井下深部开采工作面冷量配置及优化.pdf

★ 节能与环保 ★ 井下添部开采工作面冷星配量及优化 夏 洪满 徐庆武 高尚青 1 ．沈阳焦煤有限责任公司，辽宁省沈阳市，1 1 0 1 2 2 ； 2 ．国家安 全 生产监 督 管理 总局 信 息研 究院 ，北京 市朝 阳 区，1 0 0 0 2 9 摘 要 介绍 了依据空冷长度的计算公式及结合 C F D数值模拟分析 系统 ，在整个降温 系统制冷功率配置有限的条件下，确定 了工作 面进风巷空冷器的布置位置，有效解决了空冷 器在 工 作 面降温 系统 中的合理 配置 。并 结合 温度 场 模拟 分析及后 期 深部 开采 工作 面需冷 量预 测结果，采取辅助降温措施，为深部开采 中制冷设备的优化配置提供 可靠依据 。 关键 词 空冷 器 地 温 空冷 长度 深部 开采 中图分类 号TD 7 2 文献标 识码A Co o l i n g c a p a c i t y c o n f i g u r a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f wo r k i n g f a c e i n d e e p c o a l mi n e Xi a Ho n g ma n ，Xu Qi n g wu ，Ga o S h a n g q i n g 1 ．S h e n y a n g Co k i n g C o a l Co ． Lt d ，S h e n y a n g，Li a o n i n g 1 1 0 1 2 2 ，Ch i n a ； 2 ．Na t i o n a l I n s t i t u t e f o r Oc c u p a t i o n a l S a f e t y ，C h a o y a n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r di n g t o t he f o r m u l a o f a i r c o o l i ng d own l e n gt h a n d a n a l ys i s s ys t e m o f CFD n ume r i c a l s i m u l a t i o n， t he e f f e c t i ve po s i t i o n o f a i r c o o l e r i n wo r ki ng f a c e i S d e t e r m i ne d un de r t he c o nd i t i on o f c o ol i n g po we r 1 i m i t e d ． I n t e r m s o f t e mpe r a t ur e f i e l d s i m u l a t i on a na l y s i s a nd t he p r e d i c t i o n d a t a o f c o o l i n g r e q u i r e me n t i n d e e p c o a l mi n e ． i t c o u l d p r o v i d e r e l i a b l e r e f e r e n c e f o r t h e o p t l m l z e a r r a n ge m e n t o f r e f r i g e r a t i o n e qmpme n t wi t h t he a u xi l i a r y c o o l i n g me a s ur e ． Ke y wo r d s a i r c oo l e r ，ge ot e m p e r a t u r e，a i r c o ol i n g d own l e ng t h，d e e p m i n i ng 1 引 言 沈煤集 团红阳三矿为存在高温热害隐患矿井， 矿 井通 风系 统 为 中央 分列 抽 出式 ，入 风 温 度 为 1 5 ～ 2 0 ℃，排风温度为 2 7 ℃。矿井 目前开采深度为 一 1 0 5 0 m，煤温约 为 4 7 ℃，采煤工作 面平均风温 为 3 8 ℃ ，掘进 工作 面平 均风 温为 3 3 ℃ 。 为了后期深部开采提高降温系统输 出冷量的利 用率 ，有必要对输出的冷量进行优化配置。特别是 在输 冷设备 上进 行优化 配置 ，即在生产 过程 中根 据 工作 面 的实 际需 冷量 ，优化 配置 空冷器 的数 量 、组 合方式及布置位置。 2 工作面 冷量 分布模 拟分 析 2 ． 1 空冷长度及有效位置计算模型 将空冷器置于巷道冷却进风风流时，空冷器只 井下深部开采工作面冷量配嚣及优化 能冷却部分风量 ，而另一部分风量则不 流经空冷 器 ，这样在空冷器后方将形成两股风流相互混合达 到某 一温 度并逐 渐升 温 的过 程 ，见 图 1 。 工作面出风口 图 1 工作 面降温系统配置图 从空冷器流 出的冷却风流与未冷却风流混合 ， 假设混合为紊流稳态工况，在绝热条件下进行，且 忽略风流动能、位能的变化 ，则由能量方程得 1i 1 m2 i 2 Kr UL z 一 半 Q 一 式中L 空冷长度 ，m 。从空冷器流 出的冷 却风流 的质量 流 量 ，k g ； i 从空冷器流出的冷却风流的单位质量 焓 ，k J ／ k g ； z 未经冷却 的风流的质量流量，k g ； i 未经冷却 的风流 的单 位质量焓 ，k J ／ k g； i 混合后风流的单位质量焓 ，k J ／ k g ； t 混合前 的风流温度， ℃； t z 混合后预定空气状态的温度， ℃； Q 除对流热交换外的其他热量，k J ； Kr 不 稳定换 热 系数 ； t 原 始岩 温 ， ℃。 由 1 式可得 L一 二 ； 鱼二 2 K ， u 一 1 由于湿球温度与焓值之间的函数关系式为 i A t B t C A，B，C为常数 因此 ，用空冷器冷却后 ，干球温度和湿球温度 可 表示为 L一 二 二 二 ．旦 A ，B，C为常数 3 K U t 一 式中t 混合后的湿球温度 ， ℃； Kr 不稳定换热系数 ； t 混合前的湿球温度 ， ℃；t 原始岩温 ， ℃。 t z 空冷器出口湿球温度 ， ℃； 根据工作面允许的进风温度和空冷长度可以确 t - 混合前 的干球温度， ℃； 定其有效位置 ，进风巷道空冷器离工作面的有效距 t 混合后 的干球温度 ， ℃； 离为 L ， ≤亟 二 上 _ 二 二 』 二 冬 ％ 三 A_ I二 业 A ， B ， C 为 常 数 4 ， ， 、 、 ’ ’ ／ 币姒／＼ K， U t 一 l 式 中t 出工 作 面 降 温 进 风 允 许 的 湿 球 温 度 ， C； t 工作 面 降 温 进 风 允 许 的 于 球 温 度 ， ℃ ； Kr 不稳定换热系数 ； t 原始 岩温 ， ℃ 。 2 ． 2 空冷器有 效位 置 的确定 工作面安装空冷器 的目的就是使采煤工作面的 空气温 度达到 煤矿安全规程 中规定 的不 高于 2 6 ℃的要求 ，一般情况下 ，采煤工作面出口风温最 高，所 以只要保 证工作 面 出 口温度不 高于 2 6 ℃， 就可以保证整个工作面内空气温度符合规定要求 。 由于煤矿井下工作面条件复杂多变，验证计算 西一采 区 7 0 4工作面进风巷空冷器有效位置时假定 基于以下条件 ①不考虑煤壁不规则形状对风流的 影响，不考虑液压支架和输送机占用工作空间对流 场的影响；②对工作面围岩和采煤机散热通过定义 壁向温度来考虑，除采煤机外的机电设备散热则通 过定义热流密度来 考虑 ，其热流 密度施加在壁面 上 ；③不考虑重力加速度和煤层倾角对工作面流场 】 】 4 的影响，则工作面流场在竖直方 向均匀分布。 计算采用的参数 红阳三矿西一采区 7 0 4工作 面长度 L一1 8 0 m，断面积 ，一1 8 m。 ，周 长 U一 1 8 m， 风 量1 5 0 0 m。 ／ mi n ， 围 岩 比 热c 一 7 0 0 J ／ k g℃，导热系数 一2 ． 1 w／ mK，围岩密 度 ， 一2 7 0 0 k g ／ m。 ，工 作 面 标 高 在 一 1 0 2 5 m左 右 ， 平均岩温 4 7 ℃，工作面出 口温度 2 6 ℃，通风 时间 r 2年 ，工作面内总装机容量 3 0 0 0 k W。 暑 ＼ 褪 { b 运输巷长度／ m 图 2 空冷器安装有效距离与运输巷长度的关系 根据公式 4 ，西一采区 7 0 4工作面运输巷中 空冷器 安 装位 置 距工 作 面入 口处 有效 距 离 L一 中国煤炭第 3 8卷第 3 期 2 0 1 2年 3月 8 5 m，在此距离 内安设 空冷器即可达到工作面温 度降至 2 6 ℃以下 。 随着回采工作面的逐步推进 ，空冷器的安装位 置也相应根据作业条件的变化作相应调整 。由于在 回采工作面回采的同时 ，工作面距进 、回风巷的距 离逐渐减少，通风阻力减弱，工作面通风风速 、风 量有增大的趋势 。同时，此处煤 岩温 比工作面 初期工作时较低且趋于稳定 。在西一采区 7 0 4工作 面运输巷为 5 0 0 m 时，重新 采用上述计算方法计 算空冷器的有效安装距离约为 1 0 5 1 T I ，安装距离增 加约 2 O m。因此 ，后期 随着工作面推进，运输巷 中空冷器的安装距离会逐渐增大，经模拟分析 ，最 大安装距离约 1 2 3 12 1 。空冷器安装有效长度与运输 巷长度的关系如图 2 所示。 2 ． 3工作 面温度 场模 拟 分析 对工作面温度场冷量进行模拟 ，采用 C F D数 值模拟分析软件对空冷器输出冷空气后与运输巷空 气混合紊流降温场进行模拟分析 ，分析采用的计算 网格模型如图 3 ，西一采区 7 0 4工作面温度场立体 分布计算见图 4 ，西一采区 7 0 4工作面温度场平面 分布见图 5 。 输巷 图 3 西一采 区 7 0 4 工作 面计算 网格划分模型 由工作面温度场模拟平面图分析可知 ，西一采 区 7 0 4工作面运输巷空冷器 出El端至工作面出口端 为冷量覆盖 区域 图 5中靠近工 作面深色部分 ， 也是主要 降温场 。根据工作 面温 度场降温分布范 围，空冷器在距工作 面约 1 2 0 m 的位置安装布置， 同时在 回风巷 中距工作面约 1 0 0 m 的位置处 ，在 巷顶部即可安设引排风机进行 回风巷辅助降温。由 于在工作面温度场中温度按箭头的方向是逐渐升温 的过程，只要在 工作 面出 口端 温度小于 2 6 ℃，即 可保证整个采煤工作面的降温要求。 输 巷 图 4 西一采 区 7 0 4工作面温度场立体分布计算图 安装位置 图 5 西一采区 7 0 4工作 面温度场平面分布图 3 冷量优化配置预测 随着红阳三矿后期开采工作面深度加大 ，岩温 逐渐升高 ，依据上述计算公式对后期工作面运输巷 中空冷器安装距离及配置个数进行了计算和预测， 如 表 1所示 。 表 1 红 阳三矿后期开采工作面空冷器配置预测 工作面名称 开采标高／ m 岩温 预测／ ℃ 需冷量／ k w 空冷器数t／ N 安装距 离／ m 北三采区 N3 1 2 0 7 北三采区 N3 1 2 l 1 北二采区 1 2 1 2 西 一 采 区 7 1 2 西一采 区 7 0 8 西 二 采 区 1 2 0 4 南一采 区 7 0 3 南一开采区域 9 6 8 8 7 6 7 0 7 8 7 2 7 7 6 8 井下深部开采工作面冷量配置及优化 1 1 5 ∞ ∞ ∞ 的 的 ∞ ∞ M 8 2 5 6 4 7 4 卯 2 3 4 4 4 4 3 ∞ ∞ 小 ∞ n 7 8 9 K 9 K 8 U 一 一 一 一 一 一 一 一 由表 1预测 结果 可知 ，按矿 方 目前 采掘 接续计 划 ， 以平 均 2 ～3个 工作 面 预 测 ，北 二 、北 三 采 区 总需 冷量 为 4 2 6 0 k W ，西一 、西 二采 区总需 冷量 为 5 6 3 0 k W ，南 一采 区总需 冷量 为 3 8 6 0 k W 。 根据矿井开采接续计划及上述计算分析可知 ， 红 阳三矿按 照 目前生 产 能力 5 0 0万 t ／ a 继 续深 入煤 层开采 ，全矿井采掘面需冷量在 2 0 1 1年 6月达到 4 1 0 0 k W 以上，后期需冷量约为 4 5 0 0 k W。因此 ， 红阳三矿后期需冷量不断增加 ，该矿应对后期采区 各采掘工作面的需冷量进行合理优化配置，减少能 源损耗 ，提高制冷设备的降温运行效率 。 随着红阳三矿开采深度的加大 、围岩温度的升 高，工作面需冷量和空冷器的数量也会相应增加 。 为了改善红阳三矿后期工作面的温度分布情况 ，必 须优化工作面的空冷器布局 ，可采用在运输巷布置 大型 空冷器 以减 少空 冷器安装 数量 ，并 在 回采 工作 面布 置小 型空冷 器 悬挂式 的方式 。工作 面 的降 温 以大型空 冷器 为主 、悬挂式 空 冷器为 辅 ，可根据 现场情况确定 回采工作 面的温度超过 2 8 ℃的边界 点 ，从边界点后开始布置制冷量较小的悬挂式空冷 器 ，所 需冷 却水通 过 软管连 接输送 ，可 有效地 保证 整个工作面的气候环境比较均匀且符合降温要求 。 4 结论 1 根据 空冷长 度 的计 算 方法 ，空冷器 按照 西 一 采区 7 0 4采煤工作面进风巷空冷器的有效位置进 行布置 ，工作面温度环境有 了显著改善。 2 建立 C F D工作面温度场冷量分布模拟模 型 ，并利 用该 模 型对空 冷器 布置 在进 风巷 1 2 3 m 位 置时的空冷分布效果进行 了模拟，通过模拟分析可 知 ，当 空冷 器 位 置 距 工 作 面 入 口小 于 1 2 3 m 时 ， 能够满足降温效果的要求 。 3 通过 空冷 器在工 作 面的模 拟分析 和配 置结 果 表明 ，进风 巷空 冷 器位 置 的布 置 方 式合 理 有 效 ， 温 度场 的冷量计 算模 型能 够满 足模 拟要求 。 4 随着红 阳三 矿后 期 开采 工 作 面 深 度 加 大 ， 岩温逐渐升高 ，依据冷量分布模拟结果对后期深部 开采 中的 8个工作面运输巷中空冷器安装距离及配 置个 数进行 了计 算 和预测 ，为制 冷设 备 的优 化配 置 提供 了可 靠依据 。 5 在 工作 面进 风巷 空冷 器 优 化 配 置 的 同 时 ， 结合辅助降温措施 ，可有效保证整个工作面的气候 环境 比较均匀且符合降温要求 。 参考文献 [ 1 ] 刘忠玖 ，曾令 坤 ．红 阳三矿地 热规律及 影 响因素浅 析 E J ]．中国煤炭 ，2 0 0 4 s E 2 3 周西华 ，单亚 飞 ，王继仁 ．井巷 围岩 与风流 的小稳 定 换热 E J ]．辽宁丁程技术大学学报 ，2 0 0 2 3 [ 3 ] 秦跃平 ，秦风 华 ，徐 国峰 ．制 冷降温 掘进工 作面 的 风温预测及 需冷 量计算 E J ]． 煤炭 学报 ，1 9 9 8 6 E 4 ] 胡华军 ． 高 温深矿井 风流热湿 交换及 配风量 的计算 E D ]．山东 山东科技大学 ，2 0 0 4 E s } 苗德俊 ．高温矿井采 煤工作 面热环境 指标 及冷量优 化方法研究 E D ]．山东 山东科技大学 ，2 0 0 8 作者简介 夏洪满 1 9 6 3 一 ，男 ，辽宁沈阳人 ，教授 级高 工，中国矿业大学博 士生 ，现任 沈阳焦 煤集 团副总 经 理 。 责 任编 辑孙英 浩 上 接 第 9 7页 E 6 3 胡予红 ．加强通 风瓦斯利 用 ，实现减 排 目的 E J ] 中国煤炭 ， 2 0 0 9 5 宋正昶 ， 林柏泉 ， 周世宁 ．低浓度瓦斯 在泡沫陶瓷内 过焓燃烧 的实验研究 E J ]．煤 炭学 报 ， 2 0 1 1 4 杜卫新 ，王立 亚 ．低浓 度瓦斯 过焓燃 烧实 验装置 开 发 E J ]．煤矿机械 ， 2 0 1 0 1 0 刘方 ， 宋正昶 ， 杨丽等 ．低浓度煤矿瓦斯在多孔 介质 中的燃烧特性试验研究 E J ]．煤炭技术， 2 0 0 9 1 1 王瑞金 ， 张凯 ，王刚 ．F l u e n t 技术基础 与应用 实例 E M}．北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 7 王恩字 ．气体燃料在渐变型多孔介质 中的预混燃烧 机理研究 E D ]．杭州 浙江 大学 ，2 0 0 4 [ 1 2 ] 姜海 ， 赵平辉 ， 徐侃 等 ．多孔介质燃烧的二维数值 模拟 E J ]．中国科学技术 大学学报 ，2 0 0 9 4 [ 1 3 ] 郑成航 ， 程乐呜 ， 李 涛等 ．多孔介质 燃烧火焰 面特 性数值模 拟 E J 3．中国电机工程学报 ，2 0 0 9 5 作者简介 代华明 1 9 8 7 一 ，男 ，四川广 元人 ，硕士 研究生 ，主要从事煤矿瓦斯 、煤 尘灾害 防治 及低浓 度瓦斯 综合利用方面的研究。 责任 编辑 梁子 荣 中国煤炭第 3 8 卷第 3期 2 0 1 2年 3月 6 l。 n 口