羊场湾煤矿二号井井下局部降温技术的研究与应用.pdf

1542020 年第 1 期 羊场湾煤矿二号井 井下局部降温技术的研究与应用 刘 喜 （宁夏宝丰能源股份有限公司红四煤业，宁夏 灵武 751400） 摘 要 为解决围岩地热温增和机电设备散热等因素造成的矿井内部温度、湿度过大问题，羊场湾煤矿二号井通过热害 治理工作，对不同垂深岩层地温以及工作面内部因机电设备散热的温湿变化进行测定，根据热害特点提出局部降温技术进 行治理。现场应用表明局部降温技术能够对羊场湾煤矿二号井起到良好的热害治理效果。 关键词 局部降温 冷却站 热害治理 中图分类号 TD727.2 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.01.061 Research and Application of Underground Local Cooling Technology in No. 2 Shaft of Yangchangwan Coal Mine Liu Xi Hongsi Coal Industry, Ningxia Baofeng Energy Co., Ltd., Ningxia Lingwu 751400 Abstract In order to solve the problem of excessive temperature and humidity in the mine caused by the increase of geothermal temperature in the surrounding rock and the heat dissipation of mechanical and electrical equipment, the temperature and humidity changes in different vertical strata and in the working face due to the heat dissipation of mechanical and electrical equipment were measured in well 2 of Yangchangwan Coal Mine through the heat hazard treatment, and the local cooling technology was put forward according to the characteristics of heat hazard. The field application shows that the local cooling technology can play a good heat damage control effect on No. 2 well of Yangchangwan Coal Mine. Key words local cooling cooling station hear harm control 收稿日期 2019-07-30 作者简介 刘喜（1973-），男，山西怀仁人，2012 年 1 月毕业于 中国矿业大学安全工程专业，工程师，现任宁夏宝丰能源股份有限 公司红四煤业副总工程师。 羊场湾煤矿属于神华宁夏煤业集团公司首个使 用大采高综采技术的矿井。该矿井二号井目前已经 开采至埋深 740m 位置，该水平有明显地下热害现 象，各采掘工作面中有多处温度超过 30℃，其中温 度最高的一处平均高达 32℃。根据煤矿安全规程 中相关规定“生产矿井采掘工作面的空气温度不 得超过 26℃；采掘工作面的空气温度超过 30℃， 必须采取降温措施逐步解决”。所以当前情况下， 矿井井下热害对矿井的开拓、工作面的延伸以及正 常的生产秩序都造成了极大的影响，地温升高问题 已经成为阻碍矿井正常生产的一个重大隐患。 本文通过对现采煤层 2煤层中的热害现状进行 分析，查找热源，根据热源特点与地温现状制定专 项治理方案，选取局部降温技术进行井下工作面环 境改善工作。 1 矿井地热现状 羊场湾煤矿井田面积约 58.52km2，含多层可采 煤层，其中南北走向 9.9km，东西 12.8km，走向沿 东西方向倾斜。井田现主采煤层为 2煤层，煤层赋 存条件良好，煤层厚度平均达到 14m，采用大采高 综采工艺进行煤炭回采，矿井属于低瓦斯矿井，煤 尘具有爆炸危险，且煤层存在自燃倾向。 1.1 地温状况 羊场湾煤矿对所在煤田进行井温测定，通过测 温钻孔对不同的煤层进行温度监控。测温钻孔沿勘 探线布置在不同构造位置，各测温钻孔位置沿剖面 线布置会利于后期分析，测温孔主要布置在垂深 260m、460m、600m 三个水平，并少量设置在火 区内外。测温孔选择简易测温孔、近稳态测温孔和 1552020 年第 1 期 长期稳态测温孔三类，再利用原有地质详查的 9 个 测温孔和井田深部边缘的 1 个近稳态测温孔（1912 号孔）外，再额外施工 56 个测温钻孔，配合火区 测温孔等不同测温孔共计 76 个测孔。测温设备为 JJW-1 型井温仪和 TYW-2 型晶体管井温仪两种。温 度测量结果表明井田随着埋深温度逐渐升高，其中 垂深 260m 处测得最高温度为 24.1℃，而垂深 600m 处的最高温度为 36.l6℃。不同垂深温测孔温度测量 数据见表 1。 表 1 不同垂深温测孔温度测量数据 垂深 /m 测温孔数 / 个 最高值℃ / 孔号 最低值℃ / 孔号 平均值 /℃ 一般值 /℃ 2603924.1/ 构 312.52/542520.051923 4602631.8/182117.31/542526.142528 6001136.16/162824.0/542730.903033 1.2 热害现状 通过对工作面内各处的温度进行测定，工作面 下隅角处为温度最高点，测得温度最高值为 32℃。 工作面内的热害除岩层的地温影响，还包括工作面 内机械设备和通风方式等的影响。 （1）机电设备因素。以 II020207 工作面为例， 该工作面为综采工作面，存在采掘、转载、转运等 各型设备以及各大功率配套机电设备，导致回采期 间下隅角存在温升 45℃，可见机电设备是除岩层 地热之外最大温度增长原因。 （2）通风方式。工作平面内回风流方向与运 煤方向相反，导致煤炭通过运输皮带转运过程中， 自身热量没有被回风流带离，而是散入巷道内部， 从而影响工作面内巷道温度上升。 根据分析，当前羊场湾煤矿采煤工作面的主要 热害为机电设备，其次才是岩层地温和原煤热量散 失，而相对人员散热影响较小。当随着采深不断增 加，岩层的稳增效应加大，煤岩壁蕴含的热量大幅 度增加，并通过辐射和对流等方式传递至工作面内 部，即采深增加后，地热影响将最为突出。 2 井下降温冷负荷计算 采掘工作面需冷量 312 QGII⋅− （1） 312 QqIIρ⋅⋅− （2） 式中 Q- 采、掘工作面的需冷量，kW； G- 采、掘工作面的质量风量，kg/s； I1- 处理前采、掘工作面的风流焓值，kJ/kg； I2- 处理后采、掘工作面的风流焓值，kJ/kg； q- 工作面内局部通风风量，m/s； ρ- 空气密度，kg/m。 根据 GB50418-2017煤矿井下热害防治设计 规范第七章相关要求，以及二号井 020602 综放 工作面各项指标情况，其中处理前采、掘工作面的 风流焓值为 106.3kJ/kg，处理后采、掘工作面的风 流焓值为 84.5 kJ/kg，工作面内的供风量为 16.6m/s， 空气密度为 1.22 kg/m，通过公式（2）计算 312 QqIIρ⋅⋅− 16.61.2221.8 441.5kW 将 020602 综放工作面各冷负荷参数汇总后， 见表 2 所示。 表 2 采煤工作面冷负荷计算表 项目羊场湾煤矿 基础数据 降温地点020602 回采工作面 大气压力91.09kPa 配风量1000m3/min（16.7m3/s） 最高温度30℃ 相对湿度接近 95 空气焓值106.3kJ/kg 降温目标 处理温度28℃ 处理湿度80 空气焓值84.5 kJ/kg 需冷量 焓变冷负荷441.5 kW 富裕系数1.2 总冷负荷529.8kW 配冷量529.8kW 3 制冷方案选择 由于造成羊场湾煤矿工作面内温度超限的原因 主要为机电设备散热，该类情况特点在于热源主要 影响设备所在局部区域，而且采用全矿井降温系统 经济投入较大，且需要较长的建设周期，不利于快 速解决井下热害问题。考虑到羊场湾煤矿工作面热 害特点，计划采用直冷式局部降温制冷装置来控制 采掘工作面的局部高温。该类系统通常由制冷主机、 蒸发器、空冷器三大主要部分以及各类管路和控制 阀组成。 3.1 降温设备选型 1562020 年第 1 期 动过程应尽量不对隔水层造成破坏，减小含水层之 间水力联系，避免带压开采底板发生塑性破坏。为 维持隔水层的稳定，可通过注水泥浆和水玻璃对隔 水层进行加固。 （3）对于通过断层等地质构造的工作面，可 通过提前探放水措施以及直流电法和音频电透视手 段为主的综合立体物理勘探对工作面底板完整性进 （上接第 153 页） 根 据 020602 综 采 工 作 面 实 际 需 冷 量 为 529.8kW，计划选取 450 型局部移动式制冷主机， 并根据冷量需求，选择 3 套制冷设备，实现两开一 备的运行方式，维持 900kW 的总的制冷量。由于工 作面内风量应满足 800m3/min 的风量需求，制冷主 机蒸发器空气压降＞ 1150Pa，全风压＞ 1250Pa， 与制冷主机对应选型应两开一备；冷却器气压降＞ 1000Pa，全风压＞ 1100Pa，同样两开一备；冷却水 泵选型为 MD100 型冷却水泵，经济流速为 1.5m/s， 主路选取 D1087 无缝钢管，管线长度为 6500m， 冷却水路管路铺设路为1 号制冷站 -020602 工作 面机巷 -2 号制冷站 -0206021联络巷 -020602 工作 面风巷 - 冷却站。所有冷却水管需做隔热处理。喷 淋水管路中喷淋水泵选型为 MD25 型单台冷却器， 需水量为 25m3/h，采用 1 用 1 备。 3.2 设备布置方式 020602 工作面内共计 3 套局部降温制冷设备， 考虑到冷却站尺寸和不影响工作面正常运输和通行 秩序，冷却站设置在空间较大的 020602 风巷内，也 避免了单独开凿专用硐室。经过测试，回风巷内整 体回风量为 1000m3/min，巷道内部温度约为 30℃， 满足冷却站散热要求。两套局部制冷装置设置在回 采工作面切眼 500m 处，称为 1 号制冷站；在巷道 中部单独设置 1 套局部制冷装置，称为 2 号制冷站。 各套制冷装置包含有 450 型制冷主机、450 型蒸发 器及配套对旋风机，冷风通过胶质风筒输送到工作 面内部，各冷却器设置在冷却站内，为 3 台 LQ-600 的排热型冷却器、排热风机、水泵及配套水箱。各 套制冷装置使用过程中实行 2 开 1 备。为了避免受 到工作面前端爆破作业和回采割煤作业的影响，制 冷机应前移过程中应和工作面前端保持合适的安全 距离，并以工作面每推进 200m 进行一次前移，确 保工作面至制冷机范围内部温降可达 56℃以上。 4 制冷效果分析 020602 综采工作面的局部制冷装置设置完成 后，进行了一个月的试运行。通过对工作面内部各 处设置的温、湿度传感器的反馈数据进行汇总，并 对比局部制冷装置使用前后工作面内部的温湿度变 化（见表 3），数据充分说明局部制冷装置的使用 改善了工作面内部湿热的工作环境，起到良好的降 温效果，为井下作业人员创造了良好的作业条件。 表 3 020602 综采工作面局部制冷装置效果数据汇总表 装置 状态 风筒温度 /℃ 风筒出口温度 /℃ 工作区域温度 /℃ 工作区域湿度 / 停机30.631.131.995 开机18.924.128.683 矿井热害是多种因素造成的，使用局部制冷降 温装置等单一措施效果是有限的。结合调整局部通 风方式、工作面局部通风能力以及减少机电设备散 热等综合措施，才是工作面内环境温度控制合理范 围的最佳方式，也能降低局部制冷降温装置工作负 荷，做到降低能耗。 【参考书目】 ［1］ 杨永峰，李全根 . 局部降温技术在平煤十矿的研 究与应用 [J] 煤炭工程，2009（10）52-54. ［2］ 严明庆 . 霄云煤矿井下集中降温系统系统设计研 究 [J] 煤炭机械，2018（08）6-8. ［3］ 刘桂平，陈孜虎 . 平煤四矿地面集中降温系统控 制单元的设计与应用 [J] 矿山机械，2017（11） 47-50. ［4］ 陈孜虎，姬建虎，曾明明 . 冷热电联系统在煤矿 降温系统中的应用 [J] 煤矿安全，2014（02） 100-101. ［5］ 严明庆 . 阳城煤矿井下集中制冷降温技术研究及 应用 [J] 煤矿机械，2018（02）120-122. ［6］ 姬建虎， 廖强， 胡千庭， 等.热害矿井冷负荷分析[J] 重庆大学学报，2013（03）125-131. 行提前预判，有异常情况及时采取措施，防止底板 突涌事故的发生。 【参考书目】 ［1］ 代革联，杨韬，郭国强，等 . 带压开采首采工作 面底板破坏深度研究 [J]. 煤炭科学技术，2016， 44（08）56-60． ［2］ 胡耀青 . 带压开采岩体水力学理论与应用 [D]. 太 原理工大学，2003. （下转第 159 页）