井下回风冷却站在矿井降温工程中的应用.pdf

2 0 1 3年第 1 期 煤炭工程 井下回风冷却站在矿井降温工程 中的应用 蒋正君 中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京1 0 0 1 2 0 摘要 针对矿井涌水排热受矿井涌水量的限制，文章 阐述 了井下集 中式回风排热矿井降温 系统原理，介绍了井下回风排热冷却站的三种不同形式 ，并在 张小楼深井降温 系统进行应用，经 测量表明工作面降温效果显著 ，工作 面和掘进 头平均温度降低 5 ℃ ，相对湿度 降低 5 ％ 一1 0 ％。 回风经冷却站后 ，其温度基本达到 3 8 ℃ ，相对湿度接近 1 0 0 ％ ，基本达到设计 目标。 关键词 矿井降温 系统 ；井下集 中式 ；矿井涌水；井下回风冷却站；冷凝热 中图分类号 T D 7 2 7 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 1 - 0 0 1 9 - 0 3 App l i c a t i o n o f Ai r Re t un i n g Re f r i g e r a t i o n S t a t i o n i n Un de r g r o un d Mi n e t o Mi n e T e mp e r a t u r e C o o l i n g P r o j e c t J I A N G Z h e n g j a n B e ij i n g Hu a y u E n g i n e e ri n g C o m p a n y L t d ． ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y and E n g i n e e ri n g G r o u p，B e r i n g 1 0 0 1 2 0 ，C n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e mi n e t h e r ma l d i s c h a r g e w i t h t h e mi n e wa t e r l i mi t e d b y t h e mi n e w a t e r i n fl o w q u a n t i t y，t h e p a p e r s t a t e d t h e p rin c i p l e o f t h e t e mp e r a t u r e c o o l i n g s y s t e m i n t h e c e n t r a l i z e d t y p e a i r r e t u r n i n g t h e rm a l d i s c h arg i n g mi n e i n t h e u n d e r g r o u n d mi n e a n d i n t r o d u c e d t h r e e d i f f e r e n t mo d e s o f t h e a i r r e t u r n i n g t h e rm a l d i s c h a r g i n g r e f ri g e r a t i o n s t a t i o n i n u n d e r g r o u n d mi n e ．T h e t e mp e r a t u r e c o o l i n g s y s t e m wa s a p p l i e d t o t h e t e mp e r a t u r e c o o l i n g s y s t e m of Z h a n g x i a o l o u d e e p s h a f t Mi n e ．Th e me a s u r e me n t s s h o we d t h a t t h e t e mp e r a t u r e c o o l i n g e f f e c t o f t h e c o a l mi n i n g f a c e w a s o b v i o u s ，t h e a v e r a g e t e mp e r a t u r e o f t h e c o al mi n i n g f a c e a n d t h e g a t e w a y h e a d i n g f a c e w a s r e d u c e d b y 5℃ a n d t h e r e l a t i v e h u mi d i t y wa s c l o s e t o 1 0 0 ％ ． A l l t h o s e b a s i c a l l y r e a c h e d t h e d e s i g n e d t arg e t ． Ke y wo r d s mi n e t e mp e r a t u r e c o o l i n g s y s t e m ； c e n t r a l i z a t i o n i n u n d e r g r o u n d mi n e； mi n e wa t e r i n r u s h； r e f rig e r a t i o n s t a t i o n u n d e r mi n e a i r r e t u rn i n g s h a f t ； c o n d e n s i n g h e a t 随着煤炭开采 向深部的拓展，矿井的深部热害问题越 来越突出，促进了矿井降温技术的发展。目前国内外矿井 降温系统主要有冰系统和水系统两大类 ，冰系统一般在地 面设制冷站，水系统制冷站的分布 比较灵活，按制冷站的 分布分为井下集中式 、地面集 中式和井下地面联合式 j 。 在经济上地面集中式和井下地面联合式具有其优越性，而 在技术上三种系统各有特点地面集 中式和井下地面联合 式系统必须使用高低压转换设备，另外从地面往井下长距 离输送冷冻水，会产生较大的冷损 ；而井下集中式系统的 致命弱点是冷凝热排放困难⋯。井下冷凝热的排放方式主 要有依靠矿井涌水排热和依靠 回风排热两种方式，依靠矿 井涌水排热的方式，优点是效率高 ，但需要有足量矿井涌 水，适用于矿井涌水量较大的矿井 ；依靠回风排热的方式 缺点是 效率 比较低，优点 是能够适 用 于绝 大 多数的矿 井 ’ 。本文主要介绍利用井下回风排热的方式进行井下集 中降温 ，并将其应用于张小楼深井降温系统。 1 井下回风排热降温系统工作原理 井下集中式回风排热矿井降温系统原理如图 1 所示，冷 水机组产生的冷量借助冷冻水输送到空冷器 冷冻站 与风流 进行热量交换，进行矿井工作面或掘进头的降温 ；同时冷水 机组 制冷站 产生的冷凝热，需要借助冷却水输送到冷却 站，在冷却站内冷却水通过喷淋与回风进行充分的热质交 换。进行热质交换后回风的温度和湿度都将增加，从而将冷 凝热沿回风巷排至地面。由于系统是开式系统，在冷却水喷 淋过程中，很容易受到污染 ，水质得不到保障，故一般在冷 却站和制冷站之间增设换热器 转换站 。如冷却站与制冷站 之间有一定高差 ，换热器 转换站 还有压力转换的作用，起 到减小制冷站内制冷主机冷凝器内水侧压力的作用。 2 冷却站形式及热力学原理 2 ． 1 冷却 站形 式 收稿 日期2 0 1 2 0 62 4 作者简介蒋正君 1 9 8 4一 ，男 ，山东菏泽人，硕士，2 0 1 1 年毕业于中国矿业大学 北京 供热 、供燃气、通风及空调 工程专业，现在中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司从事暖通设计相关工作。 1 9 煤炭工程 2 0 1 3年 第 l 期 回风 热风 图 1 井下集 中式 回风排热矿井降温 系统原理 1 水平式冷却站水平式冷却站一般由喷淋段、漫流 段和冷水仓组成。因为一般单靠喷淋过程冷却水得不到充分 的冷却，为了使热质交换达到充分，常常设置一定长度的漫 流段来使风流与冷却水进一步进行热质交换，以使风流尽可 能多的带走冷凝热，水平式冷却式示意图如图2所示。 图 2 水平式冷却站示意图 2 倾斜式冷却站倾斜式冷却站与水平式冷却站相似 也包括喷淋段、漫流段和冷水仓，只是漫流段是一段倾斜 的巷道，水靠重力作用在斜巷 内与风流进行热质交换后流 入冷水仓。为增强热质交换过程，根据传热传质学原理 ， 将倾斜巷道的底板尽量做粗糙 ，如设置台阶，以使水流呈 紊流状态，倾斜式冷却站示意图如图3所示。 图3倾斜式冷却站示意图 3 竖直式冷却站 竖直式冷却站与水平式和倾斜式冷 却站的不同之处体现在喷淋段 ，水流通过喷头竖直向上喷 出后 ，先向上飞出一段距离 ，在重力作用下下落 ，与风流 呈逆向流动 ，进行强烈的热质交换。为使热质交换更加充 分，增设漫流段，使风流与水进一步地进行热质交换。温 度和湿度增加后的风流最后沿回风巷排出地面，从而将冷 凝热带出，竖直式冷却站示意图如图4所示。 2 ． 2热力学原理分析 上述三种形式的冷却站其共同点是在有限空间里完成 的水与风流之间的热质交换过程，一般设计使水与空气进 行逆向流动，这样一方面利于传热传质过程的进行，另一 方面还可以更大程度地使水雾化成水滴，增大空气与水滴 之间的接触面积，促进传热传质过程的进行。当然水平冷 却站与倾斜冷却站也可以根据工程实际条件，使水与风流 同向流动。热力学过程可以简述如下，具有一定温度 、压 力的水由喷嘴高速喷出、雾化成大量的细小水滴，在运动 2 0 图 4 竖直式冷却站示意图 过程中与风流充分接触 ，相互之间发生强烈的质量、动量 和热量交换。风流与水之间既有显热交换 ，又有湿交换 质 交换 ，而湿交换发生的同时伴随着潜热交换。总换热量应 为显热交换和潜热交换的总和 J 。 水放出的热量等于制冷机排热量，可由式 1 计算 Q 1 ． 1 6 3q t 一t h 1 风流带走的热量，包括显热和潜热 ，可由式 2 计算 Q 。G h 。 。一h 。 2 工程设计中需要的初始参数包括制冷机排热量 等于 水放出的热量 Q ；冷却水量 q ；冷却水进冷却站温度 t ， 冷却站风流初始温度 f 、初始相对湿度 。 、大气压力和流 量 G ；矿井地面大气压力。 设计计算时，首先要选定冷却站的位置，然后可以由 矿井地面大气压力，求出冷却站所在位置的大气压力，从 而借助暖通专业软件绘制出冷却站所在位置的焓湿图。一 般拟建冷却站位置处的风温 f 与风量 G 。 是一定的，要最大 程度地利用回风带走尽可能多的冷凝热，可以在矿井安全 的情况下，参考冷却站热水的水温情况 逆流时小于热水进 水温度；顺流时小于热水出水温度 初步确定出风温度 t ， 如果热质交换足够充分，则出风 的相对湿度可以近似取 1 0 0 ％ ，由 、 0 及 靠、 1 0 0 ％查 焓湿 图确 定 h 一h ⋯ 再由式 2 计算 出风流带走的热量 ，按能量守恒可以由式 1 得出热水的出水温度 ￡ ，如出水温度符合要求 逆流时 大于进风温度 ；顺流时大于出风温度 则可以采用，否则重 新选定出风温度 ，进行重新计算。 3工 程应 用 3 ． 1 工程概 况 张小楼井位于徐州市西北铜山县柳新镇和刘集镇境内， 距徐州市区 1 3 k m。隶属于徐州矿务集团有限公司，开采深 度已延伸至 一1 0 2 5 m以下，是 徐州 矿 区高 温矿井 之 一， 一 l O 0 0 m水平巷道气温 3 l o C，夏季最高可达 3 4 ％，已严重 危害矿工的身心健康及煤矿的安全生产 ，所 以必须采用降 温技术进行矿井降温。 3 ． 2 技 术 方案 项 目目标要求实现两个工作面和两个掘进 头的降温， 2 0 1 3年第 1期 煤炭工程 由于张小楼井下可利用矿井涌水量仅有 3 7 m ／ h ，另外可以 从附近老矿区 庞庄矿 引水 6 5 m ／ h ，水温3 0 ℃，可利用冷 源非常有限，必须考虑利用 回风进行冷凝热 的排放。矿井 回风为 4 0 0 0 m ／ rai n ，风温为 3 2 C，相对湿度为9 6 ％。经热 力学计算，当回风温度升高至 3 8 C时，可提取 3 2 5 2 k W 冷 量。综合考虑回风排热与矿井涌水排热中可利用冷源，技 术方案框 图如图 5所 示。 庞庄矿涌水 I 塑 墨 I 6 5 m 3 3 0o ／ h C I 5 2 6 m 3／h 4 2 ℃ I ℃ 4 2 C I 4 2 4 r n ／ h 。 0 回 0 风 撼风mm3 ／ rai n i ． ． ． ． ． - 1 4 0 0 0 m3 ／ m 4 0 R I 娃 士 I 3 2 c i n 冷水仓 5 2 6 m3 ／ h 3 5 ℃ l 3 7 m m I 3 0 2 3 1 8 ℃ I空冷器 l 进 风 j3 o ℃1 1 8 c 图 5 张小楼降温工程技术方案框图 3 ． 3 冷却 站 设计 冷却站选址，一方面要求不要远离制冷站，另一方面 要求回风量比较大，且回风经过冷却站后进入到没有生产 作业和人员经常停留的回风巷内。经过现场调研， 一1 0 2 5 回风下山是一段倾斜巷道，靠近制冷站，风量较大，此段 巷道为老猴车道，正准备拆除，另外老猴车道上下滑板均 是近似水平的巷道，可以利用上滑板作为喷淋段 ，利用老 猴车道作为漫流段，在下滑板处挖一集水池 ，张小楼井降 温工程冷却站上滑板喷淋段剖面图如图 6所示，冷却站老 猴车道漫流段剖面图如图 7所示。喷淋段设计采用变径管 道 上 打 孔 进 行 喷 淋 ，变 径 管 分 三 段，直 径 分 别 为 D N 3 0 0 mm、D N 2 0 0 mm、D N1 5 0 r n m，长 度 分 别 为 2 m、2 m、 8 m，小孔直径分别为 l O m m、l O m m、5 m m，小孔分布在管 道上表面 1 8 0 。 范围内，喷射方向朝向上部及水平方面，这 样可以增加水滴与风流之间热质交换的时间。为减少巷道 水流对巷道的破坏，在巷道内壁安装一层镀锌铁皮。 3 ． 4应 用效 果 张小楼井降温系统在 2 0 1 1年 7月安装完毕 ，率先应用 在7 5 2 1 4工作面和 9 5 2 1 1掘进头。系统进行了一个月的试 运行，经测量工作面降温效果显著，工作面和掘进头平均 温度降低 5 ℃，相对湿度降低 5 ％ 一 1 0 ％。冷却站运行状态 良好，水流从喷头内喷出后 ，溅在巷道顶板及壁面上的镀 图 6 张小楼 降温工程冷却站喷淋段剖面图 mil 1 图7 张小楼降温工程冷却站漫流段剖面图 锌铁皮上，飞溅成小水滴，与回风进行热质交换。回风经 冷却站后，其温度基本达到 3 8 C，相对湿度接近 1 0 0 ％， 基本达到设计目标。 4结论 1 利用回风排热是井下集中降温系统冷凝热排放的一 条切实可行的重要途径，虽然与采用矿井涌水进行冷凝热 排放相比效率较低，但对于矿井涌水量较小且高温热害问 题又突出的矿井来说 ，切实可行。 2 井下回风冷却站有水平式、倾斜式或竖直式三种， 可以根据工程的具体特点，通过现场调研与分析 ，采取一 种或是两种形式的组合 ，形成单级冷却站或二级冷却站， 甚至多级冷却站。 参考文献 [ 1 ] 邓王平 ，郭锋 ，符新燕 ，等．矿井 降温技术现状及问题探 讨 [ J ] ，陕西煤炭，2 0 1 0 ， 6 5 7 5 8 ． [ 2 ] 王新泉，王晓璐，田传胜．有限空间空气与水热湿交换过程 的数学模型 [ J ] ．郑州纺织工学院学报，2 0 0 1 ，1 2 3 1 2 ～ l 5． [ 3 ] 宋 矗臻．空气与水逆流直接换热接触热质交换过程模型计算 及分析 [ J ] ．化工学报， 2 0 0 5 ，5 6 4 6 1 4 6 1 8 ． [ 4 ] 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 ，2 0 0 9 ． [ 5 ] 卫修君，胡春胜．矿井降温理论与工程设计 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 6 ] 何满潮，徐敏．H E M S 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， 2 0 0 8 ，2 7 7 1 3 5 3 1 3 6 1 ． [ 7 ] 何满潮，郭平业，陈学谦，等．三河尖矿深井高温体特征及 其热害 控制 方 法[ J ] ．岩石 力 学 与工 程学 报，2 0 1 0 ， A 0 1 2 5 9 3～ 2 5 9 7 ． 责任编辑张宝优 2】