孔莊煤礦集中降溫方案的選擇與優(yōu)化

吳繼忠，劉祥來，姚向東，王建軍

(上海大屯能源股份有限公司，江蘇沛縣 221611)

1 前言

孔莊煤礦主采下二疊系山西組7號(hào)和8號(hào)煤層，7號(hào)煤層平均厚度為4.54 m，8號(hào)煤層平均厚度為2.93 m，礦井核定生產(chǎn)能力為150萬t/a。2007年進(jìn)行礦井三期改擴(kuò)建，深部擴(kuò)建區(qū)生產(chǎn)能力為75萬t/a。礦井改擴(kuò)建后仍采用立井開拓，共5個(gè)立井，即主副井擔(dān)負(fù)礦井進(jìn)風(fēng)和運(yùn)輸，東風(fēng)井和南風(fēng)井擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)，距現(xiàn)有主井約850 m新建一個(gè)混合立井至井田深部-1 015 m水平，擔(dān)負(fù)擴(kuò)建區(qū)域的進(jìn)風(fēng)和運(yùn)輸。礦井總排風(fēng)量為17 000 m3/min，通風(fēng)方式為混合式，通風(fēng)方法為抽出式。

礦井采用立井多水平開拓方式，開采深度為-150 m～-1 300 m。全礦共劃分為4個(gè)開采水平，第一水平標(biāo)高為 -375 m，第二水平標(biāo)高為-620 m，第三水平標(biāo)高為-785 m，第四水平標(biāo)高為-1 015 m。-1 015 m水平為新擴(kuò)建水平，目前正進(jìn)行開拓。

礦井恒溫帶深度為26～30 m，溫度為16℃。-620 m以上區(qū)域的地溫梯度為2.36℃/100 m，-620 m以下區(qū)域的地溫梯度為2.42℃/100 m。-450 m～ -620 m水平地溫為26～30℃，-620 m～-900 m水平地溫為30～37℃，為一級(jí)熱害區(qū)。-900 m～-1 000 m地溫為38～39℃，為二級(jí)熱害區(qū)。-785 m原巖溫度為35.2℃，氣溫約為30℃。-1 015 m原巖溫度為40.4℃，氣溫約為34℃。

2 降溫課題的提出

根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定及孔莊礦的實(shí)際情況，孔莊礦目前及將來的開采區(qū)域會(huì)遇到礦井高溫?zé)岷?，從安全生產(chǎn)和保護(hù)礦工合法權(quán)益出發(fā)，必須采取降溫措施。該項(xiàng)目列為中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱中煤集團(tuán))2011年重大科技項(xiàng)目。

2.1 煤礦建設(shè)項(xiàng)目“三同時(shí)”的要求

根據(jù)孔莊煤礦三期改擴(kuò)建進(jìn)度安排和礦井接續(xù)計(jì)劃，三期工程的Ⅳ1采區(qū)首采工作面于2012年7月份投產(chǎn)。Ⅳ1和Ⅳ2采區(qū)放在-1 015 m水平回采，目前正緊張地施工-1 015 m水平大巷和Ⅳ1采區(qū)準(zhǔn)備巷道。礦井深部降溫系統(tǒng)為改擴(kuò)建工程安全設(shè)施，必須和煤礦建設(shè)項(xiàng)目主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工和同時(shí)投入使用。

2.2 國(guó)家法律法規(guī)的要求[1，2]

《煤礦安全規(guī)程》第102條規(guī)定:“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，采掘工作面的空氣溫度超過30℃時(shí)，必須停止作業(yè)”。因此，礦井降溫是為了嚴(yán)格按照國(guó)家法規(guī)進(jìn)行生產(chǎn)。

2.3 消除熱害對(duì)職工和安全生產(chǎn)的影響

綜合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，礦井高溫?zé)岷煞譃閷?duì)人的影響、對(duì)機(jī)電設(shè)備的影響和綜合影響。

2.3.1 對(duì)人的影響

當(dāng)氣溫為30℃時(shí)，在這種溫度下工作2～3 h，人體通過微微滲汗散發(fā)積蓄的體熱。31℃時(shí)，人體心跳加快，血液循環(huán)加速，應(yīng)限制體弱者工作。32℃時(shí)，人體通過蒸發(fā)汗水散發(fā)熱量進(jìn)行“自我冷卻”，每天大約排出5 L汗液，可帶走Na 15 g、維生素C 50 mg及其他礦物質(zhì)，血容量也隨之減少從而容易造成電解質(zhì)紊亂。33℃時(shí)，多臟器參與降溫，人體通過汗腺排汗已非常困難，且難以保證正常體溫，不僅肺部急促“喘氣”以呼出熱量，就連心臟也要加快速度。34℃時(shí)，汗腺瀕臨衰竭，這時(shí)很容易出現(xiàn)心臟病猝發(fā)的危險(xiǎn)。35℃時(shí)，高溫直逼生命中樞，導(dǎo)致頭昏眼花、站立不穩(wěn)。36℃時(shí)，已危及生命并可造成休克。

2.3.2 對(duì)機(jī)電設(shè)備的影響

礦井里任何機(jī)電設(shè)備、電纜均是通過與環(huán)境的對(duì)流來散發(fā)本身所產(chǎn)生的熱量，其工作環(huán)境溫度、濕度超過規(guī)定的限值或長(zhǎng)期處在限值附近，必將導(dǎo)致設(shè)備散熱困難，以致發(fā)生設(shè)備故障。一般情況下，按常規(guī)方法難以查明發(fā)生事故的原因。

機(jī)電設(shè)備的環(huán)境溫度要求:我國(guó)礦用一般型機(jī)電設(shè)備的工作環(huán)境溫度需≤40℃;礦用隔爆型機(jī)電設(shè)備的工作環(huán)境溫度需≤45℃。但這并不等于說，只有到了上述限值才會(huì)發(fā)生設(shè)備故障，如果機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)期處在上述限值附近，則機(jī)電設(shè)備故障率將明顯上升。

日本通產(chǎn)省的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)電設(shè)備在相對(duì)濕度90%以上且氣溫為30～34℃的地點(diǎn)工作時(shí)，其事故率比低于30℃的作業(yè)地點(diǎn)高3.6倍。

2.3.3 礦井高溫的綜合影響

以目前的氣候標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外研究統(tǒng)計(jì)表明，氣溫每升高1℃，礦井生產(chǎn)效率則降低6% ～8%，礦工勞保醫(yī)療費(fèi)增加8% ～10%。根據(jù)南非的最新統(tǒng)計(jì)，在濕球溫度32.8～33.8℃下工作的工人，千人中暑死亡率為0.57。以30℃為標(biāo)準(zhǔn)，氣溫每升高1℃，井下機(jī)電設(shè)備的故障率增加1倍以上。實(shí)際上姚橋、孔莊兩礦內(nèi)，高溫作業(yè)地點(diǎn)的工作效率相對(duì)低下的情況也是客觀存在的。

綜上所述，孔莊煤礦Ⅳ1采區(qū)生產(chǎn)和-1 015 m大巷開拓掘進(jìn)均受熱害影響，并且熱害比較嚴(yán)重。如果不采取降溫措施，勢(shì)必制約礦井三期工程投產(chǎn)，違反國(guó)家有關(guān)法規(guī)、危害職工身心健康、增加設(shè)備故障率、影響高溫地點(diǎn)作業(yè)效率，從而影響公司發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)。因此，建立孔莊煤礦集中降溫系統(tǒng)勢(shì)在必行。

3 孔莊煤礦集中降溫系統(tǒng)方案的選擇

3.1 降溫系統(tǒng)方案選擇的提出

孔莊礦改擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)于2007年8月由北京華宇設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)完成，設(shè)計(jì)中含一套礦井地面集中降溫系統(tǒng)，降溫工藝為地面電制片冰，然后將冰輸入井下融冰池，制成冷水，將冷水輸往工作地點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)水熱交換，以達(dá)到降低作業(yè)地點(diǎn)氣溫的目的。井筒輸冰管設(shè)計(jì)外徑為325 mm，井筒裝備的采購和安裝按照輸冰管設(shè)計(jì)外徑尺寸預(yù)留位置。降溫范圍為1個(gè)采煤工作面和6個(gè)掘進(jìn)工作面，日需冰量720 t。設(shè)計(jì)中提出了熱害治理方案，但方案沒有細(xì)化，只是列出了大概的投資及制冰規(guī)模。

結(jié)合項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)井筒預(yù)留輸冰管路的管徑無法滿足輸送片冰的要求。電制片冰廠家提出最小輸冰管徑為460 mm，再加上輸冰管外保溫層，輸送片冰管路外徑達(dá)560 mm，混合井筒內(nèi)無法安裝。這就限制了采用片冰降溫的可能性。

為確保礦井集中降溫方案按期實(shí)施，需對(duì)國(guó)內(nèi)外集中降溫方案進(jìn)行考察，選擇適合孔莊煤礦實(shí)際特點(diǎn)的降溫系統(tǒng)。

3.2 國(guó)內(nèi)外集中降溫系統(tǒng)方案工藝特點(diǎn)

從2009年起，上海大屯能源股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱大屯公司)先后多次組織人員對(duì)煤礦集中降溫系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地考察。先后考察了新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村礦、唐口礦和中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱中平能化集團(tuán))六礦電制片冰降溫和四礦、十一礦熱電乙二醇低溫制冷技術(shù);徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱徐礦集團(tuán))夾河礦、三河尖礦井下集中降溫。2011年3月份組織相關(guān)部門及武漢星田熱環(huán)境控制技術(shù)有限公司、北京華宇設(shè)計(jì)公司有關(guān)人員對(duì)南非最深金礦真空制冰降溫系統(tǒng)進(jìn)行了考察。

3.2.1 電制片冰降溫系統(tǒng)

平煤六礦隸屬中平能化集團(tuán)，原煤產(chǎn)量為360萬t/a，最深水平為650 m，降溫前工作面溫度為34～36℃。制冰機(jī)裝機(jī)容量為2 449 kW(電功率)，總制冷量為3 500 kW，降溫地點(diǎn)冷量為2 100 kW，制冷量損失約為1 400 kW。設(shè)計(jì)日產(chǎn)片冰720 t，實(shí)際產(chǎn)冰600 t，系統(tǒng)于2006年2月12日開始安裝，7月12日安裝調(diào)試后投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)供1個(gè)采煤工作面和2個(gè)掘進(jìn)工作面使用。2009年至今，降溫系統(tǒng)已停止使用。該冰冷降溫系統(tǒng)總投資5 200多萬元，其中設(shè)備投資2 900萬元。制冷站占地面積500 m2，主要由地面制冷機(jī)房、主井井筒及主回風(fēng)巷降溫管路、主井底供水泵房、各采掘迎頭分支管路及空冷器4個(gè)部分組成，其中地面制冷機(jī)房是降溫系統(tǒng)的核心部分，主要作用是制出礦井降溫所需的片冰。

其主要設(shè)備組成及流程如下:首先由Grasso公司生產(chǎn)的4臺(tái)制冷機(jī)提供冷源，再由12臺(tái)X60T型片冰機(jī)制出片冰，通過2臺(tái)螺旋輸冰機(jī)把冰收集到各自的落冰口，然后分別經(jīng)螺旋輸冰裝置將片冰送至主井井口漏斗。片冰進(jìn)入主井輸冰管路，靠自重進(jìn)入井底融冰硐室融冰池。由1臺(tái)220 kW供冷水水泵將融冰池內(nèi)低溫冷水通過輸冷管路送至各用冷地點(diǎn)，并利用安裝在進(jìn)風(fēng)巷和采掘工作面的空冷器、裸管、噴淋等進(jìn)行冷量交換，來降低風(fēng)流溫度，交換后剩余大部分水再通過管路流回融冰池，用于融冰。

其他主要配套設(shè)備由12臺(tái)蒸發(fā)器和4座冷卻塔組成，主要配電裝置采用10 kV KYGG型高壓開關(guān)柜。降溫系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為848萬元，維護(hù)人員18人，工作量集中在制冰站。制冷劑選用R22，年消耗 5.5 t左右。

目前系統(tǒng)運(yùn)行采用非集中控制，不能監(jiān)測(cè)井下采掘工作面溫度，也不能根據(jù)井下熱負(fù)荷變化來自動(dòng)控制制冷機(jī)的制冷量。降溫系統(tǒng)能將工作面上口溫度降低3～4℃，下口溫度降低6～8℃，但存在輸冰立管二次結(jié)冰產(chǎn)生的冰堵問題，對(duì)輸冰管管徑要求較高，管徑小則無法使用。

運(yùn)行成本上能耗高，一天的運(yùn)行電費(fèi)為2.6萬元左右，一年的綜合運(yùn)行成本達(dá)848萬元。電制片冰降溫系統(tǒng)流程如圖1所示。

3.2.2 熱-電-乙二醇低溫制冷系統(tǒng)[3]

平煤四礦隸屬中平能化集團(tuán)，原煤產(chǎn)量為300萬t/a，最深水平為-850 m，降溫前工作面進(jìn)風(fēng)溫度為28.8℃。制冷機(jī)裝機(jī)總?cè)萘繛? 350 kW(電功率)，總制冷量為7 092 kW，降溫地點(diǎn)冷量為4 600 kW，制冷量損失約為 1 300 kW。系統(tǒng)于2007年2月26日開始安裝，7月8日安裝調(diào)試后投入運(yùn)行，供1個(gè)采煤工作面和4個(gè)掘進(jìn)工作面使用。目前采煤工作面空冷器運(yùn)行2組(共3組)，降溫后進(jìn)風(fēng)溫度為19.2℃，掘進(jìn)工作面溫度為24～26℃。降溫系統(tǒng)總投資為3 980多萬元，其中設(shè)備投資1 600萬元，占地面積900 m2，主要由1臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組、2臺(tái)乙二醇螺桿冷水機(jī)組及7臺(tái)礦用高低壓換冷器、42臺(tái)礦用高壓組合式空冷器、10臺(tái)水泵等部分組成。其中地面制冷機(jī)房是降溫系統(tǒng)的核心部分，主要作用是制出礦井降溫所需的低溫乙二醇溶液。

圖1 電制片冰降溫系統(tǒng)流程圖Fig.1 System diagram of mine cooling by slice-ice

其主要設(shè)備組成及流程如下(見圖2):由遠(yuǎn)大集團(tuán)生產(chǎn)的1臺(tái)BYS300型制冷機(jī)提供冷源，再由Grasso公司生產(chǎn)的2臺(tái)1000型螺桿制冷機(jī)組制出-3.4℃低溫乙二醇溶液(目前為8℃的冷水)。通過1臺(tái)水泵把低溫乙二醇溶液送入主井輸冷管路，通過低溫乙二醇溶液循環(huán)與井下冷凍水熱交換。由1臺(tái)200 kW供冷水水泵將低溫冷水通過輸冷管路送至各采掘工作面，并利用安裝在進(jìn)風(fēng)巷和采掘工作面的空冷器進(jìn)行熱交換，來降低風(fēng)流溫度。交換后剩余大部分水再通過管路返回，繼續(xù)與低溫乙二醇溶液熱交換。

其他主要配套設(shè)備由3臺(tái)蒸發(fā)器和3座冷卻塔組成。降溫系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用455萬元，維護(hù)人員18人，工作量集中在地面制冷站和井下?lián)Q冷硐室。制冷劑選用溴化鋰，年消耗為零。

目前系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了集中控制，并可監(jiān)測(cè)井下采掘工作面溫度，還可根據(jù)井下熱負(fù)荷變化來自動(dòng)控制制冷機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。降溫系統(tǒng)能將工作面上口溫度降低6℃左右，下口溫度降低8℃左右，不會(huì)產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象，能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但井筒中需布置兩趟輸冷管路。

圖2 熱－電－乙二醇低溫制冷流程圖Fig.2 Flow diagram of heat-power-glycol low temperature refrigeration

運(yùn)行成本上，該系統(tǒng)充分利用本礦瓦斯電站及矸石電廠余熱，能耗較低，一天的運(yùn)行電費(fèi)為1.47萬元，一年的綜合運(yùn)行成本為455萬元。

3.2.3 井下集中降溫系統(tǒng)

該系統(tǒng)在徐礦集團(tuán)三河尖煤礦得到成功應(yīng)用。三河尖煤礦核定生產(chǎn)能力為220萬t/a，最深水平為-980 m，降溫前工作面氣溫為36℃左右。系統(tǒng)于2008年7月投入運(yùn)行，供2個(gè)采煤工作面和4個(gè)掘進(jìn)工作面使用。工作面降溫后進(jìn)風(fēng)溫度為26～29℃。礦井 -700 m水平礦井涌水量為100～120 m3/h，水溫為25～30℃。奧陶系灰?guī)r水在21102工作面突水動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為1 020 m3/h，水溫為50℃左右。

其主要組成及流程如下:針對(duì)三河尖礦冷源短缺、地?zé)豳Y源豐富的特點(diǎn)，采用HEMS降溫技術(shù)，結(jié)合三河尖礦地面供熱情況，利用三河尖煤礦底層溫度存在熱異常特性，首先利用井下熱水進(jìn)行地面熱能利用，冬季取熱代替鍋爐供熱，將取熱后的冷水進(jìn)行地下儲(chǔ)存，夏季補(bǔ)充井下冷量不足，進(jìn)行井下降溫取冷換熱。地?zé)岙惓＝禍毓ぷ髟砣鐖D3所示[4，5]。

在井下-700 m水平設(shè)置HEMS-I制冷工作，， HEMS-II作站。在井下-980 m水平設(shè)置HEMS-II降溫工作站，對(duì)井下高溫采掘工作面進(jìn)行降溫。在地面設(shè)置HEMS-III熱(冷)能利用工作站，提取循環(huán)水體中的熱能，取代地面鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行供熱。在-700 m水平設(shè)置HEMS-PT壓力轉(zhuǎn)換工作站，降低HEMS-I承受的壓力。將第四系含水層作為儲(chǔ)能層調(diào)節(jié)冷熱能。整個(gè)項(xiàng)目分兩期實(shí)施，一期實(shí)現(xiàn)井下降溫，二期實(shí)現(xiàn)井上供熱。

圖3 井下低溫水熱的井下集中降溫系統(tǒng)Fig.3 Systematic diagram of HEMS

降溫系統(tǒng)能將工作面溫度降低6～10℃，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)礦井冷源量要求較高，井下需要有良好的排熱條件，且水質(zhì)硬度較高會(huì)對(duì)系統(tǒng)熱交換效果產(chǎn)生一定影響。該系統(tǒng)如果在孔莊煤礦使用，其降溫系統(tǒng)總投資約為2 100萬元，年運(yùn)行費(fèi)用為214萬元。

3.2.4 真空制冰降溫系統(tǒng)

英美礦業(yè)母朋能金礦(南非)年產(chǎn)黃金500萬盎司(1盎司≈28.35 g)，最深水平為4 000 m，主井深為3 770 m，降溫前作業(yè)地點(diǎn)氣溫為55℃，水溫為55～60℃，巖溫為60℃，降溫后作業(yè)地點(diǎn)氣溫為28℃。

真空制冰降溫系統(tǒng)主要由9套VIM850真空制冰機(jī)、5臺(tái)螺桿式冷水機(jī)、9座冷卻水塔、1條水平輸冰皮帶和2趟垂直輸冰管(直徑分別為300 mm和500 mm)組成，其中真空制冰機(jī)是降溫系統(tǒng)的核心部分，主要作用是制出礦井降溫所需的顆粒冰。地面制冷系統(tǒng)無建筑物，設(shè)置防雨篷。制冰機(jī)裝機(jī)容量為3 410 kW(電功率)，系統(tǒng)總裝機(jī)制冰量為9 180 t/d，總制冷量為27 MW，設(shè)計(jì)日產(chǎn)顆粒冰為9 180 t。整個(gè)降溫系統(tǒng)分三期建設(shè)，第一套制冰系統(tǒng)于1990年開始安裝，1991年安裝調(diào)試后投入運(yùn)行，安裝周期為3個(gè)月。設(shè)計(jì)供冷2個(gè)水平20多個(gè)作業(yè)地點(diǎn)。真空制冰降溫系統(tǒng)投入運(yùn)行后，降溫幅度達(dá)27～30℃。真空制冰工作原理如圖4所示。

圖4 真空制冰機(jī)工作原理Fig.4 Working diagram of vacuum ice maker(VIM)

真空制冰降溫系統(tǒng)主要設(shè)備有壓縮機(jī)、攪拌器、刮冰機(jī)、冰漿泵、冷卻水泵、增壓泵、真空泵和乙二醇泵。當(dāng)冷水機(jī)組預(yù)冷的5℃的水泵入制冰機(jī)內(nèi)處于真空的蒸發(fā)器內(nèi)時(shí)，水在真空狀態(tài)下，部分水將蒸發(fā)。蒸發(fā)所需要的潛熱來自沒有蒸發(fā)的水，從而導(dǎo)致沒有蒸發(fā)的水因放熱而冷凍成冰。每蒸發(fā)1 kg的水大約可以產(chǎn)生7.5 kg的冰。

料漿泵的額定流量為200 m3/h，用來抽出蒸發(fā)器內(nèi)體積濃度為16% ～20%的冰漿，并輸送至冰水分離器的集冰器，在集冰器內(nèi)冰的質(zhì)量含量達(dá)到75%。從冰漿中排出的水通過緩沖罐返回到蒸發(fā)器。集冰器的原理類似于一個(gè)液壓活塞，冰塊浮在水的上部經(jīng)濃縮過濾，實(shí)現(xiàn)冰水分離，同時(shí)水返回至蒸發(fā)器。

集冰器上部的冰通過刮刀刮下，通過皮帶或氣動(dòng)輸送至井筒內(nèi)的垂直高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)管輸冰管內(nèi)，通過管道輸送至井下。蒸發(fā)器內(nèi)的水蒸氣由2臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行的特殊壓縮機(jī)抽出，送至直接接觸式冷凝器，水蒸氣在冷凝器內(nèi)與來自冷卻塔的補(bǔ)給水相向流動(dòng)而凝結(jié)成水，凝結(jié)水再返回蒸發(fā)器蒸發(fā)。抽出系統(tǒng)經(jīng)冷凝后的不溶氣體通過除霧分離器真空泵抽出。

降溫系統(tǒng)維護(hù)人員有機(jī)械維護(hù)工5人，電氣維護(hù)工2人，工作量集中在泵、電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，制冷劑選用R134A。降溫系統(tǒng)每周進(jìn)行一次機(jī)械潤(rùn)滑檢查及添加潤(rùn)滑劑，每月一次8 h停機(jī)維護(hù)，每5年一次大的檢修維護(hù)。

真空制冰降溫系統(tǒng)工作流程:螺桿式冷水機(jī)制出低溫冷水，輸送到真空制冰機(jī)制冰(見上述制冰機(jī)工作原理)，真空制冰機(jī)制出的冰漿通過管道泵送到冰水分離器。冰水分離后通過水平輸冰皮帶、漏斗輸送到垂直輸冰管，垂直輸冰管下口通過水泵水力輸送到融冰池，經(jīng)融冰后，冷凍水通過保溫管道輸送到降溫地點(diǎn)安裝的空冷器進(jìn)行風(fēng)水熱交換，實(shí)現(xiàn)降溫目的。地面除用皮帶輸冰外，也有1臺(tái)冰水分離器直接布置在井筒附近，利用冰的自身重力傾斜向下至垂直輸冰管。螺桿式冷水機(jī)產(chǎn)生的熱量由冷卻水帶走，冷卻水吸收的熱量經(jīng)冷卻塔冷卻散熱。

真空制冰降溫系統(tǒng)制冷對(duì)水質(zhì)要求不高，不需要特殊處理。在使用和維護(hù)方面，按照正常的維護(hù)程序執(zhí)行，真空制冰系統(tǒng)很少出現(xiàn)問題，僅在冬季氣溫-7～-8℃時(shí)偶有堵管現(xiàn)象發(fā)生。該礦自制冰系統(tǒng)運(yùn)行20年以來僅發(fā)生過2次堵管，每次處理用時(shí)約一周。按照孔莊煤礦設(shè)計(jì)制冰量，降溫系統(tǒng)總投資為6 800萬～7 000萬元，年運(yùn)行成本為427萬元。

3.3 國(guó)內(nèi)外集中降溫系統(tǒng)方案比較與選擇

1)從降溫效果來看，片冰降溫系統(tǒng)、熱電乙二醇降溫系統(tǒng)、HEMS井下集中降溫系統(tǒng)和真空制冰降溫系統(tǒng)均能夠滿足孔莊煤礦井下降溫需要，真空制冰降溫系統(tǒng)效果較優(yōu)。

2)從項(xiàng)目投資總費(fèi)用來看，片冰降溫系統(tǒng)和熱電乙二醇降溫系統(tǒng)總投資相差不大，真空制冰降溫系統(tǒng)投資最高，HEMS井下集中降溫系統(tǒng)投資最省。

3)從降溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性來看，熱電乙二醇降溫系統(tǒng)、HEMS井下集中降溫系統(tǒng)和真空制冰降溫系統(tǒng)降溫性能連續(xù)穩(wěn)定，輸冷管路不會(huì)出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象，而片冰降溫的管路一旦出現(xiàn)冰堵將導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間不能運(yùn)行。

4)從井筒輸冰管路安裝來看，片冰降溫的管路管徑較大(460 mm)，熱電乙二醇降溫系統(tǒng)需布置2趟輸冷管路，均不適合孔莊礦混合井布置。

5)HEMS井下集中降溫系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求較高，且冷源水量要求也大(187 m3/h左右)。而孔莊礦水質(zhì)較硬，且礦井-785 m水平涌水量為40 m3/h，-1 015 m水平涌水量為40 m3/h，不滿足井下制冷排熱條件。

綜上所述，在國(guó)內(nèi)外所有降溫方案中，電制片冰降溫要求輸冰管路直徑為460 mm以上，熱電乙二醇低溫制冷降溫要求井筒敷設(shè)兩趟DN250保溫管，井下集中降溫孔莊礦又不具備排熱條件，符合孔莊礦條件的只有真空制冰降溫方案。因此，初步?jīng)Q定把該方案作為孔莊礦深部開采的主體降溫方案，進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

4 孔莊煤礦真空制冰降溫方案的優(yōu)化

4.1 礦井冷負(fù)荷及冷量分布

根據(jù)孔莊煤礦井下實(shí)際情況，降溫標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，按26℃考慮，實(shí)際降溫幅度平均為8℃，即可以確保降到26℃以下。降溫范圍按1個(gè)采煤工作面和6個(gè)掘進(jìn)工作面考慮，結(jié)合孔莊煤礦條件，根據(jù)TEMPS計(jì)算軟件，相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 孔莊煤礦井下風(fēng)流熱力參數(shù)Table 1 Thermodynamic parameters of underground airflow in Kongzhuang Coal Mine

根據(jù)孔莊煤礦采掘接替安排，需對(duì)1個(gè)綜采工作面和6個(gè)掘進(jìn)工作面降溫，因此孔莊煤礦的采掘工作面降溫冷負(fù)荷為:qw=1120+280×6=2 800 kW。

按服務(wù)1個(gè)綜采工作面和6個(gè)掘進(jìn)工作面以及總冷負(fù)荷為2 800 kW進(jìn)行礦井降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)工作面風(fēng)水熱交換需要的水量和溫度，可以確定需冰量為37 t/h。選用以色列產(chǎn)VIM850型真空制冰機(jī)(日產(chǎn)顆粒冰1 020 t)，可以滿足-1 015 m水平降溫需要。采掘工作面降溫需要的冷水總量:Q=106+27×6=268 m3/h，供冷溫度按3℃考慮。

4.2 真空制冰降溫方案比較

世界上最早采用冰降溫的國(guó)家是南非的英美礦業(yè)公司母朋能金礦，采用以色列產(chǎn)真空制冰機(jī)制取顆粒狀冰，形成了完整的制冰、水平輸冰和垂直輸冰、井下融冰工藝。根據(jù)考察，由于該礦井深大，井下工作面溫度高，降溫系統(tǒng)基本一年365天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。該礦開發(fā)真空制冰降溫系統(tǒng)的主要原因是:

1)井深大，熱害嚴(yán)重，傳統(tǒng)的井下集中制冷規(guī)模受限;

2)采用地面集中制冷水降溫時(shí)，井下熱壓轉(zhuǎn)換設(shè)備技術(shù)要求高、投資大，能耗大;

3)采用電制片冰降溫時(shí)，冰堵嚴(yán)重、運(yùn)行成本高、降溫效果差、維護(hù)費(fèi)用高。

根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和孔莊煤礦井筒預(yù)留位置以及礦井實(shí)際情況，在是用電還是用余熱作為制冰動(dòng)力上，共提出了3個(gè)方案，即余熱真空制冰、自備鍋爐蒸汽真空制冰和電真空制冰，各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如下。

4.2.1 真空制冰方案

1)方案一:電廠余熱真空制冰。根據(jù)大屯礦區(qū)的建設(shè)安排，計(jì)劃在沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建設(shè)2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)電廠。電廠距孔莊礦5.7 km，距6 000戶住宅小區(qū)2.5 km，距大屯公司新建行政辦公樓2 km，冬季供熱基本上滿足這3個(gè)單位(小區(qū))的使用。如何提高夏季的余熱利用量，是決定電廠熱效率能否提高到熱電聯(lián)產(chǎn)要求的關(guān)鍵因素之一。同時(shí)，實(shí)施集中供熱可取消周邊用戶自建的鍋爐房，減少環(huán)境污染，提高供熱效率，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。結(jié)合孔莊礦特點(diǎn)，探討余熱制冷降溫的可行性具有重要意義。大屯公司已把夏季余熱降溫作為熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)合理性的主要因素之一。電廠可提供蒸汽直供孔莊礦。在孔莊礦工業(yè)廣場(chǎng)建熱交換站，在換熱站預(yù)留制冰站蒸汽接口，為孔莊礦余熱制冰(利用蒸汽量為6.23 t/h)及辦公場(chǎng)所中央空調(diào)(利用蒸汽量為6 t/h)服務(wù)。在2×350 MW發(fā)電站建成前，在孔莊礦現(xiàn)有鍋爐房預(yù)留位置安裝1套10 t/h蒸汽爐，一旦電廠建成，可改成電廠供汽。再利用溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制取低溫冷水，通過真空制冰機(jī)實(shí)現(xiàn)制冰。

2)方案二:自備鍋爐蒸汽真空制冰。目前孔莊礦鍋爐房安裝有2臺(tái)10 t/h熱水爐和2臺(tái)10 t/h蒸汽爐，并留有1臺(tái)位置，設(shè)計(jì)新增SZL10-1.25-P蒸汽爐1套，專用于降溫系統(tǒng)熱源供應(yīng)。除制冷水方式用自備鍋爐和溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組外，其他方案內(nèi)容和電廠余熱真空制冰相同。

3)方案三:電真空制冰。采用電力驅(qū)動(dòng)螺桿冷水機(jī)組制取低溫冷水，通過真空制冰機(jī)制冰。除制冷水方式不同外，其他方案內(nèi)容和電廠余熱真空制冰相同。方案布置主要組成有地面散熱塔、3臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組、1臺(tái)真空制冰機(jī)、1臺(tái)冰水分離器、地面水平輸冰管、混合井垂直輸冰管、井底融冰池、井下輸冷管和工作面空冷器，方案布置如圖5所示。

圖5 真空制冰方案布置圖Fig.5 Diagram of equipment distribution of VIM

4.2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

真空制冰降溫技術(shù)是南非深井開采普遍采用的降溫技術(shù)，因此從技術(shù)可行性、可靠性、降溫效果而言，提出的3個(gè)方案在技術(shù)上沒有大的差別，只是提供冷水的方式有差別，也就是說，技術(shù)上均可行，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表2。

表2 三套方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較Table 2 Comparison of main technological and economic indexes

續(xù)表

續(xù)表

根據(jù)表2，從投資和運(yùn)行費(fèi)用比較，方案三，即電真空制冰最低，因此設(shè)計(jì)推薦采用電真空制冰降溫方案作為孔莊礦的主體降溫方案。但制冷站預(yù)留余熱制冷機(jī)組的位置，同時(shí)預(yù)留孔莊礦新建辦公樓的中央空調(diào)主機(jī)位置，如果將來在孔莊礦附近的電廠建成投產(chǎn)，則直接利用電廠余熱實(shí)施余熱真空制冰，可最大限度地發(fā)揮企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。電真空制冰降溫的要點(diǎn)是:螺桿式冷水機(jī)組制取低溫冷水，再通過真空制冰機(jī)實(shí)現(xiàn)制冰。

5 結(jié)語

文章從孔莊煤礦井筒布置和礦井現(xiàn)存冷源出發(fā)，先后研究了片冰降溫系統(tǒng)、熱電乙二醇降溫系統(tǒng)、HEMS井下集中降溫系統(tǒng)、真空制冰降溫系統(tǒng)等方案布置方式。從集中降溫方案效果、投資、降溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、井筒輸冷管路安裝、礦井制冷水質(zhì)、井下制冷排熱等方面，找到了一條適合孔莊煤礦特點(diǎn)的集中降溫途徑，為礦井三期工程按期投產(chǎn)驗(yàn)收創(chuàng)造了條件，項(xiàng)目研究具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

通過對(duì)余熱真空制冰、自備鍋爐蒸汽真空制冰和電真空制冰3個(gè)方案的比較優(yōu)選，找到了適合孔莊煤礦的真空制冰降溫最佳方案，為下一步礦井降溫設(shè)計(jì)和設(shè)備招標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

真空制冰降溫為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，在制冰技術(shù)、輸冰管道、輸冰工藝、壓風(fēng)冷卻、井下融冰工藝、制冰節(jié)能技術(shù)上均具有突破性，在項(xiàng)目建成后，不僅填補(bǔ)了我國(guó)在礦井集中降溫上的一項(xiàng)技術(shù)空白，而且推動(dòng)了我國(guó)煤礦降溫制冷工藝的創(chuàng)新和發(fā)展。項(xiàng)目實(shí)施完成后，將作進(jìn)一步總結(jié)，為豐富深井開采做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50215-2005煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

[2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50418-2007煤礦井下熱害防治設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

[3]衛(wèi)修君，胡春勝.礦井降溫理論與工程設(shè)計(jì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.

[4]袁 亮.淮南礦區(qū)礦井降溫研究與實(shí)踐[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(3):298-301.

[5]何滿潮，郭平業(yè)，陳學(xué)謙，等.三河尖礦深井高溫體特征及其熱害控制方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(增1):2593-2597.