14298481_深部岩石热力学及热控技术_p271.pdf

J丘j深部岩石热力学及附瞅 5. 2 矿井降温系统的分类 为了保障开采工作继续安全有地进行，越来越多的矿井采用各种降温技术进 行热窑治理。国前国内外降混技术百花齐放口，2］，从冷媒系统角度来分有以冰为冷 媒的冰制冷系统（3,4）、以水为冷媒的11flit］冷系统和以压缩空气为冷媒的压缩空气和l 冷系统．从制冷机组放11.位置可以分为井上制冷系统、井下制冷系统等。按冷源 可以分为矿井涌7j冷源、井下回风冷源、地表空气冷源以及混合式冷源等（5，飞以 上降温技术都有各自的优缺点和适用范围，但针对具体某一矿井，需要寻找一种简 单有效的评价方法来判定降温技术的有效性，并建立统一的降温系统有效性评价 指标体系来评判优劣（7.8）。 矿井降温系统冷茧输运方式分为气相、团相和液相，根据矿井降71.il系统冷量输 运方式不同将矿井降温系统分为气冷式、冰冷式和11冷式，如图5.2所示。其中11 冷式根据系统降温工作站布fl方式和冷源获取的不同方式可以分为地表集中ffilj令 降温系统、地表排热井下集中降温系统、阴风排热井下集中降温系统、地表集中热 电联产降温系统和矿井涌7j为冷源的降温系统。 压缩空气制冷降温系统 冰叙l冷降温系统 地袋集中制拎降溢系统 地袋妇t热井下集中降温系统 囚凤排热＃－下集中降温系统 地袋集中热电联产降温系统 矿井涌水为冷源的降温系统 阁5.2深.1t-热窑降温系统分类 s. 2. 1 压缩空气制冷降温系统 图5.3为压缩空气制冷降温系统降温原理圆。压缩空气制冷降温系统首先在 地表将空气进行绝热压缩后变成高温高压的液态，此过程为等摘过程；然后进入冷 却器对高温高压的液态空气进行冷却后变为常植高压的液态空气，此过程为等压 过程；然后将常温高压的液态空气输送至井下，在井下进入膨胀机对常温高压的液 态空气进行绝热膨胀后变为低rffil空气，最后低祖空气换热后将冷盐输送至t作商 进行降温。该系统具有简洁方便、输运冷盘管路小等优点，但同时具有冷盘小、高 第5蠢矿芥降温系统的构成、分类和评价巳二 斥液态空气对设备密封性要求高等缺点。 l’ 11 ’输送系统 理 阴阳 气 － 安制 EF M低冷 由阳 气 空 缩 原 句‘ 川 - hJV 附 5.2.2 冰制冷降温系统 罔5.4为冰制冷降温原理。首先在井上利用制冰机制取粒状冰或泥状冰7j7昆 合物，通过风力或7／（力输送至井下的融冰池，在融冰池通过相变将冰中的所有以潜 热形式存在的冷恒释放出来制成低温水，然后将低温冷水输送至工作丽并利用空 冷器或喷算形式对采掘工作面进行降泪。该系统主要设备在地面．具有维护方便、 以潜热方式输送冷量大等优点，同时，由于冷量输运采用固液两相流形式，容易形 成堵塞．且在输运工程中由于与外界温差大、路径长，造成沿途的冷盘损失大。 － H －vm刷一 v 回 一 输冰系统 回咱一 冷水 图5.4冰制冷降温原理 5. 2. 3 地面集中制冷降温系统 图5.5为地面集中制冷降温原理。首先在井上利用制冷循环制出低温冷水， 输送至井下．通过高低压换热器将高压水体中的冷最通过对流方式传给低ft.7J体， 最后将低温低it的水体输送至采掘工作丽利用主冷器进行降温。该系统主要设备 在地面，具有维护方便的特点．但冷最输运管路高差大会引起高压，输运距离长会 造成沿途冷盘损失。 斗深部副刀技术 . J J J J J Peli体 工二Jxl却L 帽 ... 地面trh汗；1）冷降温JJ；f里 ... 乡巨冷2曹 回 凤 地面排热井下集中降温系统5. 2 . .J 阁5.6为井下集中制冷地面指｜二热｜将由原理。主要是将制冷机进行改造．适应 煤矿井F条件，放置在井下．通过地而冷却塔进行冷却散热。由于该系统将制冷板i 放在井下，缩短了冷盘输运距离．减少沿途冷盘损失．同时．将冷却l过程放在地表不 会引起冷凝热散热闹浓的问题。但是，该系统也无法仰决设备、管道的高月二问题。 地表 供 混凤系统 J 〉叫 ..... 回 风 ，，下集中和l冷地面捕热降温原理｜每I5. 6 回凤排热井下集中降温系统5.2.5 附5.7为井下集中制冷回风排热｜哗温原理。主茧是将地面集中制冷模式训有 Jilj矿井井下。机组冷却7／（山水通过。血淋设施在井下囱风中进行冷去fl ＇有时需增设 第5章矿井降温系统阳分类和评价 局部通风机，利用风流与水的换热作用加强冷却效果。该系统将所有设备都放在 井下．成功解决了上述系统布在的高压问题，但同时，由于高温矿井回以温度高温 度大引起冷凝排热网难，选j戊系统制冷豆t1J、。 喷淋 ＋＋＋＋＋。嘈－ 工阴郁i皿风机 .. 地袭 ,,,,,,,,,,,,,,,,,, 对旋风.-tL 冷冻水 ＞空冷器 阴 风 阁5.7 井下集巾和IJl令11风排热降i屈原则 5.2.6 地面热电联产制冷降温系统 供 凤 ｜纠 5.8为地丽热电联产制冷降温原理．该技术酋先把电厂废fe.余热输送到 i奥化惚制冷机里进行一级制冷，再进入乙二醉蝶丰｜制冷机里进行二级制冷，和l取 - 5-3. l℃的乙二醇溶液。冷却的乙二醉i容液通过｛共冷管道送入井下换冷供 应室冷却7j.被冷却的7j经空冷器产生凉风．送入高温t作而．进行工作而降源。 该系统成功利用矿井废弃余热．降低系统能挺．但同时只有高Ff和沿途冷损大的 问题。 余热一级帝l冷二级制冷 山码’.......m化刷刷；0平 凤机 则iι二t i「－＇i.J;且c .＞出出 阁5.8地面热电联产制l冷｜海iii/,原则 5. 2. 7 矿井i雨水为冷源的降温系统 i亥降温系统以矿井涌水为主要冷源．在井下边过提取矿井汹水中的冷ffl.3挺进 之己i深部岩石热刀学及热控夜术 行降温，同时将降温系统冷凝热通过矿井涌水排至地表利用，实现高温矿井热窑资 源化，第61肯将会对此进行详细阐述。 5. 3 矿井降温系统有效性评价方法 由上述分析可知各种方式的矿井降温系统都有各自的优缺点．在矿井降温设 计选择方案时．需要结合矿井自身的实际条件对不同的降温系统依据统一标准进 行评价分析。为此我们选择阁5.9中工作丽C点为温度监测点，位于距离回风隅 角15m工作面巷道中心处。首先判定降温系统是否合格．然后通过降温前后C点 的温度和然值变化’情况并结合整个降温系统的投资和月运行费用建立阵混系统有 效性评价指标体系． 迸凤 F点 J1 ．工作而推进方向 elc点.. .. 回凤 图5.9工作面C点示怠图 5. 3. I 降温系统合格指标 我们以工作面C点空气干球温度来判定降温系统是否合格．降温后C点空气 干球温度低于30℃为合格，高于30℃为不合格．该标准建立依据如下 1）为了研究高温环境对瓦斯逸出的影响．通过试验观察不同混度下吸附瓦 斯的选出盘．对古生代、中生代、新生代等年代以及不同炮区的煤样试验发现，王与 温度超过30℃时，吸附瓦斯逸出量突增。图5.10为鹤岗；煤矿中生代煤样试验 结果．可以看出，不论是瓦斯总量还是一氧化碳和乙皖单个气体的逸出盘．在温 度超过30℃时突然剧增。为此从矿井安全角度出发设定工作面C点温度不能 超过30℃。 2）通过室内人体耐热力试验发现，当人在温度超过30℃的环境中从事体力 活动时，人体的［（ILY在埠度开始升高，剌激下丘脑中的热受体并开始启动汗腺．增加 汗液的分泌．使皮肤的血管舒张。但是由于环境温度过高使得体内热量很难通过 皮肤散热．室内血液一直在高温状态下运行．脏器负担过重．长时间工作会严重损 害脏器。为此．从人体健康角度出发设定工作面温度不能超过30℃. . . 第6章HEMS热害控制模式及技术 目前深井高温热害治理主要有德国的气冷降温技术和南非的冰冷式降温技 术。德罔技术存在的主要问题是①井下系统排热困难；②混风降温模式，降温效 果差，降湿不明显；③地面系统投资太高，建设周期长，运行费用高。南非技术存在 的主要问题是①系统长，投资大；②混风或喷淋降温，湿度增加1 ；①运行费用高。 因此，研发一种｜珠ilfil降温效果好、投资不大、运行费用低的深井离温热害治理技术 及其相应的装备系统，已经成为深部煤矿安全生产的重大需求。针对以上问题，结 合煤矿生产工艺系统特点，综合运用工程地质和水文地质学、工程热物理学、地热 学、采矿学、热力学等多学科理论，本右变害为平Ij、热害资源、化的角度，提出深井热 害治理与矿井热能综合利用系统（hightemperature exchange machinery system, HEMS），该技术以矿井涌水为介质，将井下的热窑资源、提取出来，通过工艺系统输 送到地面进行工业广场井口防冻、建筑物和洗浴供热。 6. 1 HEMS介绍 HEMS主要利用矿井漏水、矿井回风等冷源进行降温，并通过矿井排水系统 实现井下热窑资源化、变废为宝，在有效改善井下热环境的同时，成功提取井下热 能代替封上燃煤锅炉供热，最终解决深部矿区面临的热害和环境污染两个问题，促 进矿区低碳环境经济，实现可持续发展（I咐。 该降温系统针对矿井热害防治和热能利用两问题统一考虑，提出井上供热与 井下降温一体化设计工艺，其工作原理是利用矿井各水平现有涌水，通过能盘提取 系统从中提取冷挂，然后运用提取出的冷茧与工作面高温空气进行换热作用，降低 工作面的环境温度及湿度，并且以矿井涌7j为介质将丁－作而热苦转化为热能输送 到井上代替燃煤锅炉进行供热，丁作原理见罔6.1 。 整个工艺系统分井土和井下两部分，井下部分由HEMS-1＇换热工作站、 l-IEMS-I制冷工作站、HEMS-PT斥力转换工作站及HEMS-II降温t作站组成； JI上部分内HEMS－丁换热t作泊、HEMS-W热能利用t作灿、洗浴供热及井口 HEMS-U -Shaft防冻t作站组成。各个丁，作站详细介绍如下 1）矿用＝气防换热器HEMS-T 由于矿井涌水具有矿化度高、悬浮物多、腐蚀性强等特点，为使矿井涌水不直 接进入主机系统，在矿井涌7j与I-IEMS-ICl-IEMS-[O ）机组之间110入了I-IEMS-T .