徐州矿区深部开采热害治理现场试验研究.pdf

第4 7卷 第4 期 煤炭工程 CO AL ENG I NE ER I NG Vo l _ 47． No ． 4 do i 1 0．1 1 7 99 ／c e 2 01 5 0 4 001 徐 州矿 区深 部开采热害治 理现场试验研 究 何满潮 ，郭平业 1 ．中国矿业大学 北京深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学 院，北京1 0 0 0 8 3 摘要随着开采深度的增加 ，越来越 多的矿井面临工作面高温热害。高温热害不仅严重影响 工人身心健康，而且 由高温引起 的采场围岩体热力学效应与顶板塌方和瓦斯爆炸 紧密关联。基 于 此，首先总结深部开采热害治理技术的主要原理，提出热害治理设计步序。然后，在典型深井开采 热害矿区 徐 州 I 矿区 开展热害治理现场试验 ，通过现场试验，得到以矿井涌水、矿井回风和地表水 体为主要冷源的热害治理工艺流程及热力学平衡试验最优参数 ，为类似矿井开采热害治理提供理论 依 据 。 关键词 热害治理 ；高温热害；现场试验 ；深部开采 ；冷源设计 中图分类号 T D 8 2 3 ． 8 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 4 - 0 0 0 1 - 0 4 Fi e l d Ex pe r i me n t a l S t ud y o n He a t Di s a s t e r Co n t r o l i n Xuz ho u M i n i n g Ar e a HE Ma ne ha o ．GUO Pi ngy e 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r G e o me c h a n i e s a n d D e e p U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g and T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e d e e p e n i n g o f mi n i n g d e p t h， a g r o w i n g n u mb e r o f c o a l mi n e s a r e s u f f e ri n g f r o m mi n i n gi n d u c e d h e a t d i s a s t e r ，s e rio u s l y a f f e c t i n g t h e h e a l t h o f w o r k e r s ， a n d l e a d i n g t o t h e r mo d y n a mi c e ff e c t o f s u r r o u n d i n g r o c k ， w h i c h i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e d i s a s t e r s o f r o o f c o l l a p s e an d g a s e x p l o s i o n i n c o a l mi n i n g ． T h e ma i n p ri n c i p l e o f h i g h t e mp e r a t u r e t h e r ma l d i s a s t e r c o n t r o l Was s u mma r i z e d a n d i t s d e s i g n pr o c e s s Was pr o po s e d． And t hr o u g h t h e fie l d t e s t s i n Xuz h o u mi n i n g a r e a， a t y p i c al d e e p mi n e s u f f e ri n g f r o m h e a t d i s a s t e r ，a h e a t d i s a s t e r c o n t r o l p r o c e s s wa s p r o p o s e d u s i n g mi n e i n r u s h w a t e r ， r e t u r n a i r an d s u r f a c e wa t e r a s ma i n c o l d s o u r c e ， a n d t h e o p t i ma l p a r a me t e r o f t h e r mo d y n am i c e q u i l i b ri u m t e s t Was o b t ain e d ． Ke y wo r h e a t d i s a s t e r c o n t r o l ； h e a t d i s a s t e r ； f i e l d t e s t ； d e e p mi n i n g； c o l d s o u r c e d e s i gn 随着开采深度增加，越来越多的深井开采工作面显现 高温热害。在采矿过程中，高温高湿环境不仅影响工人身 心健康，而且会引起深部采场围岩体的热力学效应从而诱 发许多次生的采矿安全 问题 ，特别是会造成顶板塌方和瓦 斯爆炸事故 _ 1 - 3 j 。尤其 是在 我 国 中东 部 部分 矿井 ，高温 热 害不可避免的成为制约煤炭深部开采的关键性技术难题之 一 。因此 ，国内外越 来越 多 的学者关 注深 部采 矿热 害治 理 技术 一 。采矿热害治理技术可以根据冷量输运方式不同 分为气冷式、冰冷式和水冷式，其中气冷式由于输送冷量 小无法满 足大 部分深 部矿 井 的需求 ，冰 冷式 由于是 固相 输 运冷量 容 易 造成 输 运 系 统堵 塞 ，且 沿途 冷 损 大 而 逐 渐 淘 汰 。水冷式为我国主要应用的采矿热害治理技术，但 国内文献中缺乏大规模现场试验研究。因此，本文 以水冷 技术为主，选取我国东部典型的高温深井徐州矿 区，根据 不同的开采条件设计实施降温工程现场试验，总结深部煤 炭资源开采热害治理的一般性规律。 1 徐州矿 区介绍 徐州矿 区是一个 已经有 1 2 0 a 开采历 史 的矿区 ，处 于苏 鲁豫皖四省交界的徐州市境内，矿区总面积 2 0 9 4 k m ，含 煤面积 3 6 1 ． 3 k m ，煤系地层系石炭 一 二叠纪。目前，生产 矿井 8对，大部分矿井均已超过千米 ，是我国典型的深部 井群矿 区，各矿开采深度见表 1 。其中夹河煤矿 、张小楼煤 矿 、张双楼煤矿 、三 河尖煤 矿 以及张 集煤矿 工作 面温度 超 过 3 5 ℃、湿度达到 9 5 ％ 一1 0 0 ％，高温高湿环境严重影响 工人身心健康和矿井安全生产。 收稿 日期 2 0 1 50 1 一 叭 基金项目国家自然科学基金重点项 目 5 1 1 3 4 0 0 5 ；国家自然科学基金青年项 目 4 1 4 0 2 2 7 3 作者简介何满潮 1 9 5 6一 ，男，河南灵宝人，中国科学院院士，Em a i l h e ma n c h a o 2 6 3 ． n e t 。 引用格式何满潮，郭平业．徐州矿区深部开采热害治理现场试验研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 5 ，4 7 4 1 4 煤炭工程 2 0 1 5 年第4期 表 1 徐 州矿 区各 矿井开采深度 2 0 1 1年 此次现场试验工程选取张双楼、张小楼和三河尖三个 矿井实施 ，主要原因①三个矿井高温热害都很严重 ；② 三个矿分别采用矿井涌水、矿井 回风和地表水三种不同冷 源实施热害治理 ，具有很强的代表性。 徐州地处北纬 3 4 。 1 5 左右，属暖温带季风气候区，气 压 1 0 1 2 ． 3 h P a ，平均气温1 4 ． 5 C，最 高气温4 0 ． 6 ℃， 最 低 气 温 一 1 5 ． 8 C，相 对 湿 度 6 9 ％，降 水 量 8 3 1 ． 7 m m，蒸发量 1 7 9 5 ． 1 mm，平 均 风速 2 ． 5 m ／ s ．日照 时数 2 2 2 0 ． 9 h 。可以看出，徐州每年 5月份开始直至 1 0 月份都是 日均气温超过 2 2 C 如图 1 所示 ，日最高气温也 是在每年 5月份开始超过 3 0 C直至 1 0月份 如图 2所示 。 徐州地 区相对湿 度超 过 7 0 ％ 的月份 为 2～ 3月 和 5～1 0月 如图3所示 ，其中2 3月相对湿度较大是由于春季降雨 引起 。因此 ，可 以看 出 51 0月 份徐 州 地 区地 面温 度 高 、 湿度大。在这个时段也更容易加重井下高温热害 ，所以选 择现场试验运行 时间都在该时段 。 4 0 3 0 窳 2 0 赠 嚣 1 0 O ．1 0 2 0 1 0 年 ． ’ 三 2。。00，9,, 2008垂 k 衅 A ． ＼ 舄 写 舄 昌 g昌 昌 昌 罨舄 g耳 高 高 高 昔 曹 巷考 毒蓉 邑巷 蓉兽 毫巷 蓉鬯 巷巷 量兰 兰兰 苎苎 日期 图 1 徐州 日平均气温变化 图 2 0 0 7- 2 0 1 1年 40 3 O 越2 0 赠 键 1 0 2 0 ．1 O 一 蓍 一 j - 。 、 ▲ 至 甄蠢 嚣羹 嚣嚣 莲 蠹嚣 嚣甄曼 g g 盆 } ￡ }鲁 鲁 葛 墓 宝 兮 兽 兽 g 譬 器蓉 g S 2 宝 日期 图2 徐州日最高气温变化图 2 0 0 7- 2 0 1 1年 八 写 耳； 芩 耳写 昌 ； 昌 岛g 瓮 g 耳 考 言蓉 昔 台 蓉夸 蓉 台 合 营 軎昔 巷 巷 蓉 蓉 蓉 I1 期 图 3 徐州相对湿度变化图 2 0 1 1年 2 热害治理现场试验设计原理及步序 热害治理现场 试验采 用 以水 为能 量输运 载体 ，详 细设 计原理 图如 图 4所示 ，可以分 为冷源 部分 、制 冷部分 和 降 温部分三块 。制 冷系统 由压缩 机 、冷凝 器 、节流 阀 和蒸发 器组成，包括 2个等温过程和 2个等熵过程，经过整个逆 卡诺循环热力过程 ，将制 出的总冷量 Q 通过蒸 发器传递 到 降温系统 ，同时，将井下所带的热量和压缩机所产生的热 量通过冷凝器传递给冷源部分 ，再进换热器释放到矿井涌 水、回风或地表水冷源中。设计时需要保障总冷源 p 大于 降温所需冷量 9 和压缩机功率 之和。 i 冷 源[ 磊 葬 西 】 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯] 一 I ⋯⋯ l 些 耋 查 l_ _ j r ⋯一 兰兰j ⋯一 ⋯一 ⋯ 中 茎 i 三 竺 降 温 i 图 4 热害治理原理图 深井热害治理现场试验步序如图 5所示。首先，查明 与热 害相关 的开采 条件 ，主要 为气 候参 数 、热源参 数和 冷 源参数 ，其 中气候 条件 参数包 括年 气温 变化情 况 、年相 对 湿度变化情况 和极端气 候条件 ；热源参 数 主要 为了查清 井 下热源，主要包括工作面温度和湿度以及风量 、围岩温度 、 日采煤量和机电设备散热情况等；冷源参数是与矿井可利 用 的冷源有关 的参数 ，主要包 括 矿井 涌水 的 水温 和水 量 、 矿井回风的风温和风量、地表的其他水源水量和水温。第 二，根据气候参数和井下热源参数计算 出矿井降温系统冷 负荷 ⋯J ，同时 ，逐级 分析 冷源 ，从 矿井 涌水 、矿井 回风 和 地表水依次分析，看能否满足矿井降温冷负荷的需求。第 三 ，开始 降温 系统设 计 ，包括 冷源 工程设计 、换热 工作 站 设计 、制冷工作站设计和降温工作站设计。第四，开始现 场实施并进行 热力学平 衡参 数调试 ，最后确 定 降温系统 运 蠹靛霉 2 0 1 5年第4期 煤炭工程 行 最优 参数。 图 5 深 井热 害治理 方案设计 步序 3 徐州矿区热害治理现场试验 3 ． 1 张双楼 煤矿 现场 试验 3 ． 1 ． 1 热源计算和冷源分析 张双楼煤矿冷负荷计算参 数及计算结果见 表 2 。可 以得 知 ，张双楼煤矿最 终所需冷 负荷 为 5 7 5 9 k W，加上 压缩机 等 机电设备散热 总计需要 冷源 8 0 0 0 k W。张双楼 矿冷 源分析 情 况见表 3 ，从 表中可 以看 出矿井涌水 中蕴含 大约 1 5 M W 的冷 量，满足矿井降温所需的冷源 8 M W，首选冷源为矿井涌水。 表 2 冷 负荷计 算参数及结果 张双楼煤矿 围岩温度 4 3 ． 7 ℃ 工作 面降温前后温度 3 4 ／ 2 9 C 工作 面降温前后湿度 9 5 ％ ～1 0 0 ％／ 9 0 ％ ～ 9 5 ％ 人 口降温前后温度 3 0 ／ 1 8 o C 工作 面风量 1 4 0 0 m ／ m i n 计算参数 降温工作 面数量 2 掘进头降温前后温度 3 4 ／ 2 9 C 掘进头降温前后湿度 9 5 ％ ～1 0 0 ％／ 8 0 ％ 入 口降温前后温度 3 0 ／ 1 8 ℃ 掘进头风量 5 0 0 m ／ mi n 降温掘进头数量 5 工作面降温负荷 3 0 4 4 k W 计算结果 掘进头降温负荷 2 7 1 5 k W 表 3 张双楼煤矿 冷源分析表 3 ． 1 ． 2 现场热力学平衡参数试验 经过现场安装实施，进行热力学平衡参数试验，最终 得出最优结果如图 6所示 ，可以看出当矿井涌水的水温保 持在 2 8 C时的系统最优 参数 ，制冷 系统制 出 5 C的冷水 到 采掘工作面降温 ，使得工作面进风温度由原来的3 0 C降低 为 1 8 C，最终保证工作 面温度低 于 3 0 C。 地 面匮 圜 ℃ 学 L 生 。 ℃ 5 5 ℃ l 1 1 ． 5 C 5 ． 5 C I 1 1 ．5 ℃ 热 风 墨 萼 墓 ． 率 墨 丛 苎 兰 辫 热 风 。 图 6 张双楼 矿最优运行参数 3 ． 2张 小楼 煤矿 现 场试验 3 ． 2 ． 1 热 源计算 和冷源分析 张小楼煤矿冷负荷计算参数及计算结果见表4 。可以得 知，张小楼煤矿最终所需冷负荷为 2 0 5 7 k W，加上压缩机等 机电设备散热总计需要冷源 2 6 0 0 k W。张小楼矿冷源分析情 况 见表 5 ，从 表 5中可 以看 出矿井涌 水 中蕴 含大约 2 8 0 k W 的冷量 ，矿井 回风 中蕴含 4 MW 的冷量 ，矿井涌水 和 回风中的冷量满足矿井降温所需的冷源 2 ． 6 MW。 表 4 冷负荷计算参数及结果 张小楼煤矿 围岩温度 4 4 ． 8 ℃ 工作面降温前后温度 3 6 ／ 2 9 工作面降温前后湿度 9 5 ％ 一1 0 0 ％／ 9 0 ％ ～ 9 5 ％ 入 口降温前后温度 3 0 ／ 1 8 o C 工作面风量 1 6 0 0 m3 ／ m i n 计算参数 降温工作面数量 1 掘进头降温前后温度 3 4 ／ 2 9 ℃ 掘进头降温前后湿度 9 5 ％ ～1 0 0 ％／ 9 0 ％ 入 口降温前后温度 3 0 ／ 1 8 ％ 掘进头风量4 0 0 m ／ m i n 降温掘进头数量 1 工作面降温负荷 1 6 8 3 k W 计算结果 掘进头降温负荷 3 7 4 k W 表 5 张小楼煤矿冷源分析表 3 ． 2 ． 2 现场热力学平衡 参数 试验 经过现场热力学平衡参数试验 ，得出张小楼煤矿降温 系统最优运行参数如图 7所示，该试验系统中最关键的参 数是要保证 2 0 m ／ h的涌水量和6 0 0 0 m ／ m i n的矿井回风量 ， 如果回风量过小或者回风温度过高都会引起降温效果波动。 3 ． 3 三 河 尖煤矿现 场 试验 3 ． 3 ． 1 热源计算和冷源分析 3 煤炭工程 2 0 1 5年第4期 图7 张小楼煤矿降温系统最优运行参数 三河尖煤矿冷负荷计算参数及计算结果见表 6 。可以得 知，三河尖煤矿最终所需冷负荷为3 9 6 0 k W，加上压缩机等 机电设备散热总计需要冷源6 0 0 0 k W。三河尖煤矿冷源分析 情况 见表 7 ，从表 7中可以看出三河尖矿井下冷源只有 矿井回风，可利用的回风冷源仅仅为2 MW不能满足矿井降 温所需要的冷源，因此考虑地表水体冷源。三河尖地表冷 源为 3 8 MW，满足矿井降温所需的冷源6 MW，首选冷源为 地 表 水 体 。 表 6 冷负荷计算参数及结果 三河尖煤矿 围岩温度 5 0 ℃ 工作面降温前后温度 3 9 ． 6 ／ 2 9 o C 工作面降温前后湿度 9 5 ％ ～1 0 0 ％／ 9 0 ％ ～9 5 ％ 人 口降温前后 温度 3 0 ／ 1 8 C 工作面风量 1 4 0 0 m ／ mi n 计算参数 降温工作面数量 2 掘进头降温前后温度 3 6 ／ 2 9 C 掘进头降温前后湿度 9 5 ％ ～1 0 0 ％／ 8 0 ％ 人 口降温前后温度 3 0 ／ 1 8 C 掘进头风量4 0 0 m ／ ra i n 降温掘进头数量 2 工作面降温负荷 3 0 4 4 k W 计 算结果 掘进头降温负荷 9 1 6 k W 表 7 三河尖煤 矿冷 源分析 3 ． 3 ． 2 现场热力学平衡参数试验 经过现场热力学平衡参数试验，得出三河尖降温系统 最优运行参数如图 8所示 ，该试验系统中最关键 的参数是 要保证回流到姚楼河的水温不高于 3 4 C，如果高于 3 4 C会 对地表河水 的生 态环境 造成热 污染 ，严 重影 响河流 生态 系 统平衡 。 4 结论 1 总结分析热害治理的基本原理，提出了热害治理设 4 图 8 三河尖煤矿降温系统最优运行参数 计步序。首先 ，根据矿井气象参数和热源参数计算矿井降 温所需冷负荷，同时根据冷源参数选择最优冷源，设计热 害治理方案并现场实施 ，最后必须通过现场热力学平衡试 验来确定降温系统性的最优参数。 2 根据热害治理基本原理和设计步序，针对徐州矿区 三个不同类型 的热害 矿井 ，分别 以矿井 涌水 、矿 井 回风和 地表水为冷源进行 热害治 理现场 试验 ，并 经过现 场热 力学 试验得出最优运行参数。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高 ，缪协兴 ，许 家林 ，等．论科学采矿 [ J ] ．采 矿与 安全工程学报 ，2 0 0 8 ，2 5 1 11 0 ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] 何满潮 ，郭平业．深部岩 体热力 学效 应及 温控对 策 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ，2 0 1 3 ，3 2 1 2 2 3 7 72 3 9 3 ． 袁亮．淮南矿区矿井降温研究 与实践[ J ] ．采 矿与安全 工程学报 ，2 0 0 7 ，3 4 3 2 9 9 3 0 1 ． 胡汉华 ，古德生．矿井移动空调室 技术 的研究[ J ] ．煤炭 学报 ，2 0 0 8，3 3 3 3 1 83 2 1 ． 杨胜强 ，王义江 ，于宝海 ，等．辅 助通风技术 改善深部热 环境 的试验 研 究 [ J ] ． 采矿 与 安全 工 程 学报 ，2 0 0 6 ，2 3 2 1 7 31 7 6 ． 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 ，2 0 1 1 ，3 6 1 1 0 11 0 4 ． 何满潮 ，郭平业 ，陈学谦 ，等． 三河尖矿 深井高温体 特征 及其 热害控制方法 [ J ] ．岩 石力学与工 程学报 ，2 0 1 0，2 9 S 1 2 5 9 3 2 5 9 7 ． 孙希奎 ，李学华 ，程为 民．矿井 冰水冷辐 射降温技术 研究 [ J ] ．采矿 与安全工程学报 ，2 0 0 9 ，2 6 1 1 0 51 0 9 ． 乔华 ，王景刚，张子平．深 井降温冰 冷却系统融 冰及技 术经济分析研究 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 0 ，2 5 S o 1 2 2 1 2 5． 苗素军 ，辛嵩 ，彭蓬 ，等．矿 井降温系统 优选决策理 论研究 与应用[ J ] ．煤炭学 报，2 0 1 0，3 5 4 6 1 36 1 8 ． 郭平业 ，朱艳艳．深井 降温冷 负荷 反分 析计算 方法 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ，2 0 1 l ，2 8 3 4 8 3 4 8 7 ． 责任 编辑郭继圣