永川煤矿井下热环境分析及综合治理的研究.pdf

第 39 卷第 1 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 39No. 1 2011 年1 月 Coal Science and TechnologyJan．2011 安全技术及工程 永川煤矿井下热环境分析及综合治理的研究 张习军1，姬建虎1，吴修宇2，万亮亮2 1． 煤炭科学研究总院 重庆研究院，重庆400037;2． 重庆永荣矿业有限公司 永川煤矿，重庆 402460 摘要为了改善永川煤矿井下采掘工作面的热环境，从理论分析、方案比较及初步设计角度进行 阐述，提出矿井热环境治理的方法和思路。首先，基于对永川煤矿采掘工作面热环境参数的实测与 分析，评价矿井的热害程度;其次，对井下各种热源的热释放规律及散热量进行了分析和计算，得 出矿井热环境的主要影响因素;再次，根据模拟巷道法进行计算，确定了矿井通风降温的极限可采 深度，从而得出了以人工制冷降温为主、通风等措施为辅，综合治理矿井热环境的结论;最后，计 算了采掘工作面需冷量及管道的冷量损失，从而得出矿井空调系统需冷量，并根据永川煤矿井下布 局，提出了几种降温方案，通过比较分析，确定采用区域集中制冷降温系统分别解决南北两翼的热 害问题。 关键词热环境;散热量;人工制冷降温;矿井空调系统 中图分类号TD727文献标志码A 文章编号0253 －2336 201101 －0048 －05 Study on Underground Heat Environment Analysis and Comprehensive Control in Yongchuan Mine ZHANG Xi- jun1，JI Jian- hu1，WU Xiu- yu2，WAN Liang- liang2 1． Chongqing Research Institute，China Coal Research Institute，Chongqing400037，China; 2． Yongchuan Mine，Chongqing Yongrong Coal Mining Company Ltd． ，Chongqing402460，China AbstractIn order to improve the heat environment of the underground mining and excavation working faces in Yongchuan Mine，the pa- per stated the theoretical analysis，the plan comparison and the preliminary design and provided the and conception of the mine heat environment control． Firstly，based on the site measurement and analysis on the heat environment of the mining and excavation work- ing faces in Yongchuan Mine，the heat disaster degree was uated． Secondly，the paper had the analysis and calculation on the thermal emission law and heat radiation value of each thermal source and the main influence factors of the mine heat environment were obtained． Thirdly， according to the calculation of the simulated mine roadway ， the limited mineable depth with the mine ventilation and cool- ing could be determined and thus the comprehensive control conclusion of the mine heat environment with the artificial refrigeration and cooling as the main measure and the mine ventilation and other measures as the auxiliary measures could be obtained． Finally，the paper calculated the cooling quantity required for the mining and excavation faces and the cooling quantity lost of the pipeline． Therefore，the cooling quantity required for the mine air condition system and the mining and excavation face was obtained． According to the layout in the underground mine of Yongchuan Mine，several cooling plans were provided． With the comparison analysis，the regional centralized refrig- eration and cooling system was applied to solve the heat disaster problems of the north and south wings of the mine． Key wordsheat environment;heat radiation value;artificial refrigeration and cooling;mine air condition system 目前，我国越来越多的矿井已经进入或即将进 入深部开采。文献 ［ 1 － 5］ 叙述了矿井热害形成 的原因，由于围岩散热、空气自压缩热、机电设备 散热、氧化散热、运输中的煤与矸石散热等热源的 影响，井下采掘工作面的温度越来越高。热环境达 到一定程度就形成热害，在这种环境中工作，不仅 对矿工生理有很大影响，而且使劳动生产率急剧下 降，事故隐患也增加了 。煤矿安全规程明确规 定 “生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过 26 ℃。 ”文献 ［ 6］ 显示，我国已有 65 对矿井出现了 不同程度的热害。新汶矿业集团孙村矿开采深度达 到 1 350 m，采取降温措施前采掘工作面温度为 84 DOI10.13199/j.cst.2011.01.54.zhangxj.019 张习军等永川煤矿井下热环境分析及综合治理的研究2011 年第 1 期 34. 8 ℃;淄矿集团唐口矿 －1 000 m 水平夏季采掘 工作面温度为 32 ～ 34 ℃;平煤集团四矿、五矿、 六矿、八矿采掘工作面在采取降温措施以前，温度 都在 30 ℃以上;永川煤矿采掘工作面温度最高达 到 33 ℃。由此可见，不管是大型矿井还是中小型 矿井都面临着或即将面临热环境治理的问题。 1永川煤矿井下热环境 永川煤矿地面标高 334 m，年产煤 30 万 t， 平硐 暗斜井开拓，三级提升运输，四级机械排 水、双回路供电。目前主要开采 －350 m 水平，划 分为 4 个采区下南二、南三、下北一和下北三。 采煤工作面的开采方式为后退式走向长壁采煤法， 通风方式为下行顺向掺新的方式。掘进工作面的通 风方式为局部通风机压入式通风，矿井通风方式为 两翼对角抽出式机械通风。通过对 －350 m 水平下 南二采区和下北一采区的现场观测，井下采掘地点 的实测数据见表 1。 表 1井下采掘地点实测数据 地点干球温度/℃湿球温度/℃壁温/℃相对湿度/巷道标高/m风量/ m3min －1 －37401 采煤工作面31. 4 30. 632. 095. 1－357 －381508 －37104 采煤工作面29. 3 28. 530. 394. 8－390 －410451 －37402 掘进工作面31. 0 30. 131. 792. 1－381219 －37403 掘进工作面31. 3 30. 033. 091. 3－404212 －37402 回风巷31. 2 29. 831. 990. 2－344182 －37107 掘进工作面30. 4 29. 132. 491. 4－438210 注地点栏中的 “－ ”表示 －350 m 水平以下区域。 永川煤矿目前的生产水平深度已经达到 800 m 左右，受地温等因素的影响，采掘工作面的气温都 比较高。由表 1 可以看出南北采掘工作面的干球 温度都超过29 ℃，湿球温度都超过28. 5 ℃，壁温 都超过 30 ℃，湿度都在 90 以上。因此，永川煤 矿南北两翼采掘工作面的热害问题十分突出，随着 采掘深度的增加，地温逐渐增大，采掘工作面的气 温也将进一步升高，热害问题会越来越严重。 2永川煤矿热源调查 1空气的自压缩热。由于永川煤矿开采深度 大，空气沿斜井流动过程中，随着深度的变化，空 气受到的压力也随之变化。空气在压缩过程中会受 热升温，从而使矿井中空气的温度升高。永川煤矿 为三级斜井提升，不考虑围岩对风流的加热作用， 风流经斜井流到井底的自压缩温升与实测温度值的 对比见表 2。 2围岩散热。空气进入井下后，因与围岩存 在温差，在流动过程中要进行热交换，如果围岩温 度高于风流温度，则热量由围岩传入风流，反之则 由风流传给围岩。因此，围岩温度的高低直接影响 着矿井空气温度的变化。永川煤矿 －350 m 水平原 始岩温为 34. 7 ℃，随着深度的增加原始岩温也会 增加。围岩散热对风流温度的影响随着开采深度的 增加，表现得越来越明显，而且是使井下风流温度 升高的主要原因。 表 2永川煤矿自压缩温升与实测温度值的比较 地点标高/m计算温度/℃实测温度/℃差值/℃ 1 号人车上口334 20. 5 1 号人车下口150 22. 321. 60. 7 2 号人车上口150 22. 0 2 号人车下口－100 24. 425. 0－0. 6 3 号人车上口－100 24. 0 3 号人车下口－350 26. 427. 0－0. 6 3机电设备散热。永川煤矿井下所使用的能 源全部是电源，且完全实现机械化开采，机电设备 放热主要是电能转化为热能和做功。机电设备放热 调查主要是调查其额定功率，采掘工作面主要机电 设备有采煤机、刮板输送机、电机车、局部通风 机、输送机等。 4运输中的煤炭和矸石散热。文献 ［ 7］ 中 阐述到，运输中的煤炭及矸石的放热，实质上是围 岩散热的另一种表现形式，其中以在连续式输送机 上的煤炭的放热量最大，在以进风巷为运输巷时， 对进风流的加热就具有特别重要的意义。永川煤矿 工作面采用矿车运输煤炭和矸石，在计算其散热量 94 2011 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 时只考虑在工作面运输巷里的散热量。 5其他热源。根据永川煤矿的实际情况，将 主要热源散热量进行单独计算。对矿井采掘工作面 作业环境影响较小的热源归为其他热源类，主要 有热水散热、氧化热、人员散热等。 6各热源的散热量。通过观测永川煤矿井下 的气象参数、调查采掘工作面的机电设备、测定围 岩的热物理性质参数、计算地温梯度、调查采掘工 作面的运输能力、调查人员以及矿井热水等，计算 了各热源的散热量。各种热源的散热量及其所占比 例见表 3。 表 3永川煤矿井下各种热源散热量及其比例 热源散热量/kW所占比例/ 围岩912. 955. 85 空气压缩237. 214. 51 运输197. 112. 06 机电214. 213. 10 其他73. 24. 48 3通风降温可采极限深度 在不采取人工制冷降温的条件下，要将矿井采 掘工作面的气温降低到规程规定的 26 ℃，应采取 通风降温的极限开采深度，即矿井通风降温可采的 极限深度。 根据文献 ［ 7 － 9］ 中阐述的模拟巷道法进行 计算，得到若采掘工作面末端的风温按 26 ℃进 行计算，在不通过人工制冷降温的情况下，永川煤 矿南翼采区的矿床极限开采深度为 530 m 左右，用 同样的方法可以预测其北翼采区的矿床极限开采深 度为 510 m 左右;若采掘工作面末端的风温按 30 ℃进行计算，在不采用人工制冷降温的情况下，永 川煤矿南翼采区的矿床极限开采深度为 590 m 左 右，其北翼采区的矿床极限开采深度为 560 m 左 右。永川煤矿现开采水平都在 －350 m 以下 南三 采区除外 ，开采深度都超过了 680 m 井口标高 334 m ，因此，必须采用人工制冷降温措施， 并借助通风等辅助措施才能解决井下日益严重的热 害问题，从而保障矿工的身心健康和安全生产。 4热害治理的措施 文献 ［ 10］ 中叙述了矿井热害治理的多种措 施，根据永川煤矿的实际情况，可采取增大风量、 控制热源、预冷入风流、个体防护等辅助措施以及 人工制冷降温措施。 1增大风量。虽然增加风量不能彻底解决采 掘工作面的热害问题，但是对改善其环境还是能起 到一定的作用。增大采掘工作面风量的措施有减 少矿井的通风阻力、防止或减少漏风、加大通风机 的通风能力、采用合理分风和辅助风路通风等。永 川煤矿采取的具体措施是在油榨山掘一新的回风 井，以减少回风流的路线长度，从而减少矿井的通 风阻力。下一步将对主要通风机进行技术改造或者 更换通风机，从而提高主要通风机的能力。 2控制热源。矿井热源中有的热源对风流的 影响是无法控制的，如空气压缩热。而有的热源是 可以控制的。围岩散热的控制主要是在围岩壁表面 喷涂隔热材料，以减小围岩的传热速率，从而减小 围岩与风流的对流换热量。机电设备散热的控制主 要是选择合适的位置安装局部通风机，以及提高机 电设备的运转效率。可以通过提高运输速度、减少 暴露在进风流中的时间来控制运输中的煤炭和矸石 散热。 3预冷入风流。预冷入风流的方法主要有 2 种一种是在井口预冷入风流。可以依靠天然冷源 来预冷风流，也可以利用机械制冷的方法来冷却风 流;另一种是利用井下的低温岩层来预冷入风流。 通常恒温带附近的废弃巷道岩层温度比较低，在夏 季入风温度很高的情况下，可以利用该低温岩层来 预冷入风流。 4个体防护。在井下矿工分散的作业地点， 人工制冷降温覆盖不到的地方，当热害比较严重 时，可采取个体防护措施。个体防护主要是矿工穿 冷却服，据分析，个体防护的制冷成本仅为其他制 冷成本的 1/5 左右，并且可以使人体的出汗率减少 25 ～35。 5人工制冷降温措施。从 20 世纪 70 年代， 人工制冷降温技术在矿井降温中的应用迅速发展以 来，世界上的主要产煤国都相继采用了该措施。我 国近年来许多矿井相继进入深部开采，传统的降温 方法已经不能解决矿井的热害问题，许多矿井也都 采取了人工制冷降温技术。例如，新汶矿业集团孙 村矿，平煤集团四矿、五矿、六矿和八矿，国投新 集刘庄煤矿等。 05 张习军等永川煤矿井下热环境分析及综合治理的研究2011 年第 1 期 根据热力学特点人工制冷降温系统可分为制 取冷水降温系统、制取冰降温系统和制取压缩空气 降温系统。 根据制冷站安装位置又可分为地面集中制冷降 温系统、井下集中制冷降温系统、井上下联合制冷 降温系统以及井下局部制冷降温系统。 5矿井空调系统的设计 分析可知，永川煤矿 －350 m 以下都超过了通 风降温可采深度的极限，面对目前的采掘工作面和 下一水平的掘进施工，必须采取人工制冷降温才能 确保工作环境符合规程的规定。 5. 1矿井空调系统需冷量的计算 制冷站负荷主要由采掘工作面的需冷量和管道 冷损量组成。当制冷站设在地面时，还应考虑到高 低压换热器的换热性能和一次载冷剂循环系统的冷 损情况。矿井空调系统的需冷量 Qx可按下式计算 Qx K∑QW∑QT 1 式中K 冷损失系数，一般取 1. 2 ～1. 5; ∑QW 采掘工作面的需冷量总和，kW; ∑QT 管道的冷损失量总和，kW。 1采掘工作面的需冷量。采掘工作面需冷量 QW的计算方法有许多种，如文献 ［ 11］ 中阐述的 方法，可按下式进行计算 QW≥ G i1－ i0∑Q 2 式中G 通过采掘工作面的风量，kg/s; i1 采掘工作面入风口风流焓值，kJ/kg; i0 采掘工作面空调目标温度对应的焓 值，kJ/kg; ∑Q 采掘工作面热源散热量总和，kW。 永川煤矿井下南北两翼采掘工作面的观测数据 和需冷量的计算结果见表 4。 2管道的冷损量。载冷剂沿管道循环流动过 程中，由于管道壁传热、摩擦阻力和局部阻力等原 因，造成一定的冷量损失。对载冷管道添加保温 层，并且根据实际情况选择保温材质和保温层厚 度，可以有效减少冷量损失。经计算，不同降温方 案的管道冷量损失及制冷量见表 5。 5. 2永川煤矿制冷降温初步方案 由表 5 可知，永川煤矿各个降温方案所需制冷 量都在 2 MW 左右，根据矿井的实际情况，对各方 案反复进行论证，最终确定采用区域集中制冷降温 方案 在井下建立 2 个小型的集中制冷系统 ，即 综合井下集中和局部制冷降温系统的优点，在南北 两翼分别设制冷站，集中对南北两翼的采掘工作面 降温。 表 4永川煤矿南北两翼采掘工作面的观测数据和需冷量 地点 T1/ ℃ 目标温 度/℃ 风量/ kgs －1 热源总散 热量/kW 需冷 量/kW 南 翼 －37401 采煤工作面 －37612 采煤工作面 －37402 掘进工作面 －37402 回风巷 －37403 掘进工作面 29. 6 27. 6 31. 0 31. 2 31. 3 26 26 26 26 26 10. 16 9. 62 4. 38 3. 64 4. 24 179. 51 154. 85 67. 51 58. 22 69. 32 216. 27 170. 32 89. 52 77. 24 91. 90 北 翼 －37104 采煤工作面 －37504 采煤工作面 －37107 掘进工作面 －37506 掘进工作面 28. 1 31. 1 30. 4 31. 5 26 26 26 26 9. 10 9. 14 4. 24 4. 12 167. 82 182. 37 152. 12 73. 77 187. 03 229. 22 170. 87 96. 54 注T1为工作面进风温度。 表 5永川煤矿不同降温方案管道冷量损失及制冷量 方案管道长度/m冷损量/kW制冷量/kW 地面集中制冷20 000130. 02 020 ～2 525 井下集中制冷10 00065. 01 673 ～2 091 区域集中制冷5 00032. 51 508 ～1 885 1压缩机;2冷凝器;3膨胀阀;4蒸发器;5冷冻 水泵;6膨胀水箱;7冷却水泵;8水冷器; 9空冷器;10局部通风机 图 1永川煤矿井下分散式集中制冷北翼降温系统示意 制冷站分别布置在 －350 m 水平南北两翼，北 翼集中降温系统 图 1主要向下北一、下北三采 区供冷，冷凝热通过北翼回风边界回风排至地面; 15 2011 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 南翼集中降温系统主要向下南二、南三采区供冷， 冷凝热通过南翼回风边界排至地面。其工艺流程主 要分为 3 个独立的循环系统第 1 个是制冷剂循环 系统。制冷剂在蒸发器中吸收载冷剂的热量而被气 化为低温低压的蒸汽。该蒸汽被压缩机吸入，并被 压缩升压升温。高压高温蒸汽再进入冷凝器，并在 其中将热量传递给冷却水而被冷凝成液体。液体制 冷剂经过节流阀降压降温后又进入蒸发器中，继续 吸收载冷剂的热量，从而达到循环制冷的目的。第 2 个是载冷剂循环系统。蒸发器中的载冷剂通过保 温管道被输送到工作面前方的空冷器中，冷却进入 工作面的风流，降温后的风流通过与空冷器连接的 局部通风机吹向工作面降温，冷却后的回水又回到 蒸发器中。在蒸发器中，载冷剂将热量传给制冷剂 而使自身的温度降低，从而形成载冷剂的循环系 统。第 3 个是冷却水循环系统。制冷剂吸收的热量 在冷凝器中传递给冷却水，冷却水吸收热量后经冷 水管输送到水冷器。在水冷器中热量通过回风流排 至地面，达到排热的目的。较低温的冷却水再返回 冷凝器中继续作为转移热量的载体，吸收制冷剂的 热量，形成冷却水的循环系统。 文献 ［ 12］ 中阐述了这样设计的优点供冷 管道短，冷损小;无高低压换热系统;可利用矿井 水或回风流排热;供冷系统简单，冷量调节方便。 其缺点是要开凿 2 个大断面硐室，提高了土建成 本;对制冷设备有特殊的要求，尤其是对高瓦斯矿 井，制冷硐室要采取封闭措施。 6结语 永川煤矿热害治理的基本思路是在对矿井热 环境参数综合观测的基础上，首先对矿井的各种热 源进行调查分析，评价矿井的热害程度;其次，确 定矿井通风降温的极限可采深度，从而确定是否要 采取人工制冷降温措施，在确定采取人工制冷降温 措施后，再进行矿井空调系统需冷量的计算;最终 根据矿井的实际情况，提出区域集中制冷降温方 案，并综合其他降温措施，实现矿井热环境的综合 治理。 参考文献 ［ 1］司千字 . 高温矿井的热环境处理 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使煤矿用阻燃带产品寿命比原产品提高了一倍以上。该产 品的另一个特点是可根据煤矿不同的地质条件，增加了带 芯与覆盖胶层中以橡胶材料为主的缓冲层，在原来最大爬 坡角度基础上提高了 6爬坡能力，提升了橡胶胶料的弹性 功能和胶面层的耐磨性能。中意胶带公司经过近 2 年的技 术改造和新厂区建设，目前已建成 3 条钢丝带生线和 3 条 阻燃带生产线。阻燃带生产线由于其生产线速度为 5 m/min，年生产能力可达 300 万 m2，现已成为国内最大的 PVC、PVG 生产厂家。 25