深井高溫工作面降溫方案的優(yōu)選與應(yīng)用

劉光毅

(平煤神馬建工集團(tuán)有限公司 建井三處,河南 平頂山 467000)

0 引言

現(xiàn)代化煤礦開采伴隨的是礦井機(jī)械化程度的提高。同時,隨著國內(nèi)礦井采掘深度不斷加大,采掘面的地?zé)岷透黝悪C(jī)電設(shè)備所散發(fā)熱量的聚集速度也不斷升高,形成的高溫、高濕環(huán)境嚴(yán)重影響井下作業(yè)人員的健康和生產(chǎn)效率,從而影響井下采掘生產(chǎn)接替進(jìn)度[1-2]。高溫對人體生理會產(chǎn)生較大影響,破壞人體熱平衡,導(dǎo)致中暑,降低勞動生產(chǎn)率,增大事故率[3]。這些因素也直接導(dǎo)致工程施工進(jìn)度慢,形成人工工效低與工程進(jìn)度慢的惡性循環(huán)。因此,采掘工作面實施降溫對改善勞動環(huán)境、降低事故率、提高勞動效率和工程進(jìn)度具有重要的現(xiàn)實意義。

平煤股份十三礦東翼通風(fēng)系統(tǒng)改造新進(jìn)風(fēng)井井筒深度為853.3 m,僅有新進(jìn)風(fēng)井一個井筒,進(jìn)風(fēng)井兼?zhèn)溥M(jìn)、回風(fēng)作用,未能形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。隨著工程施工進(jìn)度的不斷推進(jìn),井下西翼回風(fēng)斜巷供風(fēng)距離已達(dá)到1 560 m。另外,工作面配備有皮帶、耙裝機(jī)、鉆車和噴漿機(jī)等機(jī)電設(shè)備,現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)不到有效降溫的目的[4],造成巷道內(nèi)最高溫度達(dá)到35°,風(fēng)量低和高溫問題亟待解決。

1 工程概況

在十三礦東翼通風(fēng)系統(tǒng)改造新進(jìn)風(fēng)井中,井筒上井口標(biāo)高為+168.3 m,井筒落地標(biāo)高為-685 m,深度為853.3 m,直徑為8.5 m。目前,井下有兩個掘進(jìn)工作面:東翼進(jìn)風(fēng)斜巷和西翼回風(fēng)斜巷。這兩條巷道按設(shè)計分別與十三礦己三下延軌道下山、己三下延西翼回風(fēng)下山相向貫通,從井底到貫通點的距離為東翼進(jìn)風(fēng)斜巷2 640 m,西翼回風(fēng)斜巷2 540 m。

現(xiàn)工業(yè)廣場內(nèi)僅有新進(jìn)風(fēng)井一個井筒,進(jìn)風(fēng)井兼?zhèn)溥M(jìn)、回風(fēng)作用,未能形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng),在地面分別安裝2組(一備一用)2×55 kW 和2組(一備一用)2×75 kW 對旋風(fēng)機(jī),通過井筒內(nèi)敷設(shè)的兩趟鐵質(zhì)風(fēng)筒(直徑φ800 mm 和直徑φ1 100 mm)壓入到井下風(fēng)庫內(nèi),在風(fēng)庫內(nèi)安裝4組2×45 kW 對旋風(fēng)機(jī)(東翼進(jìn)風(fēng)斜巷2組,西翼回風(fēng)斜巷2組),通過巷道吊掛的兩趟φ1 000 mm膠質(zhì)阻燃風(fēng)筒分別向井下2個工作面供風(fēng),西翼回風(fēng)斜巷施工進(jìn)度靠前,供風(fēng)距離遠(yuǎn),東翼進(jìn)風(fēng)斜巷施工進(jìn)度靠后,供風(fēng)距離較近,圖1為十三礦東翼通風(fēng)系統(tǒng)改造二期工程通風(fēng)系統(tǒng)。

圖1 十三礦東翼通風(fēng)系統(tǒng)改造二期工程通風(fēng)系統(tǒng)

2 降溫技術(shù)方案

根據(jù)工程特性及通風(fēng)管理規(guī)定,結(jié)合國內(nèi)外礦井通風(fēng)局部制冷技術(shù)經(jīng)驗[5-7],擬定4種通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整方案。

2.1 方案一

方案一采用通風(fēng)系統(tǒng)串并聯(lián)改造方案[8-9],根據(jù)并聯(lián)增壓、串聯(lián)增流原理[10],對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行串并聯(lián)升級改造。

(1)將原地面2組2×55 kW 風(fēng)機(jī)(一備一用)連接φ800 mm 鐵質(zhì)風(fēng)筒向風(fēng)庫供風(fēng)(如圖2 所示),升級為2組2×55 kW 風(fēng)機(jī)(一備一用)與1組3×75 kW 風(fēng)機(jī)并聯(lián),連接φ800 mm 鐵質(zhì)風(fēng)筒向風(fēng)庫供風(fēng)(如圖3所示)。

(2)將原地面2組2×75 kW 風(fēng)機(jī)(一備一用)連接φ1 100 mm 鐵質(zhì)風(fēng)筒向風(fēng)庫供風(fēng)(如圖2所示),升級為2組3×75 kW 風(fēng)機(jī)(一備一用)連接φ1 100 mm 鐵質(zhì)風(fēng)筒向風(fēng)庫供風(fēng)(如圖3所示)。

圖2 改造前地面通風(fēng)設(shè)施布置

圖3 改造后地面通風(fēng)設(shè)施布置

(3)將井下風(fēng)庫西翼回風(fēng)斜巷2組2×45 k W風(fēng)機(jī)連接φ1 000 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒向工作面供風(fēng)(如圖4 所示),升級為2 組2×55 kW 風(fēng)機(jī)連接φ1 000 mm膠質(zhì)風(fēng)筒向工作面供風(fēng),并單獨敷設(shè)一趟2×45 kW 風(fēng)機(jī)連接φ800 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒與2×55 kW 風(fēng)機(jī)連接的φ1 000 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒并聯(lián),對接向工作面供風(fēng)(如圖5所示)。上述風(fēng)機(jī)全部且同時實現(xiàn)風(fēng)電、瓦斯電閉鎖[11]。

圖4 改造前井下通風(fēng)設(shè)施布置

圖5 改造后井下通風(fēng)設(shè)施布置

2.2 方案二

方案二采用物理降溫改造方案[12],從市場采購工業(yè)冰塊,在工區(qū)建立臨時儲冰庫,通過向井下放冰塊實現(xiàn)物理降溫[13]。

(1)在井下風(fēng)庫風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處堆放1.5～2.0 t冰塊,有效制冷時間為20～24 h,每天8點班循環(huán)補(bǔ)充冰塊。

(2)工作面出風(fēng)口處冰塊儲存:在距工作面不低于50 m 處設(shè)置簡易儲冰裝置(如圖6所示),與風(fēng)筒相連通,在其中存放1.0 t左右冰塊,有效制冷時間20～24 h,每天8點班循環(huán)補(bǔ)充冰塊。

圖6 井下簡易儲冰裝置

(3)在工作面存放5～10塊冰塊,有效制冷時間6～8 h,每班循環(huán)補(bǔ)充冰塊。

通過以上三個關(guān)鍵位置的冰塊降溫,使巷道溫度隨風(fēng)流整體降低。

2.3 方案三

方案三采用安裝制冷風(fēng)機(jī)降溫[14]改造方案。在地面安裝兩套ZLF-600 LG 型和一套ZLF-450 LG 型礦用制冷裝置閉式系統(tǒng)主機(jī)。其中,一套ZLF-600 LG 制冷主機(jī)(簡稱1 號機(jī))及蒸發(fā)器布置在地面風(fēng)機(jī)群平臺處,與2×55 kW 風(fēng)機(jī)風(fēng)筒連接(如圖7 所示);另外一套ZLF-600LG 型(簡稱2 號機(jī))和一套ZLF-450 LG 型(簡稱3號機(jī))制冷主機(jī)及蒸發(fā)器與2×75 kW 風(fēng)機(jī)風(fēng)筒連接[15](如圖8 所示)。進(jìn)入1號機(jī)蒸發(fā)器的風(fēng)量為770 m3/min,進(jìn)入2號機(jī)和3號機(jī)蒸發(fā)器的風(fēng)量為1 130 m3/min,從而達(dá)到降溫目的。

圖7 2×55 kW 局部通風(fēng)機(jī)與蒸發(fā)器連接布置

圖8 2×75 kW 局部通風(fēng)機(jī)與蒸發(fā)器連接布置

2.4 方案四

方案四采用地面與井下接力通風(fēng)[16]改造方案,見圖9所示。將地面延伸至井下的鐵質(zhì)風(fēng)筒出風(fēng)口連接至接力風(fēng)箱裝置,接力風(fēng)箱裝置為一個封閉裝置,一端與從地面延伸下來的鐵質(zhì)風(fēng)筒連接,另一端與井下2×45 kW 風(fēng)機(jī)出風(fēng)口連接,風(fēng)機(jī)機(jī)身整體位于接力風(fēng)箱裝置內(nèi),實現(xiàn)地面與井下風(fēng)機(jī)的接力通風(fēng)。該方案降低了漏風(fēng)率,提高了供風(fēng)效率,保證了供風(fēng)量。

圖9 地面與井下接力通風(fēng)

3 降溫技術(shù)方案比選

4種降溫改造方案的成本分析見表1所示。根據(jù)擬定的改造方案特點,結(jié)合工程實際,對各方案的優(yōu)缺點進(jìn)行分析,見表2所示。

表1 降溫改造方案成本分析

表2 降溫方案優(yōu)缺點分析

根據(jù)4種方案的優(yōu)缺點及效果的分析,決定選擇方案一和方案二聯(lián)合實施方案為最終方案,即通過通風(fēng)系統(tǒng)改造增加供風(fēng)量,并采用工業(yè)冰塊冷化風(fēng)源的措施以達(dá)到降溫效果。該聯(lián)合方案可實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),符合施工現(xiàn)場實際,滿足成本要求,能夠達(dá)到綜合降溫效果。

4 綜合降溫技術(shù)方案的實施

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)改造

4.1.1 地面風(fēng)機(jī)安裝流程

在地面風(fēng)機(jī)群處安裝1組3×75 kW 風(fēng)機(jī),與原有2組(一備一用)2×55 kW 風(fēng)機(jī)并聯(lián)向井下供風(fēng),并安裝2 節(jié)75 kW 風(fēng)機(jī),分別與原有2組(一備一用)2×75 kW 風(fēng)機(jī)串聯(lián)升級為2組3×75 kW 風(fēng)機(jī)向井下供風(fēng)。

地面風(fēng)機(jī)分三步安裝:第一步,在備用2×75 kW 風(fēng)機(jī)處安裝第一節(jié)75 kW 風(fēng)機(jī);第二步,啟動備用風(fēng)機(jī),在停用的2×75 kW 風(fēng)機(jī)處安裝第二節(jié)75 kW 風(fēng)機(jī),安裝完成后正常開啟常用風(fēng)機(jī);第三步,在2×55 kW 風(fēng)機(jī)處安裝1組3×75 kW 風(fēng)機(jī),然后暫停2×55 kW 風(fēng)機(jī),改造鐵質(zhì)風(fēng)筒,使3×75 kW 風(fēng)機(jī)通過分風(fēng)器與2×55 kW 風(fēng)機(jī)并聯(lián)。2×55 kW 風(fēng)機(jī)暫停期間必須保證3×75 k W風(fēng)機(jī)正常運轉(zhuǎn),并禁止井下從事爆破作業(yè)。

4.1.2 井下風(fēng)機(jī)拆除及安裝流程

在井下風(fēng)庫拆除1組2×45 kW 風(fēng)機(jī),并安裝2組2×55 kW 風(fēng)機(jī),形成1組2×55 kW 風(fēng)機(jī)連接φ1 000 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒和1組2×45 kW 風(fēng)機(jī)連接φ800 mm 風(fēng)筒聯(lián)合向工作面供風(fēng)系統(tǒng)。

井下風(fēng)機(jī)分四步安裝:第一步,在井下風(fēng)庫安裝2組(一備一用)2×55 kW 風(fēng)機(jī);第二步,暫停2×45 kW 風(fēng)機(jī),并將原φ1 000 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒與2×55 kW 風(fēng)機(jī)連接,由2×55 kW 風(fēng)機(jī)向工作面供風(fēng);第三步,拆除1組2×45 kW 風(fēng)機(jī),然后重新敷設(shè)一趟φ800 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒與2×45 kW 風(fēng)機(jī)連接向工作面供風(fēng);第四步,在工作面后50 m處,通過分風(fēng)器將φ800 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒與φ1 000 mm 膠質(zhì)風(fēng)筒并聯(lián)向工作面供風(fēng)。

4.1.3 局部通風(fēng)安全管理措施

(1)局部通風(fēng)機(jī)安裝自動倒臺、分風(fēng)、消音裝置,風(fēng)機(jī)實行“三專兩閉鎖”。

(2)不得使用1臺局部通風(fēng)機(jī)同時向2個作業(yè)掘進(jìn)工作面供風(fēng)。

(3)壓入式局部通風(fēng)機(jī)和啟動裝置必須安裝在進(jìn)風(fēng)巷道新鮮風(fēng)流中,距掘進(jìn)巷道回風(fēng)出口不得小于10 m;全風(fēng)壓供給風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大于局部通風(fēng)機(jī)的吸入風(fēng)量;風(fēng)機(jī)前后10 m 內(nèi)不能堆放雜物。

(4)風(fēng)機(jī)必須派專人看管,實行現(xiàn)場交接班,嚴(yán)禁隨意?；蜷_局部通風(fēng)機(jī)。

(5)每班風(fēng)機(jī)工、班組長、瓦斯檢查工接班后,應(yīng)對風(fēng)機(jī)運行狀況、風(fēng)筒吊掛連接、巷道內(nèi)瓦斯?fàn)顩r等進(jìn)行檢查,然后進(jìn)行倒臺試驗;倒臺試驗時,電工、瓦檢工、局部通風(fēng)機(jī)司機(jī)必須同時在場;試驗倒臺時間:每班倒臺1次,每次不少于20 min。

(6)風(fēng)筒吊掛、維護(hù)管理:①風(fēng)筒吊掛做到平、直、緊、穩(wěn),必須逢環(huán)必掛,風(fēng)筒之間接口嚴(yán)密,不漏風(fēng),無破口;②風(fēng)筒必須吊掛在用專用鐵絲(鋼絲拉繩)拉緊的吊繩上,風(fēng)筒必須高于底板面2 m以上,風(fēng)筒吊掛要采取由外向里的方式,逐節(jié)吊掛并編號;③風(fēng)筒末端出口距掘進(jìn)工作面的距離不大于10 m;④需更換風(fēng)筒時,采取錯口對接更換風(fēng)筒,嚴(yán)禁“一風(fēng)吹”;⑤巷道內(nèi)備有完好風(fēng)筒和至少2節(jié)風(fēng)筒短節(jié)(長4 m、6 m)。

4.2 地面冷庫及井下簡易儲冰裝置的安裝

根據(jù)工區(qū)地面設(shè)備及廠房布置,合理選擇距離井口最近,并且不影響井下供電、供風(fēng),方便供冰車輛通過的閑置區(qū)域作為地面冷庫安裝位置。地面冷庫由專業(yè)承包商負(fù)責(zé)建造,建造完成后由機(jī)電人員將冰庫電路接入礦區(qū)供電系統(tǒng),保證冷庫連續(xù)運轉(zhuǎn)。

根據(jù)簡易儲冰裝置設(shè)計圖,由機(jī)電人員加工制作儲冰裝置。鐵質(zhì)風(fēng)筒短節(jié)直接從鐵質(zhì)風(fēng)筒中截取,臨時儲冰倉采用厚6 mm 鋼板加工,下部安裝鐵輪,方便井下移動,并設(shè)置阻車裝置,能隨時將滾輪卡死,保證裝置有效制動。

4.3 冰塊投入及系統(tǒng)運行

采用兩種規(guī)格冰塊。在井下風(fēng)庫內(nèi)采用600 mm×400 mm×200 mm(長×寬×高)的冰塊,每塊質(zhì)量為20 kg,體積小,重量輕,方便裝運;在井下工作面及退后50 m 處的儲冰裝置內(nèi)采用1 000 mm×600 mm×200 mm(長×寬×高)的冰塊,每塊質(zhì)量為30 kg,因為運輸距離遠(yuǎn),大冰塊的融化率低,制冷時效長。采用專用冰鉗將冰塊從地面冰庫裝入礦車,用棉被覆蓋后送入井下,通過礦車運輸?shù)奖鶐旒肮ぷ髅妗１鶋K投放完成后,通風(fēng)系統(tǒng)改造完成,根據(jù)消耗情況定期補(bǔ)充冰塊,保證系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn),以便達(dá)到良好的降溫效果。

5 結(jié)論

平煤股份十三礦東翼通風(fēng)系統(tǒng)改造西翼回風(fēng)斜巷施工期間,通過采用測風(fēng)與測溫技術(shù)對工作面與巷道的風(fēng)量、風(fēng)速及溫度進(jìn)行量測。綜合通風(fēng)系統(tǒng)改造前,工作面風(fēng)量為216 m3/min,巷道內(nèi)風(fēng)速為0.19 m/s,工作面溫度為32 ℃,巷道溫度為35 ℃;綜合通風(fēng)系統(tǒng)改造后,工作面風(fēng)量達(dá)到405 m3/min,巷道內(nèi)風(fēng)速為0.43 m/s,工作面溫度為25 ℃,巷道溫度為28 ℃。

通過實施綜合技術(shù)改造后,工作面與巷道降溫效果顯著,優(yōu)化了井下作業(yè)環(huán)境,保證了巷道的快速掘進(jìn),平均月度進(jìn)尺達(dá)到115 m,經(jīng)濟(jì)效益顯著。本改造方案為類似高溫礦井工作面降溫提供了寶貴經(jīng)驗。