采空区蓄水排放冷凝热在矿井降温系统中的应用研究.pdf

论文题目 采空区蓄水排放冷凝热在矿井 降温系统中的应用研究 作者姓名蓝麽主 专业名称塞全王翟 指导教师圭嵩 副指导教师王蓬洼 论文提交日期型墨生鱼旦 论文答辩日期呈Q 墨生鱼旦 授予学位日期 入学时间 窒Q 墨生鱼月 研究方向塞壹亟测量随渔 职 称一．麴 援 职称直级王翟瘟 、 彳宅 l A P P L I C A T I O NR E S E A R C H o NM I N E D - O U TA RE A I M P o U N D M E N TE M I S S I O N SC O N D E N S I N GH E A TI N M I N ECo o L I N GS Y S T E M AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y H a nQ i n g y u S u p e r v i s o r P r o f e s s o rX i nS o n g C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定 A F F I RMA T I o N 硕士生签名 日 L ’ 仄孑 期弘竹．6 ．g Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f d i m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ea w a r do fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a f i f i c a f i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e 爿n ， u 哆j f u D a t e ．歹u 肥孑坝J 阳，』Ju 肥子掀J 阳岱 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 随着煤炭资源的浅部开采即将结束，深部开采己成为不可避免的事实，资源开采必 将面对高温热害的问题。 本文首先探讨了当下国内外的矿井降温技术以及冷凝热排放现状。现有矿井降温系 统冷凝热排放困难、系统复杂、输送管线较长、冷损量较大，冷凝热的排放问题是矿井 降温系统中最大的难题。矿井冷凝热的排放途径存在回风冷却和水冷冷却两种方式。文 章对两种方式的适用情况以及所需要求，即回风冷却所需风量、风温、湿度、设备安装 与空间的要求，以及水冷冷却的所需水温、流量、水质、水源稳定性、回水处理的要求 进行了说明。 根据矿井井下的实际情况提出了使用采空区蓄水排放冷凝热的思路。通过对井下热 害来源进行了宏观的分类，并对影响工作面高温的因素做了具体的统计分析。对使用采 空区蓄水排放冷凝热的整体可行性从原理、思想、水量的具体概算、水质的净化方法等 方面做了具体论述。针对济宁二号煤矿的具体条件就采空区蓄水排放冷凝热提出了具体 的矿井降温工程设计如矿井降温系统的设计依据、局部热源的调查与分析、冷负荷的概 算、制冷机及空冷器的选型、冷却工艺流程、水量概算及净化。最后将此系统运用于济 宁二号煤矿的采煤工作面并对运行效果进行了跟踪观测与分析，并对工作面的空冷器布 置方式进行了简单的探讨。本文通过理论分析、现场实践相结合的方式对于矿井水冷降 温系统进行了一定的探究。 关键词矿井热害；冷却方式；采空区蓄水；矿井降温；冷凝热 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t W i t ht h es h a l l o we n do ft h ee x p l o i t a t i o no fc o a lr e s o u r c e s ，d e e pm i n i n gh a sb e c o m ea n i n e v i t a b l ef a c t ，w h i c hw i l lf a c et h ep r o b l e mo fh i g ht e m p e r a t u r et h e r m a lp o l l u t i o n F i r s to fa l l ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fm i n ec o o l i n gt e c h n o l o g ya n d c o n d e n s i n gh e a te m i s s i o n s ，a th o m ea n da b r o a d T h ee x i s t i n gm i n ec o o l i n gs y s t e mh a s d i f f i c u l ti nc o n d e n s i n gh e a te m i s s i o n sa n dc o m p l e xs y s t e m ，p i p e l i n e sa r el o n g ，c o l dl o s s a m o u n ti sl a r g e r , e m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a ti st h eb i g g e s tp r o b l e mi nm i n ec o o l i n gs y s t e m ． T h er e t u r na i rc o o l i n ga n dw a t e rc o o l i n ga r et w ow a y sf o rm i n ec o n d e n s i n gh e a te m i s s i o n s ． T h ea p p l i c a t i o no ft h et w om e t h o d sa r ed e s c r i b e da sw e l la st h en e c e s s a r yr e q u i r e m e n t s ，s u c h a st h ea i rv o l u m e ，a i rt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , e q u i p m e n ti n s t a l l a t i o na n ds p a c er e q u i r e m e n t sf o r r e t u r na i rc o o l i n ga n dw a t e rt e m p e r a t u r e ，f l o w , w a t e rq u a l i t y , w a t e rs t a b i l i t y , b a c k w a t e r p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sf o rw a t e rc o o l i n g A c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dm i n et h ea u t h o rp r o p o s e dt h i si d e a o fm i n e d - o u ta r e ai m p o u n d m e n te m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a t ．B a s e do nt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e u n d e r g r o u n dh e a th a r ms o u r c e s ，t h ea u t h o rm a d ead e t a i l e ds t a t i s t i c a la n a l y s i sf o rt h ef a c t o r s o f m i n i n gf a c eh i g ht e m p e r a t u r e ．A f t e rt h a tm a d eas p e c i f i c a l l ye x p o u n d w i t hm i n e d o u ta r e a i m p o u n d m e n te m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a ti n o v e r a l lf e a s i b i l i t yo ft h ep r i n c i p l e s ，i d e a s ， c a l c u l a t i o nt h ea m o u n to fw a t e ra n dw a t e rp u r i f i c a t i o nm e t h o d ．W i t ht h es p e c i f i cc o n d i t i o n so f J i n i n gN o ．2c o a lm i n e ，t h ea u t h o rp r o p o s e ds p e c i f i cm i n ec o o l i n ge n g i n e e r i n gu s i n g m i n e d - o u t a r e ai m p o u n d m e n te m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a ti n c l u d i n gd e s i g ns t a n d a r d s ，h e a ts o u r c er e s e a r c h a n da n a l y s i s ，c a l c u l a t i o no fc o l dl o a d ，r e f r i g e r a t o ra n da i rc o o l e rs e l e c t i o n ，c o o l i n gp r o c e s s ， c a l c u l a t i o nt h ea m o u n to fw a t e ra n dw a t e rp u r i f i c a t i o n ．A n df i n a l l yt h i ss y s t e mi su s e di nt h e c o a lf a c ea n do p e r a t i n gr e s u l t so fJ i n i n gN o ．2m i n ew e r ef o l l o w u po b s e r v a t i o n sa n da n a l y s i s ， w h i l et h ea i rc o o l e ra r r a n g e m e n th a dc a r r i e do nt h es i m p l ed i s c u s s i o n ．I nt h i sp a p e r ，t h r o u g ha c o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dp r a c t i c ew a t e r - c o o l e dc o o l i n gs y s t e mf o rt h e m i n e ，t h a tm a d es o m ee x p l o r a t i o n K e y w o r d s m i n eh e a th a n n ；c o o l i n gm o d e ；m i n e d o u ta r e ai m p o u n d m e n t ；m i n ec o o l i n g ； c o n d e n s i n gH e a t 山东科技大学硕上学位论文目录 目录 1 ．1 研究背景和课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 课题研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 课题研究的主要内容、方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 矿井降温系统中冷凝热排放的途径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 l 2 ．1 回风冷却模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 水冷冷却模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 回风冷却模式与水冷冷却模式的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 采空区蓄水排放冷凝热的可行性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 高温矿井区域热害的主要热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 工作面热力学参数测定与热量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 采空区蓄水排放冷凝热可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 采空区蓄水排放冷凝热的应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 济宁二号煤矿基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 矿井降温系统设计的基本要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 区域冷负荷概算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4 降温系统冷凝热排放的流程设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．5 采空区蓄水排放冷凝热的理论计算与水质处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．6 降温系统设计方案参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．1 局部降温系统概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 降温效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．1 主要工作与结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．2 论文的创新与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 B a c k g r o u n da n dp r o p o s i n go ft h er e s e a r c h 1 ．2R e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d 一 1 ．3 P u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 1 ．4R o n t e n t sa n dt e c h n i c a lr o u t eo f t h es t u d y ⋯⋯⋯⋯．．， ⋯⋯⋯⋯～8 2T h ew a yo fc o n d e n s a t i o nh e a te m i s s i o n si nm i n ec o o l i n gs y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1R e t u r na i rc o o l i n gm o d e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．12 2 ．2 W a t e r - c o o l e dc o o l i n gm o d e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 7 2 ．3 C o m p a r et h er e t u r na i rc o o l i n gm o d ew i t hw a t e r - c o o l e dc o o l i n gm o d e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 2 ．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 F e a s i b i l i t ys t u d yo f m i n e d o u ta r e aw a t e re m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1T h em a i nh e a ts o u r c e so f a r e ah e a ti n j u r yi nh i g ht e m p e r a t u r em i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．．．．2 3 3 ．2 F a c et h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sm e a s u r e da n dt h e r m a la n a l y s i s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 9 3 ．3 F e a s i b i l i t ya n a l y s i so f m i n e d - o u ta r e aw a t e re m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，3 7 3 ．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．4 2 4 A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nm i n e d - o u ta r e ai m p o u n d m e n te m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a t ⋯4 3 4 ．1T h eb a s i cs i t u a t i o no f J i n i n gN o ．2m i l l e 4 ．2T h eb a s i cr e q u i r e m e n t sf o rm i u ec o o l i n gs y s t e md e s i g n ． 4 3 4 4 4 ．3C a l c u l a t i o no f p a r t i a lc o o l i n gl o a d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．4 5 4 ．4 P r o c e s sd e s i g no fe m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a ti nm i l l ec o o l i n gs y s t e m 4 ．5T h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f m i n e d - o u ta r e ai m p o u n d m e n te m i s s i o n sc o n d e n s i n gh e a ta n dw a t e r 5 2 p u r i f i c a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3 4 ．6P a r a m e t e rc a l c u l a t i o no f p a r t i a lc o o l i n gs y s t e md e s i g n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 8 4 ．7C o n c l u s i o no ft h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 E n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fh i g ht e m p e r a t u r em i n ep a r t i a lc o o l i n gs y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．1O v e r v i e wo f h i g ht e m p e r a t u r em i n ep a r t i a lc o o l i n gs y s t e m ⋯6 3 5 ．2 C o o l i n ge f f e c ta n a l y s i s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．6 7 5 ．3C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．7 1 6T h em a i nc o n c l u s i o na n d p r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 6 ．1M a i nc o n c l u s i o n s ．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．．7 1 6 ．2I n n o v a t i o na n dp r o s p e c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 3 A c k n o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 R e f e F e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ； M a j o ra c h i e v e m e n t sd u r i n gm a s t e rs t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 9 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．1 研究背景和课题的提出 2 0 1 2 年我国新增煤炭储量为6 1 6 亿吨，新发现5 0 亿吨级煤田4 个，截至2 0 1 2 年底 我国共有煤炭储量约为1 ．4 2 万亿吨。根据国土资源部公布的中国矿产资源报告 2 0 1 4 显示煤炭在一次能源生产与消费中占据的主导地位依然未变1 1 1 。 图1 ．1 一次能源产量比例图 图1 ．2 一次能源消费比例图 F i g ．1 ．2P r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o ns c a l em a p 矿产探测表明，我国是一个富含各种矿产的国家，世界上已知的矿产在我国都可以 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 找到，并且含量较高。煤炭资源，列居世界第三位。我国的煤炭资源主要分布于北部地 区，其中山西、内蒙古是煤炭大省。相对于煤炭的分布，我国天然气资源含量相对较少， 主要存在于我国的西北盆地地区，在我国的东北以及华北和沿海的大陆架也都有存储， 但含量较少。由此可见，我国是一个少油、多煤的国家，煤炭资源的开发与利用对我国 的经济社会的发展起着举足轻重的作用，因此大力推进煤炭资源的开采任重而道远。 图1 - 3 煤炭在一次能源中所占比重 F i g ．1 ．3 T h ep r o p o r t i o no f c o a li np r i m a r ye n e r g ys o u r c e 随着近些年来煤炭资源开采技术的飞速发展和浅部煤层开采的枯竭，煤炭开采正在 向着深部发展。开采的深度的增速以达到每年8 ～1 2 m ，特别说明的是东部矿井的增速已 达到每1 0 年1 0 0 ～2 5 0 m ，在不远的将来很多煤矿将达到．1 0 0 0 m 到一1 5 0 0 m 的深度【2 卅。 深部开采已成为不可避免的问题，与之伴生的各种问题也相继出现，例如“高地应力、 高地温、高岩溶水压”和采矿扰动的“三高一扰动”的艰难环蜊5 羽。随着深部开采的进 行，围岩散热、空气压缩散热、氧化过程散热、机械设备散热以及矿井热水散热等已形 成了井下严峻的热环境。井下热环境不仅严重的影响矿井工作者的身体健康及工作效率， 也带了严重的安全隐患，因此高温热害已成为继瓦斯、煤尘、突水、火灾、顶板之后影 响煤矿安全生产的“六大灾害”之一。深井热害问题己成为限制深部开采的关键难题。 我国矿井热害数量一半以上分布于安徽、河南、山东省境内[ 7 1 。 根据刘卫东等学者对我国煤矿高温矿井的摸底调查得知，我国很多矿井的开采已进 入高温矿井开采模式。高温矿井共有6 2 处，其中矿井深度超过1 0 0 0 m 的有1 1 个，占全 部高温矿井的1 7 ．7 ％。高温采掘工作面的温度在2 6 ℃～3 6 ℃之间，相对湿度在4 5 ％～1 0 0 ％ 之间【8 】。通过以上可以看出我国许多矿井的采掘工作面都处在高温、高湿的作业环境中。 2 坐查型垫查堂竺主兰垡堡苎 堕笙 由此可见矿井降温是目前急需解决的重要问题，也是必须解决的关键问题。矿井降温的 要求必须满足我国煤矿安全规程第1 0 2 条的明确规定【9 】。 位于深部矿井中的巷道，由于受到自然条件和机械设备等因素的影响使得巷道中的 温度升高、湿度增大，当矿井工作者长时间处在这种恶劣环境中时会使得劳动生产力下 降、失误频繁，严重影p l a n 井下的安全生产，这便是矿井热害【1 0 。1 。根据国外的研究调 查表明在矿井气候超过一定标准以后劳动生产率会下降6 ％～8 ％【1 2 】，当矿井气温超过 2 8 。C 时，事故的发生率会增加2 0 ％左右。其中日本北海道调查表明3 0 ～3 7 。C 工作面的事 故发生率是3 0 。C 以下工作面的1 ．1 5 ～2 ．3 倍[ 1 3 】。 济宁二号煤矿南翼第二水平 - 7 4 0 m 水平 所采煤层原始岩层温度达到3 8 ～4 2 * C ， 属于二级高温区。本论文针对矿区资源深部开采过程中出现的矿井高温热害问题，通过 对我国解决高温矿井热害问题的理论技术进行研究的基础上，进行理论分析、现场测定、 试验研究，提出了采空区蓄水排放冷凝热的矿井降温的合理方式。 1 ．2 ．1 矿井降温理论研究现状 矿井降温理论是一门复杂的涉及多种学科的交叉学科。有文献资料记载对于矿井降 温理论的研究可以追溯到1 8 世纪4 0 年代法国境内矿山地温的观测[ 1 2 , 1 4 ] 。十八世纪末， 英国有关人员开始对巷道的围岩进行原始岩温的测定，从而掌握了岩层温度随着矿井深 度的增加而增加的规律。2 0 世纪1 0 年代，南非矿井工作者已经开始了矿井风流热力学 规律的探究。2 0 世纪3 0 年代南非学者就发表了矿井风温预测的论文，提出了矿井 风温预测的基本思路[ 1 5 】。2 0 世纪5 0 年代英国学者和日本学者已就围岩和巷道之间的热 传导提出了理想条件下的围岩调热圈温度场的理论解[ 1 6 】，同时我国抚顺煤科院的学者也 开展了对矿井降温地温考察和气象参数的观测。2 0 世纪6 0 年代西德和前苏联学者开始 使用数值计算法描述围岩调热圈温度场，南非学者探讨了在潮湿条件下的热交换规律。 2 0 世纪7 0 年代西德学者提出了较为完整的采掘面风温计算的方法，日本学者对矿井降 温理论做了较为系统说明与阐述，保加利亚学者对掘进面的风温预测及计算作了比较详 细的解释。 2 0 世纪8 0 年代以后矿井热环境和矿井降温的研究开始全面发展。世界各国都开始 加入此项研究的行列。日本学者采用差分法计算不同巷道形状及不同岩性在不同入风温 3 山东科技大学硕士学位论文 绪论 度下，不同的水性影响下的调热圈温度场。于此同时南非学者提出了精准的不稳定换热 系数的计算方法【 】。我国学者也发表了许多相关的学术论文如黄翰文的“矿井风温预测 的探讨”、杨德源的“矿井风流的热交换”[ 16 1 。8 0 年代后期我国形成了较为完善的矿井 降温理论，一些优秀著作也相继问世，如王隆平编著的矿井降温与制冷、于恒昌主编 的矿山地热与热害治理，这些著作为后人继续研究矿井降温提供了有力的智力支持。 2 0 世纪9 0 年代我国学者在充分考虑到井巷围岩的湿润性的基础上建立了风流与围 岩热湿交换数学模型。进入2 l 世纪以孙志礼为代表的我国学者根据流体力学的边界层理 论，探究了在特定情况下速度边界层和热边界层的形成规律，给出了速度边界层和热边 界层的厚度函数，从而给出了对流换热系数的计算理论。在继承前人的研究成果与新的 理论增加的基础上，又出现了一批优秀的著作如胡汉华主编的深热矿井环境控制，辛 嵩等著的矿井热害防治，这些成果的问世积极推动了我国矿井降温理论的发展与实践 应用。 1 ．2 ．2 矿井降温技术研究现状 矿井降温技术是在矿井降温理论的指导下，以技术手段改善井下恶劣高温环境的方 法。纵观矿井降温技术的发展大体可以分为以下几种 1 非人工制冷降温技术 矿井热环境的热量很大一部分来自于矿井的风流，而影响矿井风流的因素有很多， 从矿井的开拓部署到工作面的工作方式都会对其产生不同的影响，归结起来有如下几种 方式通风方式、风量和巷道布置、采矿方法、隔绝热源、预冷煤层、个体防护等。 对于矿井通风方式有资料记载，前苏联某矿对．9 6 0 m 水平长度6 k m 巷道的风温进行 计算，在同等风速的条件下大巷的终端风温使用中央式比使用两翼式温度高2 ．1 , - - , 6 ．3 ℃， 中央式比分区式高2 ．3 ～9 ．6 。C t l 2 , 1 8 - 1 9 】。 将进风巷道尽量布置在低温岩层中，对降低矿井风流的温度有积极作用。然而掘进 的巷道受煤矿开采位置因素的影响所以此种方式在实际应用中不便实现。 采用下行通风的方法，新鲜风流自较短的巷道进入，减少了煤炭放热的影响，可降 低进风温度，研究表明可降温1 - 2 ℃。可万一发生起火，在起火地点由于火风压的作用， 下行通风会出现风流流速降低、风流停滞，甚至出现逆转的情况，瓦斯爆炸的可能性比 上行通风要大。特别是有煤与瓦斯突出危险的采煤工作面不得采用下行通风，下行通风 虽然对降低工作面气温有积极作用但要视具体情况适当运用。 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 采煤方法，根据采煤方法与推近的顺序，考虑到采空区的漏风以及通风路线的长短， 选择后退式及倾斜长壁式采煤方法对矿井降温是有利的。 增加井巷通风量，增加矿井通风量是解决巷道热环境最常用的方法。根据前苏联和 日本学者研究提出的矿井风温预测模型能够较好的说明通风风量对风温的影响【2 0 】。 电- t g u 一 t g u - - t t o 唧 蒜 ㈦1 ， 式中t t L 一巷道终点风流干球温度，℃； ‘g u 一原始岩石温度，℃； ‘t 。一巷道起点风流干球温度，℃ U 一巷道周长，m ； K 。一不稳定换热系数； R 。一巷道当量半径； C P L 一干空气定压比热，取1 0 0 5 J ／k g 。℃； Q _ 一风流体积流量，m 3 ／s ； 旷风流密度，k g ／m 3 ； 卜围岩导热系数； L 巷道长度，m 。 实践表明在一定的范围内增加风量是最简单的降温方式，同时也会取得较好的效果， 有文献表明增加风量可使工作面降低1 ～4 。C 1 1 2 , 2 1 - 2 3 】。通过理论分析发挥最大效能的通风 量为巷道长度的O ．5 6 ～0 ．8 4 倍[ 1 3 1 。 隔绝热源，隔绝热源就是利用一切方法将能够对周围环境传递热量的热源隔离开来， 从而防止热量的传递。研究资料表明井下主要热量来自于围岩散热，机电设备散热、 热水散热，这些热量大约为总热量的7 0 ％～8 0 ％。因此对其进行合理的控制可以有效的 减轻工作面的热环境。我国学者曾提出将作业者与环境隔离，再用空气冷却器 空冷器 向作业