永川煤矿地温防治技术研究.pdf

中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1067 永川煤矿地温防治技术研究 姬建虎 1, 2 褚召祥 1, 2 黄华良 3 程崇胜 3 吴修宇 3 （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， 重庆 400037；3．重庆永荣矿业有限公司，重庆 402460） 【摘要】针对永川煤矿-700m 水平开拓期间掘进工作面产生的高温热害现象，开发了国际上 首套制冷量为 400kW 的矿用半封闭螺杆式制冷机组 ZLF（S）400/660。地面测试结果表明，该制 冷机组运行稳定可靠，设计条件下机组实际制冷量为 420kW，COP 达到 3.4。根据永川煤矿井下具 体条件，以 ZLF（S）400/660 制冷机组为核心，建设局部冷水降温系统，利用矿井涌水和回风综合 排热，使掘进工作面附近 100 m 范围内干球温度平均降低 5.6 ℃，湿球温度平均降低 8.5 ℃，相对 湿度平均降低 20， 很好地解决了矿井深水平开拓期间掘进工作面产生的高温热害现象， 为我国矿 井高温热害治理提供了一种行之有效的装备。 【关健词】煤矿；热害；制冷机组；降温系统；掘进工作面 Geothermal Prevention and Control Technology Research in -700m level of Yongchuan Coal Mine JI Jian-hu1, 2, CHU Zhao-xiang1, 2, HUANG Hua-liang3 （1. National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting，Preventing and Emergency Controlling, Chongqing, 400037, China; 2. Chongqing Research Institute of China Coal Technology ＆ Engineering Group CORP, Chongqing, 400037, China1; 3. Chongqing Yongrong Mining Company Ltd. , Chongqing, 402460, China） Abstract Aiming at the phenomenon of tunneling face heat disaster during the -700m level development period in Yongchuan coal mine, the first semi-hermetic screw compressor ZLF （S） 400/660 used in coal mine was developed. The ground test results show that this kind of refrigerating unit has advantages such as stable operation and good perance. Under design conditions, this refrigerating unit’s actual refrigerating capacity is 420kW, while COP can achieve 3.4. According to the actual situation of Yongchuan coal mine, the local chilled cooling system which its heat extraction depending on burst water and return air was adopted to lower the temperature and humidity of airflow. The result shows that near the tunneling face100m the average decrease of dry bulb temperature, wet bulb temperature and 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1068 relative humidity reaches 5.6℃, 8.5℃ and 20 respectively. The ZLF400/660 could be effectively to solve the high temperature heat disaster in underground coal mine and could be an effective underground refrigeration device to the mine heat disaster control in China. Keywords coal mine; heat disaster; refrigerating unit; cooling system; tunneling face 近年来，随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国越来越多的煤矿逐渐进入深部开采。矿井进入深 部开采后除面临一些局部偶发性的煤与瓦斯突出、冲击地压、突水等灾害威胁外，普遍面临着高温 热害的难题。为了改善井下工作环境，机械制冷降温已成为矿井热害治理的必要手段。目前，国内 很多高温矿井根据自身具体情况都已建设了不同的矿井降温系统。其中，山东赵楼煤矿根据不同时 期需求分别采用地面喷淋、井下集中式冷水降温系统[1-3]，安徽丁集、潘集煤矿采用了地面集中式 冷-热-电联供矿井降温系统[4-5]，河南平煤四矿采用了矿井局部移动式制冷降温系统[6]、热-电-乙二 醇低温制冷全矿井降温系统[7]， 江苏三河尖煤矿利用矿井涌水作为冷源采用了 HEMS 深井降温系统 [ 8-9]，均取得了较好的降温效果。但是，上述矿井一般处于我国的中东部地区，矿井生产能力大、 平均吨煤降温成本较低。而永川煤矿地处西南地区，由于资源的匮乏以及地质条件的复杂，矿井生 产能力低。因此，根据自身热害严重程度、采掘状况对各种降温方式进行技术和经济综合分析后， 选择采用适合永川煤矿具体条件的局部降温系统解决其深部开拓过程中产生的高温热害问题。 1 矿井局部降温技术研究现状矿井局部降温技术研究现状 目前， 我国矿井降温技术已经形成井下局部、 井下集中和地面集中三种方式并存的格局。 其中， 井下局部制冷降温由于投资少，实施简便、快捷，机动灵活，所占的比例较大，在已经采取机械制 冷降温措施的煤矿中井下局部制冷降温系统约占 50[10]。这些占据国内矿井局部降温市场的设备 多为国外进口设备，而且价格较为昂贵。因此，开发适合我国热害矿井，具有更好降温效果更 低价格更有利于我国煤矿健康长远发展。 2 ZLF（（S））400/660 矿用半封闭螺杆式制冷机组矿用半封闭螺杆式制冷机组 根据对目前国内外矿井局部降温技术与装备的调研以及矿井现场具体情况， 设计开发制冷量为 400kW 的矿用局部制冷机组。该机组以卡诺循环为基本原理，通过压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷 凝器“四大件”以及循环的制冷剂来实现制冷过程。设备组成及流程如图 2 所示。 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1069 图 2ZLF（S）400/660 制冷装置组成及工艺流程 从蒸发器回来的制冷剂蒸汽（工质）经过压缩机变成高温高压的气体，然后进入冷凝器冷凝， 将热量传递给冷却水，变成高温高压的饱和（或过冷）液体，经过热力膨胀阀节流变成低温低压的 制冷剂气液两相，接着进入蒸发器进行蒸发并带走周围介质的热量实现制冷，制冷剂最后回到压缩 机，形成一个封闭的制冷循环。 2.1ZLF（S）400/660 配套局部降温系统 ZLF（S）400/660 制冷机组配套局部制冷降温系统分为两类冷风系统和冷水系统。其中， 冷 风系统主要由 ZLF400/660 制冷机组、直冷式蒸发器、回冷器、监控系统（PLC 等）及配套设备（水 泵、管路）组成，如图 3 所示；冷水系统由 ZLS400/660 制冷机组、水冷式蒸发器、空冷器、回冷 器、监控系统（PLC 等）及配套设备（水泵、管路）组成，如图 4 所示。ZLF（S）400/660 制冷机 组与配套两种局部降温系统的关系如图 5 所示。 图 3局部冷风降温系统组成及工艺流程 图 4局部冷水降温系统组成及工艺流程 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1070 图 5ZLF（S）400/660 制冷机组与配套系统关系 2.2 ZLF（（S））400/660 制冷机组性能测试制冷机组性能测试 在设计工况下制冷机组的运行试验可以检验所开发的制冷机组是否达到了设计要求， 因此这也 是检验制冷机组性能的基本试验，该机组的设计工况如表 2 所示 为了检验 ZLF（S）400/660 制冷机组的性能，搭建了配套的检测平台，如图 6 所示。在试验时， 调整制冷机组的运行工况到额定值，由于试验条件所限，冷却水进水温度、进风温、湿度和电压有 一定波动，测定冷却水进水温度、压缩机电压、蒸发器进出口空气的参数实际值，按公式（1） ， （2） 计算 表 2 制冷机组额定工况 参数单位数值 冷却水进/出水 温度 ℃48/42 蒸发器进风 温度 ℃33 蒸发器进风相对湿度80 空气流量m3/s6.7 机组制冷量kW400 电机功率kW132 输入电压V660/1140 主机尺寸mm270010001300 为了检验 ZLF（S）400/660 制冷机组的性能，搭建了配套的检测平台，如图 6 所示。在试验时， 调整制冷机组的运行工况到额定值，测定冷却水进水温度、压缩机电压、蒸发器进出口空气的参数 实际值，按公式（1） ， （2）计算。 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1071 图 6检测平台及数据采集系统 制冷量Q 12 1 maa qhh Q Vd    （1） 式中 Q制冷量，kW； ha1进风焓值，kJ/kg（干空气） ； ha2回风焓值，kJ/kg（干空气） ； qm测点风质量流量，kg/s； d测点含湿量，kg（水蒸气）/kg（干空气） ； V测点空气比容，m3/kg。 机组性能 COP Q cop W （2） 式中W为电机输入功率，kW。 通过 5 次的测试得出平均值，结果表明制冷机组的制冷量都在 420kW 左右，制冷系数均在 3.4 以上。 表 3制冷机组运行测试结果（I） 测试次数 进风温度 ℃ 进风湿度 ℃ 出风温度 ℃ 出风湿度 风量 m3/s 功率 kW 133.57822.1968.3122 233.67922.3978.2121 333.18322.5988.4121 432.87820.8988.4122 532.68120.7988.1122 Q cop W  中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1072 表 3制冷机组性能计算结果（II） 次数 进风焓值 kJ/kg 出风焓值 kJ/kg 出风比容 m3/kg 含湿量 kg/kg（干空气） 制冷量 kW COP 110063.20.8590.0160844203.4 2101.464.40.860.016464173.4 3102.365.60.8610.0168444233.5 496.659.50.8540.015144323.5 598.159.70.8540.0152074313.5 3 永川煤矿地温防治永川煤矿地温防治 3.1 矿井及高温热害情况 永川煤矿位于重庆市永川区红炉镇境内，矿井始建于 20 世纪 50 年代，原设计生产能力 15 万 t/a，经多年扩能改造，2006 年核定矿井生产能力 30 万 t/a。矿井采用平硐暗斜井开拓方式，后退 式走向长壁采煤法，垮落法管理顶板。矿井通风方式为两翼对角抽出式，采煤工作面采用下行顺向 掺新通风方式，掘进工作面采用局部通风机压入式通风。矿井主采煤层七号煤层，可采段煤层厚 0.46～0.99 m， 平均 0.58 m。 由于矿井开采历史悠久， 因此开采水平较多， 依次划分为150m、 -100m、 -350m、-700m 四个水平。目前-350 m 水平以上的资源已基本采完。现已进行-700m 水平掘进施工。 实测资料显示-700m 水平开拓掘进工作面风流温度达 30～33 ℃。高温热害问题严重影响了矿井的 正常接续生产，热害防治工作迫在眉睫。 3.2 矿井降温方案确定 永川煤矿在-350 m 水平的生产过程中局部地点也出现过温度超限情况。 为此， 矿井进行了热害 防治的前期研究工作。文献[11] 阐述了矿井前期研究的有关结论， 主要有矿井热源调查、采掘工作面热害状况评估、矿井降温系统需冷量计算以及矿井降温方案 的初步拟定。根据目前国内外矿井降温工程设计的经验，结合矿井实际情况，永川煤矿的降温工程 首选应为区域集中制冷降温模式[11-12]。但目前国内还没有与永川煤矿同类型矿井降温示范工程， 采 用区域集中制冷降温方式一方面没有可借鉴的成功经验，另一方面初期的投资很大，面临的经济风 险也较高。因此，综合考虑各方面的因素，永川煤矿井下降温系统首先采取局部降温系统，在取得 相关经验后再将降温工程逐步向其他区域覆盖。 矿井降温系统主要包括制冷、输冷、散冷和排热 4 个环节。永川煤矿-700m 水平开拓掘进工作 面的局部制冷降温系统主要从这 4 个环节入手，将这四个环节连成一体，建成永川煤矿局部降温示 范工程。工艺流程如图 7 所示。 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1073 图 7永川煤矿局部降温系统工艺流程 （1） 制冷环节。 永川煤矿局部降温系统采用 ZLF （S） 400/660 冷水机组， 额定制冷量为 400 kW， 设计蒸发器蒸发温度 35 ℃，冷凝器冷凝温度 4850 ℃。 （2）输冷环节。输冷即对制冷机组制取的载冷剂通过某种方式输送到散冷环节，之后又将换 热后升温的载冷剂输送回制冷机组再次制冷。在本系统中，载冷剂为冷冻水，流量为 35 m3/h。冷 冻水通过添加了保温层的无缝钢管输送，保温层厚度为 50 mm，保温材料为聚氨酯。 （3）散冷环节。矿井降温的最终目的是降低采掘工作面风流温度，散冷环节就是通过换热器 实现能量的转移，即将制冷机组制取的冷量转移给风流，风流的热量转移给载冷剂。本降温系统中 散冷装置为空冷器，设计换热量为 400 kW。空冷器进风端接压入式局部通风机，出风端接风筒， 空冷器内换热管为蛇形铜管，管内走冷冻水，管外为空气。设计进风干球温度为 33 ℃，相对湿度 90，出风干球温度为 18～22 ℃，相对湿度 100，设计最大处理风量 400 m3/min。 （4）排热环节。永川煤矿降温系统冷水机组制冷量为 400 kW，电机功率为 132 kW，则理论 上排热量为 532kW。通过分析计算得出要排除 532 kW 的热量，完全依靠回风流排热需要约 600m3/min 的风量 （该方案回冷器进风参数为 温度 30 ℃， 相对湿度 95； 出风参数为 温度 37 ℃， 相对湿度 100） ；完全依靠矿井涌水排热则需要约 42 m3/h 水量（该方案冷却水循环为开式系统， 进水温度按 31 ℃计算，这是永川煤矿井下涌水的一般温度，出水温度按 42 ℃计算） 。本设计中采 用矿井涌水回风综合排热。 回冷器对冷却水进行第一次冷却， 一次冷却后冷却水温度由 48 ℃降低 到 45.4 ℃，再进入浸泡式换热器进行二次冷却，由 45.4 ℃降低到 42 ℃。回冷器和浸泡式换热器串 联在冷却水循环管路上，冷却水为闭式循环系统。 3.3 掘进工作面降温除湿效果分析 矿井局部降温系统的最终目的是创造适宜的掘进工作面气候条件， 因此工作面降温除湿效果则 成为系统运行最有效的检验途径。考虑到人员工作范围有限，以掘进工作面为参考，测定工作面附 近 100m 范围内的风流热力参数，进行降温前后的对比。此外，将掘进巷道内的局部通风机、空冷 器也考虑进来，统一测试，沿风流路线方向布置测点如图 8 所示（1-9 为测点） 。掘进工作面降温除 湿效果如图 9 所示。 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1074 1局部通风机吸风口前；2局部通风机后或空冷器前风筒内（局部通风机和空冷器之间距离 较小，约 12m 风筒） ；3空冷器后风筒内；4掘进工作面风筒出口；5掘进工作面风流回风侧； 6距掘进工作面 20 m 巷道内； 7距掘进工作面 50 m 巷道内； 8距掘进工作面 80 m 巷道内； 9 距掘进工作面 100 m 巷道内 图 8掘进工作面测点布置 （1）干球温度。掘进工作面 100 m 附近区域，干球温度平均降低 5.6 ℃，最大 7.5 ℃，工作区 域降温效果感觉明显（降温前干球温度一般在 3334 ℃） 。 （2）湿球温度。掘进工作面 100 m 附近区域，湿球温度平均降低 8.5 ℃，最大可以达 11 ℃， 除湿效果十分明显（局部通风机后风筒内、空冷器后风筒内由于风筒的阻碍作用，部分湿球温度难 以测量） 。 （3）相对湿度。掘进工作面 100 m 附近区域，降温后风流相对湿度平均降低 20。工作面除 湿效果明显。 测 测 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1075 图 9掘进工作面降温前后 干球温度、湿球温度和相对湿度变化曲线 4 结论结论 针对永川煤矿-700m 水平开拓期间掘进工作面产生的高温热害现象， 开发了国际上首套制冷量 为 400kW 的矿用半封闭螺杆式制冷机组 ZLF（S）400/660。根据永川煤矿井下具体条件，以 ZLF （S）400/660 制冷机组为核心，建设局部冷水降温系统，利用矿井涌水和回风综合排热，很好地解 决了永川煤矿深水平开拓期间掘进工作面产生的高温热害现象， 为我国同类型矿井高温热害治理提 供了一种行之有效的技术与装备，可供参考。 参考文献参考文献 [1] 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． [2] 褚召祥，辛嵩，王保齐．回采工作面空冷器组合降温方式试验研究 [J]．煤炭科学技术， 2010，38（11） 81-84． [3] 褚召祥， 辛嵩， 王伟， 等． 赵楼矿井制冷降温技术 [J]． 煤矿安全， 2009， 40（10） 34-36． [4] 李亚民．瓦斯发电余热制冷技术在煤矿热害治理中的应用[J]．安徽建筑工业学院学报， 2009，17（3） 53-56． [5] 王伟． 矿井用冷热电联产系统的制冷系统设计研究[D]． 合肥 合肥工业大学， 2006 30-44． [6] 卫修君，周秀隆．热-电-乙二醇低温制冷矿井降温技术的研究及应用[J]．矿业安全与环保， 2009，36（1） 20-22． [7] 吴建亭，陈星明，夏紧．移动制冷机在深井降温中的研究与应用 [J]．煤炭科学技术， 2010，38（10） 86-88． [8] 曹秀玲，张毅，郭东明．矿井涌水在深井 HEMS 降温技术中的应用研究 [J]．中国矿业， 2010，19（2） 104-106． [9] 何满潮，徐敏．HEMS 深井降温系统研发及热害控制对策 [J]．岩石力学与工程学报， 2008，27（7） 1353-1361． 测 中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集 1076 [10] 褚召祥，张习军，姬建虎，等．我国煤矿高温热害及防治技术研究现状[C] // 第三届全国 煤矿机械安全装备技术发展高层论坛暨新产品经验交流会论文集．徐州中国矿业大学出版社， 2012261-265． [11] 张习军，姬建虎，吴修宇，等．永川煤矿井下热环境分析及综合治理的研究 [J]．煤炭科 学技术，2011，39（1） 48-52． [12] 黄华良．永川煤矿高温热害防治技术研究与实践 [J] ．煤炭科学技术，2012，40（5） 42-45． 【作者简介】姬建虎（1978－ ） ，男，山西晋城人，副研究员，在职博士研究生，主要从事矿 井热害治理、地热利用及矿井通风等方面的研究。联系方式Tel023-65239117。E-mail jijianhu