金属矿山深部开采水冷集中降温实践.pdf

Serial No． 558 October． 2015 现代矿业 MODEＲN MINING 总 第558 期 2015年 10 月第 10 期 金属矿山深部开采水冷集中降温实践 宝海忠 1 姜云 1 居伟伟 2， 3， 4 1． 招金矿业股份有限公司夏甸金矿;2． 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司; 3． 金属矿山安全与健康国家重点实验室;4． 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司 摘要目前夏甸金矿已回采至 －980 m， 深部开拓已达 1 250 m， 高温热害日益严重， 通风降 温已无法解决工作面高温的问题， 为此通过热源分析确定井下总制冷量， 选用 KM1000 型井下集中 式制冷机组， 采用井下集中制冷技术， 通过现场应用， 100 kW 空冷器的独头掘进工作面温度由 39 ℃下降至 27. 5 ℃， 200 kW 空冷器的独头掘进工作面温度由40 ℃下降至27. 3 ℃， 取得了较好的降 温效果， 保证了矿床安全高效回采， 为同类深部高温金属矿山降温提供了有益的借鉴和参考。 关键词深部开采热源集中降温制冷机组 金属矿产资源是人类赖以生存与发展的基础， 据统计， 我国 95能源与 80工业原料来源于矿产 资源， 其中金属矿产资源占有十分重要的地位。目 前大部分金属矿山回采至 800 m 左右， 部分矿山回 采超过 1 000 m， 通常称为深井矿山。据统计， 在未 来 10 ～ 15 a， 我国将有 1/3 的矿山达到或超过 1 000 m， 深部采矿将是国内金属矿山今后的发展方 向。深部采矿中遇到的首要问题就是深部开拓过程 中的高温问题， 据不完全统计， 国内大部分地区深部 岩石自然增温率在 2. 0 ～ 3. 0 ℃， 开采深度超过 1 000 m 矿山， 局部开拓区域的温度将超过 40 ℃。 夏甸金矿现生产能力为 4 500 t/d， 回采深度为 980 m， 开拓深度为1 250 m， 为有效解决深部开拓过 程中的高温问题， 矿方应用德国 WAT 公司井下水 冷制冷技术与设备， 有效解决深部开拓过程中局部 高温问题， 为矿床安全高效回采创造良好的条件。 1冷负荷计算 1． 1热源分析 1． 1． 1地热 地温梯度参考纬度与之相近的山东胶东地区的 梯度， 取 2. 2 ℃ /hm， 据此计算夏甸金矿各水平地 温， 结果见表 1。 宝海忠 1977 ， 男， 矿长助理， 工程师， 265400 山东省招远市。 表 1夏甸金矿各水平地温 标高/m143 恒温带 0－100－200－300－400－450－500－600－652－662－678－700－720－800 平均地温/℃14． 517． 646 19．846 22． 046 24．246 26．446 27． 546 28．646 30．846 31． 9932．2132．562 33．046 33．486 35．246 由表 1 可见， 夏甸金矿开采到 － 800 m 水平时 地温已达 35 ℃以上， 属一级热害区。 1． 1． 2空气压缩热 夏甸金矿 7混合井井口标高为 163 m， 一期井 深已达 －652 m 水平， 井筒内空气柱高达815 m。经 计算， 重力导致的空气压缩热为 5. 412 kJ/kg。 1． 1． 3氧化热 经检测， 夏甸金矿开采的矿石中不含有易氧化 的物质， 故井下热环境不考虑氧化热的影响。 1． 1． 4机电设备散热 经统计， 全矿井下累计电机设备散热量为 550 kW， 而柴油机设备散热量高达 6 242 kW 以上。 考虑到设备不可能同时运行因素， 统计 － 652 m 水 平以下最大班同时运行的柴油机设备散热量高达 2 192 kW。由此可见， 夏甸金矿井下柴油机设备散 热量是井下高温的重要热源之一。 1． 1． 5人体散热 夏甸金矿井下按重体力劳动强度考虑， 散热量 为 0. 47 kW/人， 按井下最大班 60 人考虑， 人体散热 总量为 28. 2 kW。人体散热量对井下热环境的影响 微乎其微。 1． 1． 6地面大气环境影响 夏甸金矿地区夏季室外气象参数见表 2。 表 2 显示本地区夏季高温季节时， 从地面进入 井下的空气本底参数已超过国家规定的劳动安全卫 081 表 2夏季室外气象参数 夏季空调室外 计算干球温度 /℃ 夏季室外 大气压 /kPa 夏季通风室外 计算相对湿度 / 极端最高温度 /℃ 31．1100．1263．838 生标准。因此， 夏季地面空气温度超过 28 ℃时， 也 是提升井下风流温度的影响因素之一。 1． 2总需冷量 根据夏甸金矿 － 652 m 以下水平热源分析， 通 过铲运机和运输卡车总输出功率计算， 掘进工况时， －652 m 以下 3 个水平同时工作总需冷量约为 1 000 kW; 运输工况时， －652 m 以下 3 个水平同时 工作总需冷量约为 4 000 kW。 2井下降温 2． 1设计制冷量 根据计算的需冷量， 考虑管道及系统冷损后的 制冷量， 井下集中式降温设计负荷见表 3。 表 3井下集中式降温负荷 kW 井下需 冷量 一级 系统 管道 冷损 二级 系统 泄漏 冷损 二级 循环泵 温升 考虑最大 负荷同时 系数 0． 9 后 的设计制冷量 考虑 机组系数 1． 1 的 制冷量 机组 选型 制冷量 4 0002181251404 0404 4444 500 现场考察后确定井下排水带走冷凝热， 井下平 均涌水量约为 120 m3/h， 通过计算得出制冷机最大 制冷能力为 1 000 kW， 此制冷量仅能满足一个水平 在运输工况下或 3 个水平掘进工况下的降温需求。 2． 2工作面降温设备布置 空冷器布置在 － 740 m 水平， 南北大巷或 －780 m 水平以下斜坡道各布置一台 200 kW 空冷 器， 4 个穿脉采面各布置一台 100 kW 空冷器。 2． 3井下降温分析 2． 3． 1井下涌水可带走的热量 确定集中降低热害最为严重的 －700 m 水平以 下的井下工作点温度， 在井下 － 700 m 水平新建水 仓。通过联通 － 652 m 中转水仓和 － 652 m 535 线 水仓， －700 m 水仓可以提供水温 28 ℃、 流量120 ～ 130 m3/h 的矿井涌水， 作为井下制冷机组冷凝器的 二级冷却水。 根据德国 WAT 公司井下制冷机组参数， 制冷 量 1 000 kW 设备冷凝温度为 44 ℃， 冷却功率为 1 250 kW， 冷却水流量为 33. 18 kg/s， 一级冷却水进 水温度为 32 ℃， 出水温度为 41 ℃。如采用污水换 热器对设备进行冷却， 按3 ℃温差计算， 则所需二级 冷却水温应为 29 ℃， 水量约 120 m3/h。因此， 利用 －700 m 冷水仓， 联通调度井下其他地点水仓排水， 可以满足一台 1 000 kW 制冷机的冷却要求。 2． 3． 2降温能力 通过对井下排水冷却能力的分析可以看出， 在 现有条件下井下集中制冷、 井下排热方案的制冷能 力能达到 1 000 kW， 能满足 － 740 m 水平采面及其 4 个穿脉巷掘进工况的降温。 2． 4方案设计 2． 4． 1制冷排热系统 制冷机冷冻水系统采用闭式循环， 主要由井下 制冷机组、 输冷管道、 冷冻水循环泵、 补水定压装置、 末端空冷器及相应控制阀门仪表等组成。其系统流 程 井下制冷机组→输冷供水管 约 3 ℃→空冷器 →输冷回水管 约 18℃→过滤器站→冷冻水循环 泵→井下制冷机组。 制冷机冷却水系统采用两级冷却， 其主要目的 是保护制冷机冷凝器不被含有泥沙的井下排水所磨 损或堵塞， 延长其使用寿命。其中一级冷却水系统 采用闭式循环， 二级冷却水系统 矿井涌水 采用开 式循 环。其 一 级 流 程 为 制 冷 机 组 冷 却 水 回 水 41 ℃→一级冷却水泵→污水换热器→冷却水供 水 32 ℃→制冷机组， 二级流程是 －700 m 水平水 仓取水口 约 28 ℃→二级冷却供水管→污水换热 器 约 29 ℃→二级冷却水回水管 约 38 ℃→ －740 m 水平热水仓。水仓内约 38 ℃ 的井下涌水 通过 －740 m 水平排水泵排至 －652 m 水平热水仓， 最后通过井下排水泵排至地面。为了确保整个降温 系统的良好制冷效果和低制冷能耗，－ 652 m 水平 热水仓不能与其他水仓联通。制冷机制取的3 ℃ 低温冷水通过输冷管道送至各采场及其穿脉巷空冷 器， 将穿脉巷的空气降温后， 通过保温风筒送至各穿 脉巷尾部。井下制冷及排热系统流程见图 1。 2． 4． 2制冷机组选型 制冷机组选型本着产品成熟可靠、 控制方便、 负 荷调节方便、 尽量避免风险的原则， 根据井下涌水只 能满足制冷量为 1 000 kW 制冷机的冷却要求， 本次 共考虑了 IDV1000 型和 KM1000 型制冷机组， 具体 参数见表 4， 技术经济比较见表 5。 由表 4、 表 5 可知， KM1000 型井下集中式制冷 机组比 IDV1000 型集成式可移动制冷机组运行费 省， 能效比高。根据制冷降温系统技术可靠， 机组选 型能效比高及运行费省的原则， 本设计制冷主机选 用 KM1000 型井下集中式制冷机组。 181 宝海忠姜云等 金属矿山深部开采水冷集中降温实践2015 年 10 月第 10 期 图 1井下制冷及排热系统流程 2． 4． 3降温硐室布置 降温硐室设在井下 － 740 m 水平入口处的北 面， 硐室长约 40 m， 宽、 高均 5 m。硐室内布置 1 台 1 000 kW 制冷机组、 2 台冷冻水循环泵 一备一 用 、 2 台一级冷却水循环泵 一备一用 、 过滤器站 及补水定压等配套设备。冷冻水循环泵型号为 ISG125- 250B， 流量为 83 t/h， 电机功率为 37 kW， 电 压为380 V; 一级冷却水循环泵型号为 ISG125- 200B， 流量为 138 t/h， 电机功率为 22 kW， 电压为 380 V。系统冷冻水和一级冷却水补水均采用软化 水， 配套 1 台5 m3软水箱和 2 台补水泵 型号为 ISG32- 200， 流量为 4. 5 t/h， 电机功率为 3 kW， 电压 为 380 V 。为了防止水中杂物堵塞制冷机组蒸发 器， 在冷冻水循环泵吸入口前端设手动反冲洗过滤 器。 表 4制冷机组具体参数 型号 数量 /台 单机制冷量 /kW 冷媒水 温度/℃ 进口出口 流量 / m3/h 冷却功率 /kW 冷却水 温度/℃ 进口出口 流量 / m3/h 压缩机的 冷凝温度 /℃ 电机轴功率 /kW IDV100011 00018566．31 210324112044270 KM100011 000183581 200324111644260 表 5制冷机组技术经济比较 型号 机组尺寸 /m 降温硐室尺寸 /m 运行耗电费用 / 万元/a 制冷能效比维修及备品备件 IDV10006．5 2 2． 430 5 546．653．7在山东省运用数量少， 机组备品备件少。 KM100012．5 2 2．538 5 544．933．85在山东省井下集中式降温工程中运用数量多， 备品备件多。 2． 4． 4冷却设备布置 污水换热器安装在 －740 m 水平联络巷南边换 热硐室内。本工程制冷机冷却水通过污水换热器采 用矿井涌水冷却， 矿井排水来自 －700 m 冷水仓， 为 了保证冷却水量稳定， 设计同时贯通原 － 652 m 中 转水仓和 －652 m 535 线水仓。二级冷却水供水通 过 －700 与 －740 m 水平换热硐室间的高差自流进 手动反冲过滤器后进入污水换热器， 换热后的冷却 水回水进入换热硐室旁的热水仓， 约38 ℃热水通过 换热硐室内的排水泵排到 － 652 m 井下热水仓， 最 终通过矿井排水泵排至地面。污水换热器参数 交 换功率为 1 200 kW; 一级冷却水水温为 32 ～41 ℃， 流量为 115 t/h; 二级冷却水 矿井涌水 水温为 29 ～38 ℃， 流量为 120 t/h。 2． 4． 5输冷管及冷却水管道布置 冷媒水由冷冻水循环泵经输冷管送至深部各掘 进工作面空冷器处， 斜坡道输冷管主管直径为 140 mm， 长 1 400 m; 至各水平沿脉巷输冷管支管直 径为 114 mm， 长 1 900 m。输冷管采用预制聚氨酯 保温管。一级冷却水进口温度为32 ℃， 冷却水出口 温度为 41 ℃， 制冷机冷却水设计流量为 33. 3 kg/s， 冷却水管道为 168 mm 无缝钢管， 接至污水换热 器， 经冷却后回到制冷机内。由于冷却水管道内水 温接近环境温度， 因此无需保温。 2． 4． 6末端设备布置 井下降温的末端设备主要由空冷器、 过滤器、 仪 表阀门等组成， 共配置 6 台 200 kW 空冷器。由于 制冷量远小于末端空冷器换热量， 需要根据现场实 际， 调配冷冻水分配方向， 以集中力量解决某一局部 降温问题。 3应用效果 夏甸金矿自 2014 年 10 月集中在 －740 m 水平 与 － 780 m 下向斜坡道应用此降温技术与设施， 采 用 100 kW 空冷器的独头掘进工作面温度由原来的 39 ℃下降至 27. 5 ℃， 采用 200 kW 空冷器的独头掘 进工作面温度由原为的40 ℃下降 下转第186页 281 总第 558 期现代矿业2015 年 10 月第 10 期 4结论 根据瓦斯涌出情况提出了井上下大直径钻孔预 抽技术方案， 采用井上下对接钻孔抽采， 地面钻孔数 量为 10 口， 设计井距为 280 m。通过对矿井瓦斯的 综合治理， 工作面回采前平均预抽率达 10 ～ 18， 回采期间抽采率达 70， 矿井瓦斯抽采率为 45， 单位钻孔量为 0． 01 ～ 0． 02 m/t 单面最大钻 孔量已达 15 万 m 以上 ; 百米钻孔抽采量普通短钻 孔为 0． 002 ～0． 008 m3/hm， 千米钻孔为 0． 02 ～0． 08 m3/hm; 高负压预抽瓦斯浓度平均在 30 以上， 低 负压采空区瓦斯抽采浓度 3 ～5， 低负压合理抽 采混合流量在 350 ～650 m3/min。瓦斯综合治理方 案有效解决了采面隅角的瓦斯超限问题， 防止矿井 深部瓦斯突出， 实现了矿井生产过程中瓦斯不超限 的目标， 保证了矿井安全高效生产。 参考文献 ［ 1］蔡勇． 高瓦斯回采工作面瓦斯治理实践［J］ ． 煤炭技术， 2009 4 28- 32． ［ 2］王鹏， 孟海东， 贾韶洋．13210 综放工作面瓦斯治理方案［J］． 现代矿业， 2013 11 79- 80． ［ 3］鄂长银． 煤矿瓦斯综合治理工作要素分析［J］ ． 低碳世界， 2014 11 32- 36． ［ 4］国家安全生产监督管理总局． AQ 10272006煤矿瓦斯抽放 规范［ S］． 北京 煤炭工业出版社， 2007． ［ 5］张铁岗． 矿井瓦斯综合治理技术［M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2001． ［ 6］朱诗山． 煤矿瓦斯抽放技术［ J］ ． 煤炭技术， 2009 6 82- 85． ［ 7］国家安全生产监督管理总局． 煤矿安全规程［M］． 北京 煤炭 工业出版社， 2011． 收稿日期 2015- 07- 17 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 上接第 179 页 地质灾害突发性事件发生要全面 承担社会责任等。 4 强化项目管控能力， 控制项目活动风险范 围。项目单位和拟合作单位没有矿山开发成熟经 验， 又缺乏专业人才队伍， 对项目进度及质量的管控 不到位， 防范工程安全隐患和监测地质灾害等方面 的能力不足。项目单位应该借鉴国际国内矿山建设 管控的成功经验， 组建强有力的专家咨询单位， 聘请 权威咨询机构做好项目建设方案评估， 建立收益共 享、 分享同担的项目投融资方案， 并且严格、 全面地 贯彻执行设计单位论证确定的设计方案。 5 针对我国建设项目风险管理， 应该建立企 业内部风险管理体系， 提高企业风险管理水平; 加快 风险管理技术的推广和应用; 积极发展工程风险管 理中介担保机构; 完善工程项目风险管理相关法律 法规等。 4结语 许昌铁矿作为新建大型地下矿山， 投资开发方 面并不成功。项目实施过程中， 问题多、 风险大、 涉 及面广， 既有政策、 市场等的外部原因， 也有人为管 控失误的内部因素， 是各方面错综复杂的问题逐年、 逐项累加并放大所致。具体来说， 项目开发规划无 效、 不科学是根源; 没有很好预见项目政策风险、 市 场周期性规律并采取预防措施; 没有项目投资开发 的商业合作模式和切实可靠的商业合作伙伴; 项目 开发管控的漏洞和开发条件的复杂性凸显， 并放大 了有关问题的严重性。通过理论与实际分析， 总结 出了项目风险管控经验， 供矿山企业参考， 同时对工 程风险管理理论研究和实践有一定的借鉴意义。 参考文献 ［ 1］Chapman C B，Cooper D F． Ｒisk Analysis for Large Projects Models，s and Cases［M］．ChichesterJohn Wiley ＆ Sons，Inc． ， 1987． ［ 2］王要武， 孙成双． 建设项目风险分析专家系统框架研究［J］． 哈 尔滨建筑大学学报， 2002， 35 5 96- 99． ［ 3］詹姆斯林． 企业全面风险管理 从激励到控制［M］． 黄长 全， 译． 北京 中国金融出版社， 200635- 47． ［ 4］张吉光． GAＲP 全面风险管理方案分析与启示［J］． 新金融， 2004 9 41- 44． 收稿日期 2015- 05- 14 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 上接第 182 页 至27. 3 ℃， 取得了较好的降温效 果， 保证了深部矿床安全高效回采。 4结论 1 金属矿山深部矿床回采过程中岩层高温问 题已成为影响矿山持续稳定发展的瓶颈， 合理地应 用井下水冷制冷技术能够创造一个安全舒适的作业 环境， 保证矿产资源的安全高效回采， 产生巨大的社 会效益与经济效益。 2 井下制冷降温技术需要与矿井通风系统合 理衔接与优化， 局部开拓工程施工结束后， 应及时建 设或优化矿井的通风系统， 以通风系统的良好运行 促进降温系统的良好运转。 收稿日期 2014- 12- 10 681 总第 558 期现代矿业2015 年 10 月第 10 期