_论矿井热害治理技术.pdf

问题探讨 论 矿 井 热 害 治 理 技 术 王长元,张习军,姬建虎 煤炭科学研究总院重庆研究院, 重庆 400037 摘 要 随着煤矿开采深度的增加, 矿井热害问题日益突出 ,给矿井的安全生产带来严重影响 。机 械制冷降温技术已取代了传统的降温方法, 成为矿井降温的主要手段 。机械制冷降温技术结合传统的 降温方法进行综合降温, 是实现高效、 节能的有效途径 。论述了国内外常用的一些降温技术和方法、矿 井降温设计过程中的一些计算方法 ,指出矿井热害治理过程中需要注意的问题 ,并说明了高效 、 节能是 矿井热害治理技术的发展趋势 。 关键词 矿井热害; 热害治理; 机械制冷 ; 降温设计 ; 节能 中图分类号 TD727 文献标志码 A 文章编号 1008- 4495 2009 02- 0062-03 收稿日期 2008-03-10; 2008-11-26修订 作者简介 王长元 1955, 男, 重庆壁山人, 高级工程 师, 主要研究方向为矿井通风防灭火、煤矿安全技术及工程。 Tel 023-65239357。 随着浅部煤炭资源储量的减少 , 越来越多的矿 井已进入深部开采 。据资料显示 , 我国已预测的煤 炭总储量的 73. 2 埋深在 1 000 m 以下 [ 1] 。随着开 采深度的增加, 地温大幅度地升高 ,直接导致了矿井 热害的形成 ,给矿井的正常安全生产 、 矿工的身体健 康和劳动生产率造成了严重的影响 , 热害治理已成 为矿井安全管理工作中的一项重要任务 。 1 矿井热害治理技术 国内外矿井热害治理主要采取 2 个方面的措 施 一是非人工制冷降温措施 ,主要有通风降温 、 控 制热源、 预冷入风流 、 个体防护 、煤层注水预冷煤体 等; 二是人工制冷降温措施 ,包括人工制冷水降温 、 人工制冰降温和压缩空气制冷降温 。 1. 1 非人工制冷降温措施 1. 1 . 1 通风降温 对于一些热害不是很严重的矿井, 通风是既经 济又有效的方法 。通常采取的通风措施主要有 1加大通风强度 。加大通风强度并不是盲目 地增加风量 ,因为受风速的限制, 采掘工作面都有一 个通风降温的极限。当采掘工作面的风量还没有达 到通风降温的极限时 , 可以依靠增加风量来降低工 作面的温度 ; 当超过最大风量时, 增风降温的效果就 不太明显。据统计, 我国煤矿高温采面在净断面积 为 6～ 8 m 2 的情况下, 增风降温合理的风量上限为 800～ 1 000 m 3 min。 2选择合理的通风方式。减少风流在风路上 的吸热量 , 可采取同流通风或下行通风 倾斜煤层 时 的方式。当风流方向和运煤方向一致、机电设备 都布置在回风侧时, 进风侧和采煤工作面就少了外 运的煤和机电设备这 2 个热源, 从而使得这些地点 的环境条件得到改善。资料显示, 我国有 50 余个矿 的 189 个工作面采用下行通风, 取得了较好的降温 效果 。 1. 1. 2 控制热源 在矿井众多的热源中, 有的可以采取措施加以 控制, 而有的是不能控制的 。可以控制的热源主 要有 1围岩散热的控制 。主要措施就是采用隔热 物质喷涂岩壁 , 减缓围岩的传热。在井下围岩温度 大于 35 ℃条件下 , 可使巷道内的温度降低 3 ～ 4. 5 ℃,采煤工作面的温度降低 2～ 3 ℃。但是围岩 散热只能减缓而不能消除, 所以隔热层的作用在一 定的时间后就会消失。国外曾用喷射聚氨基甲酸酯 作冻土墙的保护层进行隔热 。 2机电设备散热的控制。尽量将工作面的辅 助设备布置在回风侧; 机电硐室建独立的回风系统; 安装辅助风机 ,局部散热 ; 使用高效率的机电设备 。 3爆破热的控制 。采掘工作面爆破时产生的 热量要及时用风流排出 ,为了免受其影响, 通常实行 爆破时间与井下人员的工作时间分开 。 4热水及管道热的控制。对于有热水涌出的 62 2009 年 4 月 矿业安全与环保 第 36卷第 2 期 矿井,采取超前疏排热水 ,并用隔热管道排至地面 , 或经过有隔热盖板的水沟导入井下水仓 , 再由隔热 管道排至地面。将高温排水管和热压风管敷设于回 风道中。 1. 1 . 3 预冷入风流 夏季可以采用预冷入风流的方法来降低风流温 度,措施有 1在地面预冷入风流 ,结合空气制冷机将风流 温度降低 ,再进入井下,可起到一定的降温作用。 2将风流通过一段喷淋巷道, 利用巷道的地温 水与风流进行热交换 ,达到降温的目的; 也可利用恒 温层温度最低的特点 , 使风流经过岩层温度较低的 巷道, 风流与围岩进行热交换 ,达到降温的目的 。经 验表明,采取上述措施后的风流温度要比直接进入 井下的风流温度低 3～ 5 ℃。 1. 1 . 4 个体防护 冷却服可以防止热环境对矿工身体的对流和辐 射传热,并且使人体在体力劳动中所产生的新陈代 谢热传给冷却服中的冷媒 。在矿井局部高温区域 , 不宜采取风流冷却措施时, 可以采取个体防护 。个 体防护的制冷成本仅为其他制冷成本的 1 5。 1. 1 . 5 其他降温措施 除了上述的一些常用措施外, 根据矿井的具体 情况还可采取的措施有 煤层注水预冷煤体 、 采用合 理的开拓系统和开采方法 、合理的充填方法和充填 材料 、 储存冬季的天然冷源作为夏季的降温冷源等 。 1. 2 人工制冷降温措施 1. 2 . 1 人工制冷水降温 人工制冷水降温系统由制冷机 、 空冷器 、 冷媒管 道、 高低压换热器 制冷站设在地面时 、水泵及冷却 塔组成 ,分为制冷、 输冷、散冷 、 排热 4 大系统 。目前 国内外的大部分矿井降温系统都是采用这种形式 。 根据制冷站的安装位置和载冷剂的循环方式 ,人工 制冷降温系统又有 4 种类型 地面集中制冷降温系 统、 井下集中制冷降温系统、 地面井下联合集中制冷 降温系统和井下分散式局部制冷降温系统。 1地面集中式制冷降温系统 。主要工艺是将 制冷站设在地面工业场地内, 安装冷水机组若干台 , 制冷机组出来的冷水 , 通过保冷管道送至设置在井 下开采水平的高低压换热器中 , 由高低压换热器转 换的二次低压冷水, 用泵送至各采掘工作面空冷器 冷却风流, 冷凝热由地面冷却塔排放 。对有条件的 矿井, 可实行矿井降温冷源与煤矿热电站联产 [ 2] 。 利用丰富的劣质煤, 建设小型坑口自备热电站, 配置 溴化锂吸收式制冷机组 , 再与其串联一级压缩式制 冷机组, 最终制出 1 ℃的冷水送往井下降温系统。 2井下集中式制冷降温系统。在井下设置一 个集中制冷站 ,根据需要安装冷水机组若干台 ,保证 全矿井下采掘工作面的冷量需要。制冷机蒸发器蒸 发出来的低温冷水通过保冷管道, 送至各采掘工作 面的空冷器冷却风流,在井下排放冷凝热。 3地面、 井下联合集中式制冷降温系统。在地 面、井下同时设置制冷站 , 冷凝热在地面集中排 放 [ 1] 。该系统相当于 2 级制冷, 井下制冷机的冷凝 热是借助于地面制冷机冷水系统冷却。因井下最大 的制冷容量受制于相应的空气和水流的回流排热能 力, 所以通常需要在地面安装附加的制冷机组。 4井下分散式局部制冷降温系统。当实际矿 井工程中只有几个点需要降温, 并且点与点相隔较 远时, 只在需要降温的地点 , 如采掘工作面、大型机 电硐室等附近建立小型的制冷站, 对局部区域进行 降温 。这时井下分散式局部空调系统是一种高效经 济的降温系统 。 4种制冷降温系统的优缺点比较如表 1 所示 。 表 1 4 种矿井空调系统优缺点比较表 空调 系统 优 点缺 点 地面 a. 厂房施工 、 设备安装 、维护 、 管理和操作方便 b. 可采用一般型制冷设备 c. 安全可靠 d. 排热方便 e. 无需在井下开凿大断面机电硐室 f. 冬季可利用地面天然冷源 a. 高压冷水处理困难 b. 供冷管道长 ,冷损大 c. 需在井筒中安设大直径管道 d. 一次载冷剂需用盐水 , 对管道有腐蚀作用 e. 空调系统复杂 井下 a. 供冷管道短 ,冷损小 b. 无高压冷水系统 c. 可利用矿井水或回风流排热 d. 供冷系统简单 , 冷量调节方便 a. 井下要开凿大断面机电硐室 b. 对制冷设备有特殊要求 c. 基建、安装 、 维护 、管理和操作不方便 d. 安全性差 联合 a. 可提高一次载冷剂的回水温度, 减少冷损 b. 可利用一次载冷剂排除井下制冷机的冷凝热 c. 可减少一次载冷剂的循环量 a. 系统复杂 b. 制冷设备分散 ,不易管理 移动 a. 冷量损失小 b. 无需在井下开凿大断面机电硐室 c. 简单 、 灵活 a. 制冷设备分散 , 不易管理 b. 冷凝热排放困难 c. 安全性差 1. 2. 2 人工制冰降温 人工制冰降温系统主要由制冰 、输冰和融冰 3 个环节组成。在矿井采深很大 超过 3 000 m , 冷负 荷很大的情况下 ,冰冷却降温系统就显示出其优越 性 需水量少, 大大节约成本; 输送到空冷器的冷水 温度较低 ,换热效率高; 克服了静水压力和冷凝热排 放的难题 ,但是在输冰和融冰环节上还要做很多的 研究。冰冷却降温技术在国外应用较早 , 尤其是南 63 2009 年 4 月 矿业安全与环保 第 36卷第 2 期 非的金矿 ,如南非 ERPM 矿, 其冰冷却降温系统已经 运行了 10 多 a , 积累了丰富的经验。在我国要实现 冰冷却降温技术的应用 , 需要在借鉴国外经验的基 础上, 集中科研院所和各大高校的力量, 联合煤炭企 业立项攻关,才能取得实质性的进展。 1. 2 . 3 压缩空气制冷降温 空气由压缩机压缩 、 经过冷却器冷却, 再由减压 机减压膨胀后由管道输送到采掘工作面 , 通过引射 器均匀喷向工作面, 吸收工作面风流的热量 ,达到降 温的目的 [ 3] 。该系统在技术上具有显著的优点, 采 用压缩空气作为载冷介质 , 大大减小了输气管道断 面积 ; 该系统运行经济合理,能够有效地解决我国当 前矿井集中降温存在的实际问题 , 可用金属或橡胶 软管沿工作面布置, 使工作面上的冷量分布合理 ,降 温效果好 ,而且系统简单 ,应用灵活。由于压缩空气 的吸热量有限, 该方法只能适用于需冷量不大的小 型矿井降温。 2 矿井降温设计中涉及的计算问题 目前 , 国内许多大型矿井都是采用人工制冷降 温技术来治理矿井热害 , 其中主要涉及的是需冷量 和管道的计算, 最终计算出制冷系统的冷负荷 。 2. 1 采掘工作面或机电设备硐室需冷量的计算 采掘工作面或主要机电设备硐室的需冷量按下 式计算 Q G i1-i2 式中 Q 为采掘工作面及机电设备硐室的需冷量 , kW; G 为采掘工作面及机电设备硐室的质量风量 , kg s; i1为处理前采掘工作面及机电设备硐室的进风 风流焓值 ,kJ kg; i2为处理后采掘工作面及机电设备 硐室的进风风流焓值 ,kJ kg 。 2. 2 供冷管径及保温层厚度计算 供冷管径可参照下式计算 D 1. 13W v 式中 D 为供冷管径 ,m ; W 为载冷剂循环量, m 3 s; v 为流速, 一般可选用 1. 5～ 2. 5 m s。 保温层厚度可按下式计算 t2-t1 t2-tl 1 α 2λ D1ln D1 D2 式中 D1为隔热管外径,m; D2为无隔热层管外径,m; t1为管内介质温度, ℃; t2为管外周围空气温度 , ℃; tl为隔热管外表面温度 , ℃; α为隔热层外表面的隔 热系数 , W m 2 K ; λ为隔 热材 料 的热 导率 , W m K 。 2. 3 载冷剂在管道中的冷量损失计算 载冷剂在沿管道循环的过程中 ,由于管壁传热、 摩擦以及局部阻力等原因, 造成一定的冷量损失。 保温管道的冷量损失可按下式计算 q π t2-t1 1 2λ ln D1 D2 1 α D1 式中 q 为每 1 m 管道的冷损失量 ,W m。 制冷系统最终的冷负荷应该是采掘工作面或机 电设备硐室需冷量 、 输冷管道的冷损失 、 水泵对载冷 剂的加热量等的总和,再乘以一个附加系数 。 3 发展趋势 对于一个矿井的降温工作 , 具体的实施过程应 该是先采取以通风为主的非制冷降温措施 。当局部 地点热害严重时 ,考虑局部制冷降温措施来对局部 地点降温。当热害范围扩大到整个矿井时 , 就要考 虑集中制冷的降温措施, 并逐步实现制冷系统的大 型化 ,制冷设备的多样化 。提高制冷系统的效率, 实 现控制系统和测试系统的自动化 、 可视化, 最终使矿 井降温系统朝着综合、 高效、节能的方向发展 。 4 结束语 根据煤矿井下热害防治设计规范 , 矿井热害 的治理应遵循技术先进 、安全可靠、经济合理的原 则,综合运用国内外已有的科研成果和成熟经验。 针对热害十分严重的矿井, 坚持人工制冷降温措施 和非人工制冷降温措施相结合的原则, 采取针对性 强的措施 ,可取得良好的降温效果 。 参考文献 [ 1]王进. 矿井降温空调系统的分类及发展现状[ J] . 中山大 学学报, 2007, 27 2 109-113. [ 2]刘忠宝. 高温矿井降温空调的概况及进展[ J] . 真空与低 温, 2002, 9 8 130-134. [ 3]陈平. 采用压气供冷的新型矿井集中空调系统[ J] . 矿业 安全与环保, 2006, 31 3 1-4. 责任编辑 李 琴 64 2009 年 4 月 矿业安全与环保 第 36卷第 2 期