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矿井热害治理技术及其发展现状 张习军, 王长元,姬建虎 煤炭科学研究总院 重庆研究院, 重庆 400037 摘 要 随着我国煤矿开采深度的逐年增加, 矿井热害问题日益突出, 给矿井的安全 、 正常生产带 来了严重影响。机械制冷降温技术已取代了传统的降温方法 ,成为矿井降温的主要手段。但是 , 机械制冷降温技术结合传统的降温方法进行综合降温 ,是实现高效、 节能的有效途径 。文章论述 了国内外常用的一些降温技术和方法,阐述了几种矿井空调系统的工艺流程及应用情况, 指出了 矿井热害治理过程中需要注意的问题,并说明了高效、节能是矿井热害治理技术的发展趋势。 关键词 矿井热害; 热害治理; 矿井空调; 节能 中图分类号 T D 727 文献标识码 B 文章编号 1003 - 496X 2009 03- 0033 - 05 1 国内外矿井热害治理的发展状况 1. 1 国外发展状况 国外对矿井高温现象的描述 ,最早可追溯到 16 世纪。直到 20世纪 20年代, 对于高温现象的研究 都只是局限于矿井地温及巷道温度的观测 , 在理论 上的研究很少。但是不可否认 ,这些研究积累了大 量的技术数据和观测资料 , 取得了非常重要的技术 成果。 世界矿业发达国家如美国 、 德国 、 英国 、 前苏联 、 巴西、南非等 ,为了改善作业环境、 提高劳动生产率 , 相继开展了矿井热害的预防和治理工作 。这些国家 的学者们在矿井风温预测、 岩石热物性参数的测定、 地温的观测、 系数的计算等方面做了大量的研究 ,为 矿井热害的治理奠定了基础 。另外 , 矿井热源散热 量的计算以及需冷量的计算使得矿井空调得以应用 到井下。 英国是世界上最早在井下实施空调的国家, 1923年彭德尔顿煤矿在采区安设制冷机 , 冷却采面 风流 ; 巴西的莫罗维罗矿及南非的鲁滨逊深井于 20 世纪 30年代采用集中冷却井筒入风流的方法降温, 南非 60年代便开始了大型矿井集中式空调; 德国的 埋管抽放抽放采空区和上隅角瓦斯, 瓦斯综合治理 效果明显,工作面瓦斯平均抽采率达到了 68. 4, 瓦斯平均抽放浓度为 12. 2,回风流瓦斯浓度基本 保持在 0. 4 以下,平均浓度为 0. 28,回采期间基 本杜绝了瓦斯超限现象 , 减少了瓦斯超限断电而影 响生产现象的发生。 5 结 语 总之,对于多源瓦斯涌出的高瓦斯综采工作面 , 必须采用多种方法综合抽放瓦斯, 这样才能对采面 通风瓦斯管理有着积极的作用 ,真正达到瓦斯治理 治本的目的 ,只有从根本上解决采煤工作面回采时 瓦斯超限问题,才能保障回采工作面的安全、 高效生 产 。 参考文献 〔1〕 俞启香. 矿井瓦斯防治 〔M〕. 徐州 中国矿业大学出版 社, 1992. 〔2〕 包剑影, 苏 燧. 阳泉煤矿瓦斯治理技术 〔M〕. 北京 煤炭工业出版社, 1996. 〔3〕 林柏泉, 崔恒信. 矿井瓦斯防治理论与技术〔M〕. 徐 州 中国矿业大学出版社, 1998. 〔4〕 王显政. 煤矿安全新技术 〔M〕. 北京 煤炭工业出版 社, 2002. 〔5〕 王海涛, 徐全伏. 高瓦斯综采工作面瓦斯综合治理实 践〔J 〕. 煤炭技术, 2006, 6 6 79-81. 作者简介 彭继刚1982- , 男, 安徽淮北人, 中国矿业 大学硕士研究生, 从事矿井瓦斯防治方面的研究。 收稿日期 2008-08-04; 责任编辑 王福厚 33 技术经验 煤 矿 安 全 2009-03 DOI 10. 13347/ j. cnki . mkaq. 2009. 03. 020 煤矿是世界上最深的 ,其 80以上的矿井都采用了 矿井空调,且制冷能力每年都高速增长; 前苏联和美 国采深在 700 m以上的矿井基本上都采用了空调系 统 。现在,国外矿井空调规模越来越大,发展迅猛。 1. 2 国内发展状况 我国矿井热害治理工作始于 20世纪 50年代 , 直到 80年代后期才取得实质性进展 ,相继有相关的 论文和著作问世 。近年来的统计资料表明 , 我国已 有 140余对矿井出现了不同程度的热害问题 , 其中 采掘工作面风温超过 30℃的矿井已达 60余对 〔1〕 。 我国高温矿井越来越多 , 矿井热害问题越来越受到 矿业界的关注。 我国矿井空调始于 20世纪 70年代初 ,淮南九 龙岗矿设计了我国第 1个矿井局部制冷降温系统 ; 80年代在新汶孙村矿设计了我国第 1个井下集中 制冷降温系统; 90年代又在新汶孙村矿设计了我国 第 1个地面集中制冷降温系统; 2002年又成功设计 了冰冷低温辐射空调降温系统。与国外相比 , 这些 系统规模不大,发展速度缓慢。 但是进入 21世纪以来 ,无论从技术上还是从规 模上, 我国的矿井空调都在快速发展 。 2000年以 来 ,各高校和科研院所相继在东滩矿 、唐口矿 、平煤 集团四矿、 五矿、六矿、刘庄矿等矿井展开了矿井热 害治理的科研工作, 其中平煤四矿和刘庄煤矿都设 计了地面集中制冷降温系统 ,制冷能力分别达到了 7 600 k W和 5 500 k W。制冷能力和制冷设备比以 往都有了很大的提高和改进 ,但是与国外还有一定 的差距 ,大型矿井集中式空调系统中的许多问题仍 待解决 。 2 矿井热害治理技术 矿井热害治理技术主要分为两类 非人工制冷 技术和人工制冷技术 。当非人工制冷技术不能解决 矿井的热害问题时 ,就要考虑人工制冷技术 。实际 采用人工制冷技术时, 往往结合非人工制冷技术来 综合治理热害,这样既能达到改善工作环境的效果 , 又能降低矿井的冷负荷。 2. 1 非人工制冷技术 当矿井开采深度不大 ,热害不太严重的时候,可 采用非人工制冷技术来治理矿井热害 。非人工制冷 技术主要有 增加风量 、 隔绝热源、低温岩层预冷入 风流、个体防护等 。 1 增加风量 。研究结果表明 增加通风量 ,可 使气流温度大幅度下降 , 并且该温度的下降程度在 通风量达到一定量时有急剧加快之势 ,继续增加风 量则气流温度的下降逐渐缓慢下来 , 但是风量不能 无限地增加,它受到风速的限制。总之 ,在矿井热害 不太严重的情况下 ,加大风量降低井下气温是有效 的。 2 减少热源的散热量 。采用隔热物质喷涂岩 层、实行机电硐室独立通风, 提高机电设备的运转效 率、采取超前疏排热水, 等措施可以在一定程度上减 少巷道围岩、 机电设备、矿井热水等热源散热对风流 温度的影响。空气压缩热是不能消除和减少的, 只 能通过预冷入风流来抵消这部分影响。 3 低温岩层预冷入风流 。根据恒温带岩层温 度最低的特点 ,利用恒温带附近废弃的低岩温巷道 预冷入风流。通过现场实测表明 , 经过低温岩层预 冷的入风流温度要比入风井直接进入井下的入风流 温度低 3 ～ 5℃。 4 个体防护 。矿工分散的井下高温作业地 点,可采用个体防护措施。个体防护的主要方式是 穿冷却服 ,其制冷成本约为其它制冷成本的 1/5左 右。 2. 2 人工制冷技术 根据载冷介质的不同, 国内外常用的人工制冷 降温技术可分为压缩空气降温技术 、人工制冷水降 温技术和人工制冰降温技术 。这些方法都具有一定 的适用性 ,要根据矿井的实际情况来选择。 2. 2. 1 压缩空气降温 压缩空气降温系统如图 1所示 。空气由压缩机 图 1 压缩空气降温系统工艺流程示意图 压缩 、 经过冷却器冷却, 再由减压机减压膨胀后由管 道输送到采掘工作面,通过引射器均匀喷向工作面, 吸收工作面风流的热量达到降温的目的 〔2〕 。 1989 年南非一金矿建成了压缩空气制冷系统 ,利用压缩 空气作为供冷媒质 , 直接向采掘工作面喷射制冷。 该系统采用压缩空气作为载冷介质 , 大大减小了输 34 煤 矿 安 全 T o t a l 412 技术经验 气管道断面积,能够有效地解决我国当前矿井集中 降温中存在的实际问题 ; 可用金属或橡胶软管沿工 作面布置, 使工作面上的冷量均匀分布 , 降温效果 好 ,而且系统简单 ,应用灵活。由于压缩空气的吸热 量有限 ,该方法只能应用于需冷量不大的小型矿井 降温系统。 1993年, 平顶山矿务局和 609研究所研 制成 K K L- 101无氟空气压缩机, 为我国矿井空调 开辟了一条新的途径 。 2. 2. 2 人工制冷水空调系统 从 20世纪 70年代以来, 人工制冷水矿井空调 系统开始迅速发展 。根据制冷站的安装位置 , 该系 统主要分为 地面集中式空调系统、 井下集中式空调 系统、地面井下联合集中式空调系统和井下分散式 局部空调系统。 1 地面集中式空调系统。地面集中式空调系 统如图 2所示。主要工艺是将制冷站设在地面工业 场地内 ,安装冷水机组若干台, 制冷机组出来的冷 水 ,通过保冷管道送至设置在井下开采水平的高低 压换热器中 ,由高低压换热器转换的二次低压冷水 , 用泵送至各采掘工作面空冷器冷却风流, 冷凝热由 地面冷却塔排放 。 图 2 地面集中式空调系统工艺流程图 对有条件的矿井,可实行矿井降温冷源与煤矿 热电站联产 〔3〕 。利用丰富的劣质煤, 建设小型坑口 自备热电站 ,配置溴化锂吸收式制冷机组 ,再联合压 缩式制冷机组, 最终制出 1℃的冷水送往井下降温 系统。热电站生产的电能供煤矿自身的生活和生产 使用,从而大大提高了煤矿的经济效益。平煤四矿 就是采用的这种方法, 其制冷站内配置 1台溴化锂 制冷机组,并联合 3台乙二醇冷水机组,该系统能使 井下采掘工作面的气温降低 5～ 6℃。 2 井下集中式空调系统 。井下集中制冷降温 系统如图 3所示。主要工艺是在井下设置 1个集中 制冷站,根据需要安装冷水机组若干台 ,保证全矿井 井下采掘工作面的冷量需要 。制冷机蒸发器蒸发出 来的低温冷水通过保冷管道, 送至各采掘工作面的 空冷器冷却风流, 在井下排放冷凝热 。该系统仅有 冷水循环管路 ,这种布置形式只适用于需冷量和开 采深度不太大的矿井。 图 3 井下集中式空调系统工艺流程示意图 3 地面、井下联合集中式空调系统 。这种布 置方式是在地面、 井下同时设置制冷站 ,冷凝热在地 面集中排放 〔4〕, 如图 4所示 。它实际上相当于两级 图 4 井上、下联合集中式空调系统工艺流程示意图 制冷 ,井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷 水系统冷却。因井下的最大限度的制冷容量受制于 相应的空气和水流的回流排热能力 , 所以通常需要 在地面安装附加的制冷机组 。 4 井下分散式局部空调系统。当实际矿井工 程中只有几个点需要降温,并且点点相隔较远时 ,在 矿井中不设置统一的大型制冷站 , 只在需要降温的 地点 ,如掘进面 、 大型机电硐室等附近建立小型的制 冷站 ,对局部地区进行降温。这时井下分散式局部 空调系统是一种高效经济的降温措施 〔4〕 。局部空 35 技术经验 煤 矿 安 全 2009-03 调系统在我国应用得比较广泛 ,曾在平煤五矿己二 采面用 1台制冷量为 300 k W的防爆制冷机组向己 15 -23071采面供冷 , 利用井下回风排热, 效果明 显 ,平均降温幅度 4℃; 四矿戊九采面空调系统, 采 用 1台制冷量为 500 k W的制冷机组向戊九采区的 S - 19140采面供冷,很好的满足了降温要求。 以上 4种空调系统的优缺点如表 1所示 。 2. 2. 3 人工制冰空调系统 表 1 4种空调系统有缺点的比较 空调系统优 点缺 点 地面 1 厂房施工、设备安装、维护、管理和操作方便 2 可采用一般型制冷设备 3 安全可靠 4 排热方便 5 无需在井下开凿大断面机电硐室 6 冬季可利用地面天然冷源 1 高压冷水处理困难 2 供冷管道长, 冷损大 3 需在井筒中安设大直径管道 4 一次载冷剂需用盐水, 对管道有腐蚀作用 5 空调系统复杂 井下 1 供冷管道短, 冷损小 2 无高压冷水系统 3 可利用矿井水或回风流排热 4 供冷系统简单, 冷量调节方便 1 井下要开凿大断面机电硐室 2 对制冷设备有特殊要求 3 基建、安装、 维护、管理和操作不方便 4 安全性差 联合 1 可提高一次栽冷剂的回水温度, 减少冷损 2 可利用一次载冷剂排除井下制冷机的冷凝热 3 可减少一次载冷剂的循环量 1 系统复杂 2 制冷设备分散, 不易管理 局部 1 冷量损失小 2 无需在井下开凿大断面机电硐室 3 简单、灵活 1 制冷设备分散, 不易管理 2 冷凝热排放困难 3 安全性差 冰冷却降温系统如图 5所示 。 图 5 冰冷却降温系统工艺流程示意图 主要由制冰 、 输冰和融冰 3个环节组成 。当矿 井的采深很大 超过 2 000 m , 冷负荷很大的情况 下 ,冰冷却降温系统就显示出了它的优越性 。需水 量少, 大大节约成本 ; 输送到空冷器的冷水温度较 低 ,换热效率高; 克服了静水压力和冷凝热排放的难 题 。南非 H a r m o n y 金矿于 1986年第 1个采用冰冷 却系统进行矿井降温; 最成功的冰冷却降温系统是 E R P M矿, 已经运行了 10多 a , 积累了丰富的经验 。 2004年 ,新汶孙村矿采用了冰冷低温辐射降温空调 系统获得了成功 ,并已形成技术专利向市场推广。 冰冷却降温系统在我国还处于试应用阶段 ,要 真正推广应用冰冷却空调系统 , 还有如下 2个方面 的技术难题需要加以研究解决 一是冰在管道中运 动时会引起管道的激烈振动 , 从而导致对管道支撑 的严重冲击,容易破坏管道, 需要通过精密的支撑设 计使得冲击力降到最小 。二是管道容易堵塞, 需要 研发不同制冰设备和输冰设备, 以及适合低温水和 泥状冰传热要求的空冷器。 2. 2. 4 需要注意的问题 1 空调系统中的管道隔热问题。载冷剂在管 道中流动时,由于管道内外存在温差,必然发生热交 换, 使得水温上升; 另外, 水与管道壁摩擦产生水头 损失 。这两者是造成管道冷量损失的主要原因。有 关资料表明 当输冷管道外未添加保温 隔热 层 时, 输冷管道的冷量损失约占矿井空调系统总冷量 损失中的 60。因此, 要提高矿井空调系统的制冷 效率 ,就要减少输冷管道的冷量损失,其方法就是在 输冷管道外添加 1层保温 隔热 层, 而理想的隔热 材料和最佳的保温 隔热 层厚度是取得最佳隔热 效果的关键。理想的隔热材料应具有 〔5〕 导热系数 小、密度小 ,吸水率低且耐水性能 、抗水蒸汽渗透性 能、耐低温性能好 、 阻燃 氧指数高 、稳定性能好、 机械强度较高 、 施工运输安装方便等特点。常用隔 热材料有膨胀珍珠粉、 泡沫玻璃、泡沫石棉、岩棉 、 聚 苯乙烯泡沫塑料、 聚乙烯泡沫塑料 、 硬质聚氨酯泡沫 塑料等。实践证明 ,聚苯乙烯泡沫塑料和硬质聚氨 酯泡沫塑料在矿井空调系统中具有很好的隔热效 果,在我国矿井空调系统中应用的较多 。隔热层厚 36 煤 矿 安 全 T o t a l 412 技术经验 度计算的原则是 所求的厚度能保证隔热管道外表 面的温度不低于井下环境条件下空气的露点温度 , 使保冷管道中载冷剂的冷损量减至最小, 同时管道 表面上不结露珠 ,从而在经济、合理的条件下减少冷 损量、提高采掘工作面的冷量有效利用率 。 2 空调系统中的排热问题。冷凝热的排放是 矿井空调系统中的 1个重要环节, 直接影响到整个 系统的最终效果 〔5〕 。对于地面集中式空调系统和 地面、井下联合集中式空调系统 ,冷凝热的排放比较 简单, 直接从地面排放 ; 对于井下集中式空调系统和 分散式局部空调系统 ,冷凝热的排放比较困难 ,特别 是当没有充足的水源时 , 冷凝热的排放更加困难 。 通常冷凝热的排放有 4种方式 利用矿井水排热 、 利 用矿井回风流排热、从地面或经过地表层供水排热 以及前面 3种方式综合排热。目前, 我国现有的井 下集中制冷系统均是采用回风流排热 。利用总回风 流排热的过程是 1个加湿升温过程, 当风流与喷淋 水直接接触进行热交换时 , 风流的温度和湿度都要 增加, 其焓值也必然会增加 ,而喷淋水则由于散热后 而降温 ,由此达到降低冷却水温度的目的 。 3 发展趋势 1 更加合理的设计矿井空调方案。随着矿井 开采深度逐年增大,地温越来越高,矿井空调所需的 制冷量也越来越大,管道长度也越来越长 ,使得矿井 空调的费用急剧增加 。科学合理地选择制冷站位 置 、 空冷器安设位置及载冷剂输送系统是最优空调 的基础 〔6〕 。因此, 在进行矿井空调设计时要慎重 , 考虑各方面的因素,使空调系统达到最优状态 ,并借 助计算机来完成模拟 、 计算等复杂的工作 。 2 研制更加合理的矿井空调设备和材料 。针 对矿井空调中出现的一些问题 ,如空冷器表面易结 垢 ,工作效率大大降低 ; 输冷管道长, 管道冷损大; 矿 井空调系统效率低等问题 , 需要从设备和材料上不 断完善和改进。国外的经验表明, 加大空冷器的片 距可以减少灰尘的积聚堵塞 ,给管道加上特殊介质 的隔热层可以减少载冷剂的冷损失, 在载冷剂中加 入特殊的介质可以提高空调系统的效率等 。 3 实现矿井空调系统的节能 。冬季可以直接 将地面的天然低温冷水经过处理后, 直接输送至井 下空冷器冷却风流。在寒冷、 干燥的环境下,也可将 冷冻回水直接喷淋蒸发冷却 ,作为冷冻水再输送给 空冷器冷却风流 。这两种方法在国内外都有应用 过 ,经济效益明显。还可将冬季的天然冷源储存起 来作为夏季的冷源。该方法在美国 、加拿大曾采用 过, 该方法是在储冷技术成熟的基础上使用的,我国 矿井条件下是否可行需要进一步研究。 4 结束语 近年来,我国矿井降温工作进展迅速,无论从技 术、工艺、设备和管理方面都有较快的发展, 但是与 国外相比较,还是有很大的差距, 同时也说明了我们 在这些方面还有很大的提升空间 。新技术、新工艺、 新设备和新的管理方式都将给矿井热害治理工作带 来新的发展。 参考文献 〔1〕 司千字. 高温矿井的热环境处理〔J 〕. 江苏煤炭, 1999, 3 23-26. 〔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, 2006, 31 3 1-4. 〔3〕 刘忠宝. 高温矿井降温空调的概况及进展 〔J 〕. 真空与 低温, 2002, 9 8 130-134. 〔4〕 王 进. 矿井降温空调系统的分类及发展现状〔J 〕. 中 山大学学报, 2007, 27 2 109-113. 〔5〕 严荣林. 矿井空调技术 〔M〕. 北京 煤炭工业出版社, 1994. 〔6〕 胡春胜. 矿井空调现状及评述 〔J 〕. 煤矿设计, 1991 5 34-39. 作者简介 张习军1982- , 男, 江西九江人, 硕士研究 生, 2007年 7月毕业于山东科技大学, 现在煤炭科学研究总 院重庆研究院工作, 主要从事矿井通风和降温方面的研究。 收稿日期 2008-07-21; 责任编辑 郭瑞年 37 技术经验 煤 矿 安 全 2009-03