梅花井煤礦地面集中降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王 曦，陳孜虎

中冶建工集團(tuán)有限公司 重慶 400084

神 華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司梅花井煤礦位 于寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)中部，南北走向長(zhǎng)約為 10.6 km，東西傾向?qū)捈s為 6.7 km，屬中等偏簡(jiǎn)單類型。梅花井煤礦主采煤層二煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采厚度為 4.23～6.00 m，屬厚煤層，可采儲(chǔ)量約為 1 231.4 Mt。該礦井建設(shè)規(guī)模為 12.0 Mt/a，一期為 4.0 Mt/a，采用走向長(zhǎng)壁、一次采全高采煤法。一期布置 2 個(gè)中厚煤層綜采工作面，二期增加 1 個(gè)大采高綜采工作面和 1 個(gè)薄煤層刨煤機(jī)綜采工作面。礦井為瓦斯礦井，各煤層熱害區(qū)主要分布在工作區(qū)深部，均有自燃傾向性。

根據(jù)全區(qū) 135 個(gè)測(cè)溫孔資料統(tǒng)計(jì)，井底溫度超過(guò) 31 ℃ 以上鉆孔有 101 個(gè)，占總測(cè)溫孔的 75%，其中井底溫度超過(guò) 37 ℃ 以上的鉆孔有 54 個(gè)，占測(cè)溫孔數(shù)的 40%。經(jīng)測(cè)量，綜采工作面最高氣溫 35 ℃，掘進(jìn)工作面為 35 ℃，相對(duì)濕度為 95%，礦區(qū)平均地溫梯度為 3.12 ℃/100 m，屬地溫異常區(qū)。

根據(jù)我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定[1-2]，生產(chǎn)過(guò)程中，工作面的環(huán)境氣溫不得超過(guò) 26 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室內(nèi)的氣溫不得超過(guò) 30 ℃。該礦區(qū)的熱害情況已經(jīng)嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的身體健康，對(duì)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，必須采取機(jī)械降溫措施。由于井下熱害范圍涵蓋了各個(gè)綜采面和掘進(jìn)工作面，并且高溫區(qū)域分散，無(wú)法通過(guò)局部制冷降溫措施解決井下熱害問(wèn)題。因此，為了解決高溫采掘工作面的實(shí)際降溫需求，建立一套集中制冷降溫系統(tǒng)是一種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行的方案。

1 降溫負(fù)荷計(jì)算

1.1 基本參數(shù)

降溫前工作面基本參數(shù)如表 1 所列。降溫后預(yù)計(jì)干球溫度為 26 ℃，相對(duì)濕度為 75%。

表1 降溫前工作面基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of work face before cooling

1.2 降溫負(fù)荷

礦井降溫所需制冷量

式中：K為系數(shù)，一般取 1.2～1.5；∑Qcj為采掘工作面需冷量，kW；∑Qls為系統(tǒng)的冷損失量，kW；G為采掘工作面配風(fēng)量，kg/s；i1為降溫前采掘工作面風(fēng)流焓值，kJ/kg；i2為降溫后采掘工作面風(fēng)流焓值，kJ/kg。

干球溫度 35 ℃，相對(duì)濕度 95% 的空氣焓值為 124.03 kJ/kg；干球溫度 26 ℃，相對(duì)濕度 75% 的空氣焓值為 66.59 kJ/kg，空氣密度取 1.20 kg/m3。

由式 (1)、(2) 計(jì)算可得：綜采工作面降溫負(fù)荷為 1 379 kW，接替工作面降溫負(fù)荷為 827 kW，綜掘工作面降溫負(fù)荷為 689 kW，普通掘進(jìn)工作面降溫負(fù)荷為 414 kW。由于 《礦井降溫技術(shù)規(guī)范》 中規(guī)定冷量損失不得超過(guò) 20%，可得礦井降溫總降溫負(fù)荷Qjc＝1.2×(2×1 379 kW+827 kW+3×689 kW+414 kW)＝7 279 kW。

另外考慮到變電所的降溫需求，設(shè)計(jì)降溫負(fù)荷取 8 000 kW，能夠滿足礦井的降溫需求。

2 礦井降溫方案

2.1 方案概述

針對(duì)梅花井煤礦的降溫區(qū)域分布情況及降溫負(fù)荷，要解決井下熱害嚴(yán)重的現(xiàn)狀，必須采取大型機(jī)械降溫系統(tǒng)。

近年來(lái)礦井井下集中降溫、地面集中降溫、局部降溫等技術(shù)在我國(guó)礦井得到較多的應(yīng)用，由于地面集中降溫系統(tǒng)可以采用多種能源進(jìn)行降溫，越來(lái)越受到礦方關(guān)注，地面集中制冷降溫系統(tǒng)可以綜合利用地面已有的各類能源，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，可有效降低運(yùn)行成本，具有良好的“節(jié)能減碳”效果；另外地面集中降溫系統(tǒng)可以采用熱回收的制冷機(jī)組，能夠?qū)⒗淠裏岢浞掷茫鉀Q礦井熱水需求；設(shè)備全年運(yùn)行使用率較高，夏季可以解決井下降溫和地面熱水的需求；冬季可以實(shí)現(xiàn)地面采暖和供熱的需求。因此，國(guó)內(nèi)降溫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是朝著地面集中制冷、各類能源綜合利的方向發(fā)展。選擇地面集中降溫系統(tǒng)較為經(jīng)濟(jì)合理。

2.2 地面集中降溫方案工藝流程

地面集中降溫系統(tǒng)工藝流程如圖 1 所示[3-4]。地面集中制冷降溫系統(tǒng)的制冷站布置在地面，制取的 3～5 ℃ 冷凍水經(jīng)過(guò)保溫管道輸送至井下?lián)Q冷硐室，水的靜壓達(dá)到 12 MPa。因此，高壓的冷凍水若要被井下空冷器使用，必須經(jīng)過(guò)減壓，這里采用高低壓轉(zhuǎn)換裝置對(duì)高壓冷凍水進(jìn)行減壓，壓力從 12 MPa 降低至 3 MPa，然后冷凍水泵將其輸送到采掘工作面空冷器，冷凍水吸收工作面環(huán)境空氣的熱量將其降溫；同時(shí)將低壓側(cè)熱水利用高壓冷水的勢(shì)能增壓后輸送至地面制冷站，形成閉式循環(huán)。其中高低壓轉(zhuǎn)換裝置是系統(tǒng)的核心裝備[5-6]。

圖1 地面集中降溫系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of ground centralized cooling system

地面制冷機(jī)組可以選擇吸收式熱泵機(jī)組，可以利用地面余熱，包括瓦斯蓄熱裝置的熱量，還可以將冷凝熱回收，為澡堂提供熱水。

2.3 高低壓轉(zhuǎn)換裝置工作原理

高低壓轉(zhuǎn)換裝置的工作原理如圖 2 所示[7]。圖 2 中 A、B 類閥門(mén)為液壓控制單向閥 DN300；C、D 類閥門(mén)為液壓控制壓力平衡截止閥 DN32；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 為腔體管道，一般長(zhǎng)度為 45 m。其工作過(guò)程如下：C1 壓力平衡閥開(kāi)，將腔體Ⅰ中的壓力與高壓側(cè)的壓力平衡；然后閥 A1 開(kāi)，閥 B1 關(guān)，高壓側(cè)冷水在循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入管內(nèi)，將管內(nèi)的熱水推出，進(jìn)入高壓回水管路，輸送至地面制冷站，直至腔體內(nèi)熱水排空；D1 壓力平衡閥開(kāi)，將腔體Ⅰ中的壓力由高壓平衡至低壓側(cè)壓力，然后主閥 A1 關(guān)，B1 開(kāi)，低壓的熱水進(jìn)入腔體，將腔體內(nèi)的冷水推出，冷水被輸送到井下低壓冷水管路中的空冷器，將工作面風(fēng)流溫度冷卻降溫，直至腔體內(nèi)充滿熱水；此時(shí) B1 關(guān)，A1 開(kāi)，重復(fù)以上過(guò)程。由于腔體內(nèi)的壓力平衡需要一定的時(shí)間，因此需要配置 3 個(gè)腔體，才能實(shí)現(xiàn)裝置水流的連續(xù)。

圖2 高低壓轉(zhuǎn)換裝置原理Fig.2 Principle of high and low pressure conversion device

3 降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 地面制冷機(jī)組的選型

地面制冷機(jī)組可以采用熱回收型制冷機(jī)組，選擇吸收式熱泵機(jī)組 2 套，型號(hào)為 BS600 低溫水機(jī)組，冷凍水溫度最低可以控制在 3 ℃，單臺(tái)制冷量為 6 700 kW，制取 3～ 4 ℃ 的冷凍水輸送至井下制冷硐室的高低壓轉(zhuǎn)換裝置，降壓后輸送至空冷器降溫。2 套制冷機(jī)組可以兼顧地面工業(yè)廣場(chǎng)的制冷需求，也為井下降溫區(qū)域的擴(kuò)大提供儲(chǔ)備。

3.2 高低壓轉(zhuǎn)換裝置的選型

高低壓轉(zhuǎn)換裝置如圖 3 所示，主要由機(jī)械單元、電控單元和輔助保護(hù)單元 3 部分組成。機(jī)械單元包括腔體管、液壓控制閥組、壓力平衡閥組、單向閥、三通分配器和立式連接管等；電控單元包括液壓?jiǎn)卧?、PLC 控制單元、信號(hào)采集系統(tǒng)和工控機(jī)等；輔助保護(hù)單元包括全自動(dòng)過(guò)濾站、末端流量控制裝置、補(bǔ)放水單元和超壓保護(hù)單元等。該裝置型號(hào)為 PED-550 LS-P120，承壓能力為 12 MPa，冷水設(shè)計(jì)流量為 550 m3/h，安裝長(zhǎng)度為 45 m。

圖3 高低壓轉(zhuǎn)換裝置Fig.3 High and low pressure conversion device

3.3 循環(huán)水泵選型

地面冷凍水循環(huán)總流量為 500 m3/h，揚(yáng)程為 80 m。水循環(huán)水泵型號(hào)為 D280-45×2，設(shè)置 3 臺(tái)，2 用 1 備。

井下冷凍水循環(huán)流量為 500 m3/h，揚(yáng)程為 230 m。冷凍水循環(huán)水泵型號(hào)為 MD300-65×4，設(shè)置 3 臺(tái)，2 用 1 備，滿足煤礦井下防爆要求。

3.4 空冷器的選型

空冷器是降溫系統(tǒng)的末端換熱設(shè)備，空冷器的選型需要根據(jù)采掘工作面降溫所需要的冷負(fù)荷來(lái)確定。綜采工作面可以布置 3 臺(tái) 400 kW 和 1 臺(tái) 200 kW 空冷器；綜掘工作面布置 1 臺(tái) 400 kW 和 1 臺(tái) 300 kW 空冷器；接替工作面布置 1 臺(tái) 400 kW、1 臺(tái) 300 kW 和 1 臺(tái) 200 kW 空冷器；普通掘進(jìn)工作面布置 1 臺(tái) 300 kW 空冷器和 1 臺(tái) 200 kW 空冷器，空冷器技術(shù)參數(shù)如表 2 所列。

表2 空冷器技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of air cooler

空冷器采用紫銅管、光管換熱面，有利于提高換熱效果，且換熱管表面不易于積灰。

3.5 井下降溫硐室及配套設(shè)計(jì)

3.5.1 降溫硐室設(shè)計(jì)

制冷硐室斷面如圖 4 所示。長(zhǎng)度不小于 60 m，拱形斷面寬度 ≥5 m，巷道弧頂高度 ≥4 m。

圖4 井下制冷硐室斷面Fig.4 Section of underground cooling chamber

3.5.2 供配電系統(tǒng)

地面制冷站的供電電壓等級(jí)為 380 V 和地面循環(huán)水泵的電壓等級(jí)為 1 140/660 V。井下水泵等設(shè)備的供電電壓均為 1 140/660 V；井下控制系統(tǒng)供電 127 V。

3.5.3 降溫系統(tǒng)控制單元

降溫系統(tǒng)的控制單元要求對(duì)整個(gè)降溫系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的溫度、壓力、流量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)各電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和保護(hù)功能。井下高低壓轉(zhuǎn)換裝置的控制系統(tǒng)可以完成對(duì)高低壓轉(zhuǎn)換裝置及相關(guān)輔助設(shè)備的監(jiān)控，并與地面制冷站的控制單元聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面井下的聯(lián)合控制。

3.6 降溫系統(tǒng)末端空冷器的布置方式

為了實(shí)現(xiàn)工作面的風(fēng)溫降至 26 ℃ 的目標(biāo)，空冷器的布置位置必須采用多點(diǎn)連續(xù)、分散的設(shè)置方式。根據(jù)工作面冷負(fù)荷，采煤工作面的空冷器采用 3 臺(tái) AC-400 和 1 臺(tái) AC-200 空冷器，使工作面的總制冷功率達(dá)到 1 400 kW?？绽淦鞑贾迷诠ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)巷道一側(cè)，空冷器的布置位置如圖 5 所示。

圖5 工作面空冷器布置Fig.5 Layout of air cooler on work face

每個(gè)掘進(jìn)工作面可設(shè)置 400、300 kW 的空冷器各 1 臺(tái)?？绽淦髋c局扇一體化安裝，將冷風(fēng)通過(guò)保溫風(fēng)筒輸送到掘進(jìn)面迎頭，如圖 6 所示。

圖6 掘進(jìn)工作面空冷器布置示意Fig.6 Layout of air cooler on heading work face

4 降溫效果

采煤工作面降溫前后溫差參數(shù)對(duì)比如表 3 所列。

表3 降溫前后工作面風(fēng)流熱力學(xué)參數(shù)Tab.3 Thermodynamic parameters of air flow on work face before and after cooling

干球溫度降低 6.1～7.1 ℃，濕球溫度降低 9.1～13.8 ℃，相對(duì)濕度降低至 75% 以下，體感較為舒適，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。采用熱回收吸收式制冷機(jī)組，既解決了煤礦熱害問(wèn)題，又為地面區(qū)域提供了生活熱水，系統(tǒng)能源的綜合利用效率較高。采用高低壓轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行勢(shì)能回收，可顯著降低循環(huán)水泵的揚(yáng)程，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

地面集中降溫系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

(1) 可以采用地面各種熱源，節(jié)能減碳效果顯著，運(yùn)行費(fèi)用低。

(2) 地面制冷機(jī)組可以采用熱回收機(jī)組，能夠滿足煤礦人員日常熱水使用需求，節(jié)能效果更好。井下熱負(fù)荷較低時(shí)，制冷機(jī)組可以滿足地面區(qū)域的制冷需求；采用雙效機(jī)組，在冬季可以解決煤礦地面采暖的需求，增加了設(shè)備的使用效益。

(3) 采用高低壓轉(zhuǎn)換裝置，可以有效將冷熱水的勢(shì)能相互轉(zhuǎn)換，從而降低系統(tǒng)的循環(huán)水泵揚(yáng)程，節(jié)能效果較好。

地面集中礦井降溫系統(tǒng)極大地改善了采掘工作面的作業(yè)環(huán)境，提高了作業(yè)人員的工作效率，“節(jié)能減碳”效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。