阳城煤矿千米深部采掘工作面降温系统设计研究及工程应用.pdf

张习军， 张刚， 严明庆．阳城煤矿千米深部采掘工作面降温系统设计研究及工程应用［ J］ ．矿业安全与环保， 2018， 45 2 97－101． 文章编号 1008－4495 2018 02－0097－05 阳城煤矿千米深部采掘工作面降温系统 设计研究及工程应用 张习军1， 2 ， 张 刚3， 严明庆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．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037; 3．山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿， 山东 济宁 272500 摘要 为了有效解决阳城煤矿千米深部采掘工作面的高温热害问题， 建设经济高效的井下集中制 冷降温系统， 结合煤矿自有电厂冷却水系统和井筒富余的排水管路系统， 设计出井下集中制冷降温系 统， 并归纳总结了采掘工作面冷负荷和管路系统水力计算方法， 简化了冷却水工艺和复杂的计算过程。 工程应用结果表明 设计的矿用制冷装置单台制冷量可达到 3 600 kW， 能够满足深部采区“一面三头” 的降温需求。通过对采掘工作面降温前后的风流参数进行观测， 表明降温后的风流温湿度指标均优于 预定指标， 工作面作业环境得到明显改善。 关键词 深部矿井; 井下集中降温 ; 制冷装置; 冷负荷; 降温系统; 水力计算 中图分类号 TD727．2文献标志码 B 收稿日期 2017－05－03; 2017－06－14 修订 作者简介 张习军 1982 ， 男， 江西九江人， 工程师， 主 要从事矿井热害防治技术研究及降温工程实施方面的工作。 E－mail zhangxijun_2001 163．com。 Mine Cooling System Design and Engineering Application in Kilometers Depth of Yangcheng Coal Mine ZHANG Xijun1， 2， ZHANG Gang3， YAN Mingqing1， 2 1．State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling， Chongqing 400037， China; 2．CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China;3．Shandong Jikuang Luneng Coal CO．，LTD．， Yangcheng Coal Mine，Jining 272500，China AbstractIn order to effectively solve the problem of high temperature and heat damage occurred in 1 000 m depth working face of Yangcheng Coal Mine， construct an economical and efficient underground central cooling system， combined with the cooling water system of self－owned power plant and surplus plumbing pipeline system of the draft，a central cooling system was designed，the cooling load of the working face and the hydraulic calculation of pipeline system were summarized． Simplified the cooling water technology and complicated calculation process．The engineering application results showed that the single cooling capacity of the designed mine refrigeration unit can reach 3 600 kW，which can satisfy the cooling requirement of one mining face and three tunneling faces．Through the observation of air parameters before and after the cooling of working face， it was known that after cooling，both temperature and humidity inds are superior to the predetermined index，the working environment has been significantly improved． Keywords deep mine; underground central cooling; refrigeration equipment;cooling load; the cooling system; hydraulic calculation 在我国已探明的煤炭资源储量中， 约有 50的 煤炭资源埋深超过千米。近年来， 随着浅部煤炭资 源的枯竭， 我国煤矿逐步转向深部开采。据相关统 计， 我国煤矿开采深度平均以 8～12 m/a 的速度增 加。目前， 我国开采深度已超过 1 000 m 的矿井共 有47 处 ［1 ］。 随着矿井向深部延伸及开采范围的增大， 阳城 煤矿最大开拓深度已达－1 150 m， 矿井地温越来越 高。－500～－650 m 深度围岩温度达 26 ℃， 为正常 地温区; －650～－920 m 水平采掘工作面围岩温度高 达 34～36 ℃， 为一级热害区; 北三深部及南二深部 79 第 45 卷第 2 期 2018 年 4 月 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No. 2 Apr. 2018 开拓均为现阶段重点工程， 开拓深度在－920 m 水平 以下， 最大开拓深度为－1 150 m， 预计围岩温度达 37～ 42 ℃， 为二级热害区 ［2 ］。当围岩温度超过 40 ℃时， 要将采掘工作面的温度降低并维持在 28 ℃以下， 仅 靠加强通风降温已无法完全保障降温效果， 必须采 取机械制冷降温措施［3 ］。 1降温系统工艺设计 阳城煤矿井下集中制冷降温系统主工艺由冷却 水循环系统和冷冻水循环系统构成， 辅工艺由井下 补水系统和末端空冷器散冷系统构成。冷却水循环 泵站布置在地面电厂冷却塔附近， 制冷机组安装于 井下－650 m 水平制冷硐室， 空冷器布置在－920 m 水平各采掘工作面附近， 服务于 3303、 3306 采煤工 作面; 北三深部降温系统服务于北三采区及深部“两 面六头” ， 即猴车下山、 北三深部轨道下山、 北三深部 胶带下山、 3308 胶带巷、 1311 轨道巷、 1311 胶带巷。 1．1冷却水循环系统工艺 从制冷机组冷凝器出来的热水 约 40 ℃ ， 通过 冷却水回水管路沿－650 m 回风石门经回风暗斜井 和风井井筒送至地面电厂冷却塔进行冷却降温， 冷 却后的冷却水通过供水管路沿风井井筒和回风暗斜 井经－650 m 回风石门返回制冷机组冷凝器， 构成一 个冷却水循环系统， 进入冷凝器的冷却水温度约 为 32 ℃。 1．2冷冻水循环系统工艺 从制冷机组蒸发器出来的冷水 约 3 ℃ ， 通过 冷冻水供水管路送至各采掘工作面末端空冷器， 在 空冷器中与进入采掘工作面的风流换热后， 再通过 冷冻水回水管路回到制冷机组蒸发器， 构成一个冷冻 水循环系统， 返回蒸发器的冷冻水温度约为 18 ℃。 1．3补水系统工艺 一般情况下， 井下集中制冷降温系统补水工艺 包括地面补水工艺和井下补水工艺， 由于阳城煤矿 井下集中制冷降温系统循环冷却水和补水水源来自 煤矿自有电厂冷却水， 水质满足工业循环冷却水水 质标准要求， 因此省去了地面水处理及补水工艺。 井下循环冷冻水和补水水源也来自地面电厂冷 却水， 从井下制冷硐室内冷却水供水总管上引水， 高 压水经过减压后进入补水箱， 再通过补水泵送入冷 冻水回水总管。 1．4空冷器散冷系统 空冷器冷冻水进水温度约为 5 ℃， 与风流换热 后， 出水温度升至 15 ℃左右， 风流温度可由 33 ℃降 低至 21 ℃以下。为了确保降温效果， 空冷器应布置 在距采掘工作面一定距离范围内， 如果距离太远， 冷 损太大， 则直接影响系统的降温效果， 造成冷量的浪 费。工程实践表明， 空冷器距掘进工作面的距离不 宜超过 500 m; 距采煤工作面进风口距离不宜超过 100 m， 相邻 2 台空冷器之间的距离宜保持 50 ～ 100 m。 空冷器在掘进工作面的布置如图 1 所示， 在 采煤工作面的布置如图 2 所示。 图 1掘进工作面空冷器布置示意图 图 2采煤工作面空冷器布置示意图 2冷负荷计算方法 降温系统所需总冷负荷主要由 3 部分构成， 即 采掘工作面焓变冷负荷、 采掘工作面热源总散热量、 系统冷量损失 ［4 ］。 2．1焓变冷负荷 焓变冷负荷为采掘工作面回风口降温前风流焓 值与降温后风流焓值的差值， 即 Q1 M i1 － i 2 1 式中 Q1表示焓变冷负荷， kW;M 表示风流的质量 流量， kg/s;i1表示降温前风流焓值， kJ/kg;i2表示 降温后风流焓值， kJ/kg。 风流的焓值与风流的温度、 湿度、 大气压力有 关， 即 i 1．005t 1．85td 2 501d 2 d 0．622 φ p s p －φ p s 3 式中 i 表示风流的焓值， kJ/kg;t 表示风流干球温 度， ℃; d 表示风流的含湿量， kg/kg;φ 表示风流的 相对湿度， ; p 表示大气压力， Pa; ps表示水蒸气饱 和分压力， Pa。 89 Vol. 45 No. 2 Apr. 2018 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION 第 45 卷第 2 期 2018 年 4 月 2．2热源散热量 大多数文献资料表明， 围岩散热、 机电设备散热 和热水散热是高温热害矿井的主要致热源［5 ］， 阳城 煤矿采掘工作面无热水涌出。因此， 引起风流温度 显著增加的热源主要为围岩散热和机电设备散热。 采掘工作面围岩散热按如下公式计算［6 ］ QWY K τLU tgu － t 4 式中 QWY为围岩散热量， kW; Kτ为风流与围岩的不 稳定换热系数， kW/ m2℃ ; L 为巷道的长度， m; U 为巷道断面的周长， m; tgu为围岩的原始岩温， ℃; t 为巷道风流的平均干球温度， ℃。 式 4 中 Kτ计算过程非常复杂， 在实际工程计 算中可以根据相似地温矿井或周边相邻矿井地热资 料进行近似选取， 作为计算的依据。 采掘工作面机电设备散热按如下公式计算［6 ］ QJD ηN 5 式中 QJD为机电设备散热量， kW; η 为机电设备散 热增加比例系数; N 为机电设备功率， kW。 则采掘工作面热源散热量为 QSR k 1 QWY Q JD 6 式中 QSR为总的热源散热量， kW;k1 为系数， 综合 考虑采掘工作面氧化热、 人员散热等次要热源的影 响， k1 1．25。 2．3系统总冷负荷 从制冷机组到采掘工作面的整个冷量输送过程 中都存在冷量的损失， 当采取保温措施后， 降温系统 冷量损失不应超过总制冷量的 20［2 ］。因此， 假设 系统冷量损失为总制冷量的 20， 则系统总冷负 荷为 QXT k 2∑Q1 ∑QSR 7 式中 QXT为系统总冷负荷， kW;∑Q1 为各采掘工 作面焓变冷负荷之和， kW;∑QSR为各采掘工作面 热源总散热量， kW; k2为冷量损失系数， k2 1．25。 2．4冷负荷计算结果 计算采掘工作面冷负荷， 首先需收集和确定采 掘工作面降温范围的平均标高、 配风量、 降温前进出 口风流温湿度、 降温后进出口目标温湿度、 降温范围 内巷道的长度和断面尺寸、 机电设备的装机功率等 信息， 再根据上述的方法进行计算。 采掘工作面冷负荷计算结果见表 1。将表 1 中的 数据代入公式 7 ， 计算得到降温系统总冷负荷 QXT 1．25 3 6531 561 6 517．5 kW。 表 1采掘工作面冷负荷计算结果 序号工作面名称焓变冷负荷/kW热源散热量/kW 13303 采煤工作面953587 23306 采煤工作面985553 3北三深部猴车下山27284 4北三深部轨道下山28868 5北三深部胶带下山27578 63308 胶带巷29065 71311 轨道巷29462 81311 胶带巷29664 合计3 6531 561 3管路系统阻力计算 管路系统阻力计算是循环水泵选型的依据， 是 矿井降温系统设计的重要内容。降温系统循环水管 路系统阻力损失包括 2 个方面， 即沿程阻力损失和 局部阻力损失。 3．1沿程阻力损失 沿程阻力损失计算公式如下［7 ］ hfλ l D ρ v 2 2 8 式中 hf为沿程阻力， Pa; λ 为水与管道内壁间的摩 擦阻力系数， 无量纲;l 为直管段长度， m;D 为管道 内径， m; ρ 为水的密度， kg/m3; v 为管内流速， m/s。 式 8 中， λ 与流体性质、 流态、 流速、 管道内径 大小及管内表面粗糙度有关， 可用以下公式进行 计算 1 槡λ － 2lg k 3．71D 2．5 Re槡λ 9 式中 k 为管内表面的当量绝对粗糙度， m; 闭式水系 统 k 0．2 mm， 开式水系统 k 0．5 mm， 冷却水系统 k 0．5 mm; Re 为雷诺数。 Re vD ν 10 式中 ν 为运动黏度， m2/s， 标准大气压时， 水的运动 黏度可以查表得到［7 ］。 3．2局部阻力损失 水在管道中流动时， 遇到局部配件， 如弯头、 三 通、 阀门和其他异型配件时， 因摩擦和涡流造成能量 损失， 该能量损失即为局部阻力损失。局部阻力损 失计算公式如下 ［7 ］ Δp ζ ρ v 2 2 11 式中 ζ 为局部阻力系数， 可查表得到 ［7 ］。 99 第 45 卷第 2 期 2018 年 4 月 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No. 2 Apr. 2018 3．3水泵扬程 水泵扬程 H 为循环水管路系统沿程阻力 hf 、 局 部阻力 Δp， 以及冷却水循环管路上设备内阻力损失 Δp三者之和， 其计算公式如下 ［7 ］ H K hf Δp Δp 12 式中 K 为系数， 通常取 1．1～1．2， 在矿井降温工程实 际中， 由于煤矿环境的特殊性和复杂性， 一般取大 值， 即 K 1．2。 对于循环冷却水管路系统来说， 引起阻力损失 的设备为冷却塔和冷凝器; 对于循环冷冻水管路系 统来说， 引起阻力损失的设备为蒸发器和末端空 冷器。 3．4水泵扬程计算结果 冷却水循环线路 地面泵站→地面室外 供→风 井井筒 供→回风暗斜井 供→－650 m 回风石 门 供→制冷硐室 供→冷凝器→制冷硐室 回 → －650 m 回风石门 回→回风暗斜井 回→风井井 筒 回→地面室外 回→地面泵站。 冷却水循环泵扬程计算结果见表 2。将表 2 中 的数据代入公式 12 ， 计算得到冷却水循环泵扬程 为 2 274．41 kPa 约 228 m 。 表 2冷却水循环泵扬程计算结果 序号设备及管段阻力类别阻力损失/kPa 1地面管路 沿程阻力423．82 局部阻力38．05 2 风井井筒及回 风暗斜井管路 沿程阻力217．25 局部阻力24．64 3 －650 m 回 风石门 沿程阻力481．10 局部阻力25．49 4设备接管 沿程阻力19．89 局部阻力15．10 5冷凝器总阻力降150．00 合计1 895．34 阳城煤矿井下集中制冷降温系统为终身服务系 统， 因此在水泵能力设计上考虑了最深、 最远的采掘 工作面冷量输送要求， 在计算水泵扬程时， 选取系统 服务年限内最长的 1 条冷冻水循环回路。主要线路 为 蒸发器→制冷硐室 供→－650 m 南翼回风大 巷 供→南二采区猴车下山 供 →最深部采煤工作 面 供→空冷器→最深部采煤工作面 回 →南二采 区猴车下山 回→－650 m 南翼回风大巷 回→制冷 硐室 回→蒸发器。 冷冻水循环泵扬程计算结果见表 3。将表 3 中 的数据代入公式 12 ， 计算得到冷冻水循环泵扬程 为 2 827．86 kPa 约 283 m 。 表 3冷冻水循环泵扬程计算结果 序号设备及管段阻力类别阻力损失/kPa 1制冷硐室 沿程阻力47．86 局部阻力3．52 2 －650 m 南翼 回风大巷 沿程阻力1 094．48 局部阻力11．27 3 南二采区 猴车下山 沿程阻力475．92 局部阻力12．22 4 南二采区最深 部采煤工作面 沿程阻力439．39 局部阻力6．07 5设备接管 沿程阻力6．78 局部阻力9．04 6蒸发器总阻力降150．00 7空冷器总阻力降100．00 合计2 356．55 4主要设备选型 4．1制冷机组选型 通过计算， 阳城煤矿井下集中制冷降温系统所 需的总冷负荷为 6 517．5 kW， 从经济性角度考虑， 选 用 ZLS－3300 矿用隔爆型制冷装置 2 台， 该制冷装置 单台额定制冷量为 3 300 kW， 设计有10的富余量， 能够满足 “两面六头” 的降温需求。 4．2空冷器选型 根据表1 的计算结果， 2 个采煤工作面冷负荷分 别为 1 540、 1 538 kW; 6 个掘进工作面的冷负荷分别 为 356、 356、 353、 355、 356、 360 kW， 根据空冷器选型 手册， 采煤工作面选用 400 kW 空冷器 4 台， 掘进工 作面选用 400 kW 空冷器 1 台。 4．3水泵选型 根据表 2 的计算结果， 冷却水循环泵的扬程约 为 228 m， 而 ZLS－3300 制冷装置要求单台冷却水流 量为 450 m3/h， 根据水泵选型手册， 冷却水循环泵型 号为 D450－604。 根据表 3 的计算结果， 冷冻水循环泵的扬程约 为 283 m， 而 ZLS－3300 制冷装置要求单台冷冻水流 量为 190 m3/h， 根据水泵选型手册， 冷冻水循环泵型 号为 MD200－506。 5工程应用效果 阳城煤矿井下集中制冷降温工程于 2016 年 8 月 001 Vol. 45 No. 2 Apr. 2018 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION 第 45 卷第 2 期 2018 年 4 月 投入试运行， 2 台 ZLS－3300/10000 制冷装置交替运 行， 累计运行时间约 2 000 h。在运行期间， 连续在 8 月和 9 月对系统降温效果进行了现场考察。下面 重点针对 3303 采煤工作面和 3308 胶带巷的降温效 果进行分析， 其降温效果分析图见图 3 和图 4。 1点空冷器入风口; 2点空冷器出风口; 3点风筒出口; 4点工作面进风口; 5点工作面中段; 6点工作面回风口。 图 3 3303 采煤工作面降温效果分析图 1点空冷器入风口; 2点空冷器出风口; 3点风筒出口; 4点掘进面端头; 5点距端头 5 m 处; 6点距端头 10 m 处。 图 43308 胶带巷掘进工作面降温效果分析图 由图 3 和图 4 可以看出， 3303 采煤工作面进风 流通过空冷器多级冷却后风流温度由 31．5 ℃ 下降 至 15．3 ℃， 降温幅度达到 16．2 ℃。另外， 风筒出 口 3点 、 工作面进风口 4点 、 工作面中段 5点 和工作面回风口 6点 各测点降温幅度分别为 11. 0、 7．8、 6．1、 5．4 ℃， 均超过 5 ℃， 且各测点相对湿 度均由 95以上降至 80以下。同理， 3308 胶带巷 各测点的风流温度降幅均超过 5 ℃， 相对湿度均降 至 80以下。 6结语 1 该制冷降温系统充分利用了阳城煤矿自有电 厂冷却水系统和井筒中现有的排水管路， 既能实现 降温系统的排热功能， 又能满足特殊时期矿井的排 水要求， 简化了系统工艺， 降低了投资， 对类似条件 的高温矿井具有借鉴意义。 2 概述了井下集中制冷降温系统的工艺设计的 关键内容， 总结了一套既简单又行之有效的冷负荷和 管路系统水力计算方法， 经验证， 可应用于工程实际。 3 通过对制冷降温系统运行效果的考察， 单台 ZLS－3300 制冷装置最大制冷量可达到 3 600 kW， 达 到设计的 10富余量指标， 可满足阳城煤矿深部采 区 “一面三头” 的降温需求。 4 通过对采掘工作面降温前后的风流参数进行 观测， 降温后各主要测点的温湿度指标均优于预定 指标， 采掘工作面作业环境得到显著改善。 参考文献 ［ 1］ 中国煤炭工业协会．煤矿千米深井开采技术现状［Z］/ / 全国煤矿千米深井开采技术座谈会资料， 2013． ［ 2］ 矿井降温技术规范 MT/T 11362011［ S］ ． ［ 3］ JER Z Y WOJCIECHOWS K I． Application of the GMC－ 1000 and GMC－2000 mine cooling units for central air－ conditioning in underground mines［J］ ． Arch． Min． Sci．， 2013， 58 1 199－216． ［ 4］ 煤矿井下热害防治设计规范 GB 504182007［ S］ ． ［ 5］ 张习军．我国矿井空调的现状及发展趋势［ J］ ．矿业安全 与环保， 2014， 41 1 87－90． ［ 6］ 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． ［ 7］ 尉迟斌．实用制冷与空调工程手册［ M］ ．北京 机械工业 出版社， 2002． 责任编辑 陈玉涛 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭 上接第 96 页 ［ 6］ 高宏杰．魏家地煤矿瓦斯涌出规律及影响因素分析［ J］ ． 煤炭工程， 2016 10 58－60． ［ 7］ 王志亮， 陈学习．采煤工作面煤壁瓦斯涌出强度实测方 法及应用［ J］ ．矿业安全与环保， 2016 2 45－49． ［ 8］ 张学民， 张晓波， 张仲信， 等．阳泉矿区瓦斯涌出规律研究及 其综合治理 ［ J］ ．煤炭科学技术， 2014 9 123－125． ［ 9］ 张明禄， 梁雷， 雷喜良．回采工作面异常区瓦斯涌出规律 及预测研究［ J］ ．中州煤炭， 2014 6 51－53． ［ 10］ 邱建， 邱帅．采煤工作面瓦斯涌出规律及其防治［ J］ ．山 东煤炭科技， 2012 2 173－175． ［ 11］ 陈大力， 秦永洋， 赵俊峰， 等．综采工作面瓦斯涌出规律 及影响因素分析［ J］ ．煤矿安全， 2003 12 7－10． ［ 12］ 张华．天池煤矿103 综采工作面瓦斯涌出规律分析［ J］ ．煤 矿安全， 2014 10 130－132． ［ 13］ 陈静， 王继仁， 贾宝山．低透气性煤层瓦斯抽采技术与 应用［ J］ ．煤炭技术， 2009 3 70－73． ［ 14］ 张建斌．某煤矿综采面瓦斯涌出规律及防治措施研 究［ J］ ．内蒙古煤炭经济， 2015 10 130－132． ［ 15］ 郝佳顺， 周建伟．余吾煤业 S2107 工作面瓦斯涌出规律 研究［ J］ ．现代矿业， 2016 9 236－237． 责任编辑 陈玉涛 101 第 45 卷第 2 期 2018 年 4 月 矿业安全与环保 MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No. 2 Apr. 2018