霄云煤矿井下集中降温系统研究_姬建虎.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 随着我国煤炭浅部资源的逐渐减少，地下开采 深度越来越大[1]， 矿井进入深部开采后， 面临着较为 严重的高温热害问题[2-3]。霄云煤矿位于山东省济宁 市金乡县霄云镇境内。矿区气候温和，属温带半湿 润季风区海洋～大陆性气候。年最高气温41.6 ℃， 最低气温-19.4 ℃， 年平均气温 13.6 ℃。 根据矿井地 质勘探相关资料，生产区域采深均在-600～-800 m 水平之间，开拓区域采深在-600～-1 000 m 水平之 间， 地面标高38 m。目前一水平采掘工作面夏季回 风温度达到 31～33 ℃，属Ⅱ级热害矿井；预计到达 二水平-1 000 m 深部后地温将达到 42～46 ℃， 为Ⅱ 级热害区，届时采掘工作面的平均气温将高达 36 ℃， 属Ⅲ级热害。 霄云煤矿部分采掘进工作面的温度 高达 33 ℃， 相对湿度近似 100。根据 煤矿安全规 程 中生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过 26 ℃的规定， 霄云煤矿首先采用了局部制冷降温措施， 但是局部制冷降温系统不能解决根本问题。因此， 综合考虑，建立集中式制冷降温系统对全矿井降温 十分必要。 1矿井概况 霄云煤矿井田东西长 8.1 km，南北宽 2.9 km， 面积 23.42 km2，煤炭地质储量量， 10 120.2 万 t， 可 采储量 4 791.5 万 t， 主采煤层 3 煤， 平均厚度 3.49 m， 倾角一般在 10～21。煤种为焦煤、 非煤， 煤质具 有低灰、特低硫、高发热量，属于华东地区稀缺煤 种， 是良好的炼焦配煤和动力用煤。矿井 2008 年 4 月开工建设，2013 年 7 月正是投产， 矿井设计生产 能力 90 万 t/a， 服务年限为 41 年， 并配有同等能力 的 1 座选煤厂， 矿井概算总投资 14.8 亿元。现开采 水平-790 m， 采用一对立井开拓， 中央并立抽出式 通风。 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.022 霄云煤矿井下集中降温系统研究 姬建虎 1， 2， 张明雨3， 贾文明1， 2， 张习军1， 2 （1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 2．中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 3．山东济宁能源发展集团有限公司 霄云煤矿， 山东 济宁 272213） 摘要 为彻底解决霄云煤矿井下热害问题， 建立了井下集中降温系统， 设计选用 2 套矿用防爆 ZLS3300/10000 型井下集中制冷机组， 降温系统结构紧凑， 可服务 2 个综采工作面和 8 个掘进工 作面。通过测试， 2 个采煤工作面干球温度平均降幅分别为 7.2 ℃和 9.25 ℃， 工作面湿度为 75 左右， 各项指标均达到规定要求， 工作环境得到显著改善， 提高了矿井职业健康水平和劳动效率。 关键词 集中制冷机组； 矿井热害； 集中降温； 温度； 降温系统 中图分类号 TD727.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0097-05 Research on Centralized Cooling System in Xiaoyun Coal Mine JI Jianhu1,2, ZHANG Mingyu3, JIA Wenming1,2, ZHANG Xijun1,2 （1.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency, Chongqing 400037, China；2.China Coal Technology ＆ Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China；3.Xiaoyun Coal Mine, Shandong Jining Energy Development Group Co., Ltd., Jining 272213, China） Abstract In order to completely solve the problem of underground heat damage in Xiaoyun Coal Mine, an underground centralized cooling system was established. Two sets of mine explosion-proof ZLS3300/10000 centralized refrigeration units were designed. The cooling system is compact and can serve two working faces and eight heading faces. After testing, the dry bulb temperature of the two coal mining faces was reduced on average 7.2 C and 9.25 C respectively, and the working surface humidity was about 75 . All the indicators met the specified requirements, the working environment has been significantly improved, and the occupational health level and labor efficiency of the mine have been improved. Key words centralized cooling system； heat damage of mine； centralized cooling； temperature； cooling system 97 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 2井下集中制冷排热系统流程图 图 1井下集中制冷系统图 矿井采用立井开拓方式，其中副立井担负进风 及提升人员、 物料的任务， 主立井提煤兼做回风井。 主井直径 5.0 m， 垂深 840 m， 副井直径 5.5 m， 垂深 860 m。井底车场水平-790 m， 井底车场向南布置 3 条石门进入一采区，分别为轨道石门、运输石门和 回风石门。矿井现有 2 个采区， 即一采区、 二采区。 2设计目标和冷负荷确定 1） 设计目标。掘进工作面距迎头不超过 100 m 时， 迎头干球温度降至 28 ℃； 采煤工作面距工作面 进风口不超过 100 m 时，回风口干球温度降至 28 ℃。设计依据为矿井通风、 掘进、 给排水、 供配电、 矿 井开拓、 生产、 地质、 矿区平面布置等资料、 国家相 关法律法规、 技术标准、 规范等。 2） 冷负荷确定。根据 GB 504182007 煤矿井 下热害防治设计规范 和 MT/T 11362011 矿井降 温技术规范 的相关规定， 则冷负荷应按照文献[4- 5] 相关公式计算，霄云煤矿采煤工作面风量 1 000 m3/min、 掘进工作面风量为 500 m3/min， 目标温度为 27 ℃、 相对湿度 75。根据霄云煤矿夏季生产期间 最高温度 33 ℃、相对湿度 95，以及其他相关数 据， 经计算采煤工作面需冷量为 1 350 kW、 掘进工 作面需冷量为 390 kW。根据实际情况， 霄云煤矿井 下集中制冷降温系统按 2 个采煤工作面 8 个掘进工 作面设计，计算采掘工作面总的需冷量得 5 820 kW， 考虑备用系数 1.1， 则总需冷量为 6 402 kW。 3井下集中降温系统 1） 服务范围。2018 年夏季霄云煤矿采掘工作部 署，集中降温系统设计服务范围确定为两面八头 1313 采煤工作面、 1314 采煤工作面、 1310 轨道巷、 1310 运输巷、 2301 轨道巷、 2301 运输巷、二采区轨 道上山、二采区运输上山、三采区轨道大巷和三采 区回风大巷。降温系统一次性设计， 不设扩容空间， 制冷机组制冷量、主管路规格型号均按两面八头总 容量进行选型设计，循环水泵扬程按照降温系统深 部服务范围选型。 2） 总体方案。总体方案为 在-790 m 水平井底 车场附近新掘 1 条巷道作为制冷硐室，安装制冷机 组及其他机电设备。根据矿井采掘计划安排， 降温 系统前期服务-600～-800 m 水平之间的采掘工作 面，主要设备及管路集中在该区域范围内，二水平 （三、 四采区） 深部采区正在开拓过程中， 为后期降 温系统重点服务范围，重点以一水平采掘工作面为 主。制冷机组、冷冻水循环水泵和供配电设备布置 在-790 m 水平制冷硐室内， 循环冷却水管路沿制冷 硐室→主井井筒→地面泵站→管道井→制冷硐室布 置， 冷凝热通过地面冷却塔排放； 冷冻水循环管路沿 制冷硐室→轨道石门→各采掘工作面双趟布置， 管 路末端位置安装空冷器。霄云煤矿井下集中制冷系 统图如图 1。 3） 系统构成。霄云煤矿井下集中制冷降温系统 与阳城煤矿井下集中降温系统其主要构成基本相 同[6]， 不同之处在于排热系统， 霄云煤矿需要新建地 面冷却塔。霄云煤矿井下集中制冷降温系统的排热 工艺为 约 41 ℃的冷却水从制冷机组冷凝器出水端 出来， 通过冷却水回水管路 （主井原设计 2 趟直径为 273 mm 的制冷管路） 通往地面泵站屋面的冷却塔， 在冷却塔中冷却后， 通过地面钻井管道 （直径 377 mm 的冷却水回水管） 通往井下制冷机组冷凝器进水端， 井下集中制冷排热系统流程图如图 2。 4） 制冷主机和空冷器选型。根据冷负荷可以确 定降温系统制冷机组选型，方案中选择中煤科工集 团重庆研究院有限公司 ZLS3300/10000 型制冷机 组。主要参数为单机制冷量 3 300 kW， 冷冻水进出 98 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 61308 采煤工作面除湿效果 图 41308 采煤工作面干球温度降温效果 图 31308 采煤工作面降温效果检测点布设 水温度分别为 18 ℃和 3 ℃， 根据计算需冷负荷为 6 402 kW， 因此需选用制冷机组 2 套， 总制冷负荷为 6 600 kW。根据采掘煤工作面的计算的需冷量， 采煤 工作面配置 4 台 400 kW 螺旋紫铜管空冷器，合计 制冷量 1 600 kW，掘进工作面配置 1 台空冷器， 制 冷量 400 kW。 4系统调试 集中制冷降温系统调试须在整体工程全部完 工后，所有的设备及管路系统调试合格后，完全具 备调试条件方可进行。基本程序为地面补水系统 调试→循环冷却水系统调试→井下补水系统调试→ 循环冷冻水系统调试→制冷机组调试→系统整体试 运行。 制冷机组调试及运行步骤为 1） 调试程序。主要程序如下 气密性测试→系 统吹扫→压力试验→真空试验→加冷冻油→加制冷 剂→开机调试→补足制冷剂→机组试运行[7]。 2） 制冷机组开机程序。 为了确保制冷机组的稳 定运行， 冷却水和冷冻水水质必须满足 GB 50050 2017 工业循环冷却水处理设计规范 的要求。在冷 却水和冷冻水循环管路安装完后，要按照相应的规 范要求进行冲洗和打压。制冷机组调试之前，所有 位于井下制冷硐室的其他相关电气设备都应调试完 成，制冷硐室安装了井下集中降温系统的大部分机 电设备， 如水泵、 过滤、 仪器仪表、 开关、 软起动、 变 压器、 变频器、 照明、 监控 PLC 等[8]。 3） 开机。 开机之前应确定所有阀门开关状态正 确、冷冻水系统和冷却水系统运行正常、冷冻水和 冷却水流量正常，确定各相关参数达到开机要求 后， 启动制冷机组。 5采煤工作面效果检测 制冷系统正常运行一段时间之后， 对井下热害 较为严重的 2 个采煤工作面进行了效果检测，工作 面末端共运行的空冷器为 7 台， 分别在 1308 采煤工 作面轨道巷布置 4 台、 1313 面运输巷布置 3 台。 5.11308 采煤工作面参数测定 1308 采煤工作面轨道巷空冷器布置及参数测 点选取如图 3。 根据图 3 选取的测点， 连续测 2 d， 每 天 3 班， 每班测 1 组， 共 6 组数据， 取平均值。将测 定数据绘制为图表，其降温前后的干球温度、湿球 温度和相对湿度对比分别如图 4图 6。 由图 4图 6 可以看出， 受热源放热影响， 降温 图 51308 采煤工作面湿球度降温效果 99 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 101313 采煤工作面除湿效果 图 91313 采煤工作面湿球温度降温效果 图 81313 采煤工作面干球温度降温效果 图 71313 采煤工作面降温效果检测点布设 前后风流沿风机、工作面进风和回风都为逐步加热 加湿过程， 温度湿度都沿风流增加[9-10]。 空冷器入风口风流温度为 30.5 ℃， 经过空冷器 后，温度降低至 16.8 ℃，降温幅度为△T1为 13.7 ℃。降温后的风流至 1308 采煤工作面入风口时， 干 球温度 22.5 ℃， 湿球温度为 19.3 ℃， 相对湿度降为 74，相比降温前 31.4 ℃的工作面入口干球温度， 降温幅度△T2为 8.9 ℃， 同理， 工作面回风口降温前 后的降温幅度△T3为 5.5 ℃，距离工作面回风口 100 m 的回风巷测点的降温幅度△T4为 4.1℃。 湿球温度降温前后变化情况与干球温度变化相 似。1308 采煤工作面进、 出口降温幅度△T1和△T2 分别为 10.6 ℃和 7.9 ℃。 相对湿度降温前后变化情况与温度变化也比较 相似，不同的是由于降温除湿的原因，空冷器出风 口的相对湿度为 98，1308 采煤工作面进、 出口相 对湿度降幅△1和△2分别为 16和 18， 湿度降低 分别至 74和 78，工作面中部的相对湿度降至 72。 5.21313 采煤工作面参数测定 1313 采煤工作面轨道巷空冷器布置及参数测 点选取如图 7。 依次选取运输巷 1、 2空冷器入风口 （局部通风机前 1 m 处） 、 1、 2空冷器出风口（空冷 器后 1 m 处） 、 3空冷器出风口 （空冷器后 1 m 处） 、 3空冷器出风口 50 m 处、 采煤工作面入风口、 工作 面中间、 工作面回风口和 1313 运输巷回风口 100 m 位置， 共 8 个测点。 测定方法与 1308 工作面一致， 取 平均值，其降温前后的干球温度、湿球温度和相对 湿度对比分别如图 8图 10。 1313 采煤工作面空冷器入风口风流温度为 31.3 ℃， 经过空冷器后， 温度降低至 16 ℃， 降温幅度 为△T1为 15.3 ℃，工作面入口干球温度降温幅度 △T2为 7.6 ℃，工作面回风口降温幅度△T3为 5.8 ℃，距离工作面回风口 100 m 的回风巷测点的降温 幅度△T4为 5.5 ℃。 1313 采煤工作面湿球温度降温前后变化情况 与干球温度变化相似。其工作面进、出口降温幅度 △T1和△T2分别为 9.8 ℃和 8.7 ℃，工作面中部降 温幅度为 9.7 ℃。 相对湿度降温前后变化情况与 1308 湿度变化 比较相似， 由于空冷器布设方式不同， 降温后图 8 中 测点 2、测点 3 的空冷器出风口的相对湿度分别为 98和 95。1313 采煤工作面进、 出口相对湿度降 100 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 幅△1和△2分别为 19和 17，湿度降低分别至 74和 78， 工作面中部的相对湿度降至 76。 6结语 1） 霄云煤矿井下集中制冷降温系统计算设计合 理、 结构紧凑， 能够对矿井范围进行全覆盖降温。选 用 2 套 ZLS3300/10000 型制冷机组， 6 600 kW 总制 冷量满足负荷要求。 2） 制冷系统调试及效果检测显示， 1308 采煤工 作面进、 出口干球温度降温幅度分别为 8.9 ℃和 5.5 ℃， 1313 采煤工作面进、出口干球温度降温幅度分 别为 9.8 ℃和 8.7 ℃， 2 个工作面平均降温幅度为 7.2 ℃和 9.25 ℃， 降温除湿效果显著。 3） 霄云煤矿井下工作面作业环境得到显著改 善， 提高了矿井职业健康水平和劳动效率。 4） 霄云煤矿井下集中制冷降温系统在节能和效 率方面还需进一步研究。 参考文献 ［1］ 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等．煤炭深部开采与极限开 采深度的研究与思考 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （4） 535－542． ［2］ 何国家， 阮国强， 杨壮．赵楼煤矿高温热害防治研究与 实践 ［J］ ．煤炭学报， 2011， 36 （1） 101－104． ［3］He Manchao． Application of HEMS cooling technology in deep mine heat hazard control［J］ ． Mining Science and Technology, 2009, 19 （3） 269-275． ［4］ 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， 36 （4） 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