矿井全风量降温技术研究与工程实践.pdf

第 12 卷增刊 2016 年 9 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vol． 12 Suppl Sep． 2016 文章编号 1673 －193X 2016－ S1 －0057 －04 矿井全风量降温技术研究与工程实践 王保齐， 郭念波 兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东 菏泽 274700 摘要赵楼煤矿煤层处于二级热害区域， 井下高温高湿的气候环境产生过高的热应力， 破坏人体 的热平衡， 使人感到不舒适， 导致事故率增加， 且生产率降低， 严重影响煤炭安全生产。矿井在建 立井下集中降温的基础上， 针对季节性热害的特点提出了矿井全风量降温系统与方法， 通过多种 热源作用下的风温预测， 确定矿井冷负荷。矿井建立地面集中式全风量制冷降温工艺， 通过水源 热泵机组实现了对送入井口空气的降温处理， 整体上改善了矿井通风环境， 取得了良好的效果。 关键词 煤矿; 热害; 全风量; 降温; 制冷系统 中图分类号 X936文献标志码 Adoi 10． 11731/j． issn． 1673- 193x． 2016． S1． 010 Ｒesearch and engineering practice on maximum air volume cooling technology in mine WANG Baoqi，GUO Nianbo Zhaolou Coal Mine，Yanzhou Coal Mining Heze Energy and Chemical Co． Ltd． ，Heze Shandong 274700，China AbstractThe coal seam of Zhaolou Coal Mine lies in the second stage thermal hazard zone． The underground cli- mate environment of high temperature and high humidity produces excessively high thermal stress，which can de- stroy the thermal balance of human body，make people feel uncomfortable，lead to the increase of accidents and the decrease of productivity，thus influence the work safety of coal seriously． On the basis of establishing the central- ized cooling in underground mine，the maximum air volume cooling system and were put forward aiming at the characteristics of seasonal thermal damage． The cooling load of mine was determined through the air temperature prediction under the effect of multiple thermal sources． Through establishing ground centralized maximum air vol- ume cooling technology in mine，the cooling processing on air blowing into the wellhead was realized by using the water － source heat pump unit． The mine ventilation environment was improved on the whole，and the good results were achieved． Key words coal mine;thermal hazard;maximum air volume;cooling;refrigeration system 收稿日期 2016 －08 －20 作者简介王保齐， 高级工程师。 0引言 近 20 年来， 我国煤矿开采深度平均增加了 200m， 矿井热害问题凸显。井下高温高湿的气候环 境产生过高的热应力， 破坏人体的热平衡， 使人感到 不舒适， 甚至导致工作人员中暑， 导致事故率增加， 且生产率降低， 严重影响煤炭安全生产。尤其在夏 季， 工作地点的温度要明显高于其他季节， 夏季 7、 8 月份地面空气热焓比冬季 1、 2 月份高 60 kJ/kg［1 ］。 目前矿井降温方法通常采用水冷系统降温， 将低温 冷冻水通过管路输送到使用地点， 通过空气冷却器 对进入工作面的空气进行降温除湿。但井下制冷降 温系统在夏季凸显制冷能力不足， 特别是副井口附 近、 进风大巷沿途等地点仍存在温度高、 湿度大等问 题， 制约矿井生产能力的提高。因此， 如何整体降低 矿井热害影响， 成为亟待解决的技术问题。赵楼煤 矿于 2014 年 5 月建设完成了井口全风量降温工程， 与井下集中式降温系统联合使用， 全面降低了井下 温度。 1赵楼煤矿概况 兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿， 位于山东省 巨野煤田的中部， 设计年产量为3. 0 Mt/a， 服务年限 为 60. 5 a。含煤地层为山西组和太原组， 主采 3 煤 层， 埋深 700 ～1 200 m， 煤层平均厚度 6. 19 m， 煤层 倾角 2 ～18， 属赋存比较稳定煤层， 矿井采用单一 水平开拓方式， 机械化放顶煤开采工艺。 赵楼矿井煤层属正常地温梯度为背景的高温 区 ［2 ］， 地层年恒温带为 50 ～ 55 m， 温度为 18. 2 ℃， 平均地温梯度2. 20 ℃ /100 m， 非煤系地层平均地温 梯度 1. 85 ℃ /100m， 煤系地层平均地温梯度 2. 76 ℃ /100 m， 初期采区大部分块段原始岩温为 37 ～45 ℃， 处于二级热害区域。 2全风量降温技术与工艺 2. 1冷负荷计算 巨野矿区气候温和， 属温带季风区海洋 ～ 大陆 性气候。年平均气温13. 5 ℃， 常年最低气温一般在 每年的 1 月份， 平均最低气温 －0. 5 ℃， 最低气温为 －19. 4 ℃; 最高气温一般在每年的 7 月份， 平均气 温 27. 6 ℃， 平均湿度 81， 日最高气温 41. 6 ℃。 赵楼煤矿矿井总进风量 18 000 m3/min， 夏季空 气处理前后的状态参数如表 1。 处理进风空气所需的冷负荷为［3 ］ Ql G h2－ h1 18 000 60 1. 1 1. 176 2 106. 62 － 56 17 282 kW 表 1夏季空调计算空气状态参数 夏季空调计算室外 空气状态参数 夏季矿井井口送风 空气状态参数 进风干球温度/℃34. 1出风干球温度/℃ 20 进风湿球温度/℃31. 13出风湿球温度/℃19. 44 进风焓值/ kJkg －1 106. 62 出风焓值/ kJkg－1 56 进风相对湿度81出风相对湿度95 进风含湿量/ gkg －1 28. 15 出风含湿量/ gkg －1 14. 1 密度1. 1密度1. 176 2. 2系统工艺 赵楼煤矿矿井全风量降温系统由布置在地面的 水源热泵机房系统、 冷却塔循环系统、 冷冻水循环管 路系统和井口空气换热系统组成［4 ］。通过水源热 泵机组制取 7 ℃冷冻水， 经循环水泵及管路送至井 口空气换热器， 将室外空气温度降至20 ℃以下送入 井下， 达到井下整体降温效果。系统产生的冷凝热 则直接利用机房屋顶设置的冷却塔系统散热。 2. 2. 1水源热泵机房系统工艺 设备机房设置 4 台 19XＲ8P80E63MFC5A 型离 心式热泵机组， 单台机组制冷量 4 500 kW， 冷冻水 进出口温度 12/7 ℃， 流量 772 m3/h; 冷却水进出口 温度 32/37 ℃， 流量 922 m3/h， 输入功率 780 kW。 机房布置如图 1。 图 1机房布置 2. 2. 2冷冻水系统 设备机房布置 4 台 DFW300 － 360A/4/132 型 冷冻水循环泵， 由冷水机组制备的 7℃ 冷冻水通过 架空敷设 DN630 保温管道通往主井和副井井口换 热站， 通过空冷热交换使进入矿井的空气降温， 达到 要求的送风参数进入井下。 85中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 12 卷 2. 2. 3冷却水系统 设备机房布置 4 台 DFW350 － 390A/4/132 型 冷却水循环泵， 设置 2 组 CDW － 2000ASY － X 型低 噪音开式冷却塔， 每台循环水量 2 000 m3/h。屋面 冷却塔布置工艺布置如图 2 所示。 图 2冷却塔工艺布置 2. 2. 4井口空气换热系统 为充分利用矿井主通风机的动力， 克服有动力 换热器所产生噪音以及有可能产生的火灾事故的不 利影响， 通过计算机模拟分析和现场实测验证， 采用 了无动力换热器。同时对主副井口采取了有效封闭 措施 ［5 ］， 副井沿着进出车轨道方向， 利用 A 级防火 彩钢板将四周密封， 减少了外部漏风， 井口封闭后整 体漏风率不大于 10 副井口设计进风量为 13 000 m3/min、 主井口设 计进风量为 5 000 m3/min， 对进风空气状态 温度 34. 1 ℃， 相对湿度 81 全部进行处理送风空气 温度 20 ℃， 相对湿度 95 ， 主、 副井需要的总制 冷量为 17 767 kW， 在进风的主、 副井口附近设计、 安装了 19 台空气换热器， 总冷量为 17 911 kW， 能 满足空气热湿处理的要求。 2. 2. 5井口封闭技术方案 由于井口构筑物是主要运输通道， 为确保通风 降温效果， 需加强井口构筑物密闭和控制， 避免风流 通过井架和东西两侧的风门进入。 如图 3 所示， 在沿着轨道方向， 利用 A 级蓝色 防火石棉夹心彩钢板将四周密封， 副井东侧密封长 约 50 m， 西侧密封长约 20 m。东侧原有门处设置 2 个快速自动门， 在延伸处布置 2 个快速自动门。西 侧原有门处设置 2 个快速自动门， 延伸处设置 3 个 快速自动门。 每道自动门前侧3 ～5 m 处安装自动阻车器， 与 自动门实现之间闭锁， 即自动门打开后阻车器才能 打开， 阻车器关闭后， 卷门允许关闭。每个快速自动 图 3副井口房密闭和控制方案 门前后适当距离设置自动感应系统， 当矿车运行接 近自动门时， 被感应探头检测到后， 阻车器打开， 然 后其对应自动门快速开启。待车辆全部通过后， 阻 车器关闭， 然后自动门快速关闭。 在前道自动门开启时， 其对应的后道自动门保 持关闭。当电动门失电时， 所有电动门处于开启 状态。 2. 3系统运行降温效果分析 2014 年 6 月 1 日， 赵楼煤矿地面全风量降温系 统正式开始运行。井下降温效果体感明显， 较往年 有显著改善。如表 2 所示， 地面湿度大致相同的情 况下， 主、 副井下井口、 一采上车场、 下车场湿度降幅 约 15; 在地面湿度大致相同的情况下， 温度降幅 在7 ～8 ℃， 下井口能保持在24 ℃以下， 有效提高了 夏季劳动出勤率和劳动生产率。 3结束语 1 赵楼煤矿根据自身特点， 应用了 全风量降 温 井下集中式降温 这种降温模式， 建立了总制 冷量为 18 MW 全风量制冷降温系统， 制冷降温系统 的运行使得夏季下井口进风流温度降到24 ℃以下， 工作面进风温度在26 ℃以下， 取得了良好的制冷降 温效果。同时保证了矿井的安全生产， 提高了工作 效率， 利用了矿井余热， 在安全、 社会和环保节能等 各方面均具有良好的效益。2014、 2015 年多采出原 煤分别 30 万吨、 35 万吨， 新增利润约近 6 000 万元。 2 通过工程实践为高温矿井的降温提供了新 思路和新方法， 解决赵楼煤矿深部开采井下高温问 题， 提高劳动生产效率; 同时， 改善了劳动生产环境， 保护了职工的身体健康。 95增刊中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 表 2地面降温系统运行前后环境参数对比 2013 年 7 月 16 日 2014 年 7 月 31 日 T 干/℃T 湿/℃相对湿度/T 干/℃T 湿/℃相对湿度/ 地面32. 423. 95531. 823. 558. 3 副井口下30. 228. 68822. 920. 672. 2 主井下口30. 428. 88823. 221. 374. 6 南部 1大巷测风站30. 428. 8882422. 575 南部 2大巷测风站31309324. 222. 273 一集轨道上车场30. 6298924. 822. 876 一集轨道中车场30. 6298925. 322. 976 一集轨道下车场3129. 48925. 523. 677 参考文献 ［ 1］辛嵩， 等． 矿井热害防治 ［M］ ． 北京 煤炭工业出版 社， 2011． ［ 2］ 陈宜华，孙浩． 深井高温矿床井下热源与热量分析 ［ J］ ． 金属矿山， 2011， 3 132 －135． ［ 3］ 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， 2010， 29 1 2593 －2597． ［ 4］ 欧晓英， 杨胜强， 于宝海． 矿井热环境评价及其应用 ［ J］ ． 中国矿业大学学报， 2005， 34 3 322 －326． ［ 5］ 余恒昌， 邓孝， 陈碧琬． 矿山地热与热害治理［M］ ． 北 京 煤炭工业出版社， 1991 28 －41． 06中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 12 卷