金属矿山深部开采水冷集中降温实践(1).pdf

Se r i a l No ． 55 8 0c t o b e r ． 201 5 现代矿业 M0 DE RN MI NI NG 总 第5 5 8期 2 0 1 5 年 1 0月第 1 0期 金属矿 山深部开采水冷集 中降温实践 宝海忠 姜 云 居伟伟 1 ． 招金矿业股份有限公 司夏 句金矿； 2 ． 中钢集团马鞍山矿 山研究院有限公 司； 3 ． 金属矿山安全与健康国家重点实验室； 4 ． 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司 摘要 目前夏甸金矿 已回采至 一 9 8 0 m， 深部开拓 已达 l 2 5 0 m， 高温热害 日益严重， 通风降 温已无法解决工作面高温的问题 ， 为此通过热源分析确定井下总制冷量 ， 选用 K M1 0 0 0型井下集 中 式制冷机组， 采用井下集 中制冷技 术， 通过现场应 用， 1 0 0 k W 空冷器的独头掘进 工作 面温度 由 3 9 ℃下降至 2 7 ． 5 o C， 2 0 0 k W 空冷器的独头掘进工作面温度 由4 0℃下降至 2 7 ． 3℃ ， 取得 了较好的降 温效果， 保证了矿床安全高效回采， 为同类深部高温金属矿山降温提供了有益的借鉴和参考。 关键词深部开采热源 集 中降温制冷机组 金属矿产资源是人类赖 以生存与发展 的基础 ， 夏甸 金 矿现 生 产 能 力 为 4 5 0 0 t ／ d ， 回采 深 度 为 据统计 ， 我 国9 5 ％能源与 8 0 ％工业原料来源于矿产 9 8 0 m， 开拓深度为 1 2 5 0 1T I ， 为有效解决深部开拓过 资源， 其中金属矿产资源占有十分重要的地位。日 程中的高温问题， 矿方应用德国 WA T公司井下水 前大部分金属矿山回采至 8 0 0 r n左右 ， 部分矿山回 冷制冷技术与设备 ， 有效解决深部开拓过程 中局部 采超过 1 0 0 0 m， 通常称为深井矿山。据统计 ， 在未 高温问题 ， 为矿床安全高效回采创造 良好的条件 。 来1 01 5 a ， 我国将有 1 ／ 3的矿山达到或超过 1 冷负荷计算 1 0 0 0 m， 深部采矿将是国内金属矿山今后的发展方 1 ． 1 热源分析 向。深部采矿中遇到的首要问题就是深部开拓过程 1 ． 1 ． 1 地热 中的高温问题， 据不完全统计， 国内大部分地区深部 地温梯度参考纬度与之相近的山东胶东地区的 岩石 自然 增 温率 在 2 ． 03 ． 0℃， 开采 深 度 超过 梯度 ， 取 2 ． 2 C ／ h m， 据此计算 夏甸金矿 各水 平地 1 0 0 0 m 矿山， 局部开拓区域 的温度将超过 4 0 c C。 温 ， 结果见表 1 。 表1 夏甸金矿各水平地温 标高／ m 1 4 3 恒温带 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 04 5 05 0 06 0 0 6 5 2 6 6 2 6 7 87 0 07 2 08 0 0 平 均 地 温／ ℃ 1 4 ． 5 1 7 ． 6 4 6 1 9 ． 8 4 6 2 2 ． 0 4 6 2 4 ． 2 4 6 2 6 ． 4 4 6 2 7 ． 5 4 6 2 8 ． 6 4 6 3 0 ． 8 4 6 3 1 ． 9 9 3 2 ． 2 1 3 2 ． 5 6 2 3 3 ． 0 4 6 3 3 ． 4 8 6 3 5 ． 2 4 6 由表 1可见 ， 夏甸金矿开采到 一8 0 0 IT I 水 平时 地 温已达 3 5 q C 以上 ， 属一级热害区。 1 ． 1 ． 2空气压缩热 夏甸金矿 7 混合井井 口标高为 1 6 3 1T I ， 一期井 深已达 一 6 5 2 m水平 ， 井筒 内空气柱高达 8 1 5 m。经 计算 ， 重力导致 的空气压缩热为 5 ． 4 1 2 k J ／ k g o 1 ． 1 ． 3 氧化热 经检i 贝 0 ， 夏甸金矿开采的矿石 中不含有易氧化 的物质 ， 故井下热环境不考虑氧化热的影响。 1 ． 1 ． 4 机电设备散热 经统 计 ， 全 矿 井 下 累 计 电机 设 备 散 热 量 为 宝海忠 1 9 7 7 一 ， 男 ， 矿长助理 ， 工程 师 ， 2 6 5 4 0 0山东省招远市 。 l 8 0 5 5 0 k W - ， 而柴油机设备散热量高达 6 2 4 2 k W 以上。 考虑到设备不可能同时运行 因素 ， 统计 一 6 5 2 m水 平以下最大班同时运行的柴油机设备散热量高达 2 1 9 2 k W。由此可见 ， 夏甸金矿井下柴油机设备散 热量是井下高温的重要热源之一。 1 ． 1 ． 5 人体散热 夏甸金矿井下按重体力劳动强度考虑 ， 散热量 为0 ． 4 7 k W／ 人， 按井下最大班 6 0 人考虑， 人体散热 总量为2 8 ． 2 k W。人体散热量对井下热环境的影响 微乎其微。 1 ． 1 ． 6 地面大气环境影响 夏甸金矿地区夏季室外气象参数见表 2 。 表2显示本地区夏季高温季节时， 从地面进人 井下的空气本底参数 已超过国家规定 的劳动安全卫 宝海忠姜云等 金属矿山深部开采水冷集 中降温实践 2 0 1 5年 1 0月第 1 0期 表 2 夏季室外气象参数 生标准。因此 ， 夏季地面空气温度超过 2 8℃时， 也 是提升井下风流温度的影响因素之一。 1 ． 2 总需冷量 根据夏甸金矿 一 6 5 2 m 以下水平热源分析 ， 通 过铲运机和运输卡车总输出功率计算 ， 掘进工况时 ， 一 6 5 2 m 以下 3个水平 同时工作总需冷量约为 1 0 0 0 k W； 运输工况时， 一 6 5 2 m 以下 3个水平 同时 工作总需冷量约为 4 0 0 0 k W。 2 井下降温 2 ． 1 设计制冷量 根据计算的需 冷量 ， 考虑管道及系统冷损后的 制冷量 ， 井下集 中式降温设计负荷见表 3 。 表3 井下集中式降温负荷 k W 现场考察后确定井下排水带走冷凝热 ， 井下平 均涌水量约为 1 2 0 m ／ h ， 通过计算得 出制冷机最大 制冷能力为 1 0 0 0 k W， 此制冷量仅 能满足一个水平 在运输工况下或 3 个水平掘进工况下的降温需求。 2 ． 2 工作面降温设备布置 空冷 器 布 置 在 一7 4 0 m 水 平 ， 南 北 大 巷 或 一 7 8 0 m水平以下斜坡道各布置一 台 2 0 0 k W 空冷 器 ， 4个穿脉采面各布置一台 1 0 0 k W 空冷器。 2 ． 3井下降温分析 2 ． 3 ． 1 井下涌水可带走的热量 确定集 中降低热害最为严重 的 一7 0 0 m水平 以 下的井下工作点温度 ， 在井下 一 7 0 0 m水平新建水 仓。通过联通 一6 5 2 m中转水仓和 一 6 5 2 m 5 3 5线 水仓， 一 7 0 0 m水仓可以提供水温2 8℃、 流量 1 2 0 1 3 0 m ／ h的矿井涌水 ， 作为井 下制冷机组 冷凝器 的 二级冷却水。 根据德国 WA T公司井下制冷机组参数， 制冷 量 1 0 0 0 k W 设备冷凝温度为 4 4 ， 冷却功率为 1 2 5 0 k W， 冷却水流量为 3 3 ． 1 8 k g ／ s ， 一级冷却水进 水温度为 3 2℃ ， 出水温度为 4 1℃。如采 用污水换 热器对设备进行冷却 ， 按 3℃温差计算 ， 则所需二级 冷却水温应为 2 9℃， 水量约 1 2 0 m ／ h 。因此， 利用 一 7 0 0 m冷水仓 ， 联通调度井下其他地点水仓排水 ， 可以满足一台 1 0 0 0 k W制冷机的冷却要求。 2 ． 3 ． 2降温能力 通过对井下排水冷却能力的分析可以看出， 在 现有条件下井下集 中制冷、 井下排热方案 的制冷能 力能达到 1 0 0 0 k W， 能满足 一7 4 0 m水平采面及其 4个穿脉巷掘进工况的降温 。 2 ． 4 方案设计 2 ． 4 ． 1 制冷排热 系统 制冷机冷冻水系统采用闭式循环， 主要由井下 制冷机组、 输冷管道、 冷冻水循环泵、 补水定压装置、 末端空冷器及相应控制阀门仪表等组成。其系统流 程 井下制冷机组一输冷供水管 约 3 o C 一空冷器 一输冷 回水管 约 l 8 ℃ 一过滤器站一冷冻水循环 泵一井下制冷机组。 制冷机冷却水系统采用两级冷却 ， 其主要 目的 是保护制冷机冷凝器不被含有泥沙的井下排水所磨 损或堵塞 ， 延长其使用寿命。其中一级冷却水系统 采用闭式循环 ， 二级冷却水 系统 矿井涌水 采用开 式循 环。其一 级 流程为 制冷 机组冷却 水 回水 4 1 o C 一一级冷却水泵一污水换热器一冷却水供 水 3 2℃ 一制冷机组 ， 二级流程是 一 7 0 0 m水平水 仓取水 口 约 2 8 c I - 二级冷却供水管一污水换热 器 约 2 9 oC 一二级冷却水 回水管 约 3 8℃ 一 7 4 0 m水平热水仓。水仓 内约 3 8 的井下涌水 通过 一 7 4 0 m水平排水泵排至 一 6 5 2 m水平热水仓 ， 最后通过井下排水泵排至地面。为了确保整个降温 系统 的良好制冷效果 和低制冷能耗 ， 一6 5 2 m水平 热水仓不能与其他水仓联通。制冷机制取的3℃ 低温冷水通过输冷管道送至各采场及其穿脉巷空冷 器， 将穿脉巷的空气降温后， 通过保温风筒送至各穿 脉巷尾部 。井下制冷及排热系统流程见 图 1 。 2 ． 4 ． 2制冷机组选型 制冷机组选型本着产品成熟可靠 、 控制方便 、 负 荷调节方便 、 尽量避免风险的原则 ， 根据井下涌水只 能满足制冷量为 1 0 0 0 k W 制冷机的冷却要求， 本次 共考虑了I D V 1 0 0 0型和 K M 1 0 0 0型制冷机组， 具体 参数见表 4， 技术经济 比较见表 5 。 由表 4 、 表 5可知， K M1 0 0 0型井下集中式制冷 机组 比 I D V 1 0 0 0型集成 式可移动制冷 机组运行费 省， 能效比高。根据制冷降温系统技术可靠 ， 机组选 型能效 比高及运行 费省 的原则 ， 本设计制冷主机选 用 K M1 0 0 0型井下集中式制冷机组。 】 8】 总第 5 5 8期 现 代矿 业 2 0 1 5年 l 0月第 1 0期 2 ． 4 ． 3降温硐 室布 置 降温硐室设 在井下 一7 4 0 m水 平人 口处 的北 面 ， 硐室长约 4 0 I n ， 宽 、 高均 5 m。硐 室内布置 1台 1 0 0 0 k W 制冷 机 组、 2台冷冻 水 循环 泵 一 备一 用 、 2台一级冷却水循环泵 一备一用 、 过滤器站 及补 水 定 压 等配 套设 备 。冷 冻水 循 环泵 型 号 为 I S G 1 2 5 - 2 5 0 B， 流量为 8 3 t ／ h ， 电机功率为 3 7 k W， 电 压 为 3 8 0 V； 一 级 冷 却 水 循 环 泵 型 号 为 I S G1 2 5 2 0 0 B， 流量 为 1 3 8 t ／ h ， 电机 功率为 2 2 k W， 电压为 3 8 0 V。系统冷冻水和一级冷却水补水均采用软化 水 ， 配套 l台5 m 软水 箱和 2台补水 泵 型 号为 I S G 3 2 - 2 0 0 ， 流量为 4 ． 5 t ／ h ， 电机功率为 3 k W， 电压 为 3 8 0 V 。为了防止水 中杂物堵塞制冷机组蒸发 器 ， 在冷冻水循环泵 吸人 口前端设手动反冲洗过滤 图 1 井下制冷及排热系统流程 器 。 表4 制冷机组具体参数 I DV1 O 0 0 6． 5 2 2． 4 3 05 5 KM1 o o O 1 2 ． 5 x2 2． 5 3 855 4 6． 6 5 4 4． 9 3 3 ． 7 在 山东省运用数量少 ， 机组备品备件少。 3 ． 8 5 在 山东省井下集 中式降温工程 中运用数量多 ， 备品备件多。 2 ． 4 ． 4 冷却设备布置 污水换热器安装在 ～7 4 0 IT I 水平联络巷南边换 热硐室内。本工程制冷机冷却水通过污水换热器采 用矿井涌水冷却 ， 矿井排水来 自 一 7 0 0 m冷水仓 ， 为 了保证冷却水量稳定 ， 设计 同时贯通原 一6 5 2 m 中 转水仓和 一 6 5 2 I T I 5 3 5线水仓 。二级冷却水供水通 过 一 7 0 0与 一 7 4 0 m水平换热硐室问的高差 自流进 手动反冲过滤器后进入污水换热器 ， 换热后 的冷却 水回水进入换热硐室旁的热水仓， 约3 8℃热水通过 换热硐室 内的排水泵排到 一6 5 2 1 T I 井下热水仓 ， 最 终通过矿井排水泵排至地 面。污水换热器参数 交 换功率为 1 2 0 0 k W； 一级冷却水水温为 3 2～ 4 1℃ ， 流量为 1 1 5 t ／ h ； 二级冷却水 矿井涌水 水温为 2 9 ～ 3 8℃， 流量为 1 2 0 t ／ h 。 2 ． 4 ． 5 输冷管及冷却水管道布置 冷媒水由冷冻水循环泵经输冷管送至深部各掘 进工 作 面 空 冷 器 处 ， 斜 坡 道 输 冷 管 主 管 直 径 为 1 4 0 m i D _ ， 长 1 4 0 0 IT I ； 至各水平沿脉巷输冷管支管直 1 R 2 径为 1 1 4 i n m， 长 1 9 0 0 i n 。输冷管采用预制聚氨酯 保温管 。一级冷却水进 口温度为 3 2℃ ， 冷却水 出口 温度为 4 l℃ ， 制冷机冷却水设计流量为 3 3 ． 3 k g ／ s ， 冷却水管道为 西 1 6 8 m m无缝钢管， 接至污水换热 器 ， 经冷却后 回到制冷机内。由于冷却水管道 内水 温接近环境温度 ， 因此无需保温。 2 ． 4 ． 6 末端设备布置 井下降温的末端设备主要 由空冷器 、 过滤器 、 仪 表阀门等组成， 共配置 6台2 0 0 k W 空冷器。由于 制冷量远小于末端空冷器换 热量 ， 需要根据现场实 际， 调配冷冻水分配方向， 以集中力量解决某一局部 降温问题。 3 应 用效果 夏甸金矿 自2 0 1 4年 l 0月集 中在 一 7 4 0 I l l 水平 与 一 7 8 0 m下 向斜坡道应用此降温技术与设施 ， 采 用 1 0 0 k W空冷器的独头掘进工作面温度由原来的 3 9℃下降至 2 7 ． 5℃， 采用 2 0 0 k W 空冷器 的独头掘 进 工作面温度 由原为 的4 0℃下降 下转第 1 8 6 页 总第5 5 8期 现代矿业 2 0 1 5年 1 0月第 1 O期 4结论 根据瓦斯涌出情况提出了井上下大直径钻孔预 抽技术方案 ， 采用井上下对接钻孔抽采 ， 地面钻孔数 量为 l 0口， 设计井距为 2 8 0 m。通过对矿井瓦斯的 综合治理， 工作面 回采前平均预抽率达 1 0 ％ ～ 1 8 ％ ， 回采期 间抽采率达 7 0 ％ ， 矿井瓦斯抽采率为 4 5 ％， 单位钻孔量为 0 ． 0 1 ～ 0 ． 0 2 m ／ t 单面最大钻 孔量 已达 1 5万 m以上 ； 百米钻孔抽采量普通短钻 孔为 0 ． 0 0 2 0 ． 0 0 8 m ／ h m， 千米钻孔为 0 ． 0 2 0 ． 0 8 1 1 1 ／ h m； 高负压预抽瓦斯浓度平均在 3 0 ％ 以上 ， 低 负压采空区瓦斯抽采浓度3 ％ ～ 5 ％， 低负压合理抽 采混合流量在 3 5 0 6 5 0 1T I 。 ／ m i n 。瓦斯综合治理方 案有效解决了采面隅角 的瓦斯超 限问题 ， 防止矿井 深部瓦斯突出 ， 实现 了矿井生产过程中瓦斯不超限 的 目标 ， 保证 了矿井安全高效生产 。 参考文献 [ 1 ] 蔡勇． 高瓦斯 回采工作面 瓦斯治理 实践 [ J ] ． 煤 炭技 术 ， 2 0 0 9 4 2 8 - 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