阳城煤矿井下集中降温系统设计研究.pdf

煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol.38No.10 Oct. 2017 第38卷第10期 2017年10月 doi10.13436/j.mkjx.201710005 0引言 阳 城 煤 矿 矿 井 煤 层 埋 藏 由 浅 到 深 ，最 深 为 -1 200 m，平均地温梯度为1.86 ℃/hm，属于地温正 常区。-500～-650 m深度地温为26 ℃ ，其 -650 m水 平以下属正常增温区。 随着矿井开采深度的增加， 地温即按梯度值增加，热害程度也随之加剧，矿井深 部采掘工作面气温一般均超出煤矿安全规程的规 定，需要进行降温，以便改善井下作业环境，保证安 全生产和劳动效率。 造成矿井温度升高的主要热源有地热、热水、矿 石氧化散热、空气绝热、爆破散热、机电设备散热以 及人体散热等。 由于多种热源的综合作用，导致阳 城煤矿采掘工作面热害严重，尤其是掘进工作面热 害更为严重。 如在-920车场、3303输送带顺槽联络 巷、 3301工作面开切眼掘进时，工作面的平均气温高 达32 ℃。在这样的工作条件下，工人感觉非常闷热， 还出现了中暑休克的情况，从而导致劳动生产率下 降，并容易发生事故。 1降温方案 （1）降温方案的提出 随着矿井向深部延伸，阳城煤矿的热害问题越 来越严重，尤其是掘进工作面的温度高达32 ℃，相对 湿度近似100。 矿井采掘工作面闷热、潮湿，既危 害了职工的身体健康，又影响矿井安全生产。如果不 对热害问题进行有效治理， 有违企业以人为本的经 营原则，有违国家安全生产的有关规定。针对这种情 况，本着先急后缓、先局部后集中的热害治理思路， 先建立了2套局制冷部降温系统， 但是由于矿井热 害范围大，掘进工作面多，加上采煤工作面热害问题 也日益严重，2套局部制冷降温系统远远不能解决实 际问题。 因此，从技术经济角度上考虑，一方面为了 降温系统能覆盖所有的高温采掘工作面，另一方面在 系统管理上更为简单，建立永久的集中式制冷降温系 统就显得十分必要。 根据矿方的实际情况，选择井下集中矿井降温方 式比较适合。 （2）降温系统的服务范围 阳城煤矿采掘系统布置两面九头，其中两面三 头热害严重，根据轻重缓急原则，阳城井下集中制冷 *科技部“十二五”科技支撑计划项目（2012BAK04B00） 阳城煤矿井下集中降温系统设计研究 * 严明庆 1，2 （1.中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆400037） 摘要 针对阳城煤矿的热害情况，提出了井下集中制冷降温系统方案；降温系统的设计制冷 负荷为6 160 kW，采用2套制冷量为3 300 kW的井下集中制冷机组。 运行情况表明，降温幅度达 到了5 ℃以上，工作面的环境温度维持在26 ℃以下，湿度维持在80左右；降温系统取得良好的降 温效果。 通过实际运行，证明了国产井下集中制冷机组的可靠性和稳定性。 关键词 热害矿井； 矿井降温； 井下集中制冷 中图分类号TD727文献标志码A 文章编号1003 － 0794（2017）10 － 0010 － 03 Design and Application of Underground Centralized Mine Cooling System of Yangcheng Coal Mine YAN Ming-qing1，2 1. Chongqing Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group Corp, Chongqing 400039, China； 2. National Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China Abstract Aiming at the thermal damage situation of Yangcheng Coal Mine，put forward the scheme of the underground centralized mine cooling system. The cooling load of the cooling system is 6 160 kW, and which adopts two sets of refrigerating capacity of 3 300 kW. And the operation shows that, the cooling rate reaches more than 5 ℃. The temperature of working environment maintains at no more than 26 ℃. The relative humidity is maintained at around 80. The cooling system has a very good cooling effect. It is proved that the reliability and stability of domestic underground centralized refrigeration units are proved. Key words hot mine；mine cooling；underground centralized mine cooling 10 第38卷第10期Vol.38No.10阳城煤矿井下集中降温系统设计研究严明庆 降温工程分为两期建成一期工程考虑两面六头，随 着开采深度和范围的加大，二期降温工程覆盖到两 面九头。 本方案只考虑一期工程，按两面三头进行 设计，编制可行性研究报告，为矿方决策提供依据。 2降温方案的设计 （1）井下集中制冷降温工艺 井下集中制冷降温系统主要包括冷却水循环、 冷冻水循环、补水、散冷和排热系统。 ①冷却水循环系统方案采用地面冷却塔排 热，因此，制冷主机冷凝器出来的约40 ℃的热水，借 助冷却水泵的动力，由管路输送至地面，通过冷却塔 散热后，进入地面过滤站，处理过的冷却水被送往井 下制冷机组冷凝器，回水温度约为31 ℃。此时，要求 冷凝器能够承受来自地面高压水的压力，目前冷凝 器水侧承压最高能达到16 MPa； ②冷冻水循环系统制冷主机布置在制冷硐室 内，由制冷主机蒸发器出来的约3 ℃的冷水，借助冷 冻水泵动力，通过保温管路送至系统各末端，通过末 端的空冷器进行换热， 回水温度约升高至18 ℃ ，再 通过一趟保温管路返回制冷主机蒸发器，循环制冷； ③末端散冷系统冷冻水通过末端空冷器管 程，与通过空冷器壳层中的风流进行逆向对流换热， 冷冻水温度由3 ℃升高至18 ℃左右，风流温度由 32 ℃降低至20 ℃左右。 冷却后的风流通过风筒，在 局部通风机动力作用下，送往采掘工作面，与工作面 的高温风流进行掺混换热，使得采掘工作面的风流 温度降低至26 ℃左右或者降温幅度达到5 ℃及 以上； ④补水系统系统中的冷却水和冷冻水在循环 过程中或多或少的都有一定程度的损失，因此需要 定时给系统补水，确保系统的循环水流量。 设计采 用自动补水的方式进行补水，依靠系统中的水压力， 利用电动阀门控制补水管路，通过程序设定电动阀 门的开启和关闭时间，向系统中定时定量补水。 地面 泵站内设置水处理和补水装置，对冷却水管路进行 补水，井下冷冻水的补水通过冷却水的压力，自动补 到冷冻水管路中去，在冷冻水管和冷却水管之间连 接一段补水管路，通过电动阀门控制管路的连通和 断开。 （2）矿井降温冷负荷计算 矿井降温负荷主要包括以下2个方面采煤工 作面降温冷负荷、掘进工作面降温冷负荷，其中包含 机电设备散热、围岩散热、人体散热等。 ①采煤工作面降温冷负荷阳城煤矿采煤工作 面配风量1 500 m3/min， 回风温度最高达到34 ℃， 相对湿度近似100。 采取降温措施、建立井下永久 降温系统后需要将工作面回风口温度控制在26 ℃， 相对湿度控制在80左右。 采煤工作面的降温负荷 为1 600 kW； ②掘进工作面的降温负荷根据阳城煤矿掘进 工作面技术参数， 可以计算出掘进工作面降温所需 冷负荷。掘进工作面配风量300 m3/min。在未采取空 调措施之前掘进面环境温度最高为34℃，相对湿度 接近100，采取降温措施后，工作面环境温度控制 为26 ℃，相对湿度80。 掘进工作面的降温负荷为 400 kW； ③总降温负荷总降温负荷为各个采掘工作面 降温负荷之和，同时考虑一定的安全系数，取1.1 。两 面六头的总降温负荷为6 160 kW。 3主要设备的选型 （1）主管道的选型 冷冻水循环系统需要冷冻水量 V0＝ 3.6Q 4.2（t2-t1） 352 m3/h 式中Q制冷负荷，Q＝6 160 kW； t1进水温度，t1＝3.5 ℃； t2回水温度，t2＝18 ℃。 根据V0可计算出冷冻水管道外径为准273 mm。 类似的，可以计算出冷却水循环管道外径为准377 mm。 （2）冷冻水循环水泵的选型 冷冻水循环水泵的设计流量为352 m3/h，则可以 选择为一用一备。 根据冷冻水循环管网最不利点最小水头可以计 算出，管网阻力为250 m。 水泵流量和扬程按照设计流量和管网阻力的 1.2倍计算，则冷冻水泵的流量为420 m3/h，扬程为 300 m。 选择型号为MD420-96B4水泵。 （3）空冷器的选型 根据采掘工作面冷量配置情况，选用16台400kW 空冷器，其中1个综采工作面配置4台，1个掘进工 作面配置1台。空冷器为螺旋盘管结构，换热管为全 紫铜管，技术参数 型号AC400 制冷功率/kW400 处理风量/m3min-1300～400 循环水流量/m3h-135 配套风机FBD№6.0/222kW 11 （4）制冷机组的选型 降温系统总制冷量为6 160 kW，选用单套制冷 量为3 300 kW的制冷机组2套，制冷机组型号为 ZLS3000。 4控制系统 控制系统要求对整个降温系统的各个环节的相 关参数进行监测，对各电气设备进行自动控制，完成 整个系统的协调运行和保护功能。 在井下制冷硐室 设置一套集中控制站，针对井下制冷硐室的设备完成 集中自动监测监控，并通过Profibus-DP或工业以太 网接口与压缩机组控制系统通信，完成对压缩机组监 测数据的采集和下达控制命令。 同时，还留有以太 网通信接口，方便数据上传至地面。 在地面设置一 套PLC控制站， 完成地面冷却水循环系统的自动监 测监控，并通过矿井工业以太网与井下控制站通信， 采集井下制冷硐室集中控制站的数据，实现远程监 控。 另外，地面控制系统预留一个工业以太网口，可 以通过工业以太网与矿井综合自动化系统或机电设 备管理服务器进行通讯，实现两者数据交换和共享， 实现矿井调度室的远程监控。 监控系统的主要功能 （1）地面远程集中监控及全自动控制，井上、井 下系统管控一体化，实现无人值守，整个降温系统协 调有序运行，提高系统运行效率，达到本质安全； （2）根据井下各工作面制冷需求量对机组制冷 功率实现调节，适应各工作面的冷量需求，达到最佳 的降温效果； （3）实现整个工艺系统设备自动顺序起、停控制 及闭锁； （4）工作与备用泵的故障自动投切与自动轮换 工作控制； （5）报警功能可实时检测显示每个测点参数（如 超限）及系统运行状态（如设备的供电、故障、系统通 讯故障情况等），同时发出声光报警；设置参数上限 预警，实现故障诊断与预警功能，发预警信号，利于 提前发现系统或设备可能出现的故障， 做到预防性 维护检修。 5结语 根据实际运行情况，得出以下结果 （1）井下集中制冷机组运行稳定可靠，降温效果 显著，平均降温幅度达到57 ℃，相对湿度下降到80 以下；有效解决了高温热害问题； （2）通过自动化的监控系统，把值守人员降低到 每班3人，节约了劳动力，提高了运行效率； （3）通过一年来的稳定运行，证明了国产井下集 中制冷机组的可靠性和稳定性。 参考文献 ［1］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, 41187-90. ［2］姬建虎,廖强,胡千庭，等.热害矿井冷负荷分析［J］.重庆大学学 报, 2013，36（4）125-131. ［3］陈孜虎，姬建虎，曾明明.冷热电联供系统在煤矿降温系统中的 应用［J］.煤矿安全, 2014，45（2） 100-101. 作者简介 严明庆（1989－），重庆人，工程师，现从事煤矿降温 技术研究. 责任编辑赵荣收稿日期2017－08－06 第38卷第10期Vol.38 No.10阳城煤矿井下集中降温系统设计研究严明庆 12