關(guān)于煤礦井筒防凍設(shè)備無效投入的探討

李慶林

（山西省臨汾市霍州煤電集團，山西臨汾031412）

0 引言

通風(fēng)是采礦中的重要環(huán)節(jié)，冬季通風(fēng)中由于礦井地面環(huán)境的寒冷氣流經(jīng)過井下通道，致使井上井下與環(huán)境溫度相差無幾。采礦設(shè)備與設(shè)施不能在低溫環(huán)境下運行工作，如綜采設(shè)備的潤滑油、輸送煤炭出井的橡膠輸送帶、供給井下工作用的自來水、操控作業(yè)人員的工作條件等等。當(dāng)煤礦井筒筒壁有淋邦水時，環(huán)境氣溫降低會造成結(jié)冰，從而影響提升能力。嚴(yán)重時，冰凌脫落易造成井底嚴(yán)重事故。因此，煤礦安全規(guī)程規(guī)定，對于采暖室外溫度等于或低于-4℃地區(qū)的進風(fēng)立井，等于或低于-5℃地區(qū)的進風(fēng)斜井，等于或低于-6℃地區(qū)的進風(fēng)平硐，應(yīng)設(shè)置井筒防凍設(shè)施。

為此，井筒防凍設(shè)施的選型就顯得尤為重要。選小，解決不了問題；選大，無效投入增加。

1 傳統(tǒng)井筒保暖做法

1.1 鍋爐加熱法

采用在主井井口、副井井口處各設(shè)空氣加熱室一座，主副井供熱熱媒一般為高溫蒸汽鍋爐提供的蒸汽或常壓鍋爐提供的蒸汽和熱水，末端采用散熱器或暖風(fēng)機，經(jīng)風(fēng)機將空氣加熱室的熱風(fēng)輸送到井下。

1.2 空氣加熱法

在室內(nèi)建造一燃煤空氣加熱室，通過室內(nèi)的盤旋管道內(nèi)的空氣加熱，采用風(fēng)機、管道送到主井井口和副井井口。

2 目前先進的做法

2.1 電加熱法

電加熱機組加熱空氣，通風(fēng)機將加熱空氣通過輸送管道送至井下。

2.2 熱泵加熱法

采用熱泵形式，將井下排出的帶有溫度的空氣，通過二次熱交換的方式加熱空氣，將加熱的空氣通過風(fēng)機送到主井井口和副井井口。

2.3 遠紅外線加熱法

遠紅外線熱風(fēng)輸送形式，利用電能通過遠紅外電熱管自動將空氣加熱到一定溫度，用風(fēng)機將熱風(fēng)送到主井井口和副井井口。

3 電加熱井筒防凍設(shè)施分析

3.1 對比分析

以山西焦煤霍州煤電集團有限責(zé)任公司紫晟煤礦的井筒防凍設(shè)施的運行情況為例，對理論計算數(shù)據(jù)和實際操作數(shù)據(jù)進行對比分析。

紫晟煤礦：進風(fēng)立井，風(fēng)量48 000 m3/h，最低氣溫-15℃，通風(fēng)方式：抽出式，要求冬季井筒溫度不低于2℃。

紫晟煤礦井筒防凍設(shè)施所需熱功率的理論計算：

式中，Q為所需熱功率（kW/h）；V為進風(fēng)量（m3/h）；ρ為20℃時空氣的容重，取1.2 kg/m3；t2為冷熱風(fēng)混合后溫度，取2℃；t0為最低大氣溫度，取-15℃；K為富裕系數(shù)，取1.1；C為空氣比熱，取0.24 kcal/（kg·℃）。

通過理論計算可知，紫晟煤礦的井筒防凍設(shè)施在保證不結(jié)冰的情況下需配備341.4 kW的熱功率。

但是，紫晟煤礦實際配備的井筒防凍設(shè)備的熱功率為150 kW。

3.2 紫晟煤礦電加熱井筒防凍設(shè)備簡要介紹

（1）紫晟煤礦電加熱井筒防凍設(shè)備主要由帶翅片的U型電加熱管、軸流式風(fēng)機、變頻控制柜三部分組成。

U型帶翅片的電加熱管每根熱功率5 kW，6根一組，每組熱功率30 kW（每套設(shè)備的熱功率可以根據(jù)實際需要無限串聯(lián)）。紫晟煤礦共使用電加熱管5組，總熱功率為150 kW。為了方便維修，采用抽出式活動結(jié)構(gòu)，即當(dāng)電熱管發(fā)生故障時，隨時可以把活動鋼架抽出進行更換。

風(fēng)機為普通軸流式通風(fēng)機，功率11kW，最大風(fēng)量50000m3/h，風(fēng)量的調(diào)節(jié)，主要通過控制柜中的變頻器完成，也可以通過調(diào)整風(fēng)葉角度來調(diào)整風(fēng)量。

控制柜通過兩組測溫傳感器獲得的信息傳輸給PLC，由PLC對電加熱管組和風(fēng)機風(fēng)量進行控制。每組電加熱管都有獨立的控制電源，兩組測溫傳感器分別安裝在井上和井下，當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀?℃時，控制柜通過PLC對每組電加熱管組進行順序開啟。同樣，當(dāng)井筒內(nèi)溫度高于5℃時，控制柜通過PLC對每組電加熱管組進行順序停止。并適時調(diào)整風(fēng)機頻率，使井筒的進風(fēng)溫度及進風(fēng)量達到最佳。通過上述控制，使得設(shè)備在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，自動調(diào)整熱負荷，取得了非常明顯的節(jié)能效果。

（2）紫晟煤礦電加熱井筒防凍設(shè)備示意圖如圖1所示。

圖1 電加熱井筒防凍設(shè)備示意圖

通過實踐證明，紫晟煤礦采用150 kW的電加熱井筒防凍設(shè)備，從2017年12月至2018年3月運行期間，既解決了紫晟煤礦的井筒結(jié)冰問題，又解決了常規(guī)熱風(fēng)爐的井筒防凍帶來的環(huán)保問題，且節(jié)能效果明顯，運行平穩(wěn)。

4 同樣的自然條件，理論計算的數(shù)據(jù)和實際發(fā)生的數(shù)據(jù)出現(xiàn)很大誤差的主要原因

4.1 環(huán)境溫度原因

俗話說：“冰凍三尺，非一日之寒”，晉南地區(qū)偏暖，日照時間長，每天09：00，氣溫開始回升，一直到17：00，氣溫基本在5℃以上；18：00以后開始降溫，一直到21：00才能降到0℃以下，這時，電加熱井筒防凍設(shè)備開始運行，補充熱量，一直到凌晨05：00基本處于0℃左右，凌晨06：00開始達到結(jié)冰條件。但是，結(jié)冰也需要時間，當(dāng)達到結(jié)冰時間點時，又一個循環(huán)開始了。周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)，解決了井筒結(jié)冰的問題。

4.2 理論計算原因

理論數(shù)據(jù)偏大。在理論計算過程中，對于常用系數(shù)的選擇習(xí)慣性取大，當(dāng)所有的系數(shù)均取最大值時，疊加起來的數(shù)值是很可觀的。所以，理論計算的數(shù)據(jù)比實際數(shù)據(jù)要大很多。

4.3 實際運行原因

另一個主要原因是設(shè)備投入生產(chǎn)后，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集的少，只求解決問題，哪怕大馬拉小車也行，很少考慮節(jié)能和適用問題。

5 三廢治理及環(huán)境保護

5.1 三廢治理

（1）廢氣：本方法無廢氣產(chǎn)生。

（2）廢渣：本方法無廢渣產(chǎn)生。

（3）廢水：本方法無廢水產(chǎn)生。

5.2 噪聲

噪聲來源于動力設(shè)備，而動力設(shè)備則主要是電機和風(fēng)機。電機的噪聲極低，具體標(biāo)準(zhǔn)參見風(fēng)機生產(chǎn)廠家的說明書及認證資料，一般設(shè)備運行的噪聲低于85 dB（A）。

6 結(jié)語

井筒防凍所需的熱功率，理論計算和實際使用相差2倍多，說明有1倍多的熱功率屬于無效投入。那么，在井筒防凍設(shè)備選型時就已經(jīng)注定設(shè)備的無效投入要多花費1倍多的價錢，安裝費用也會相應(yīng)增加。更主要的是，設(shè)備投入后的運行費用也要增加1倍多。試想，全國煤礦有多少這樣的無效投入和無效運行呢？

現(xiàn)在煤礦的井筒防凍設(shè)施種類繁多，有燃煤鍋爐、電鍋爐、紅外線加熱器、電加熱器、空氣源熱泵、水源熱泵等，這么多種類的設(shè)備中，哪種設(shè)備是最適合自己礦井現(xiàn)狀的，即使能確定一種設(shè)備適合自己礦井的現(xiàn)狀，匹配的熱功率多少才能最大限度地降低無效投入。

一點心得權(quán)當(dāng)拋磚引玉，歡迎全國志同道合的業(yè)內(nèi)人士一起學(xué)習(xí)探討。