礦井高溫?zé)岷C合治理技術(shù)的探索和實(shí)踐

郭念波

(兗煤荷澤能化公司趙樓煤礦,山東省菏澤市,274705)

礦井高溫?zé)岷C合治理技術(shù)的探索和實(shí)踐

郭念波

(兗煤荷澤能化公司趙樓煤礦,山東省菏澤市,274705)

針對兗煤荷澤能化公司趙樓煤礦高溫?zé)岷栴},提出了高溫?zé)岷ΦV井綜合治理方法途徑,并對其綜合治理效能進(jìn)行了綜合評價和分析,指出了其中的問題和不足,明確了今后高熱害治理的方向。

礦井高溫?zé)岷?熱害治理 趙樓煤礦

1 趙樓煤礦高溫?zé)岷厩闆r

兗煤菏澤能化公司趙樓煤礦位于巨野煤田的中部。井田含煤地層為山西組和太原組,主采3＃煤層。煤層埋深700～1200 m,煤層平均厚度6.19 m,煤層傾角2°～18°,屬賦存比較穩(wěn)定煤層。井口設(shè)計(jì)標(biāo)高45 m,井底車場水平標(biāo)高－860 m。趙樓煤礦煤層屬于地溫梯度正常的高溫煤層,地層年恒溫帶為50～55 m,溫度為18.2℃,平均地溫梯度2.20℃/100 m,非煤系地層平均地溫梯度1.85℃/100 m,煤系地層平均地溫梯度2.76℃/100 m。初期采區(qū)大部分塊段原始巖溫為37～45℃,處于二級熱害區(qū)域。經(jīng)相關(guān)測定趙樓煤礦一采區(qū)1304工作面區(qū)域煤體原始溫度約為43.5 ±0.1℃;一采區(qū)1302工作面煤體原始溫度約為40.5±0.1℃。趙樓煤礦采、掘進(jìn)工作面空氣溫度一般在32～35℃。趙樓煤礦所在地區(qū)氣候溫和,四季分明,屬溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)海洋－大陸性氣候。年平均氣溫14.8℃,月平均最低氣溫－5.2℃(1998年1月),月平均最高氣溫32.4℃(1998年7月),日最高氣溫42.4℃(1966年7月19日),日最低氣溫－18.7℃(1957年1月2日)。因此,為確保礦井安全生產(chǎn)和職工的健康,必須采取機(jī)械制冷降溫的方法解決礦井的熱害問題。

2 趙樓煤礦降溫系統(tǒng)

趙樓煤礦開采深度較深,綜采放頂煤工作面末端和掘進(jìn)工作面的溫度較高。特別是在夏季,熱害程度較為嚴(yán)重。因此在井下安裝了集中制冷裝置,在地面井口安裝了制冷降溫裝置,共兩套降溫系統(tǒng),以便改善采、掘工作面的工作條件。礦井井下降溫系統(tǒng)采用了德國WAT公司的KM3000型井下集中式降溫系統(tǒng);地面降溫系統(tǒng)采用了4臺上海開利公司生產(chǎn)的制冷量4 50 0 k W離心式冷水機(jī)組。

2.1 井下制冷系統(tǒng)

2.1.1 井下降溫系統(tǒng)

井下制冷系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以便于將來的擴(kuò)充。冷水機(jī)組KM3000是生產(chǎn)冷凍水的中央設(shè)備。降溫系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、空冷器和電控系統(tǒng)等設(shè)備組成。選用3臺KM3000型制冷機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,具有9.9 MW的制冷能力,單臺制冷機(jī)可向外提供190 m3/h的3℃冷凍水。使用RWK450型空冷器16臺、RWK350型空冷器10臺,確定冷卻水的進(jìn)出水溫度為31℃/40.4℃。冷卻水循環(huán)和冷凍水循環(huán)回路中所損失的水量用軟化水自動補(bǔ)充。

2.1.2 工藝流程

冷卻塔出來的31℃的冷卻水經(jīng)冷卻水泵,通過安裝在回風(fēng)井的管路輸送到井下,接至制冷機(jī)組冷凝器的進(jìn)水側(cè),冷卻水吸收制冷劑的冷凝熱后溫度將上升至40.4℃左右,再由安裝在回風(fēng)井中的回水管返回地面冷卻塔進(jìn)行冷卻,形成冷卻水循環(huán)。

制冷機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)出來的3℃冷凍水經(jīng)輸冷管送至末端空冷器,利用熱交換器與采、掘工作面的熱空氣進(jìn)行熱交換。期間所吸收的熱量將使水溫上升至16℃左右,再由冷凍水泵使其返回制冷機(jī)組再冷,形成冷凍水循環(huán)。

2.2 地面壓縮式冷水機(jī)組集中降溫系統(tǒng)

2.2.1 地面降溫系統(tǒng)

地面降溫系統(tǒng)由制冷機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、電控系統(tǒng)及表冷式換熱器等設(shè)備組成,按照總進(jìn)風(fēng)量18000 m3/min計(jì)算,系統(tǒng)需要總冷量為17282 k W,設(shè)計(jì)選用4臺離心式冷水機(jī)組,單臺機(jī)組制冷量4500 k W,輸入功率780 k W,總制冷量18000 k W。冷凍水泵5臺(4用1備),水泵流量772 m3/ h,水泵電功率90 k W,水泵揚(yáng)程30 m;冷卻水泵5臺(4用1備),水泵流量922 m3/h,水泵電功率110 k W,水泵揚(yáng)程20 m;冷卻水塔流量為4000 m3/ h,2組冷卻水塔并聯(lián)使用,便于冷卻水流量的分配。總配電功率75 k W(7.5 k W×10)。

制冷機(jī)組制備低溫冷凍水,通過管道將低溫冷媒水輸送到設(shè)置的井口空氣冷卻系統(tǒng),將進(jìn)入礦井的空氣降溫除濕后再送入井下,最終達(dá)到降溫目的。此項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)在國內(nèi)首次用于礦井進(jìn)風(fēng)流的降溫。

2.2.2 制冷機(jī)組配置和工藝

由于地面氣候隨著季節(jié)發(fā)生變化,不同時段制冷負(fù)荷將隨著地面空氣負(fù)荷的變化而變化。根據(jù)負(fù)荷軟件計(jì)算,6月上旬和10月下旬冷負(fù)荷為4.5 MW左右,只需1臺制冷機(jī)組運(yùn)行即可滿足要求;6月下旬、10月上旬,冷負(fù)荷為9 MW左右, 2臺制冷機(jī)組運(yùn)行即可滿足要求;9月冷負(fù)荷為14 MW左右,3臺制冷機(jī)組運(yùn)行即可滿足要求;7月、8月冷負(fù)荷為18 MW左右,4臺制冷機(jī)組運(yùn)行即可滿足要求。

設(shè)備機(jī)房布置在一層,設(shè)置4臺離心式水源熱泵機(jī)組、5臺冷凍水泵、5臺冷卻水泵和1個冷卻水池(240 m3)。機(jī)房布置見圖1,冷卻塔布置見圖2。

圖1 機(jī)房布置圖

2.2.3 井口換熱站

換熱站設(shè)計(jì)成無動力換熱器。首先,由于礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在井口產(chǎn)生負(fù)壓,因此,換熱器通風(fēng)動力源可以利用礦井通風(fēng)機(jī)提供的通風(fēng)動力。其次,處理好井口的密閉問題,使進(jìn)入礦井的風(fēng)流先經(jīng)過換熱器處理后再進(jìn)入井下,才能確保通風(fēng)降溫的效果。由于副井口是人員、材料的主要通道,井口構(gòu)筑物的入口和井架處密閉不好,會造成大量漏風(fēng)進(jìn)入井筒,影響通風(fēng)降溫的效果。第三,換熱器的通風(fēng)阻力應(yīng)盡量足夠小,以減少對礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的影響。

圖2 冷卻塔布置圖

通過計(jì)算機(jī)模擬分析和現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證,結(jié)果表明,采用無動力換熱器是可行的。

(1)主井口換熱站設(shè)計(jì)。主井口設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量為300000 m3/h(5000 m3/min),對進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)(溫度34.1℃,相對濕度81%)全部進(jìn)行處理,處理后送風(fēng)空氣溫度達(dá)到20℃、相對濕度95%時,需要的制冷量為4935 k W。主井口空氣換熱器參數(shù)見表1。

表1 主井口空氣換熱器參數(shù)

(2)副井口換熱站設(shè)計(jì)方案。副井口設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量為780000 m3/h(13000 m3/min),對進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)(溫度34.1℃,相對濕度81%)全部進(jìn)行處理,送風(fēng)空氣(溫度20℃,相對濕度95%)需要的冷負(fù)荷為12832 k W。副井口空氣換熱器參數(shù)見表2。

表2 副井口空氣換熱器參數(shù)

2.2.4 井口封閉

由于井口構(gòu)筑物是主要運(yùn)輸通道,為確保通風(fēng)降溫效果,需加強(qiáng)井口構(gòu)筑物密閉和控制,避免風(fēng)流通過井架和東西兩側(cè)的風(fēng)門進(jìn)入。

副井口房密閉和控制方案如圖3所示,沿著鐵軌方向,利用彩鋼板將四周密封,副井東側(cè)密封長約50 m,西側(cè)密封長約20 m。東側(cè)原有門處、延伸處和西側(cè)原有門處分別設(shè)置2個背帶堆積式高速卷門,西側(cè)延伸處設(shè)置3個背帶堆積式高速卷門。

圖3 副井口房密閉和控制方案

每個背帶堆積式高速卷門都設(shè)置雷達(dá)感應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)車輛運(yùn)行接近高速卷門時,感應(yīng)探頭檢測到后,其對應(yīng)卷門快速開啟。待車輛全部通過后,卷門自動關(guān)閉,其后側(cè)對應(yīng)軌道的卷門開啟,在通過后道門后,后道門保持關(guān)閉。

在前道卷門開啟時,其對應(yīng)的后道卷門保持關(guān)閉。當(dāng)電動門失電時,所有電動門處于開啟狀態(tài)。

2.2.5 自控系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)原理。對中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)的冷凍水泵進(jìn)行變頻控制,實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和運(yùn)行節(jié)能的目的?？刂葡到y(tǒng)由現(xiàn)場控制器組成,通過采集和控制各類輸入輸出信號,集中管理冷凍站內(nèi)冷凍水泵的變頻運(yùn)行。主機(jī)、水泵進(jìn)行啟?？刂茽顟B(tài)監(jiān)測、連鎖控制和故障報警。同時,系統(tǒng)可對每個就地設(shè)備對象進(jìn)行分散控制,使每個設(shè)備可單獨(dú)運(yùn)行,防止因其他設(shè)備故障而影響該設(shè)備的運(yùn)行。并將相關(guān)運(yùn)行參數(shù)上傳至能源監(jiān)管平臺上,顯示并記錄變頻器、傳感器等各相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和主要運(yùn)行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)控制系統(tǒng)目標(biāo)。包括:主機(jī)、水泵啟?？刂?、狀態(tài)顯示及故障報警;空調(diào)側(cè)冷凍水水泵變頻運(yùn)行;冷凍水泵與其他冷凍站內(nèi)設(shè)備的連鎖、順序控制;精確控制冷凍水的供水溫度及流量,在冷水機(jī)組加減載荷及加減機(jī)組時,流量與之配套進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到最佳節(jié)能效果;實(shí)現(xiàn)整個制冷系統(tǒng)的節(jié)能、優(yōu)化。

PLC模塊安裝在系統(tǒng)控制柜內(nèi),控制柜配置電動閥電源回路和相應(yīng)的傳感器直流電源。系統(tǒng)控制柜和上位機(jī)均放置于控制室。

3 綜合制冷降溫效果

2009年6月25日,趙樓煤礦夏季井下制冷系統(tǒng)正式開始運(yùn)行;2014年5月28日地面降溫系統(tǒng)運(yùn)行。兩系統(tǒng)運(yùn)行后于2014年7月31日對主副井進(jìn)風(fēng)空氣參數(shù)及井下大巷、1307采煤工作面狀況進(jìn)行了分析。

3.1 測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)見表3、4、5。測試時間段的主井下井口的平均風(fēng)溫為27℃,濕度74%;副井下井口的平均風(fēng)溫為25.5℃,濕度84%。

表3 主井井筒房測試數(shù)據(jù)

表4 副井井筒房測試數(shù)據(jù)

序號設(shè)備編號表冷器進(jìn)水溫度/℃表冷器出水溫度/℃表冷器迎風(fēng)溫度/℃表冷器迎風(fēng)濕度/%表冷器出風(fēng)溫度/℃表冷器出風(fēng)濕度/%風(fēng)速/m·s－1風(fēng)阻/Pa 4 A14 7.5 10.1 30.5 59.4 16.8 86.1 1.5 25 5 A21 7.8 9.9 30.6 59.7 16.7 92.7 1.5 27 6 A22 7.6 10.6 30.4 58.9 16.9 95.4 1.6 29 7 A23 7.8 10.4 30.4 57.9 16.5 93.8 1.5 26 8 A24 7.5 10.2 30.6 59.9 16.7 92.7 1.6 19 9 B 7.4 10.1 29.7 60.2 17.8 91 1.4 21 10 C1 7.6 9.6 29.5 60.4 17.9 92.7 1.6 28 11 C2 7.3 9.8 30.5 59.8 16.9 88.7 1.5 26 12 D 7.5 10.7 29.8 60.8 18.2 86.9 1.7 36 13 F1 7.4 9.8 30.2 60.4 17.6 86.1 1.6 22 14 F2 7.6 10.3 30.4 60.5 18.4 87.4 1.9 38 15 H1 7.4 10.2 29.9 61.2 18.7 83.7 2.0 32 16 H2 7.6 9.7 30.7 60.2 16.7 86.7 1.5 29

表5 主副井口四周溫濕度

3.2 漏風(fēng)量分析

根據(jù)表3和表4中風(fēng)速計(jì)算表冷器風(fēng)量,見表6、表7。

表6 主井井筒房表冷器通風(fēng)數(shù)據(jù)

表7 副井井筒房表冷器通風(fēng)數(shù)據(jù)

序號設(shè)備編號風(fēng)速/m·s－1通風(fēng)面積/m2通風(fēng)面積(加裝出風(fēng)百葉)/m2風(fēng)量/m3·min－19 B 1.7 9.68 8.23 839.256 10 C1 1.6 6.76 5.75 551.616 11 C2 1.5 6.76 5.75 517.140 12 D 1.7 10.53 8.95 912.951 13 F1 1.6 7.04 5.98 574.464 14 F2 1.9 1.83 1.56 177.327 15 H1 2.0 3.03 2.58 309.060 16 H2 1.5 1.48 1.26 113.220合計(jì)11300.784

由表7可知,通過表冷器處理風(fēng)量,主井總風(fēng)量為3873 m3/min;副井總進(jìn)風(fēng)為11300 m3/min。根據(jù)井下巷道實(shí)測,主井總進(jìn)風(fēng)為4200 m3/min;副井總進(jìn)風(fēng)為12500 m3/min?？梢杂?jì)算出主井漏風(fēng)率為7.8%,副井漏風(fēng)率為9.6%。

3.3 1307采煤工作面

對1307采煤工作面制冷系統(tǒng)運(yùn)行前后的風(fēng)流熱力參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果見表8和表9。

表8 1307采煤工作面測點(diǎn)風(fēng)流熱力參數(shù)(制冷系統(tǒng)未運(yùn)行)

表9 1307采煤工作面測點(diǎn)風(fēng)流熱力參數(shù)(制冷系統(tǒng)運(yùn)行后)

3.4 測試結(jié)論

由以上測試數(shù)據(jù)分析可知,井下集中降溫制冷系統(tǒng)和地面降溫系統(tǒng)運(yùn)行后,實(shí)現(xiàn)了礦井進(jìn)風(fēng)和局部工作風(fēng)流的全處理。

4 結(jié)論

(1)對礦井入風(fēng)實(shí)施降溫,聯(lián)合井下集中降溫系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對全礦井從井口、進(jìn)風(fēng)大巷、主要硐室到各采掘工作面的全面降溫。

(2)井口空氣換熱站選用表冷式換熱器,分別安設(shè)于主副井上井口,井口周邊連通建筑物實(shí)施可靠封閉,充分利用礦井負(fù)壓作動力,實(shí)現(xiàn)入風(fēng)的熱濕交換處理,大大減少了傳統(tǒng)的動力消耗。

礦井采用全風(fēng)量降溫及井下集中降溫系統(tǒng)技術(shù)后,井下降溫效果有明顯改善,達(dá)到治理高溫?zé)岷Φ哪康?項(xiàng)目實(shí)施的效果明顯。

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(責(zé)任編輯 熊志軍)

Exploration and practice of comprehensive treatment technology on coal mine high-temperature heat-harm

Guo Nianbo
(Zhaolou Coal Mine,Yanzhou Coal Mining Heze Energy Chemical Co.,Ltd.,Heze,Shandong 274705,China)

Aim at the problem of high-temperature heat-harm in Zhaolou Coal Mine, Yanzhou Coal Mining Heze Energy Chemical Co.,Ltd.,the author evaluated and analyzed the problem comprehensively,and provided approaches of comprehensive treatment on it,at meanwhile,pointed out some problems and weaknesses,and also defined the direction of the heatharm treatment in future.

coal mine high-temperature heat-harm,heat-harm treatment,Zhaolou Coal Mine

TD727

A

郭念波(1967－),男,山東巨野人,工學(xué)博士,高級工程師,現(xiàn)任兗州煤業(yè)股份有限公司趙樓煤礦礦長。