霄云煤矿井下集中降温系统设计研究.pdf

*科技部“十二五”科技支撑计划项目（2012BAK04B00） 煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol.39No.08 Aug. 2018 第39卷第08期 2018年08月 doi10.13436/j.mkjx.201808003 0引言 霄云煤矿是山东省济宁市金乡县“十一五”发展 规划的重点建设项目。 井田面积23.42 km2，东西长 度8.1 km，南北宽度2.9 km。 井田大部分与局部可 采煤层4层，平均总厚6.45 m，煤层厚度适合综合 机械化开采。 该井田内地质构造相对简单，主采煤 层赋存稳定，区内煤层瓦斯含量较低，属低瓦斯矿 井，矿井建设资源条件较为可靠。 全井田地质储量 10 120.2万t，可采储量4 791.5万t。煤种为焦煤、肥 煤，煤质具有低灰、特低硫、特低磷、高发热量（发热 量31 MJ/kg左右）、灰熔点高等特点，属华东地区稀 缺煤种，是良好的炼焦用煤、动力用煤及化工原料。 矿井设计生产能力90万t/a，服务年限41 a。 矿区采用一对主、副立井开拓全井田，主井兼作 回风井。 主井直径准5.0 m，垂深840 m，副井直径 准5.5 m，垂深860 m。 根据霄云煤矿地质探测报告，煤层地温梯度为 2.81 ℃/hm，依据原始岩温划分热害等级井田内深 度为-520～-710 m，原始岩温31 ℃，属于一级热害 区域；井田内深度为-710～-800 m，原始岩温大于 37℃， 属于二级热害区域；-1 000 m深度地温达到 42～46 ℃。 根据采掘工作面风流温度划分采掘工作面的 风流温度高达34 ℃，属于三级热害矿井。 采掘工作面风流温度超过了煤矿安全规程规 定的26 ℃的要求，必须采取机械降温措施。 1降温技术方案 1.1降温技术方案的提出 霄云煤矿的开采平均深度达到850 m，井下工 作面高温热害情况十分严重，采煤工作面的气温高达 34 ℃，湿度几近饱和。 根据调查研究，井下高温、高 湿的工作环境， 会导致作业人员产生湿疹等不良症 状反应，甚至导致中暑，危及作业人员的生命安全； 高温的工作环境，还会导致作业人员反应迟缓，判断 力下降等问题，从而对矿井安全生产产生严重影响。 结合霄云煤矿的实际情况，必须采取机械降温方式， 从跟本上对高温热害井下环境进行综合治理。 经过 研究，提出了经济和技术方面均合理的煤矿井下集中 制冷技术方案，既能够满足覆盖矿区所有的高温采掘 工作面，满足井下降温的实际需求；又可以有效控制 投资成本，便于进行集中管理，减少了运行管理技术 人员的投入，提高运行管理的效率。 1.2降温系统的范围 根据霄云煤矿2018年夏季采掘工作部署以及 后期使用情况，集中降温系统设计范围确定为2个采 煤工作面6个掘进工作面1308和1313采煤工作 面和2个轨道顺槽、2个输送带顺槽、二采区轨道石 门和二采区胶带石门。 2降温方案的设计 2.1降温系统工艺流程 制冷机组布置在井下，冷却塔布置在地面，地面 霄云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 针对霄云煤矿的井下热害严重的现状，提出了适应性的井下降温系统技术方案，对高 温热害进行治理，即采用井下集中制冷降温系统，设计制冷负荷为6 455 kW。 运行情况表明，降温 点的环境温度维持在目标控制温度以下，湿度维持在80以下。 该系统取得了良好的降温效果。 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（2018）08 － 0006 － 03 Design and Research of Underground Centralized Mine Cooling System of Xiaoyun Coal Mine Yan Mingqing1,2 1. Chongqing Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400039，China；2. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China Abstract In view of the serious thermal damage in Xiaoyun coal mine，a technical scheme of adaptive downhole cooling system is proposed to control the heat damage at high temperature, that is to use the centralized cooling system in the downhole，and the design of the cooling load is 6 455 kW. The operation shows that the ambient temperature of the cooling point is maintained below the target control temperature and the humidity is maintained below 80. The system achieves good cooling effect. Key words hot mine；mine cooling；underground centralized mine cooling 6 第39卷第08期Vol.39No.08霄云煤矿井下集中降温系统设计研究严明庆 冷却水循环系统将井下集中制冷机组的热量通过冷 却塔排出，井下冷冻水循环系统将冷量可输送至末 端空冷器，当系统出现水量不足时，补水系统开启。 井下集中降温系统工艺流程图如图1所示。 图1井下集中降温系统工艺流程图 井下集中降温系统主要工作流程井下集中制 冷机组的制冷介质经过压缩机压缩之后，经过节流 膨胀， 在蒸发器中将冷量传递给载冷剂-冷冻水，在 冷凝器中将热量传递给冷却水， 实现井下冷冻水制 冷，地面冷却水排热的运行过程。 布置在井下制冷硐室内的制冷制冷机组蒸发器 流出的冷冻水温度设定值为3 ℃，经保温管道系统送 至采掘工作面的各个末端空冷器，空冷器配套的风 机推动风流经过空冷器的壳程，通过换热面，将空冷 器管程内的冷量传递给壳程中的高温风流，使风流 温度下降到设计目标温度20℃左右，冷冻水吸收空 气热量之后，回水温度升高至约18℃，再经保温管 道系统输送回制冷机组，完成冷冻水侧的循环。 冷却水经过冷却塔通风散热之后，将机组制冷 产生的热量排出到大气环境中，将冷却水水温由 40 ℃降低到31 ℃， 维持冷却水的温度在适当的范 围内，保证制冷机组安全运行。 制冷机组需要满足煤矿井下使用的防爆条件， 必须具有煤安标志。 2.2矿井降温冷负荷计算 根据实际经验，采用工作面风流焓差计算方式 得到的制冷量能够满足实际的降温需求，达到目标 控制温度。 （1）采掘工作面的降温负荷 霄云煤矿采煤工作面配新风量700 m3/min，回 风温度最高达到34 ℃，相对湿度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 ℃以下， 相对湿度控制在80左 右。 掘进工作面配风量300 m3/min，回风温度最高达 到34 ℃，相对湿度100。 工作面所需的冷负荷 Q≥M（h1-h2）（1） 式中M工作面通风量，kg/s； h1、h2空冷器进出口空气焓值，kJ/kg。 经计算，1311采煤工作面降温负荷为1 384 kW， 1308采煤工作面的降温负荷为1 375 kW。 6个掘进工作面的降温总负荷为2 854 kW。 （2）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，一般取1.11.2，这里取 1.15。 总降温负荷为6 455 kW。 3降温设备的型号确定 3.1主管道的确定 冷冻水循环系统进、回水设计温度按照t13.5 ℃ 和t218 ℃选型，6 455 kW制冷量需要冷冻水流量 V0 3.6Q 4.2（t2－t1） 382 m3/h 冷冻水管道外径为准273 mm的保温管道，管道 内流速能够达到规范推荐的经济流速。 冷却水流量为900 m3/h，可以计算出冷却水循环 管道外径为准377 mm。 管道壁厚根据深度的不同，冷却水管道承压 2.512 MPa，根据压力管道强度计算公式，选择壁厚 4.515 mm的管道。 冷冻水管道系统承压设计压力 按照6.4 MPa确定。 3.2循环水泵的选型 冷冻水循环水泵的计算流量为382 m3/h，根据 阻力计算结果，冷冻水循环系统的管网总阻力降为 177.2 m，取富裕系数为1.2，水泵额定流量为458 382 m3/h，扬程为212 m。 根据矿井下降温区域的变化情况，冷冻水泵选用 3台（两用一备），既可以满足最大降温区域的全部 需求，又可以满足在部分降温负荷下的制冷需求。冷 冻水泵按流量250 m3/h，扬程按250 m选取，则根据 水泵选型手册可确定冷却水泵的型号为MD250- 505，冷却水泵的型号为D500-505。 3.3末端空冷器的确定 根据采掘工作面冷负荷计算结果配置末端空冷 器，选用14台400 kW双螺旋铜管空冷器；每个采 煤工作面需要布置4台空冷器，每个掘进面配置1台 空冷器。 空冷器为技术参数如表1所示。 表1空冷器技术参数表 空气侧 冷冻水侧 风量/m3min-1 进风温度/℃ 出风温度/℃ 压降/kPa 水流量/m3h-1 进水温度/℃ 出水温度/℃ 压降/kPa 400 34 20 ≤1 36 5 15 ≤80 地面 水处理 冷却塔 冷却水泵 井下初水水箱 井下集中制冷机组 泵 末端空冷器 7 第39卷第08期Vol.39 No.08霄云煤矿井下集中降温系统设计研究严明庆 3.4制冷机组的型号的确定 中煤科工集团重庆研究院研制的具有自主知识 产权的井下集中制冷机组标称制冷量为3 300 kW， 最大制冷量为3 600 kW；总的冷负荷为6 455 kW， 选用2套井下集中制冷机组， 制冷机组型号为 ZLS3000；2套制冷机组最大制冷量为7 200 kW，满 足井下制冷降温的需求。 3.5供配电的选型 井下集中制冷机的电机功率为900 kW，电压等 级为10 kV，由井下中央变电所供电。 制冷硐室内用 电设备还包括3台冷冻水循环水泵电机，功率为 355kW，电压等级1140V；2套补水泵电机功率55kW， 电压等级1 140 V。 配套的电气设备包括矿用隔爆干式变压器、矿 用隔爆高压真空配电装置、矿用隔爆型低压配电装 置、矿用防隔爆馈电开关、高压软启动器等。 制冷压 缩机配套电机采用矿用防爆磁力启动器，冷冻水泵 采用矿用防爆高压软启动器进行控制，其他设备均 采用矿用防爆磁力启动器进行启停控制。 井下电缆均选用经检验合格的并取得煤矿矿用 产品安全标志的阻燃型铜芯电缆， 高压电缆采用 MYJV22-8.7/10kV矿用阻燃铜芯钢带铠装交联聚乙 烯绝缘电缆，低压电缆选用MYP矿用阻燃屏蔽橡套 电缆。 4控制系统 矿井降温控制系统采用井下地面联合监控的方 案，在地面集中控制站可以对井下各个设备的运行 状态实时监控。 这就要求不仅要对降温系统的各个 环节的相关参数进行监测监控，对各电气设备进行 自动控制，对降温系统的协调运行和保护功能；还要 对井下监控的技术参数数据实时地传送给地面集中 监控中心。 通过设备运行状态参数传感器（包括温度、压力、 流量等传感器）采集到的设备运行状态参数数据，通 过数据接口和总线系统传输至监控中心，实现对设 备运行状态的监测监控，并且实现运行工艺参数存 储与打印、报警系统的报警与提示、故障状态参数的 发送、系统运行安全的保护等功能。 集中式控制系 统对各个工艺设备进行实时在线监控，可以大大提 升了系统工作效率和自动化程度，实现各工艺设备 运行参数的优化匹配。 霄云煤矿井下集中监控系统原理图如图2所示。 控制系统构成如下 （1）井下集中控制系统以西门子PLC为核心搭 建，PLC控制器负责整个集中制冷机组的启停控制、 传感器信号的采集与存储、数据处理与分析计算、系 统逻辑判断与运算、 控制信号的输出和系统的连锁 保护输出等； 图2井下集中降温系统监控系统原理图 （2）通过井下交换机、地面交换机实现井下集中 监控系统和地面集中监控系统联网， 对制冷机组主 机、各个循环水泵、末端空冷器等关键设备流经介质 的压力、流量、温度等进行监测监控。 5结语 （1）该降温方案适合矿方的实际情况，项目实施 结果达到了设计要求， 能够覆盖所有区域的制冷降 温需求； （2）空冷器风流出口温度下降到20 ℃左右，降 温点温度平均降温幅度达到58 ℃，温度控制在26 ℃ 以下，相对湿度下降到80以下；有效改善了井下 作业环境。 参考文献 ［1］刘军政.济宁矿业集团霄云矿井项目运行环境分析研究［D］.青 岛中国海洋大学，2009. ［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）125-130. ［3］严明庆.阳城煤矿井下集中降温系统设计研究［J］.煤矿机械，2017，38 （10）10-12. ［4］王得胜,韩红彪.电气控制系统设计［M］.北京电子工业出版社, 2011. ［5］刘桂平，陈孜虎.平煤四矿地面集中降温系统控制单元的设计与 应用［J］.矿山机械, 2017，45（11） 47-50. 作者简介 严明庆（1986-），重庆永川人，工程师，现从事矿山 工程设计、煤矿降温技术研究等工作. 责任编辑赵荣收稿日期2018－04－18 电动阀温度传感器流量计压力传感器 工业以太网 井筒 环网交换机 循环水泵 井下集中制冷机组 工控机 地面PLC控制台 井下PLC控制柜 电磁阀 油位开关 流量计 温度传感器 压力传感器 8