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永川煤矿高温热害防治技术研究与实践永川煤矿高温热害防治技术研究与实践 张习军 1, 2，褚召祥1, 2，姬建虎1, 2，黄华良3 （1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2．中国煤炭科工集团重庆研究院，重庆 400037；3．重庆永荣 矿业有限公司，重庆 402460） 摘要摘要针对永川煤矿-500 m 水平开拓期间掘进工作面产生的高温热害现象，采用局部冷水降温系统，利用 矿井涌水和回风综合排热，使掘进工作面附近 100 m 范围内干球温度平均降低 5.6 ℃，湿球温度平均降低 8.5 ℃，相对湿度平均降低 20。现场实测发现，降温后掘进工作面干球温度与风筒出口处干球温度近似为 线性关系；与空冷器后风筒内干球温度在一定范围内近似呈二次抛物线关系。此外，掘进工作面附近干湿球 温度差值较大，最大可达 57 ℃。风流在回头过程中湿交换量较大，容易形成放大的“回头热”现象。 关健词关健词热害；降温系统；掘进工作面；干球温度；相对湿度 Research andApplication on Preventive MeasuresAgainst Heat Disaster inYongchuan Coal Mine ZHANG Xi-jun1, 2, CHU Zhao-xiang1, 2, JI Jian-hu1, 2, HUANG Hua-liang3 （1. National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting，Preventing and Emergency Controlling, Chongqing, 400037, China; 2. Chongqing Research Institute of China CoalTechnology ＆ Engineering Group CORP, Chongqing, 400037, China; 3. ChongqingYongrong Mining Company Ltd. , Chongqing, 402460, China） Abstract Aiming at the phenomenon of tunneling face heat disaster during the -500m level development period in Yongchuan coal mine, the local chilled cooling system which its heat extraction depending on burst water and return air was adopted to lower the temperature and humidity of airflow. The result shows that near the tunneling face100m the average decrease of dry bulb temperature, wet bulb temperature and relative humidity reaches 5.6℃, 8.5℃ and 20 respectively. And some changing regularity of airflow thermodynamic parameters was got through field investigation. After cooling, on the one hand, the dry bulb temperature of face increases linearly with the dry bulb temperature of air duct exit. On the other hand, the relationship between dry bulb temperature of face and after air condenser is approximately cubic parabola. Besides, the depression of the wet bulb in tunneling face is larger. Sometimes it can reach 57℃, easily ing the magnification of the “turn back hot“ phenomenon. Keywords heat disaster; cooling system; tunneling face; dry-bulb temperature; relative humidity 近年来，随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国越来 越多的煤矿逐渐进入深部开采。矿井进入深部开采后除 面临一些局部偶发性的煤与瓦斯突出、冲击地压、突水 等灾害威胁外，普遍面临着高温热害的难题。为了改善 井下工作环境，机械制冷降温已成为矿井热害治理的必 要手段。其中，山东赵楼煤矿根据不同时期的需求分别 采用了地面喷淋、井下集中式冷水降温系统[1-3]，安徽丁 集、潘集煤矿采用了地面集中式冷-热-电联供矿井降温 系统[4-5]， 河南平煤四矿采用了矿井局部移动式制冷降温 系统[6]、热-电-乙二醇低温制冷全矿井降温系统[7]，江苏 三河尖煤矿利用矿井涌水作为冷源采用了HEMS 深井 降温系统[8]，均取得了较好的降温效果。但是，上述矿 井一般处于我国的中东部地区，矿井生产能力大、平均 吨煤降温成本较低。而永川煤矿地处西南地区，由于资 源的匮乏以及地质条件的复杂， 矿井生产能力低。 因此， 根据自身热害严重程度、采掘状况对各种降温方式进行 技术和经济综合分析后，选择采用适合永川煤矿具体条 件的局部冷水降温系统解决其深部开拓（-500m水平， 开采深度800m左右）过程中产生的高温热害问题。 1 永川煤矿热害情况永川煤矿热害情况 永川煤矿位于重庆市永川区红炉镇境内，矿井始建 于20 世纪50年代，原设计生产能力15 万t/a，经多年 扩能改造，2006年核定矿井生产能力30万t/a。矿井采 用平硐暗斜井开拓方式，后退式走向长壁采煤法，垮 落法管理顶板。矿井通风方式为两翼对角抽出式，采煤 工作面采用下行顺向掺新通风方式，掘进工作面采用局 部通风机压入式通风。矿井主采煤层七号煤层，可采段 煤层厚0.46～0.99m，平均0.58m。由于矿井开采历史 悠久，因此开采水平较多，依次划分为150m、-100m、 -350m、-500m 四个水平。目前-350m 水平以上的资源 已基本采完。现已进行-500m水平掘进施工。实测资料 显示-500 m 水平开拓掘进工作面风流温度达 30～ 33 ℃。高温热害问题严重影响了矿井的正常接续生产， 热害防治工作迫在眉睫。 2矿井热害防治矿井热害防治 2.1 矿井降温方案确定矿井降温方案确定 永川煤矿在-350m水平的生产过程中局部地点也出 现过温度超限情况。为此，矿井进行了热害防治的前期 研究工作。文献 [9] 阐述了矿井前期研究的有关结论， 主要有矿井热源调查、采掘工作面热害状况评估、矿井 降温系统需冷量计算以及矿井降温方案的初步拟定。根 据目前国内外矿井降温工程设计的经验，结合矿井实际 情况，永川煤矿的降温工程首选应为区域集中制冷降温 模式[9]。但目前国内还没有与永川煤矿同类型矿井降温 示范工程，采用区域集中制冷降温方式一方面没有可借 鉴的成功经验，另一方面初期的投资很大，面临的经济 风险也较高。因此，综合考虑各方面的因素，永川煤矿 井下降温系统首先采取局部降温系统，在取得相关经验 后再将降温工程逐步向其他区域覆盖。 2.2 矿井局部降温系统及工艺流程矿井局部降温系统及工艺流程 矿井降温系统主要包括制冷、输冷、散冷和排热4 个环节，只有这4 个环节有条不紊的同步进行才能确保 降温系统的高效运转。永川煤矿-500m水平开拓掘进工 作面的局部制冷降温系统主要从这4个环节入手，将这 四个环节连成一体，建成永川煤矿降温示范工程。工艺 流程如图1所示。 图图1永川煤矿局部降温系统工艺流程永川煤矿局部降温系统工艺流程 1）制冷环节。永川煤矿局部降温系统采用CS-400 冷水机组， 额定制冷量为400kW， 设计蒸发器蒸发温度 35 ℃，冷凝器冷凝温度4850 ℃。 2） 输冷环节。 输冷即对制冷机组制取的载冷剂通过 某种方式输送到散冷环节，之后又将换热后升温的载冷 剂输送回制冷机组再次制冷。在本系统中，载冷剂为冷 冻水， 流量为35m3/h。 冷冻水通过添加了保温层的无缝 钢管输送，保温层厚度为50mm，保温材料为聚氨酯。 3）散冷环节。矿井降温的最终目的是降低采掘工 作面风流温度，散冷环节就是通过换热器实现能量的转 移，即将制冷机组制取的冷量转移给风流，风流的热量 转移给载冷剂。本降温系统中散冷装置为空冷器，设计 换热量为400kW。空冷器进风端接压入式局部通风机， 出风端接风筒，空冷器内换热管为蛇形铜管，管内走冷 冻水，管外为空气。设计进风干球温度为33 ℃，相对 湿度90， 出风干球温度为18～22 ℃， 相对湿度100， 设计最大处理风量400m3/min。 4）排热环节。永川煤矿降温系统冷水机组制冷量 为400kW， 电机功率为132kW， 则理论上排热量为532 kW。通过分析计算得出要排除532kW的热量，完全依 靠回风流排热需要约600m3/min的风量（该方案回冷器 进风参数为温度30 ℃， 相对湿度95； 出风参数为 温度37 ℃，相对湿度100） ；完全依靠矿井涌水排热 则需要约42m3/h水量（该方案冷却水循环为开式系统， 进水温度按31 ℃计算，这是永川煤矿井下涌水的一般 温度， 出水温度按42 ℃计算） 。 本设计中采用矿井涌水 回风综合排热。回冷器对冷却水进行第一次冷却，一 次冷却后冷却水温度由48 ℃降低到45.4 ℃， 再进入浸 泡式换热器进行二次冷却，由45.4 ℃降低到42 ℃。回 冷器和浸泡式换热器串联在冷却水循环管路上，冷却水 为闭式循环系统，设计流量为75m3/h。 3矿井降温效果分析矿井降温效果分析 3.1 掘进工作面降温除湿效果分析掘进工作面降温除湿效果分析 矿井局部降温系统的最终目的是创造适宜的掘进 工作面气候条件，因此工作面降温除湿效果则成为系统 运行最有效的检验途径。考虑到人员工作范围有限，以 掘进工作面为参考，测定工作面附近100m范围内的风 冷风通过 风筒至掘 进工作面 流热力参数，进行降温前后的对比。此外，将掘进巷道 内的局部通风机、空冷器也考虑进来，统一测试，沿风 流路线方向布置测点如图2所示（1-9为测点） 。掘进工 作面降温除湿效果如图3所示。 1局部通风机吸风口前； 2局部通风机后或空冷器前风筒内 （局 部通风机和空冷器之间距离较小， 约12m风筒） ； 3空冷器后风 筒内；4掘进工作面风筒出口；5掘进工作面风流回风侧；6 距掘进工作面20m巷道内；7距掘进工作面50m巷道内；8 距掘进工作面80m巷道内；9距掘进工作面100m巷道内 图图2掘进工作面测点布置掘进工作面测点布置 图图3掘进工作面降温前后 干球温度、湿球温度和相对湿度变化曲线 掘进工作面降温前后 干球温度、湿球温度和相对湿度变化曲线 1）干球温度。掘进工作面100m 附近区域，干球 温度平均降低5.6 ℃，最大7.5 ℃，工作区域降温效果 感觉明显（降温前干球温度一般在3334 ℃） 。 2）湿球温度。掘进工作面100m 附近区域，湿球 温度平均降低8.5 ℃，最大可以达11 ℃，除湿效果十 分明显（局部通风机后风筒内、空冷器后风筒内由于风 筒的阻碍作用，部分湿球温度难以测量） 。 3）相对湿度。掘进工作面100m 附近区域，降温 后风流相对湿度平均降低20。工作面除湿效果明显。 3.2 掘进工作面部分测点降温参数变化关系分析掘进工作面部分测点降温参数变化关系分析 3.2.1掘进工作面风筒出口与风流回风侧干球温度关系 在掘进工作面风筒出口和风流回风侧布置2个测点 （图2中4和5测点）测量干球温度，两者之间的拟合 关系如图4所示。 图图 4掘进工作面风筒出口与风流回风侧 干球温度关系 掘进工作面风筒出口与风流回风侧 干球温度关系 由图4可知，风筒内所供冷风在沿途升温后，干球 温度较高，至掘进工作面后虽然与新开掘围岩进行热湿 交换，但温度仍然变化不大，甚至有部分降低。分析其 原因，发现主要与风流的相对湿度有关，掘进工作面风 筒出口与风流回风侧干球温度近似呈线性关系变化，二 者拟合关系式为 36 . 9 65 . 0  FGYG TT（1） 式中，TYG为掘进工作面风流回风侧干球温度，℃； TFG为掘进工作面风筒出口干球温度，℃。在一定范围 内掘进工作面干球温度（2729 ℃）随风筒出风干球温 度（2830 ℃）的增加而增加。统计规律结果表明只要 将风筒出风口处送风干球温度控制在30 ℃以内，掘进 工作面附近环境就可以控制在可接受范围内。 3.2.2空冷器后风筒内（风流经空冷器处理后）与掘进工 作面风流回风侧干球温度关系 矿井巷道风流经过空冷器的处理后其温度主要取决 于载冷剂的温度。空冷器后风筒内温度的变化代表了进 入空冷器内载冷剂温度的变化，进而可以反映出整个降 温系统的运行状态变化。在空冷器后风筒内和掘进工作 面风流回风侧布置两个测点（图2 中3 和5 测点） ，测 量干球温度，两者之间的拟合关系如图5所示。 测点 测点 测点 图图 5空冷器后风筒内与掘进工作面风流回风侧 干球温度关系 空冷器后风筒内与掘进工作面风流回风侧 干球温度关系 由图5可知，空冷器后风筒内与掘进工作面风流回 风侧干球温度的拟合关系式为 4 .9882 . 0 2  KKYG TTT（2） 式中，TYG为掘进工作面风流回风侧干球温度，℃；TK 为空冷器后风筒内干球温度，℃。拟合结果表明在一定 范围内，二者关系变化符合二次抛物线的规律。以 28.5 ℃为标准，做一直线与该二次抛物线交于两点，则 两点之间范围即为空冷器处理风流温度的允许波动区间 （约15.519.5℃） 。如果一旦超出了此区间，比如空冷 器处理后的风流干球温度超过了20 ℃，则说明降温系 统可能出现异常，对工作面降温效果有较大影响。 3.2.3掘进工作面风流回风侧干、湿球温度差值分析 矿井掘进工作面降温由于采用的是风筒供风，因此 风流在沿途温升较大的情况下湿度并没有很大增加。风 筒的隔湿作用使风流发生了等湿升温，其结果是风筒出 口风流相对湿度较低（5060） ，干湿球温度差值较大 （57 ℃，如图6 所示） 。在掘进工作面附近区域，由 于喷雾降尘以及矿井涌水等因素影响，风流在返回过程 中与周围环境产生了较大的热湿交换，湿球温度升高， 相对湿度增大。 需要说明的是， 煤矿长距离掘进巷道出现 “回头热” 现象是一个比较普遍的现象[10]。在不采取降温措施时风 筒出口和掘进工作面附近的干湿球温度差值也是普遍存 在的。只不过在采取降温措施后，这种现象被放大了， 较为明显。 4结语结语 图图 6风筒出口与掘进工作面风流回风侧 干湿球温度差值 风筒出口与掘进工作面风流回风侧 干湿球温度差值 永川煤矿针对-500m水平开拓期间掘进工作面产生 的高温热害现象，采用局部冷水降温系统，利用矿井涌 水和回风综合排热，取得了较好的降温除湿效果。矿井 热害防治取得的经验和得到的部分降温参数变化规律可 为西南地区存在热害现象矿井提供参考。 需要说明的是， 本文现场实测和拟合得到的部分结论是建立在永川煤矿 具体的开拓和降温技术条件之上（比如，掘进工作面送 风距离约600m） 。 更为普遍的结论有待大量试验测试与 理论分析进一步验证。 参考文献参考文献 [1]何国家，阮国强，杨壮．赵楼煤矿高温热害防治研究与实 践 [J]．煤炭学报，2011，36（1） 101-104． [2]褚召祥，辛嵩，王保齐．回采工作面空冷器组合降温方式 试验研究 [J]．煤炭科学技术，2010，38（11） 81-84． [3]褚召祥，辛嵩，王伟，等．赵楼矿井制冷降温技术 [J]．煤 矿安全，2009，40（10） 34-36． [4]李亚民．瓦斯发电余热制冷技术在煤矿热害治理中的应用 [J]．安徽建筑工业学院学报，2009，17（3） 53-56． [5]王伟． 矿井用冷热电联产系统的制冷系统设计研究[D]． 合肥 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