矿井生产所需制冷量及降温系统的研究与应用.pdf

致 谢致 谢 首先要感谢指导我论文写作的马恒老师，从论文选题、研究技术思路和主要研究内容 到最后定稿，导师都倾注了大量的精力与心血，给予了耐心、细致的指点。他严谨细致， 一丝不苟的作风一直是我工作和学习中的榜样。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予 我无尽的启迪。论文的每一部分内容都凝结着导师辛勤耕耘的心血和汗水，在此深深地向 尊敬的马老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 在我的学习研究工作中，得到了安全工程系各位老师的指导和帮助，感谢课题组营造 的良好的学习氛围，感谢课题组的所有成员一直以来对我的关心和帮助。 感谢所有任课老师和安全研 09 届所有同学在这两年多来对我的指导和帮助，是他们 教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何刻苦钻研的精神，我真心的感谢他 们。 感谢在铁法长城窝堡矿现场调研、收集资料过程中，得到了领导和职工的热心支持和 帮助，深深地感谢他们。 感谢本文所引用参考文献的所有作者们。 最后，向在百忙之中审阅该论文的老师和专家表示诚挚的谢意，感谢各位专家学者对 本文的评阅和赐教 I 摘 要 摘 要 本文基于矿井风流网络解算的基础上，对不同热源进行分类，确定基本热源热 计算公式。对不同性质的巷道进行了分析，确定了各类型巷道热计算公式。结合长 城窝堡煤矿矿井生产实际，利用热计算公式计算得出矿井风流温度和工作面所需制 冷量，为高温矿井的开拓系统改扩建，通风系统的选择，以及下一步的矿井降温工 作提供依据。 为了更直观的掌握高温矿井巷道温度的分布状况，运用计算机软件来模拟温度 场的变化。本文运用 CFD 软件对工作面的温度场进行模拟，通过数值模拟的理论基 础，模拟出了未设置任何矿井降温系统时九采区工作面风流温度分布，通过模拟结 果和热计算公式计算结果相比较，证明了数值模拟的正确性与可行性。 分别从非机械制冷降温和机械制冷降温两方面进行数值模拟，对空冷器和输冷 管的降温效果进行了模拟，模拟结果显示空冷器降温效果较输冷管好。并且对空冷 器安装在不同位置的降温效果进行了模拟，根据模拟效果得出了空冷器的合理安装 位置。 关键词矿井热害；数值模拟；工作面温度；矿井降温 II Abstract Abstract This paper is based on the network solution of mine, classifying for different heat source. In order to determine the basic ula heat sources. Through of dividing different feature points of mine, analyzing various types of tunnels, determining the calculation ula of thermal. Combined with the practice production of CHANG Chengwopu mine, Using calculation ula of thermal, In order to get the romantic temperature parameters of coal mine, Providing theoretical basis for the reconstruction of development system and the selection of ventilation system of high temperature mine. And underlying for next step of mine cooling. The change of temperature field is simulated by computer software in order to obtain distribution of temperature field of tunnel in high temperature mine. This paper is applying CFD software to simulate the temperature of face, with theoretical basis of numerical simulation, Airflow temperature distribution which is not set any cooling system in face is simulated. Through comparison simulation results with heat calculated results, Then it is proved that numerical simulation is correctness and feasibility. pipeline have been display installed position installation. Separately from Refrigeration and cooling of Non Mechanical and Mechanical to make numerically simulated, Air-Cooler and transport ice pipeline have been simulated, The result of numerically simulated display that the cooling effect of Air-Cooler is better than the transport ice pipeline. Air-Cooler which is installed in different position is also numerically simulated, and the best position of installation position is obtained by the result of numerically simulated. Key WordsHeat Hazard in Mine；Numerically Simulated；Temperature of Face; Mine Cooling III 目 录 目 录 摘 要 ........................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 1.绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 矿井高温的危害 ................................................................................... 1 1.1.1 矿井高温环境对生产的影响 ........................................................... 1 1.1.2 矿井高温环境对煤矿工人的影响 .................................................... 1 1.2 国内外矿井降温研究现状..................................................................... 2 1.2.1 国外矿井降温研究现状 ................................................................... 2 1.2.2 国内矿井降温研究现状 ................................................................... 3 1.3 课题提出的意义 ................................................................................... 4 1.4 课题研究的主要内容 ............................................................................ 4 1.5 主要研究方法和技术路线..................................................................... 5 1.6 本章小结 ............................................................................................... 5 2．矿井内热源分析及热计算 ........................................................................... 6 2.1 矿井主要热源 ....................................................................................... 6 2.1.1 井巷围岩放热 .................................................................................. 6 2.1.2 矿井运输放热 .................................................................................. 7 2.1.3 矿用机电设备运转中放热 ............................................................... 7 2.1.4 氧化放热 ......................................................................................... 8 2.1.5 矿井水放热 ...................................................................................... 9 2.1.6 其它热源放热 ................................................................................ 10 2.2 矿井各类型巷道热计算 ...................................................................... 11 2.2.1 井筒 ............................................................................................... 11 2.2.2 水平与倾斜巷道 ............................................................................ 11 2.2.3 回采工作面 .................................................................................... 12 2.2.4 掘进工作面 .................................................................................... 13 2.2.5 机电硐室 ....................................................................................... 15 IV 2.3 本章小结 ............................................................................................. 16 3 长城窝堡煤矿井巷温度及需冷量计算 ......................................................... 17 3.1 长城窝堡煤矿概况 .............................................................................. 17 3.1.1 井田开拓 ....................................................................................... 17 3.1.2 水平划分及大巷布置 ..................................................................... 18 3.1.3 井下运输与采煤方法 ..................................................................... 18 3.1.4 生产能力构成 ................................................................................ 18 3.1.5 恒温带与地温梯度 ........................................................................ 19 3.2 长城窝堡矿井巷温度计算................................................................... 19 3.2.1 巷道节点 ....................................................................................... 19 3.2.2 井筒风流温度计算 ........................................................................ 21 3.2.3 井底车场风流温度热计算 ............................................................. 21 3.2.4 -900m 水平轨道石门风流温度热计算 ........................................... 23 3.2.5-900m 水平带式输送机大巷 ........................................................... 23 3.2.6 -890m 东翼轨道大巷 ..................................................................... 24 3.3 矿井工作面所需制冷量 ...................................................................... 25 3.3.1 工作面热计算 ................................................................................ 25 3.3.2 工作面入口温度计算 ..................................................................... 26 3.3.3 矿井工作面所需制冷量 ................................................................. 27 3.4 本章小结 ............................................................................................. 28 4.矿井降温系统简介 ....................................................................................... 29 4.1 矿井降温系统分类 .............................................................................. 29 4.1.1 非机械制冷降温技术 ..................................................................... 29 4.1.2 机械制冷降温技术 ........................................................................ 31 4.2 长城窝堡矿矿井井下制冷系统的确定 ................................................ 32 4.3 制冷设备的选择 ................................................................................. 33 4.3.1 空冷器的选择 ................................................................................ 33 4.3.2 输冰（冰水混合物）管选择 ......................................................... 34 4.4 本章小结 ............................................................................................. 34 5.降温方案模拟 .............................................................................................. 35 V 5.1 数值模拟方法介绍 .............................................................................. 35 5.1.1 基本控制方程 ............................................................................... 35 5.1.2 CFD 的求解过程 ........................................................................ 37 5.2 模型建立 ............................................................................................. 38 5.2.1 巷道几何模型 ................................................................................ 38 5.2.2 巷道数学模型 ................................................................................ 39 5.2.3 边界条件 ...................................................................................... 39 5.3 方案模拟 ............................................................................................. 41 5.3.1 降温前温度分布 ............................................................................ 41 5.3.2 改变风量后降温效果模拟 ............................................................. 43 5.3.3 空冷器降温效果模拟 ..................................................................... 44 5.3.4 输冷管降温效果模拟 ..................................................................... 51 5.4 降温方案比较与选取 .......................................................................... 56 5.5 本章小结 ............................................................................................. 58 结 论 ............................................................................................................ 59 参 考 文 献 ................................................................................................... 60 作 者 简 历 ................................................................................................... 62 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 63 学位论文数据集 .............................................................................................. 64 1 1.绪论 1.绪论 1.1 矿井高温的危害 1.1 矿井高温的危害 矿井高温的作业环境不仅会对生产带来影响，对工人的身心健康也有严重损害，如不 及时有效治理，有严重的安全隐患。 1.1.1 矿井高温环境对生产的影响 1.1.1 矿井高温环境对生产的影响 根据相关统计资料显示，，煤矿井下的生产安全事故大部分只是局部的，而高温热害 所引发的事故却关系到井下所有人员。煤矿安全规程第 102 条规定生产矿井采掘工作 面空气温度不得超过 26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过 30℃；当空气温度超过时， 必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇[1]。当工作面气温每超过规 程规定气温指标 1℃时，生产效率就下降 6-8，而当热害严重时，矿井甚至无法进行正 常的生产活动。 在高温作业环境下，不仅危害着人体的健康、影响了工人的工作效率，还严重危害着 矿井的设备安全和机械使用寿命，造成矿井机电设备故障率上升。矿井的开拓方式、生产 系统的布置，采煤工艺的选取，矿井灾害的预测与控制等都与矿井热环境有密切关系，怎 样经济、合理的设计一个高温矿井的开拓方式、生产系统、生产工艺、矿井通风系统与灾 害预防系统是至关重要的，直接影响着产量。 虽然机电设备在设计制造时即可耐高温运转，平均可耐高温在 45℃左右[2]，但长时间 高温作业环境下运转，对机电设备的损害是巨大且不可弥补的，并会加速机械设备老化， 进而增加采矿成本，不利于集团（公司）利益发展。 1.1.2 矿井高温环境对煤矿工人的影响 1.1.2 矿井高温环境对煤矿工人的影响 人的各种生理功能是有一定限度的，在正常环境条件下，肌体可以进行调节以保证人 体平衡、保障健康。人的体温、水盐、肾脏、神经系统、肠胃是保障人体正常生活很重要 的生理参数[3]。而高温的不良作业环境对人体自身的体温调节和系统调节等都造成一定的 伤害。人体在正常情况下，体温由中枢神经系统调节，保持在 36.5-37℃。当周围的环境气 温超过 35℃，人体就会感到不舒服，当温度超过 38℃时，人体机能就会发生异常，人体 超过正常体温，正常的血液循环也将会遭到破坏。 人体在进行劳动作业时，代谢产生的热量，通过皮肤出汗、空气对流和扩散等作用排 出体外，使体温得到调节。但当环境气温过高时，体内热量无法排出，只能通过大量排汗 2 排出热量，极易引发虚脱和人体水盐代谢失衡，造成中暑、昏厥，甚至发生死亡。 工人在高温的环境下作业，不仅体力消耗大，而且劳动生产率普遍低下。而且高温的 作业环境直接影响出勤率和事故率。据有关资料显示工作面温度越高，事故率越高，出勤 率越低。 1.2 国内外矿井降温研究现状 1.2 国内外矿井降温研究现状 1.2.1 国外矿井降温研究现状 1.2.1 国外矿井降温研究现状 国外对高温矿井的热害研究起步较早，在矿山开采中，最早用于温度控制的方法是把 地面的自然冰送到井下。在 1860 年，美国内华达州的弗吉尼亚城下的康斯塔克矿，大量 的冰被矿车送到井下来给矿工们降温。在 1920 年，蒸汽压缩循环冷却作为当时最为广泛 的人工降温技术,已经最先应用于采矿，实例包括著名的巴西莫洛维和矿（1923 年）和对 英国煤矿（汉考克，1926）的实验性研究。对于矿井的空气冷却技术得到更深入的认识是 在 1930 年，包括在南非金矿的和印度的科拉尔金矿方面的利用[4]。到 1960 年，井下的大 型集中冷却设备开始普遍应用于南非的金矿中。由于回风的热损耗能力有限，联合竖井中 的水管道的能量回收装置的发展和配电系统装置的提高促使了对地面设备的再度重用。 在 20 世纪 20 年代国外的矿井降温工作开始得到很好的发展，在同一时期，风温预测 计算理论也相应发展。南非的 Biccard Jappe 连续发表了题为“深井风温预测”四篇论文， 提出了风温计算的基本想法，这是近代风温预测计算的雏型。1953 年苏联提出较精确的不 稳定换热系数和调热圈温度场的计算方法， 1955 年平松又提出围岩与风流组成体系的传热 方程式随时间变化的风流温度的近似计算法[5]。1975-1985 年日本制冷机总制冷能力达到 4528MW。制冷系统亦向大型化展，目前井下空调单个系统的最大制冷量，南非为 50MW、 苏联 35MW、西德 25MW；井下制冷机的最大单机容量己达 ZMW；1980 年日本天野在风 温预测上用差分法求得不同巷道形状、岩性条件下的调热圈温度场，并提出了考虑入风温 度变化、有水影响条件下的风温计算方法[6]。 60 年代到 80 年代之间，德国、日本的科研人员分别提出了系统的风流和围岩不稳定 传热的风温近似计算公式。这些算法为现代经典计算方法奠定理论基础。到 1985 年，南 非的东兰德矿山控股公司首先在梅里普一号井建成了一个冷却功率为 29MW 的冷却系统， 为深井降温方面开拓了一条新的途径。1985 年 11 月，南非金矿把冰送进井下，利用冰的 溶解热80kcal/kg吸热以冷却空冷器冷却水，冰用量仅为同一所需冷却量用水量的 1/5，此 制冷系统能力达 628MW[10-11]。 3 1.2.2 国内矿井降温研究现状 1.2.2 国内矿井降温研究现状 我国矿井热环境及其控制的科研工作开始于 20 世纪 50 年代，当时煤炭工业部 抚顺研究院（现煤炭科学研究总院抚顺分院，简称抚顺煤科分院）在抚顺等矿区进 行了地温观测、局部降温技术等科研工作。50 多年来，我国的矿井热环境及其控制 工作取得了重大发展，在矿山大气与地质地热环境、矿井热交换理论、矿井热力状 态预测、高温矿井的通风技术、非人工制冷降温技术、人工制冷降温技术及装备等 领域，开展了大量的、卓有成效的科研和实际矿井热害防治工作，取得了丰硕的科 技成果。 我国开展降温技术研究也近 50 年历史。1964 年，煤炭科学研究总院抚顺分院 引进了一台苏制 4F10 型活塞冷水机组（制冷量为 58KW），在淮南九龙岗矿进行了 井下局部降温试验，（同时，采用了表面式和喷淋式两种类型的空冷器），在此基 础上， 由抚顺分院， 中国科学院长沙矿冶研究所等单位于 1967年， 联合研制出 JKT-20 型矿用冷风机（制冷量为 70KW）。1979 年，抚顺分院与武汉冷冻机厂合作制出了 JKT-70 型矿用冷水机组（制冷量为 235KW），先后在淮南、平顶山、北票、丰城、 湖南铀矿以及和山等矿区，用于井下采掘工作面降温。1984 年，在新汶孙村矿建立 了我国第一座井下集中空调系统，该系统由抚顺分院设计，设计制冷能力为 2324KW，采用 4 台Ⅱ-JB50X0 型离心式冷水机组（单机制冷量为 581KW）。该矿 在开采深度进入-800m（深-1000m）水平时，由于井下排除冷凝热困难，于 1994 年 改为地面集中空调系统，该系统引进德国 WKM2-1900 型冷水机组和壳管式高低压 换热器，并与国产 LSLGF2-25 型冷水机组联合进行，总制冷能力为 5440KW，这也 是我国第一个地面集中制冷空调系统。 我国矿井热环境及其控制工作的发展大致分为三个阶段 第一阶段1954-1975 年，是一个积累经验、学习、试验的阶段。在这一时期， 我国的矿井降温科技工作者先后在辽宁抚顺、北票，及淮南、平顶山以及丰城等矿 区进行了长期的、系统的矿井热害观测和降温技术试验，为我国矿井降温工作的发 展打下坚实的基础。 第二阶段1976-1990 年，全面发展阶段。一大批矿井降温科技骨干在这一时 期涌现，矿井降温工作全面展开。在矿井降温、热环境研究以及实际生产应用中等 方面取到了丰硕的果实，为我国矿井热环境及其控制事业的发展奠定了组织基础。 第三阶段1991-2008 年，在平顶山、新汶、淮南、北票以及丰城等全国许多 矿区，采用了多种矿井热环境控制方式，去的了较好矿井热环境控制效果。矿井降 温专业委员会组建以来，积极开展学术交流活动，至 2008 年共召开了 15 次全国性 4 的学术交流会，与会人数达 574 人次，交流论文 100 余篇，出版著作两部，即矿 山热害与热害治理和矿井空调技术，参加了中国煤炭工业百科全书安全 卷和中国能源百科全书煤炭卷的编写工作。为普及矿井降温的基本知识，先后 举办了 3 期矿井降温技术培训班，培训了中、高级科技人员 104 人[1]。 1.3 课题提出的意义 1.3 课题提出的意义 在深部采矿过程中， 采矿活动必然要受到矿井热环境的制约。矿井的开拓方式、 生产系统的布置，采煤工艺的选取，矿井灾害的预测与控制等都与矿井热环境有密 切关系。 据不完全统计，我国已有 130 多对矿井的采掘工作面风流温度超过 30℃，同时 已探明的煤炭储量中，1000-2000m 深处的煤炭储量占总储量的 53.2，我国已成为 世界上高温热害矿井最多的国家[3]。 高温矿井越来越多，急需研究出有效的降温方法，否则将影响全国的煤炭开采 和利用，影响可持续发展的实施，因此，进行高温热海矿井的降温技术和方法的研 究是不容忽视且刻不容缓的另外现有的研究成果中，矿井环境的温湿计算公式、矿 井风温变化规律、风温预测研究不充分，计算公式繁多，使得现场应用时难以选择 和正确使用。这也是本课题提出的意义所在。 1.4 课题研究的主要内容 1.4 课题研究的主要内容 基于目前我国高温矿井研究现状，本课题主要进行以下内容的研究 （1）进行矿井热源分析，并详述各个热源的热计算方法。 （2）对不同性质的巷道进行分析，确定各类型巷道热计算公式。 （3）结合长城窝堡煤矿矿井生产实际，利用热计算公式计算得出矿井各类型 巷道风流温度，通过逆运算计算工作面所需制冷量。 （4）根据长城窝堡矿九采区工作面生产实际所需制冷量确定空冷器型号和输 冰管路。 （5）分别从非机械制冷降温和机械制冷降温两方面对九采区工作面进行数值 模拟。并最终确定长城窝堡矿的制冷降温系统。 5 1.5 主要研究方法和技术路线 1.5 主要研究方法和技术路线 在对国内外理论资料进行充分调研的基础上，运用热力学、流体力学和数值模 拟等理论，对井巷热源与风流的热交换进行系统研究，得出各类巷道的风流温度计 算方法。 结合具体矿井进行风流温度计算，对于高温巷道使用逆计算方法得出合理的入 风温度，并计算所需制冷量。根据矿井的具体情况设计降温方案。 利用 CFD 软件对降温方案进行模拟，在此计算软件中选取合适的计算模型，设 置适当的边界条件， 对各降温方案进行模拟， 分析对比各降温方案的效果及实用性， 从而选择合理的降温方案。具体技术路线图见图 1.1。 图 1.1 技术路线 Fig.1.1 The line of tesearch schematic 1.6 本章小结 1.6 本章小结 本章对本文的研究背景和意义进行了分析，阐述了矿井高温的危害，国内外矿井降温 研究现状，并确定了论文的主要研究内容及技术路线。 理论分析 风温计算方法 温度及制冷量计算 CFD 模拟 降温方案确定 基础参数收集 6 2．矿井内热源分析及热计算 2．矿井内热源分析及热计算 在矿井生产环境中，所有能对风流产生加热或吸热作用的载热体统称为矿井热 源。由于矿井所处的地质地热条件、大气环境以及生产系统的不同，矿井热源也有 差异，但主要热源类型基本相同。如井巷围岩放热、矿井运输放热、机电设备运转 时放热、氧化放热以及矿井水放热（或吸热）等，其中矿井围岩放热等在深矿井中 影响是相当大的，这些也都是导致风流温