矿井分区集中制冷降温系统设计

矿井分区集中制冷降温系统设计

张双王琰

山东新巨龙能源有限责任公司环境项目工程部山东菏泽274000

摘要：在一期制冷系统的基础上，通过对新巨龙矿井下各处冷损的计算，进行了二期降温系统的设计研究，完成了设备选型及各降温设备的布置工作，并对回采工作面和掘进工作面在系统正常运行情况下的降温效果进行了分析比较，分析所采集的数据说明新巨龙矿井下分区集中制冷、地面排热降温系统取得了较好的降温效果。

关键字：矿井热害；降温系统设计；分区集中制冷；降温效果

引言

我国深井热环境问题已日趋严重，目前已有40多处矿区的安全高效生产受到井下高温热害的影响，资料显示，我国煤炭总储量中，有73.2%的煤炭埋深超过1000m，因此，加强对矿井降温的研究，是当前煤炭安全生产的重要课题。本文以龙固矿热环境为研究背景，在其前期制冷系统的基础上，对二期制冷系统进行了设计研究。

矿井制冷降温措施主要有两种，一种是非机械制冷降温措施，一种是机械制冷降温措施。前一种主要是开采技术措施，主要包括改革通风方式、采煤工艺、煤层注水等，主要是通风措施；后一种是在前者无法达到要求或不经济合理时采用的措施。仅依靠通风措施解高温热害是远远不够的，这就需要采用机械制冷降温措施。综合对比分析机械制冷各个方案的优缺点，决定采用井下分区集中制冷，地面排热的矿井制冷降温系统。本文在井下集中制冷系统WAT一期降温工程的基础上，根据新巨龙矿井开拓布局及井下热害实际等因素，对一期降温工程布局进行优化调整，并展开井下集中式冷水降温系统二期降温工程的研究与设计，最终形成科学有效的井下分区集中制冷、地面排热的降温系统。

龙固矿设计生产能力为6.0Mt/a，核定能力为7.8Mt/a。矿井采用立井开拓方式，通风方式为混合抽出式，副井为主要进风井。矿井第一开采水平已达-810m，煤系地层平均地温梯度为3.23℃/100m，主采3#煤层底板平均温度为41.4℃。新巨龙矿属于地热异常型矿井，表土层较厚，地温梯度较高，且井田范围较大，通风路线较长，井下热害严重。

1制冷降温系统的主要设备选型

制冷降温系统的主要设备包括指空冷器，制冷机组，输冷管道（供水管、回水管），地面冷却塔等，如图1-1所示。

图1-1制冷系统示意图

对于空冷器与制冷机组的选型，首选要确定各工作面及掘进头的需冷量；其次根据需冷量确定工作面和掘进头所需配置的空冷器数量和型号；计算各部分冷损之和，记为Y（kW），主要是架空敷设保温管和冷冻水循环泵的冷量损失；最后确定制冷机组的选型和数量。

确定制冷机组时考虑1.1的富裕系数，总需冷量记为X（kW），则制冷机组的制冷总量Z=(X+Y)×1.1，根据Z（kW）的值，确定制冷机组的选型和数量。制冷机组选择德国WAT公司KM3000机组，其单机制冷量为3300Kw，设计采用3℃/18℃。考虑矿井实际情况，选用6台KW3000机组，4台正常使用，2台备用。具体计算结果及设备选型情况见表1.1。

表1.1设备需冷量和冷损计算情况

2制冷降温系统的主要设备

2.1.地面冷却机房

根据地面工广实际布置情况同时兼顾到前后期的衔接进行地面冷却机房的布置。地面冷却机房需要长×宽×高尺寸约为：69m×21m×4.8m。地面机房配备6套冷却塔，单套冷却能力3750kW，总冷却能力22500kW，以确保夏季冷却效果。

2.2.井下制冷降温硐室

结合钻孔井底定位，在其附近设制冷降温硐室。考虑到降温硐室内机电设备的散热可通过风流直接排入回风大巷，而不会进入新鲜进风流，另一方面也便于硐室内机电设备的散热。工艺硐室约需要的长×宽×高尺寸为：223m×5.6m×5m。变配电硐室约需要的长×宽×高尺寸为：53m×5.6m×5m。硐室内安装6台冷水机组，4用2备，单台制冷量3300kW。

2.3.末端空冷器

①掘进面空冷器

由于掘进面空冷器的冷量大，相对尺寸较大，移动较频繁，故掘进面空冷器采用落地可移动式，进出风口采用法兰式连接，以便与风筒连接。设计采用空冷器及其风机靠近局扇布置方式。将掘进面空冷器布置在各掘进工作面局扇处，经空冷器降温后的风由双层风筒接至掘进面迎头。随着掘进迎头的前移，只需直接增加风筒即可；当迎头温度较高时，则将空冷器及其风机也适当前移，空冷器水管与冷媒水主干管采用金属软管连接。此布置方式要求选择掘进工作面局扇时，需在考虑克服风管阻力的同时增加空冷器的阻力，以空冷器风机取代局扇。当掘进迎头离局扇较近时，开对旋风机中的一台电机，反之，较远时则开两台电机，以适应压力变化。其优点是空冷器布置在局扇出口的风筒上，无需频繁随着迎头的移动而移动，只需增加风筒即可，相应连接管路也较少，对生产影响较小。

②采煤工作面空冷器

采煤工作面空冷器的布置方式应根据工作面的温度、风量和通风方式综合考虑确定。结合矿方的现场实际使用经验，设计采煤工作面空冷器采用落地式布置方式。

将制冷量较大的采煤工作面空冷器（落地式），布置在采煤工作面的进风侧，采用分级逐步降温形式。每级之间间隔相应的距离（100～300m）。最终处理后的冷风送至工作面。该方案的优点是：结构布置紧凑，便于集中维护检修，空冷器安装对采煤面生产不产生影响。

根据生产接续需要，及时安装、撤除和移挪制冷管路和制冷设备，保证了采煤工作面空冷器距离工作面在150m以内，掘进工作面空冷器距离迎头在400m以内，确保井下正常、安全生产。

3制冷降温系统运行效果分析

3.1制冷降温系统考察

在采取矿井机械制冷降温措施后，则需要测定制冷空调系统的冷水、冷却水、制冷剂以及冷风的参数等。因此，在实行机械制冷降温后，应分析制冷、输冷、传冷、排热等降温系统各个子系统的工作状态及其效率、冷损、能耗等。

观测制冷机组在实际工况的运转条件下，其性能参数的变化特征、运转情况，以及设备的主要运行指标：制冷量、耗电功率和制冷系数是否达到设计要求，各部分运行参数计算结果见表3.1。

表3.1制冷系统各部分运行参数计算结果

综上，一采及二采WAT机组总体运行状况良好，制冷量及制冷系数较高；输冷冷损量达到预期要求，管道保冷效果较好；空冷器制冷量以及冷却塔排热负荷等各运行参数计算结果都满足预期制冷要求。

3.2制冷降温效果考察

为了考察制冷降温的效果，于5月19日至27日分别对2302S采煤工作面、1303N切眼掘进工作面（煤巷）的风流热力参数进行了科学测定，并作出初步分析。

1、2302S采煤工作面生产与检修时期风流热力参数对比分析

为了了解2302S采煤工作面生产班和检修班时风流热力参数的变化，风流干湿球温度、相对湿度变化图如图3-1所示。

（a）温度对比图

（b）相对湿度对比图

图3-12302S采煤工作面生产班与检修班风流热力参数对比图

图3-1说明对同一测点，生产时期风流热力参数基本均高于检修时期相应参数。采煤工作面进行生产活动时，割落的煤体、运转的割煤机、除尘的喷雾、移架时冒落的岩体等热湿源不断与工作面风流进行热湿交换，使得风流热力参数明显增大。

生产时期风流干球温度、风流湿球温度、风流相对湿度都明显比检修时期高。由图可知，生产时期对风流湿度影响更为显著。对比不同时期风流焓值说明生产活动对工作面风流加热加湿作用明显。

2、1303N切眼掘进工作面生产与检修时期风流热力参数对比分析

测定时每个风筒的长度按10m计算，以84号风筒为起点，风筒出风口距迎头约5m，以此估算测定距离总长1065m左右，以84号风筒为原点可得各测点的坐标距离。绘制了风流干湿球温度、相对湿度如图3-2所示。

（a）温度对比图

（b）相对湿度对比图

图3-21303N切眼掘进工作面生产班与检修班热力参数对比图

掘进工作面生产活动的热湿源（落煤、综掘机、喷雾）不断与工作面风流进行热湿交换，使得风流热力参数有所增大。生产时期风流干球温度、湿球温度都比检修时期高。由图3-2可知，生产活动对1303N切眼掘进工作面风流会产生加热加湿作用，但不是很显著。

在高温矿井中，掘进工作面由于总是暴露在高温围岩中，通常是热害最为严重的地点之一。但是，在该系统正常运行后，掘进巷道中风流温度基本都能控制在28℃以下，且巷道中风流温差最大不超过10℃，有效改善了掘进巷道气候环境。

4总结

根据矿井风温预测软件计算得到的采掘工作面的需冷量，分别对制冷系统、输冷系统、传冷装置、排热系统等进行了设计，并完成了制冷机组、输冷管道、空气冷却器、冷却塔等相关设备的选型。分析了制冷、输冷、传冷、排热等降温系统各个子系统的工作状态及制冷系数、效率、冷损等，并实测分析了采掘工作面的风温等风流热力参数，实践证明新巨龙矿井下分区集中制冷、地面排热降温系统取得了较好的降温效果。因此，根据以上工作可确定该制冷降温系统主要优点有：（1）制冷机组分区域布置，可尽量靠近热负荷中心，冷损小；（2）系统简单，无需设高低压转换设备，少一个高压冷冻水循环，系统冷损小；（3）在钻孔中敷设冷却水管路（光管），无需保温，施工、安装方便；（4）地面冷却机房设备较少，占地面积较小；（5）整个系统投资较小。

参考文献

[1]杨德源，杨天鸿．矿井热环境及其控制[M]，北京：冶金出版社[J].

[2]中国科学院地质研究所地热室．矿山地热概论[M],北京：煤炭工业出版社，1981[J].