 2 年在一8 0 0 水平利用一4 0 0 m 水平自然 涌水进行排热的井下局部降温工程。局部降温系统 自2 0 0 3 年6 月份投运以来安全运行7 9 9 0 h ，四套降 温工程因各方面原因均停运。同时，矿井还进行了 地温、风温预测及通风降温等方面的理论研究。在 认真总结前四期矿井降温经验和教训的基础上，借 鉴南非冶金矿山降温技术，从2 0 0 3 年6 月份开始孙 村煤矿自行研制开发了冰冷低温辐射降温技术，逐 一攻克了制冰、输冰、输冷、散冷等四个环节中的技 术难题，取得了具有自主知识产权的四项国家实用 新型专利。由中国煤炭工业协会于2 0 0 4 年1 1 月2 0 日组织专家对新汶矿业集团孙村煤矿“高温矿井冰 冷低温辐射降温技术研究与应用”项目进行技术鉴 定。鉴定委员会一致认为，该煤矿冰冷降温技术属 国内外煤矿首创，达到国际领先水平，在同类高温矿 井具有重要推广应用价值。 通过2 0 多年来对降温工作不断摸索，孙村煤矿 逐渐总结出一条治理矿井高温热害的系统技术。形 成地温及风温测定、热源分析、地温及风温预测、需 冷量计算、冰冷辐射降温系统制冰、输冰、输冷、散冷 收稿日期2 瞄一0 9 0 4 作者简介邸建友，孙村煤矿矿长。工程技术应用研究员。 设计系统，总结出对深部高温热害矿井必须走通风 降温和机械降温相结合方式。冰冷低温辐射降温技 术是降温技术核心。通风降温是最经济有效的降温 手段，当通风降温无法将风温降低萄规定温度时，必 须实施机械降温。 2 煤矿地热治理工作典型实例 2 ．1 增风降温实例 2 0 0 5 年1 月2 0 日新风井主要通风机投入运行， 进行全矿井通风系统调整。2 4 2 1 工作面风量由 11 0 0 0 ／n f i n 提高到2 0 0 0 0 ／n l i I l 。通过改变通风方式 降低了工作面气温，2 4 2 1 工作面温度由3 1 ℃降低到 2 5 ．5 0 C ，改善了工作面气候条件。 2 ．2 冰冷辐射降温实饲 2 0 0 3 年1 1 月集团公司、孙村矿共同进行了实地 考察。冰冷辐射降温一期工程于2 0 0 4 年3 月份完 成设计。4 月1 3 日进行安装，5 月1 3 日制冷机、制 冰机安装完成。5 月2 6 日开始进行调试，6 月1 8 日，地面制冷机正常运行。7 月8 日地面、井下全线 运转，实现连续供冷，取得显著降温效果。通过地 温、风温预测、需冷量计算，设计日产5 0 0 t 冰，制冷 量为2 8 0 0 k W 制冷机组。降温系统总负荷共计 1 3 9 4 k W 。先在两个采煤工作面和六个掘进工作面 进行冰冷低温辐射降温试验，待试验成功后，再扩大 降温范围。服务于2 4 2 1 工作面、1 1 1 2 0 工作面、 一1 0 5 0 Ⅱl 矸石井、3 4 2 2 切眼、2 4 2 2 轨道巷、一1 0 5 0 m 东 大巷、一1 0 5 0 m 西大巷、一1 0 5 0 m 二采轨道下山等两 个圊采工作面、6 个掘进工作面，设计温度降到 2 8 ℃。 通过现场实际测定2 4 2 1 下面下出口以上l O m 处，由3 1 ．5 0 C 降到2 4 ．5 ℃，降低7 ℃；2 4 2 1 上面上出 口以下l O m 处由3 4 ．8 0 C 降到3 0 ℃以下，降低4 ．8 ℃。 一1 0 5 0 m 矸石井由3 3 ℃降到2 7 ．5 ℃，降低5 ．5 c c 。 5 8 击互擅晨斜技2 0 0 8 年矿井地热防治专刊 部分冰水供给矿井四采西翼的综采4 4 2 1 回采工作 面，进风温度由3 l ℃降到2 8 ℃，降低3 ℃。 2 0 0 8 年二期降温工程对2 4 2 2 面、3 2 2 2 面、2 4 2 3 运输巷高温热害进行治理，改善工作面气候条件。 共安装M K 一3 0 0 型空冷器 最大制冷量3 0 0 k W 3 台。经测量2 4 2 2 面下出口最低温度为2 6 ℃，降低温 度3 ．5 ℃；上出口温度为3 0 ℃，工作面降低温度3 ℃； 3 2 2 2 面下出口最低温度为2 6 ．5 ℃，降低温度3 ℃；上 出口温度为3 0 ℃，工作面降低温度3 ℃；掘进工作面 2 4 2 3 运输巷迎头最低温度为2 4 ℃，降低温度6 ℃；后 路温度为3 0 ℃，工作面降低温度3 ℃。 2 ．3 地热利用实例 为实现节能减排利用地热目的，在经过充分的 调研后，取消了地面燃煤锅炉，安装水源热泵系统， 提取地下水的热能，作为北立井井口冬季供暖的热 源。由于矿井涌水量较小，相对可提取的热能较少， 在冬季气温一5 ℃以下时，矿井水热能便不能满足井 口供暖需求；为解决该问题，有关技术人员多方寻求 解决途径，最后发现回风中含有大量热能，而且矿井 回风井距水源热泵机房较近，利用喷淋换热方式自 回风井中提取热能以补充。不仅解决了热源不足的 问题，而且风井中增加喷淋，可以净化风流，降低噪 声，减少环境污染，节能减排效果最好。在经过反复 论证和实际试验后，在北立井回风扩散塔内安装喷 淋设施一套，提取回风中的热能，取得了可观的经济 和社会效益。利用喷淋设施进行回风井热能回收， 是地热利用的一个成功先例，此项技术在国内首创， 具有广阔的推广前景。 在北立井工业广场的回风井，其回风在冬季可 以保持在温度2 2 ℃，相对湿度9 5 ％以上，风量较大 且稳定，一般风量在9 5 0 0 m 3 ／m i n 以上，利用目前喷 淋换热的常规技术，可以吸收回风中的部分热能，以 满足水源热泵系统的热源供应要求。在矿井回风中 提取、转换热量的主要方式有气源热能直接利用和 间接利用。气源热能直接利用主要选择气源热泵， 气源热能间接利用是用液体介质 如水 将气体中热 能吸收，再利用水源热泵提取热量。回风井内空间 狭窄，回风风量大，并且含有大量的煤粉灰，选择间 接利用气源热能方式，用水将回风中热能吸收，将升 温后的水再利用水源热泵提取热量。选用喷淋换热 装置，供水水源来自矿井地源热泵系统排出的凉水， 在扩散塔内经喷淋换热后再进入回收水池，然后进 入一体化处理设备，最后回到原水池，为水源热泵系 统提供2 0 0 0 k W 稳定热源。 原水池内经水源热泵循环后的d 4 。1 5 ℃的冷 水，利用水泵打压到回风井筒，经喷淋设施形成雾 状，和风井回风热交换后，吸热温升至1 8 ．5 0 C ，经过 潜水泵排至水处理设备处理后进入到源水池内，与 水源热泵机组排入的5 ～6 ℃冷水混合后变成1 6 ℃ 水，然后由潜水泵排至水源热泵蒸发器内，温度降为 1 5 ．9 。C ，经过与蒸发器内的氟利昂低温液体热交换 后温度进一步降低到5 6 ℃冷水，冷水循环回源水 池内与喷淋回水进行热交换，同时潜水泵将源水池 内的1 6 ℃水排至风井口进行喷淋，喷淋的水经过温 升后再排回源水池内。水源热泵冷凝器的回水温度 为3 8 ℃，经过热交换后温升至镐．5 。C 。热水经过管 道送至立井井口的风机盘管机组，进行供暖，满足立 井井口供暖。 表1回收热能实验数据之一 项目 测试项目 ℃ l 2 3 嚣 喷淋水水温1 5 ．7 喷淋 暖淋蓄水池水温 1 8 ．5 源水池水温1 6 进水水温1 5 ．91 5 ．8 蒸发器 出水水温 5 ．6 5 ．4 进水水温 3 83 9 机组冷凝器 出水水温 4 8 ．54 8 ．8 l 3 1 83 1 7 电流 2 3 1 73 l ’7 9 井口进风温度1 3 裹2 回收热能实验数据之二 喷淋出水 回风环境温度℃流量一／岫t进水温度℃ 温度℃ 2 35 082 0 1 02 0 01 41 9 l O3 0 01 51 9 1 0 4 0 0 1 41 8 ，5 3 、地热治理关键技术、方法和意见建议 矿井降温是运用综合技术措施，对井下作业地 点的风流进行冷却以改善作业环境。矿井降温必须 结合矿井的具体条件，选择切实可行、经济技术的措 施。由于矿井的高温原因不同，改善矿井气候条件 具体措施很多，但归纳起来将不外乎两个方面一是 采取非机械的制冷降温措施，包括选择合理的矿井 通风系统和通风方式，增大采掘工作面的风量，减少 采空区漏风，隔绝热源，减少巷道中的湿源，煤层预 冷，冰块降温，个体防护等；二是采取机械制冷降温 措施，即采用制冷设备对矿内空气进行冷却。由于 机械制冷降温措施的成本较高，所以只有在采取一 般的制冷降温措施不能达到降温目的时，才可考虑 2 0 0 8 年矿井地热防治专刊击夯战蔗舛故 机械制冷降温措施。通风降温是综合技术措施中最 基本、简单易行、安全可靠、经济有效的方法，其实质 是加大作业地点的供风量。因此如何用好通风降温 技术改善工作面气候条件尤为重要。 在条件相同时，加大风速和风量可降低沿程风 流的温升，并加快巷道周围冷却带的形成，为降低围 岩的放热量创造条件。在低沼气矿井，在一定采深 时，增大风速可达到一定降温效果，且比人工机械制 冷经济。但增风降温也是有条件的，它受到多方面 的因素制约，不是在任何情况下通风降温都是行之 有效的。一是受矿内井巷断面和安全风速的制约， 从经济角度考虑，井巷断面不可能无限大，而通过井 巷的风速受安全因素的限制，不能过高，回采工作面 风速不能高于4 r i g s 。二是受通风机能力的限制，通 风机的功率与风量呈三次方的关系，风量增加到一 定程度时，增风降温在经济上是不合理的；三是受人 风温度和围岩温度的制约，当入风温度超过2 8 ℃， 同时井巷围岩温度高于2 8 ℃，加大风量仅能提高风 速，增强人体舒适感外，降温效果较差，甚至会恶化 作业环境。 在正常通风条件下，矿井开采深度达到一定水 平后，由于井巷围岩温度的升高及其放热量的加大， 仅靠加大风量已无法将井下作业地点的温度控制在 安全规程规定的标准上。 孙村煤矿自1 9 8 2 年出现热害，在当时的通风条 件下，一4 0 0 m 水平采掘工作面气温已达到2 7 ．5 2 9 ℃．一6 0 0 m 水平掘进工作面气温高达3 0 3 1 ℃， 劳动条件恶化。2 0 多年来，通过多次通风系统改 造，提高采掘工作面风量，改革通风方式、采煤工艺 等通风降温措施，不断改善工作面气候条件。采取 通风降温措施如下 1 提高风量措施更换通风机、新掘进风井、新 掘回风井。 2 通风系统改造是老矿挖潜的重要组成部分， 特别是对通风能力紧张的矿井。由于矿井生产能力 提高，地温热害严重，采掘工作面需风量较大，造成 主扇通风能力紧张，满足不了下一步矿井延深对风 量需求，如何在现有通风系统条件下提高矿井风量， 既要能保证煤炭生产，又要保证通风安全和降温对 风量需求。就必须根据生产实际对矿井及采区通风 系统进行改造。2 0 年来针对矿井通风系统复杂、通 风设施较多、内部漏风量大、采区生产布局不合理、 生产相对集中、采掘比例不合理、矿井有效风量率低 的通风状况进行分析，提出通过通风系统优化，降低 矿井通风阻力，提高矿井风量，降低工作面气温的技 术措施。主要采取措施如下①补掘专用回风巷提 高风量。②利用报废巷道降阻提高风量。③将进风 改为回风实行并联回风提高风量。④加强局部通风 管理，掘进工作面增风降温。 3 改革工作面通风方式。 ①上行风改下行风。由于回采工作面系统的进 风顺槽处于温度较低的上部水平，已经过较长时间 的通风冷却，工作面进风所接触围岩的放热量相对 较少。各种机电设备放置在工作面的下部回风顺槽 时，煤的运输发热不进人工作面，减少了工作面进风 的热源。在1 2 1 9 回采工作面采用下行通风，经实测 工作面温度降低2 ．3 ℃。4 2 1 8 工作面、4 4 2 0 工作面、 4 4 2 1 工作面、2 2 2 0 工作面均采用下行通风，降温效 果显著。4 4 2 0 工作面采用下行风比采用上行风工 作面上出口进风温度由3 1 ．2 ℃降低到2 8 ．4 ℃，降低 2 。8 ℃。 ②上山开采。采用上山开采方式，尽量避免剔 头开采，实践表明上山开采方式比剔头开采方式，在 同等条件下可降低2 ℃。 ③顺拉工作面W 型通风。由工作面上、下口进 风，中间腰巷回风。这种方法不仅会造成缩短风路， 降低风阻，也相应增加了工作面风量，降低了风温， 改善工作面气候条件。 4 改革开拓布局。 并下机电硐室独立回风，减少串联风，缩短进风 路线。选择合理的通风系统，缩短工作面的入风路 程。对于达到1 0 0 0 m 深的矿井，缩短入风大巷的长 度，可降低采掘工作面的入风温度。后一采区、前四 采区电所、一6 0 0 m 压风机房、一8 0 0 m 扩大区压风机 房、一8 0 0 m 后四压风机房全部实现独立通风，热量 直接排人回风道，减少了对采掘工作面进风温度影 响。 5 改革开采工艺。 提高采煤机械化水平，提高单产单进。由综采 代替高档普采，合理集中生产。回采面由原来4 个 减少到3 个。采掘面减少，井下围岩总散热减少。 矿井降温不同于地面空调降温，地面降温属于 封闭环境，而矿井降温属于开放环境，冷量需源源不 断地输送到工作面，降温难度大。煤、空气、冷辐射 三者热交换复杂。 煤矿深部开采条件下，采用的地热治理技术通 过增大风量和机械降温相结合方式。目前采用的关 键技术为冰冷低温辐射降温技术，解决制约矿井发 础娃茬斜枝2 0 0 8 年矿井地热防治专刊 展高温热害难题，突出实用特点。 4 在地热治理技术方面取得的新进展、新成果 煤矿地热治理是一项采用综合技术手段，需要 机械设备研发为先导，提取地下热能，变废为宝。矿 井生产就必须通风，回风源源不断的热能损失如果 能够利用将大大节能减排。 I 研发新型M K 一3 0 0 空气冷却器，采用螺旋 结构和铜，增加换热面积，散冷效果好。 2 利用地面热泵系统，冬季为矿井供暖，夏季 利用热泵制冷降低矿井进风温度，经过千m 立井压 缩后，井底1 删，m i I I 风量温度由3 4 ℃降低到 3 0 c c ，总进风降低4 ℃。 3 利用低温进风降低工作面气温。对于斜井 和立井开拓相结合的老矿井，利用浅部矿井地温低， 进风与低温巷道进行热交换特点，降低进风温度。 4 针对综采工作面主要热源为采空区热源，上 下三角垒沙袋，采用风筒布制作挡风帘，减少采空区 热量涌出。 5 对矿井回风余热进行回收利用。矿井回风 无论冬季或夏季，温度均在2 2 ℃左右，利用喷淋水 和回风进行热交换，提取回风余热。 6 工作面及回风巷同时采用裸管散冷进行降 温。 针对回风巷温度高，维护巷道人员施工工作实 际和冷量大小，工作面迸风巷采用裸管和空气冷却 器相结合方式进行散冷，回风巷采用裸管和喷淋相 结合方式进行散冷，降低工作面整个工作环境温度。 5 结语 矿井地热治理必须走通风降温和机械降温相结 合的综合降温思路，必须考虑到废热利用。井下围 岩具有冬季放热，夏季吸热特点，今后应考虑如何利 用冬季多储存冷量，利用恒温带对进风空气提前进 行降温。 上接第5 6 页 机电设备产生的温度进入工作面，造 成工作面下隅温度较高，应加强工作面架间及各转 载点喷雾管理，上齐各喷雾设施并确保使用正常，利 用防尘水来净化风流和降低空气温度。 4 由于工作面下隅角温度较高，在工作面外段 全风压风流中安设大功率局部通风机，风筒延接到 工作面下隅角，以降低下隅角的空气温度。此方法 经实践验证是可行的，有效的。 先前尝试过用小局部通风机安设在工作面中、 上部供风，但当小局部通风机安设在工作面支架下 运转时，由于煤层薄、空间小，在支架下延接风筒时， 影响工作面行人和采煤机运行，易刮坏风筒。由于 移架和支架间高压管的影响，风筒有时会被压扁、脱 节，使局部通风机的风量不能全部送到工作面下隅 角。又因小局部通风机吸的是工作面和架闻采空区 的风，空气温度较高，所以送到下隅角的风流温度也 不低，降温效果不明显。 5 加强对工作面上、下隅角挡风帘的管理。 上、下隅角回撤支柱后要及时吊挂好挡风帘。在上 隅角吊挂好挡风帘是为了防止上隅角向采空区漏 风，以增大工作面风速，降低工作面温度。在下隅角 吊挂好挡风帘，是为了减少采空区内的热量向外释 放，以相对降低下隅角及工作面风流的温度。 5 ．2 产生效果 通过采取上述一系列治理措施，田陈煤矿北五 采区5 3 8 工作面的风量增大到1 1 0 0 矗／m i n ，工作面 风速增大到2 ．6 3 ．0 l l l ／s ，加强了工作面冷、热空气 的对流交换和循环，有效降低了工作面的温度，工作 面气候条件得到了改善。生产一线职工的安全和身 体健康得到了保障，职工工作积极性提高，工作效率 提高，效果良好。 表1 工作面高温治理前后各参数对照表 温度风量风速月产量效益 项目工作积极性 ℃ 一／r a i n 1 I l ，6 万t 万元 治理前 3 58 0 01 ．9 6 ．8 2 7 2 D 低 治理后 3 01 1 0 02 ．6 1 0 ．5伽 高 对比敷‘53 0 D 0 ．7 3 ．7 1 4 8 0千 6 总结 矿井热害的问题在许多矿井已逐渐成为一个突 出的问题，对此应引起足够的重视，应根据矿井自身 条件，采用或开发适合的热害防治措施。 高温热害矿井地热治理与应用技术探讨高温热害矿井地热治理与应用技术探讨 作者邸建友， 莫技， 仉学利 作者单位新矿集团孙村煤矿,山东 新泰 271219 相似文献1条相似文献1条 1.会议论文 邹洪建.任智德.钟宇辉 矿井地热治理技术研究与应用 2008 主要研究了矿井高温热害的热源,针对这些热源进行详细分析通风降温是解决矿井高温热害最直接、最简单、最有效的方法,受高温热害影响的矿井 必须做到通风先行,在确定开拓布局和采煤工艺时,必须满足通风降温和机械降温的要求.对个别长距离掘进工作面可采用大功率双局扇供风,配合洒水降 温,单纯靠通风降温的方法已经无法满足矿井安全开采的要求,需采用机械降温,尤其是受季节、温差影响较大的矿井. 本文链接 下载时间2009年9月22日