一级热害区回采工作面移动风冷降温技术_李文福.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 一级热害区回采工作面移动风冷降温技术 李文福 １， 宋战宏１， 张红卫１， 吴奉亮２ （1.陕西彬长孟村矿业有限公司， 陕西 咸阳 ７１３６００； ２．西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 ７１００５４） 摘要针对孟村煤矿回采工作面的热害情况， 研究利用矿井供、 排水系统排热的回采工作面移 动风冷降温技术。根据孟村煤矿回采工作面热害现状， 计算了回采工作面的需冷量。分析了水 冷、 风冷 ２ 种局部制冷降温系统在回采工作面的适用性。针对矿井回采工作面涌水来自煤层顶 板、 水温不高， 现有供、 排水系统具备自然冷却涌水的特点， 提出制冷机冷却水取自矿井供水管 路、 排至巷道水沟的回采工作面移动风冷降温技术。选用 １ 台 ＺＬＦ－４５０ 移动风冷机组在首个回 采工作面进行试验。结果表明 制冷机冷却水回水温度略高于矿井涌水， 与回采工作面涌水在水 沟混合后的水温升高仅为 ０．４ ℃；风冷机组运行正常，能效比达到 ３．０５，工作面平均温度降低 ２．８ ℃。采用矿井供、 排水系统排热， 没有为制冷系统铺设任何专用管路， 显著降低了系统造价。 关键词矿井热害； 移动风冷； 降温系统； 一级热害； 回采工作面 中图分类号TD7２７文献标志码Ｂ文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５-0093-05 Moving Refrigeration and Cooling Technology for Coal Mining Face at the First Level Heat Damage Area LI Wenfu1, SONG Zhanhong1, ZHANG Hongwei1, WU Fengliang2 （1.Shaanxi Binchang Mengcun Mining Co., Ltd., 713600, Xianyang 713600, China;2.College of Safety Science and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract Aiming at the thermal hazards of mining face in Mengcun Coal Mine, a movable air chilled refrigeration system for coal mining face is studied based on the mine water supply and drainage system to reject heat. According to the present situation of thermal hazards in Mengcun Coal Mine, the chilling requirement of coal mining face is calculated. The applicability of two local refrigeration systems, water cooling and air cooling, in coal mining face is analyzed. The characteristics of water gushing from coal seam roof and low water temperature are analyzed. The technology of moving air-chilled refrigeration system in coal mining face is proposed, where the cooling water of refrigeration unit is taken from mine water supply pipeline and discharged to tunnel water ditch. A ZLF-450 movable air-chilled refrigeration unit was selected to test in the first mining face. The results show that the return water temperature of the cooling water from the refrigerator is slightly higher than that of the mine water, and the water temperature rising after mixing with the water from the mining face in the ditch is only 0.4 ℃; the refrigeration unit operates normally, energy efficiency ratio reaches 3.05 and average temperature of the working face reduces by 2.8 ℃; the system uses mine water supply and drainage system to reject heat without laying any special pipeline for refrigeration system, which greatly reduces the cost of the refrigeration system. Key words mine heat damage; movable refrigeration; cooling system; the first level heat damage; mining face 随着煤炭开采向深部延伸， 原始煤岩温度升高， 高温热害成为深部煤炭资源开采必须面临的问 题[1]。孟村煤矿位于陕西彬长矿区中西部， 最大开采 深度 890 m，正在开采的首个回采工作面处于原始 煤温 34 ℃的一级热害区，回采工作面上隅角风温最 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.018 李文福， 宋战宏， 张红卫， 等．一级热害区回采工作面移动风冷降温技术 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５ ） 93-97. LI Wenfu, SONG Zhanhong, ZHANG Hongwei, et al. The Moving Refrigeration And Cooling Technology For Coal Mining Face at the First Level Heat Damage Area ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 93-97. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51974232） 移动扫码阅读 技术 创新 93 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 高时为 32 ℃。 尽管通风是最方便、 经济的降温方法[2]， 但目前孟村煤矿回采工作面配风量已达到 1 900 m3/min，通过直接增加风量不仅不能有效改善回采 工作面的热湿环境，而且还会加大采空区漏风、 增 加采空区遗煤自燃风险。因此，急需建立人工机械 制冷降温系统。国内外热害明显的矿井多采用以 水、冰为载冷剂的人工机械制冷系统，研究表明井 深超过 3 000 m 后，冰冷系统相比于水冷系统才会 显示出更好的经济性[3-4]。另外从制冷系统的不同布 置形式来看，国内使用井下集中降温系统的占 36， 使用地面集中降温系统的占 24， 使用局部移 动降温系统的占 61[5-6]， 且建立集中降温系统的矿 井开采煤层多处于二级热害区。由于制冷系统总体 上存在设备昂贵、 能耗高等问题[7-8]， 因地制宜地构 建经济、高效的矿井制冷降温系统受到许多学者的 关注， 如以矿井涌水作为冷源[9]， 利用防尘水、 乳化 液对回采工作面进行均匀供冷[10]， 针对季节性热害 在井口冷却全风量[11]等。 综上， 在矿井空调系统的载 冷、排热工艺上形成因地制宜的措施，是学者们提 高矿井空调系统的经济性普遍采用的方法。矿用风 冷机组具有造价低、冷损小的特点，但其排热困难 的缺点限制了它的应用范围。结合孟村煤矿一级热 害，回采工作面涌水温度高等特点，提出采用矿井 供、排水系统来解决移动风冷系统排热难的问题， 将移动风冷技术用于回采工作面热害防治，并对这 一思路的可行性在现场进行试验。 1孟村矿采煤面热害状况及需冷量 1.1矿井热害状况 孟村井田位于彬长矿区中西部，恒温带深度 22～25 m，温度 13.5 ℃，井田平均地温梯度为 3.76 ℃/hm。 经现场观测， 矿井掘进工作面无明显热害， 夏 季最高风温 26 ℃，矿井主要热害集中在回采工作 面。矿井首个回采的 401101 工作面布置图如图 1， 采用后退式开采、“U” 形通风系统， 可采走向长2 090 m、 工作面斜长 180 m， 回采工作面大部分处于一级 热害区。工作面涌水主要来自顶板，平均涌水量 695 m3/h， 水温 30～32 ℃， 涌水汇入位于工作面进风 巷中部的回采工作面水仓， 水仓水温基本恒定在 30 ℃。回采工作面回采初期， 未采取制冷降温， 现场测 定的冬、夏两季回采工作面转载机头到上隅角的风 流温度如图 2。 从图 2 可以看出，冬季工作面上隅角风流温度 最高为 26 ℃， 未出现热害。 夏季， 工作面进风巷的大 部分区域没有超过 26 ℃， 也无热害现象； 但由于回 采工作面较长， 回采中剥落的高温煤体量大， 回采工 作面入口风温超过 28 ℃， 上隅角处达到 32 ℃， 可见 矿井热害主要在回采工作面。 1.2回采工作面需冷量 对于生产矿井， 一般采用式 （1） 的焓差法来计算 回采工作面需冷量 Q Q＝ｋＧ （ｉ１－ｉ２）（1 ） 式中 Q 为需冷量， kW； G 为风流的质量流量， kg/s； k 为考虑冷量损失和制冷系统安全性的富裕系 数，取 1.2； i 为焓值； ｉ１、 ｉ２分别为降温前后高温地点 空气的焓值， kJ/kg。 ｉ＝１．００４ ５ｔ＋ｄ （２ ５０１＋１．８５ｔ）（2 ） 式中 ｔ 为空气的温度， ℃； ｄ 为空气的含湿量， kg/kg。 ｄ＝０．６２２ φpｓ p－φpｓ （3） 图1401101回采工作面布置图 Fig.1Layout of 401101 mining face 图2制冷降温前距工作面入风口不同距离风温 Fig.2Temperature distribution at different distances from the air inlet of working face before cooling 94 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图5回采工作面移动制冷降温系统示意图 Fig.5Diagram of moving cooling system of mining face 式中 φ 为空气的相对湿度， ； p 为空气的压 力， Pa； ps为空气温度为 t 时对应的饱和水蒸气分 压， Pa。 ps＝６１０．６２ｅｘｐ １７．２６９ｔ ２３７．３＋ｔ ｔｔ（4） 401101 工作面的通风量为 1 900 m3/min，取制 冷降温前工作面上隅角风温为 32 ℃、相对湿度 85； 制冷降温后工作面上隅角风温 26 ℃、 相对湿 度 95。 现场测得工作面空气平均绝对静压 96 635 Pa， 平均密度为 1.09 kg/m3。根据式 （1 ） 式 （4） 求得 401101 工作面需冷量 Q 为 885.3 kW。 2回采工作面移动风冷降温技术 2.1不同制冷降温系统的适用性 以矿井空调中主要使用的压缩式蒸气制冷机来 分析，根据与制冷机蒸发器换热形式的不同，局部 移动式制冷降温系统还分为制取冷冻水与冷冻风 2 种方式。制冷剂通过蒸发器带走被冷却的低温物体 的热量，并在冷凝器处将这些热量传给高温处的冷 却水。制取冷冻水的方式是指制冷机首先制取冷冻 水 （与蒸发器换热） ， 再将冷冻水送至工作面近处， 通过空冷器冷却风流。局部水冷降温系统布置示意 图如图 3，这种系统的优点是制冷机的位置在 1 个 工作面回采期间相对固定、排热方便，但需要铺设 冷冻水管路、存在一定的冷损。冷冻风的方式采用 蒸发器直接冷冻风流，局部移动风冷降温系统布置 示意图如图 4，制冷机组随着工作面的回采而不断 移动位置，其优点是对风流冷却效果好、不用铺设 冷冻水管路，缺点是常需要铺设冷却水管路、排热 困难。综上可见， 局部移动风冷降温系统更加简单， 设备投资小， 但由于受排热条件的限制很难将其应用 到回采工作面，如能合理解决冷却水的排热问题， 则可为回采工作面的热害防治提供新的思路。 2.2回采工作面移动风冷降温技术 经现场观测矿井首个回采工作面平均涌水量为 695 m3/h，平均水温 ty约 32 ℃。矿井涌水经水仓排 至地面净化、 自然冷却后 （夏季约 23 ℃） ， 再经供水 系统输送至井下使用。根据矿井涌水与供水水温的 情况， 建立的回采工作面移动风冷降温系统如图 5。 该系统使用矿井生产供水作为冷却水，高温冷 却水回水直接排入水沟。取制冷系统的能效比为 3.5， 为达到回采工作面 885.3 kW 的需冷量 Q， 计算 得到制冷系统的总排热量 Qp为 1 138 kW，设计冷 却水温升△T 为 10 ℃，水的比热容 Cs取 4.2 kJ/ （kg ℃） 、 密度 ρs取 1.0103kg/m3， 则冷却水需水量 Vs97.5 m3/h。 Vs＝ Qp ρsCs△T 式中 Vs为冷却水需水量， m3； Qp为制冷系统总 冷却量， ℃； △T 为设计冷却水温度， ℃； Cs为水的比 热容， kJ/ （kg ℃） ； ρs为水的密度， kg/m3。 图 5 中冷却水回水温度 tc（33 ℃， 按温升 10 ℃ 计算） 在水沟与矿井涌水混合后， 进入排水系统。考 虑涌水的不均匀性，取工作面进风巷水沟中的平均 水流量 Vy为 180 m3/h， 计算制冷机冷却水排水口下 游的水温 th32.4 ℃。 th VytyVstc VyVs 式中 th为制冷机排水口下游水温， ℃； Vy为进 风巷平均水流量， m3/h； Vs为冷却水需水量， m3； ty为 工作面涌水温度， ℃； tc为冷却时回水温度， ℃。 图3局部水冷降温系统布置示意图 Fig.3Diagram of local water cooling system 图4局部移动风冷降温系统布置示意图 Fig.4Diagram of local moving air cooling system 95 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图7系统运行温度曲线 Fig.7Temperature curves of system operating 可见水沟内水的温升仅为 0.4 ℃。由于水沟与 风流的换热面较小，且后期还可通过增加盖板， 或 采取减小水沟宽度、加大深度的办法来降低水沟内 热水对风流的放热。因此，即便矿井供水水温有升 高，致使冷却水回水温度升高，其对进风风流的热 污染也不会很明显。同时，在回采工作面进风巷的 中部设有水仓，水沟中水流路线较短，这些都有利 于减小水沟对风流的散热。 3回采工作面移动风冷降温现场试验 3.1试验方案 选用制冷量为 450 kW 的 ZLF-450 型矿用冷风 机组在矿井首个回采工作面进行试验。该机组冷凝 器对冷却水的进入温度可放宽至 32 ℃， 排水温度达 40 ℃， 机组的其它主要技术参数如下 ①电机功率 132 kW； ②蒸发器额定冷却功率 450 kW； ③蒸发器 入口空气温度 32 ℃；④蒸发器入口空气湿度 70； ⑤蒸发器出口空气温度 20 ℃； ⑥蒸发器出口 空气湿度 100；⑦蒸发器冷却风量 540～600 m3/ min； ⑧冷凝器功率 560 kW； ⑨冷凝器进水温度 32 ℃；輥輮訛冷凝器出水温度 40 ℃；輥輯訛冷凝器中循环水 量 75 m3/h。 根据 401101 回采工作面需冷量计算结果， 回采 工作面需配置 2 台 ZLF-450 型制冷机组。出于试验 考虑，在首个回采工作面暂选用了 1 台机组进行试 验。风冷机组放置在距工作面 200 m 处， 其蒸发器 与主机通过管道连接、分离布置蒸发器入口接风 机、 出口接风筒， 通过支架高置于带式输送机之上； 主机位于带式输送机旁边。风筒将冷风送到距工作 面 50～100 m 位置， 冷却水则直接排至巷道水沟。随 着工作面的回采， 制冷机组相应移动位置。 3.2效果考察 制冷降温系统于 2018 年 8 月调试正常后开始 运行。由于矿井供水系统设计时没有考虑制冷系统 的用水，因此存在一定的供水不足，试验时对冷却 水量分别为 30 m3/h 与 50 m3/h 时的工况进行了观 测、并与实施制冷降温前的风温进行了比较，制冷 降温前后工作面风流温度如图 6。 由图 6 可见， 在冷却水供水量为 30 m3/h 时， 工 作面风流温度最大降低 1.2 ℃， 平均降温 1 ℃， 工作 面上隅角风流平均温度为 31.2 ℃， 较局部制冷降温 前风流温度 （32 ℃） 降低 0.8 ℃。在冷却水供水量为 50 m3/h 时， 工作面风流温度最大降低 3.4 ℃， 平均 降温 2.8 ℃， 工作面上隅角风流平均温度为 29.8 ℃， 较局部制冷降温前风流温度 （32 ℃） 降低 2.2 ℃。从 试验结果可以看出，冷却水供水量对制冷机的制冷 效果有明显影响。由于当前供水系统只能为制冷系 统提供 50 m3/h 的稳定水量，因此效果并没有达到 设计状态。 冷却水供水量为 50 m3/h 时系统运转期间不同 时刻水温变化曲线如图 7。 从图 7 可见， 制冷机在运行 32 h 后， 系统保持 在 1 个稳定的状态。来自地面水池的冷却水温度稳 定在 23.2 ℃， 冷却水出水温度稳定在 32.3 ℃； 回采 工作面涌水水温稳定在平均值为 30.5 ℃， 与冷却水 混合后稳定在 30.9 ℃， 温度上升了 0.4 ℃， 混合后的 水经排水系统进入地面水池自然冷却，再送入井下 循环使用。 工作面进风巷涌水量 180 m3/h， 冷却水循 环水量 50 m3/h， 冷却功率 531 kW， 蒸发器进口空气 温度 27.4 ℃、 相对湿度 85， 蒸发器出口空气温度 17.2 ℃、相对湿度 80，蒸发器冷却风量 600 m3/ min， 制冷量 400 kW， 系统的能效比为 3.05。 综上， 通过优化矿井供水系统， 加大制冷机冷却 水供水量，可以保证制冷机组正常工作；使用 2 台 图6制冷降温前后工作面风流温度 Fig.6Air temperature of working face before and after cooling 96 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 ZLF-450 型机组可达到预期的降温要求。 4结论 1） 提出了回采工作面局部移动风冷降温技术。 该系统将移动制冷机放置于距工作面 200 m 内的 进风巷，采用矿井生产供水作为冷却水，冷却水的 高温回水直接排入水沟。系统充分利用了矿井供、 排水系统，避免了为制冷系统增设专用管路，实现 了将造价低、易于维护的矿用移动制冷技术应用于 高温回采工作面的热害防治。 2） 现场试验结果表明制冷机组向水沟排入的高 温冷却水与回采工作面涌水水温相近，建立的回采 工作面局部移动风冷系统可以稳定高效运行。回采 工作面涌水与冷却水混合后温度上升 0.4 ℃，工作 面风流温度平均降低 2.8 ℃，制冷机的能效比达到 3.05， 2 台 ZLF-450 型机组可满足回采工作面热害 防治的需要。 3） 冷却水的供水量对制冷效果有明显影响， 矿 井供水系统在设计时往往没有考虑制冷机组的用水 需求，导致制冷机组的供水量不足，增加了设备故 障率。因此，矿井应在后期对供、排水系统进行改 造， 加大生产供水量， 保证制冷机组的正常运转。 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］ 陈平．采用压气供冷的新型矿井集中空调系统 ［Ｊ］ ． 矿业安全与环保， ２００４， ３１ （３） １－３． ［３］ 杨德源， 杨天鸿．矿井热环境及其控制 ［Ｍ］ ．北京 冶金 工业出版社， ２００９． ［４］ Han Q Y, Peng X, Yang 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