煤礦井下集中式降溫系統(tǒng)設(shè)計研究

孫寶明

(山西汾西瑞泰正太丈八煤業(yè)，山西 左權(quán) 032699)

1 工況背景

某井田地處黃河沖擊平原，地勢平坦，海拔高度40 ～46.06 m，從西南向東北緩慢傾斜。礦井井底水平標(biāo)高－895 m，開拓石門進(jìn)入煤層之后沿煤層底板布置－895 m 水平大巷。初期采區(qū)為上山采區(qū)，后期在工業(yè)場的煤柱內(nèi)－895 m 水平布置一組石門，平推穿過平樓斷層至－ 895 m 水平，利用南北兩組－895 m水平大巷進(jìn)行全井田開拓。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料，該礦井恒溫帶深度約為50 m，恒溫帶溫度為18.9 ℃;地溫梯度平均值:2.59 ℃/100 m，即地?zé)嵩鰷芈?1 ℃/38.6 m.該煤礦煤層屬正常地溫梯度為背景的高溫區(qū)，具有煤層埋藏深、地溫高等特點。主采3(3上、3下)煤層初期開采部分埋藏在－800 m 以下，最深開拓深度－1 200 m.3 煤層底板－750 m 為大于37 ℃的二級高溫區(qū)(一級熱害區(qū):31 ～37 ℃;二級熱害區(qū):≥37 ℃).

該煤礦采用中央并列式通風(fēng)方式，抽出通風(fēng)方法。副井進(jìn)風(fēng)，主井少量進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。這也是該礦現(xiàn)行的通風(fēng)方式。開采后期為解決通風(fēng)路線長、通風(fēng)阻力大的問題，井田邊界開鑿一個新的回風(fēng)井，形成混合式通風(fēng)方式。

礦井投產(chǎn)時，布置1 個綜采工作面，4 個掘進(jìn)工作面;投產(chǎn)后期，增加1 個綜采工作面和4 個掘進(jìn)工作面，最終形成礦井2 個綜采工作面和8 個掘進(jìn)工作面。根據(jù)測溫資料和高溫礦井調(diào)研結(jié)果，該礦井主要設(shè)計煤層開采深度為－600 ～－1 200 m，立井開拓，原始巖溫為36 ～40 ℃. 采掘工作面水平標(biāo)高為－895 m，地下熱害嚴(yán)重，通風(fēng)降溫不能解決根本問題，需采取機械降溫措施。根據(jù)《礦井降溫技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，一級熱害礦井(28 ～30 ℃)應(yīng)加強通風(fēng)，采掘工作面風(fēng)流速度應(yīng)為2.5 ～3.0 m/s;對于二級(30 ～32 ℃)和三級(≥32 ℃)熱害礦井，除加強通風(fēng)、提高風(fēng)速外，還應(yīng)采取人工制冷降溫措施;對于三級熱害礦井若不采取有效的降溫措施，則應(yīng)停止作業(yè)。

2 井下集中制冷降溫系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)需要在井下開鑿制冷硐室放置制冷機組，將冷卻塔系統(tǒng)和散熱設(shè)備設(shè)置在地面。制冷機組制備出3 ℃的冷凍水，由冷凍水循環(huán)泵通過絕熱保溫管路送至采、掘工作面的空冷器。冷凍水在空冷器內(nèi)與風(fēng)流換熱，冷卻風(fēng)流，該過程吸收的熱量會使水溫升高12 ℃左右，之后冷凍水泵會將溫度升高后的冷凍水送回制冷機組再次冷卻，形成冷凍水循環(huán)。

冷卻水在制冷機組冷凝器內(nèi)吸收冷凝熱量后，通過井筒內(nèi)的管路送至地面冷卻塔并將熱量散發(fā)到地面大氣中，冷卻水散熱后又被循環(huán)水泵送至井下機組冷凝器內(nèi)吸熱，形成冷卻水循環(huán)(見圖1)。

圖1 集中式制冷降溫系統(tǒng)工藝流程圖

3 主要設(shè)備選型及布置

3.1 井下部分

冷水機組是制備冷凍水的核心設(shè)備，冷水機組由螺桿式壓縮機、冷凝器、油分離器(油收集器)、汽化器和油冷器等設(shè)備組成。該煤礦降溫系統(tǒng)主要由制冷機組、冷凍水循環(huán)、冷卻水循環(huán)、空冷器及電控系統(tǒng)等設(shè)備組成。前期采用2 臺KM3000 型制冷機，并聯(lián)運行，制冷能力約為6 kW，系統(tǒng)預(yù)留可擴(kuò)展到9 kW，每臺制冷機的產(chǎn)量為(3 ℃的冷凍水)190 m3/h. 其中，KM3000 型制冷壓縮機組擁有自動控制系統(tǒng)，對壓縮機組本身，包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、潤滑油泵站、電動閘閥等設(shè)備及相應(yīng)管路的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并對壓縮機組實現(xiàn)自動控制及相關(guān)保護(hù)功能。選用6 臺RWK450 型空冷器、5 臺RWK350 型空冷器，冷卻水的進(jìn)、出水溫度為31/40.4 ℃;冷凍水循環(huán)和冷卻水循環(huán)過程中損耗的水量，由軟化水自動補給。RWK 系列空冷器實物圖見圖2.

圖2 RWK 系列空冷器實物圖

1)制冷系統(tǒng)采用KM3000 制冷機組，其冷凍水進(jìn)出口溫度:18/3 ℃、額定流量:115 m3/h、工作壓力:4.0 MPa;冷卻水進(jìn)出口溫度:32/41 ℃、額定流量:240 m3/h、工作壓力:16.0 MPa;機組配備國產(chǎn)壓縮機電機功率:630 kW、油泵電機功率:7.5 kW.

2)冷凍水循環(huán)泵(3 臺)型號為MD155－30X9，額定流量:142 m3/h、揚程:247 m，電機功率:185 kW.冷卻水補水泵型號為MD85－45X5，額定流量:85 m3/h、揚程:225 m，電機功率:90 kW.

3)掘進(jìn)工作面采用RW－450 型空冷器，額定制冷量:450 kW，空冷器冷凍水進(jìn)出口溫度:5/16 ℃、冷凍水額定流量:35.3 m3/h、工作壓力:4.0 MPa;RW－350 型空冷器，額定制冷量:350 kW，冷凍水進(jìn)出口溫度:5/16 ℃、冷凍水額定流量:27.4 m3/h、工作壓力:4.0 MPa.

3.2 地面部分

1)設(shè)置4 臺150SS119A 冷卻水循環(huán)水泵與1 臺200S－95 冷卻水循環(huán)水泵。

2)設(shè)置2 個CDW－400ASY－X 角形橫流式玻璃鋼冷卻塔實現(xiàn)對冷卻水的冷卻。

制冷系統(tǒng)通過地面制冷泵房內(nèi)2 條直徑為377 mm的管路，從風(fēng)井將冷卻水輸送至井下制冷硐室內(nèi)的制冷機組;制冷硐室內(nèi)安裝2 趟直徑為273 mm的管路，但在制冷電氣硐室門口管路直徑變?yōu)?19 mm，將冷凍水輸送至空冷器冷卻風(fēng)流。井下局部通風(fēng)機將冷卻后的空氣送至各個掘進(jìn)迎頭，采煤工作面選用的局部通風(fēng)機鏈接3 個冷凝器，通過風(fēng)筒將冷風(fēng)吹向工作面，選用直徑800 mm 的抗靜電阻燃軟質(zhì)風(fēng)筒。

3.3 局部散冷設(shè)備

1)綜采工作面。選用2 臺GK(RWK)350 系列空冷器，每臺散冷量:350 kW，基本可以滿足工作面降溫需求。選取合適位置固定散冷設(shè)備，避免在整個回采過程中隨著工作面的推進(jìn)而變動位置。將空冷器布置在工作面進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)巷道一側(cè)，第一臺空冷器安裝在進(jìn)風(fēng)巷停采線以外50 ～100 m 處，連接風(fēng)筒后輸送至工作面進(jìn)風(fēng)口;第二臺空冷器安裝在第一臺后100 ～300 m 處，不接風(fēng)筒，風(fēng)流直接送入巷道。配套風(fēng)機選用FBDNo.6.3 型(2 ×30KW)對旋局部扇風(fēng)機，風(fēng)量:500 ～600 m3/min. 風(fēng)筒選用直徑800 mm的抗靜電阻燃軟質(zhì)風(fēng)筒?？绽淦髋c風(fēng)筒的連接方式與空冷器的間距根據(jù)工作面具體情況而定。綜采工作面空冷器布置情況見圖3.

2)掘進(jìn)工作面。掘進(jìn)工作面選用1 臺GK(RWK)350 系列空冷器，散冷量:350 kW，可以滿足掘進(jìn)工作面降溫需求。一次性安裝散冷設(shè)備，迎頭掘進(jìn)過程中，空冷器等設(shè)備無需移動位置?？绽淦骷芭涮罪L(fēng)機安裝在進(jìn)風(fēng)大巷內(nèi)靠近掘進(jìn)巷道處一側(cè)，空冷器前接風(fēng)機后接風(fēng)筒將冷空氣送至掘進(jìn)迎頭，風(fēng)筒型號一致。掘進(jìn)工作面空冷器布置情況見圖4.

圖3 綜采工作面空冷器布置圖

圖4 掘進(jìn)工作面空冷器布置圖

目前，空冷器與風(fēng)機連接順序有兩種(見圖5):1)由于空冷器本身具有通風(fēng)阻力，所以將其安裝在風(fēng)機前。2)空冷器本身通風(fēng)阻力較小，應(yīng)安設(shè)于風(fēng)機后。實踐證明，第二種安裝方式風(fēng)流換熱效果較好。

圖5 空冷器與風(fēng)機的組合方式圖

各型號空冷器技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 空冷器技術(shù)參數(shù)表

3.4 輸冷系統(tǒng)

1)根據(jù)工作面制冷功率總和計算循環(huán)回路總管路直徑，計算公式為:

式中:

V—載冷劑循環(huán)量，m3/s;

uj—載冷劑流速，m/s;

Dx—管道直徑，m.

該煤礦制冷總功率為5 W，冷凍水流量:294 m3/h，載冷劑流速為1.5 ～2.5 m/s，取中間值2 m/s，將數(shù)據(jù)帶入式(1)可得循環(huán)回路總管路D(內(nèi)徑)≈0.228 m=228 mm. 加上富裕系數(shù)影響，最終可選用直徑(內(nèi)徑)為250 mm 的礦用鋼管。

該煤礦冷卻水流量為600 m3/h(冷凍水和冷卻水的流量不同是因為各自進(jìn)出水溫不同)。冷卻水采用1.5 ～2.5 m/s 的流速，取中間值2 m/s，則冷卻水循環(huán)回路總管D(內(nèi)徑)≈0.325 m=325 mm. 同樣考慮富裕系數(shù)影響，最終可選用直徑(內(nèi)徑)為350 mm的礦用鋼管。

其中，冷凍水管路必須采取保溫隔熱措施，冷卻水管路可不采取保溫隔熱措施。

2)根據(jù)各工作面需冷量以及冷水流量、流速，計算出各分管直徑。

綜采工作面:2 臺RWK350 空冷器，冷凍水流量:54.8 m3/h. 可得綜放工作面冷水循環(huán)管道分管D(內(nèi)徑)≈0.098 m =98 mm. 考慮富裕系數(shù)影響，最終選用內(nèi)徑為125 mm 的礦用鋼管。

掘進(jìn)工作面:1 臺RWK350 空冷器，冷凍水流量:27.4 m3/h. 可得綜掘工作面冷水循環(huán)管道分管D≈0.069 m=69 mm. 考慮富裕系數(shù)影響，最終選用內(nèi)徑為100 mm 的礦用鋼管。

3)根據(jù)總管路的長度、流速、流量，選擇合適的冷凍水、冷卻水循環(huán)水泵。

根據(jù)全礦冷凍水管道的落差范圍、總長度、冷凍水流速和流量等因素，選擇揚程、流量、功率適合的水泵。根據(jù)該煤礦井下線路狀況和系統(tǒng)制備冷凍水流量，選用揚程為200 m、流量為500 m3/h、功率為250 kW的水泵。

由于制冷機組放置在井下，冷卻水由地面冷卻塔提供，實施完降溫后冷卻水又回到地面，所以，冷卻水循環(huán)回路為“U”型結(jié)構(gòu)，進(jìn)回水基本能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，根據(jù)冷卻循環(huán)管路長度、冷卻水流量、落差等因素，地面循環(huán)水泵可選用揚程為300 m、流量為720 m3/h、功率為850 kW 的水泵。

4)根據(jù)實際情況在管道中安裝閥門，一般300 m左右安裝一個。

3.5 制冷硐室布置

在該煤礦－900 m 水平選擇合適位置開鑿硐，建立集中制冷站，安裝集中式冷水降溫設(shè)備，主要包括冷水機組、冷凍水循環(huán)水泵、定壓膨脹水箱以及配電控制柜等。制冷硐室位置的選擇不僅要考慮目前制冷降溫的需要，還要考慮未來該水平采區(qū)制冷降溫的需要。制冷硐室應(yīng)獨立通風(fēng)，利用風(fēng)窗進(jìn)行調(diào)風(fēng)。集中制冷系統(tǒng)布置見圖6.

4 結(jié) 論

圖6 該煤礦井下集中制冷系統(tǒng)布置圖

以該煤礦礦井降溫系統(tǒng)方案優(yōu)選為例，從礦井降溫方案的擬定到多目標(biāo)決策優(yōu)選以及最終確定井下采用集中式降溫系統(tǒng)，該煤礦需冷量計算以某一綜采工作面為例，該工作面平均原始巖溫37 ℃，工作面寬度170 m，平均周長12 m，圍巖的不穩(wěn)定換熱系數(shù)0.003 856 kW/(m2·℃)，風(fēng)流的平均密度1.221 kg/m3，風(fēng)量960 m3/min. 假設(shè)降溫前進(jìn)風(fēng)流的干球溫度為27 ℃，相對濕度為80%，回風(fēng)流的干球溫度為33 ℃，相對濕度為100%;降溫措施后，風(fēng)流的干球溫度為28 ℃，相對濕度為90%. 設(shè)計實施后降溫系統(tǒng)效率較高，比其他系統(tǒng)能耗低10% ～15%，達(dá)到了預(yù)期效果。

［1］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:58－60.

［2］ 劉衛(wèi)東，張巖松，王麗華.我國煤礦高溫礦井摸底調(diào)查情況［J］.職業(yè)與健康，2012，5(9):1136－1138.

［3］ 王玉杰，張 寅，胡許強.高地溫綜采工作面降溫技術(shù)研究與實踐［J］.煤炭工程，2007(04):54－55.

［4］ 吳麗麗，羅新榮，李 浪.高溫礦井空調(diào)制冷技術(shù)概況及發(fā)展［J］.制冷與空調(diào)，2012，(01):97－100 +106.

［5］ 王玉麟.井下移動式局部降溫系統(tǒng)設(shè)計［J］.制冷與空調(diào)，2011(06):44－48.

［6］ 黃壽元，劉 輝，林育華.熱害礦井降溫技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2012(5):23－24.

［7］ 王承陽，潘顥丹.空氣濕壓縮在制冷中的應(yīng)用［C］.中國制冷學(xué)會冷藏凍結(jié)專業(yè)委員會.全國冷凍、冷藏行業(yè)制冷安全技術(shù)、節(jié)能、環(huán)保新技術(shù)發(fā)展研討會論文集.中國制冷學(xué)會冷藏凍結(jié)專業(yè)委員會，2009:109－115.