基于矿井水源的井下降温技术应用.pdf

第 卷第 期 年 月 有色金属工程 基于矿井水源的井下降温技术应用 聂兴信魏小宾 西安建筑科技大学 管理学院西安 摘要为解决深井开采下作业环境的高温热害问题在分析井下高温热害致灾因素的基础上探讨了井下主要热源的类别及其 散热量的计算并制定有效的热害治理方案 在综合分析传统制冷降温原理的基础上提出一种以矿井水源为冷源的降温技术方 案通过提取矿井涌水中蕴含的天然冷能来实现对深井高温作业面上的热害治理 结合了金渠金矿 坑口矿井作业面上的 高温热害问题和井下的开采现状利用 水平存在的低温涌水在 水平的回风井附近建立制冷降温系统对 水平 中段西翼独头掘进作业面进行降温降湿的热害治理 实践结果表明降温后 水平西翼独头掘进工作环境的温度控制在 以内相比降温前降低了 作业面上的相对湿度也控制在 左右 关键词深井开采矿井热源高温热害矿井涌水降温系统 中图分类号 文献标志码文章编号 收稿日期 基金项目陕西省自然科学基金项目 陕西省教育厅 专项基金项目 作者简介聂兴信男河南濮阳人硕士副教授主要从 事矿山数字化及矿山系统优化研究 在地下矿井开采过程中井下巷道围岩的温度 在随着开采深度的增加而不断地升高再加上井 下各种热源在工作时的放热造成了井下高温的工 作环境 高温热害不仅影响矿井开采的生产效率 而且对井下作业人员的身心健康也极为不利更 为严重的可能会引发矿井事故危害到员工的生命安 全 按照金属非金属地下矿山通风系统技术规 范中规定的井下作业地点的空气温度不得超过 要求建立制冷降温系统对井下高温高湿 工作环境进行热害治理具有重要的实践意义 高温矿井的降温措施主要分为非人工制冷和人 工制冷其中优化矿井通风增强作业面风流流动是 常见的非人工制冷降温措施而人工制冷降温主要 是通过设置空调制冷机组来实现对高温作业面的降 温 井下集中式制冷降温是人工制冷降温技术的一 种其核心在于其将制冷机组设置在井下并通过矿 井回风系统排放冷凝热该降温技术缩短了冷冻水 的输送距离减少了冷损量提高了对井下高温作业 面的降温效率 目前国内外的相关学者在井下集 中式制冷降温领域做出了相关的研究姬建虎等 人开发出了一套矿用半封闭式局部制冷系统利用 回冷器有效地解决了井下集中制冷降温系统冷凝热 的排放问题 张永春等人采用蒸汽溴化锂制冷 机与离心制冷机串联的降温技术有效地井下集中制 冷降温的效率 等人通过回收利用井下 冷凝热及地热实现对地面供热提高了能源的循环 利用效率 等人利用井下液氮喷射技术 在井下降温方面取得井下良好的降温效果 本文针 对存在涌水或渗水的地下矿井提出一种以矿井水 源为冷源的井下集中式制冷降温系统通过从矿井 水源中提取冷能与作业面高温风流进行热交换实 现对井下采掘作业面降温降湿的效果同时还可以 利用井下低温涌水解决制冷机组冷凝热的排放问 题减少高温矿井二次热害的产生 高温矿井热源分析 矿井高温热害产生的根本原因在于井下热源散 发的热量被聚集在作业面上无法及时地排出井外 而被聚集在作业面上的热量通过热传导的方式对作 业面周围空气进行加热直接引起井下工作环境温 度的升高 井巷围岩放热 地层的岩温是随着地层深度的增加而呈现非线 性升高地层岩石的热物理性质对深井开采过程中 的高温热害有很大的影响 高温围岩是通过热 对流的方式将热量传递给周围空气从而导致巷道 内空气温度的升高 在工程实践中井巷高温围岩 与风流间传热量的计算公式为 式中 为巷道围岩的传热量 为围岩 与风流间的不稳定换热系数 为 井巷的周长 为井巷的长度 为平均原始 岩温 为井巷中风流的平均温度 为井巷 中风流平均速度 机电设备放热 随着矿井开采机械化水平的不断提高井下生 产过程中的机电设备放热也已经成为井下高温热害 的一大热源 矿井的采掘设备风机设备运输设 备勘探设备照明设备等全部是通过电能来带动工 作的井下各机电设备在运行过程中不可避免地会 将部分电能转化为热能散发在作业面上机电设备 在运转过程中产生热量的计算公式为 式中 为机电设备对井下风流的加热量 为机电设备的散热系数一般为 为同 时运转的机电设备的总功率 运输中矿石放热 矿石在运输过程中放热实质上是围岩散热的另 一种表现形式经开采后的矿石直接暴露在空气中 增大了空气的接触面积进而加快矿石的散热速率 散发的热量直接对运输巷道内的风流进行加热其 散热效率要比围岩散热高出很多因此矿石在运输 过程中对风流的加热也是不可忽视的 运输中矿石 放热量的近似计算公式为 式中 为矿石在运输过程中的放热量 为矿石运输的距离 为运输中矿石的平均温 度 为运输巷道中风流的平均温度 为 运输 矿 石 的 运 输 量 为 矿 石 的 比 热 容 空气自压缩放热 当外界新鲜风流沿井巷流往井底作业面上时 风流沿着井筒向井下流动时会产生气柱压力在势 能转化为焓值的过程中使井下风流温度升高 黄山果等人在对深井采矿中热贡献率的研究中 发现空气自压缩放热量约占井下热源总散热量的 在绝热的条件下风流每垂直向下流动 其风流的温度就会升高约 在进风 巷道内空气的自压缩放热是其主要热源由空气自 压缩而释放的热量计算公式为 压缩热 式中 为地面到采掘作业面的高度差为 采掘巷道风流的质量流量 井下水源为冷能的降温系统设计 矿井涌水存在与大部分的地下矿井中地下矿 井水源作为天然冷源可以被用来提取冷量用于井下 第 期 聂兴信等基于矿井水源的井下降温技术应用 高温作业面的降温 本论文基于水冷式制冷降温系 统原理利用矿井水源中所蕴藏的冷能建立井下集 中式制冷降温系统通过利用矿井涌水或渗水中所 蕴含的冷能作为冷源建立井下制冷降温系统对矿 井涌水或渗水中所蕴含的冷能进行能量提取利用 提取出的冷量与作业面上的高温空气进行热交换 从而达到对井下开采工作面降温降湿的效果其工 作原理见图 图 以矿井水源为冷源的降温系统示意图 以矿井水源为冷源的井下人工制冷降温系统包 括冷源制冷和降温三大部分其核心在于制冷部 分该制冷机组部分由冷凝器节流阀蒸发器和压 缩机等四部分构成制冷部分的热力学原理是应用 了井下降温的逆卡诺循环见图 采用的是制冷 剂在蒸发器中吸热放冷的原理 逆卡诺循环包括 个等温过程和 个等熵过程在整个降温逆卡诺循 环过程中是通过利用回路中制冷剂的蒸发吸热和冷 凝放热原理实现对作业面降温和冷凝热排放的 该 循环系统的详细过程如下制冷剂被从矿井涌水中 提取出的冷能冷凝为液态然后经节流阀装置降低 压力变成低温低压的液态制冷剂流入蒸发器中其 次液态制冷剂在蒸发器中吸收了来自采掘作业面的 热量被蒸发变为汽态在液态制冷剂蒸发过程中释 放的冷能制造出低温冷冻水而低温冷冻水被送往 掘进头的高温作业面上进行降温处理最后汽态制 冷剂进入压缩机中被压缩为高温高压的蒸汽制冷 剂最终蒸汽制冷剂再次进入冷凝器中吸取矿井涌 水中的冷量被冷凝为低温液态制冷剂依此循环而 吸收冷凝热的高温回水可以用来对井下员工洗浴用 水进行加热以实现能源循环利用的效果 应用实例及实施效果分析 工程概况 河南金渠金矿位于河南省三门峡市灵宝市阳平 镇金渠金矿 坑口矿井是典型的高温高湿 热害矿井该矿井的开采深度高达 该地区的 平均地温梯度为 坑口矿 井现有 水平三个开采中段其中 水平的热害现象最为严重其采掘工作面温 度高达 超过了国家规定的井下工作环境 温度不超过 的标准井下作业面上的相对湿度 也达到 以上急切需要对 水平作业面采 取降温降湿的有效措施加以实施 热源的放热量及冷负荷计算 井巷围岩放热量 对于 坑口 水平下的采掘作业 面由于其存在高达 的采深使得 水平 采掘巷道围岩的表面温度高达 水 平西翼独头掘进巷道的长度达 经测定独头 掘进巷道内风筒出口的平均风速为 风筒 出口到作业面上的距离为大约在 巷道的 横截面为 左右巷道周长为 西翼巷 道内空气的平均温度为 左右降温后的期望 温度在 左右 井下高温围岩散发的热量与巷 道内空气进行的热传导是造成了 水平西沿巷 道采掘作业面高温的直接原因根据上述测定的 水平巷道内的相关参数结合公式计 算巷道围岩的散热量如下 机电设备散热量 水平掘进巷道开采工作面的机械化使用 程度很高机电设备在正常工作中所散发的热量也 占据采掘作业面上热量的一大部分 掘进头采掘作 业面的机电设备包括功率为 的 型的 钻岩机 台功率为 的 耙装机 台 型离心式局部压入式抽出式通 风机各一台另有总功率约为 的装载机运 输机等设备根据采掘作业面上各机电设备的功率 参数及公式计算机电设备的散热量为 有色金属工程第 卷 运输中矿石的散热量 运输中矿石的散热是巷道围岩散热的一种只 不过矿石在被开采后散热更快散发到采掘作业面 及巷道内空气中的热量更多短时间内造成周围空 气的温度升高 根据现场的记录掘进巷道单位时间 内运输矿石的质量为 独头掘进巷道的长度 为 采掘面上围岩的初始温度平均为 左 右巷道内空气的平均湿球温度为 根据公 式计算的运输矿石的散热量为 空气自压缩热能释放量 金渠金矿 坑口至 水平作业面的 竖直距离为 根据在绝热的条件下空气每垂 直向下流动 风流温度就会上升 左右可 知空气压缩所释放的热量对井下空气升温有一定 的影响 考虑到被压缩后的空气流到井下作业面上 时高温会使空气受热膨胀从而降低空气的密度等 原因根据 水平掘进巷道现场的高温情况经 测量和计算得 中段作业面上空气的质量流 量 为 空气压缩对井下采掘作业面所释 放的热量经公式计算得 压缩热 作业面上冷负荷的计算 地下矿井热害治理中的所需冷负荷通常指采 掘作业面及硐室等需冷点的需冷量 本文以 水平西翼掘进头采掘面为例来计算掘进头作业面的 需冷量风筒出口处风流流量的质量为 在 水平巷道的条件下巷道风流的高差较小风 流的流速也相对比较稳定如果在忽略风机故障对 风流稳定性的影响可以按照下面公式计算掘进独 头作业面上的需冷量 冷 热 式中 冷为掘进独头作业面的需冷量 为需 冷处风流流量的质量 为需冷处风流的焓值 为需冷处达到降温目标时对于风流的焓值 热 为作业面热量总和 水平掘进工作面最热时 的空气干 球温度为 相 对 应 的 湿 度 达 到 以上若以干球温度 作为目标温度其单 位质量焓变为 然而在实际的工程实践 中往往需要增加一定的安全系数以防冷量在输送 过程中出现损失造成作业面上供冷量不足一般取 左右结合 作业面实测数据和公式 计算掘进头作业面的需冷量为 冷 因此对 中段独头掘进面进行热害治理 的需冷量至少为 热害治理降温技术方案 根据金渠金矿 坑口井下现场开采条件 以及 水平作业面上的需冷量本文设计出了 针对金渠金矿 坑口 水平作业面热害 治理的以矿井涌水为冷源的井下集中式制冷降温系 统工艺流程图见图 详细的设计如下 图 金渠金矿 坑口 水平降温流程图 利用在 水平集水仓内的低温涌水作 为井下制冷降温系统的冷源在冷却水泵站处设置 三级过滤系统将矿井涌水中的杂质进行过滤后再 经过冷却水泵站将冷源输送到 水平的换热工 作站 在 水平设置三防换热系统对高污 染高矿化高腐蚀的矿井涌水进行初步净化并且提 取矿井涌水中的冷能将其输送到制冷机组工作站 同时三防换热系统还兼具压力转换功能将从 水平输送下来的涌水由于高差所造成的高压水转换 为普通低压水以降低输送管及制冷机组所承受的 压力 水平设置制冷机组的主要作用是对从 第 期 聂兴信等基于矿井水源的井下降温技术应用 矿井涌水中提取的冷能进行进一步地制冷降温转化 为冷冻水通过冷冻水直接供给到 水平采掘 作业面上的空冷器 水平作业面上设置的空冷器在冷冻水 的作用下对流经空冷器的风流进行预冷降温使低 温的风流流向作业面并且与作业面上的高温空气进 行热交换达到对作业面降温降湿的效果 利用井下降温循环系统的回水系统将采掘 面上的热量和制冷机组所产生的冷凝热收集起来 对循环系统中的回水加热成高温回水并将高温 回水输送到 水平利用其中蕴含的热量对井 下员工洗浴用水进行加热处理将矿井的热害加 以利用变为热能实现能源的循环利用提高能源 的利用率 应用效果分析 金渠金矿井下制冷降温系统工程实施后现场 采用对比分析法对井下掘进头作业环境的降温效果 进行检测分析 以 水平西翼掘进头作业面作 为检测地点进行降温降湿效果分析监测点布置的 位置如图 所示在西翼掘进头的入口处设置第一 个监测点然后每间隔 布置一个监测点最后 在掘进头的作业面附近再布置一个监测点实现对 水平西翼掘进巷道降温前后工作环境温度和 湿度进行全面监测对比分析 图 水平西翼掘进头测点布置图 图 为金渠金矿 坑口 水平西翼 掘进头工作环境各监测点的降温效果图通过带风 筒的风机直接将低温风流输送到掘进头的作业面 上降温前掘进头工作面的迎头温度为 降 温后为 降温幅度为 降温措施实施 前掘进头相对湿度高达 降温后相对湿度为 除湿幅度达 图 水平西翼掘进头作业面降湿降温效果对比 结论 本文提出了一种以井下水源为冷源的井下 制冷降温系统方案充分利用了矿井涌水中存在的 天然冷源不仅降低了传统人工制冷降温系统机组 的运行成本而且还可以利用井下涌水帮助解决制 冷机组冷凝热排放的问题减少了井下二次热害 产生 利用以矿井涌水为冷源的井下集中式制冷降 温系统对金渠金矿 坑口 水平工作面进 行热害治理实践结果表明该降温系统对 水平掘进头工作面的温度控制在 以内掘进头 工作 面 的 温 度 降 低 了 相 对 湿 度 降 低 了 改善井下作业环境效果明显 参考文献 何满潮郭平业 徐州矿区深部开采热害治理现场试验 研究 煤炭工程 王海宁彭斌彭家兰等 基于三维仿真的矿井通风 系统及其优化研究 中国安全科学学报 王海宁彭家兰程哲 高温矿井的通风与降温分析 有色金属工程 姬建虎 掘进工作面传热特性及热害治理研究 重 庆重庆大学 有色金属工程第 卷 张永春 朱集矿热害治理技术与降温效果研究 煤 矿安全 何满潮郭平业 深部岩体热力学效应及温控对策 岩石力学与工程学报 康长豪查文华张亮等 深部开采高温控制理论与 技术分析 煤矿安全 黄山果吴超邱冠豪等 深井采矿热贡献率计算 方法研究与实践 中国安全生产科学技术 龙二鹏王新丰邱辰 深部开采高温热害控制方法 煤矿安全 聂兴信魏小宾 金渠金矿通风系统改造方案的优选 与实践 矿业研究与开发 上接第 页 芮宗瑶李光明张立生等 西藏斑岩铜矿对重大地 质事件的响应 地学前缘 张庆松郑立波王光旺等 西藏岗讲白容斑岩铜 钼矿地质特征及找矿方向 地质找矿论丛 杨震 西藏尼木岗讲斑岩铜钼矿床地质特征及成矿 预测 武汉中国地质大学 杨震姜华杨明国等 冈底斯中段岗讲斑岩铜 钼矿床锆石 和辉钼矿 年代学及其地质意 义 地球科学 周维德张正伟袁盛朝等 西藏尼木县白容斑岩型 铜钼矿床特征及成矿期次 矿物岩石地球化学通 报 冷成彪张兴春周维德 西藏尼木地区岗讲斑岩铜 钼矿床地 质 特征 及 锆 石 年 龄 地学 前 缘 杨震杨明国梅红波等 西藏尼木岗讲斑岩铜钼 矿床 地 质 特 征 及 深 部 找 矿 预 测 金 属 矿 山 第 期 聂兴信等基于矿井水源的井下降温技术应用