对大采深高温热害矿井井下降温设计的探究

摘要：目前我国大部分开采的煤矿，都处于深水平开采，随着开采深度的增加，煤岩温度升高以及设备散热等因素影响，产生了矿井的高温热害问题。本文主要以朱集西煤矿为研究对象，对朱集西煤矿矿井热环境和制冷降温工艺等方面进行了论证分析。

关键词：矿井；井下降温；设计

前言

随着矿井开采深度的增加，综合机械化程度不断提高，地热和设备向井下空气散发的热量显著增加，井下高温、高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率，造成高温热害，矿井热害最终将成为制约开采深度的决定性因素。朱集西煤矿由于埋深大、工作面走向长、供风距离远，工作面温度达36℃～39℃，湿度达90%～95%。虽然采取了一些措施，但仍然多次发生工作人员中暑现象，既危害了职工的身心健康，又影响了矿井建设、正常生产及接替。迫切需要建设一套有效的降温系统来解决矿井生产过程中产生的热害问题。以改善井下作业环境，保护矿工的身体健康，提高劳动生产效率。

1矿井热环境分析

影响本矿井热环境的因素较多，分析归纳认为主要有以下几个方面：

1.1地面大气环境

矿井风流由地面进入井下，地面大气环境对井下风流气象条件的影响较大。朱集西煤矿位于淮河中游，属淮河冲积平原，区内地形平坦，属过渡带气候，为季风温暖带半湿润气候，季节性明显，夏季炎热。根据气象台连续5年观测数据统计，年平均气温16.8℃，极端最高气温41.4℃，相对湿度平均为74%。由于夏季地面入风温度较高，且湿度较大，导致井下风流温度较高，湿度大。

1.2地质地热环境

根据淮南九龙岗长期观测孔资料，恒温带深度为30m，温度为16.8℃。本区测温孔地温梯度为2.44～3.01℃/hm，平均地温梯度2.78℃/hm，属地温梯度正常区。朱集西矿井一水平采深为-962m及以下，按平均地温梯度2.78℃/hm计算-962m出岩温已达到42.65℃。无疑地热环境必然导致井下热害的发生。

1.3矿井生产环境

矿井开采所形成的生产环境对井下热环境具有直接的影响。如机电设备运转时散热、运输中的煤矸放热、通风风流的压缩热以及采掘裸露煤岩的氧化散热等，都将与矿井风流发生热交换，使井下风流温度升高。

1.3.1高温岩壁和煤壁散热

朱集西矿井煤层埋藏深，地温高。大量地热通过高温岩壁和煤壁以辐射和与通风流对流换热传导至矿井通风流中，是导致井下高温环境的重要因素。

1.3.2机电设备运转时散热

井下的各种机电设备、电缆、电线、照明设施、机械摩擦和碰撞等能量消耗，都可能转化为热能。

朱集西煤矿采区开采强度大，井下采、掘、运等各生产环节机械化程度高，机电设备的装机容量较大。综采工作面生产能力1.3Mt/a～3.0Mt/a，采煤、运输等设备装机容量为1292kW～2034kW。

煤巷普掘工作面设备平均功率为57.5kW，综掘工作面设备平均功率为270kW。

1.3.3运输中的煤矸放热

从采掘工作面采落下来的煤矸，温度接近围岩的初始温度，将其从采掘工作面运送至地面的过程中，煤矸便将自身热量传递至风流中，引起风流温升。

1.4风流压缩热

本矿井开采深度大，工作面标高在-962m左右。风流自然压缩使风流温升较大。

1.5氧化放热

本矿井为不易自燃煤。但淮南矿区各煤层有自燃危险，煤、含煤围岩、含硫围岩及支护材料的氧化散热，也是局部气温升高的热源。

综上所述，影响矿井热环境的因素较多，尤其是地温高、机电设备散热量大，热害将成为制约矿井安全生产的主要因素之一。因此，必须进行热害防治，以保证矿井安全生产，高产稳产。

2制冷降温工艺

2.1概述

2.1.1制冷系统设计规模

朱集西矿井属高温矿井，矿井建设各时期的需冷量，投产期需冷量约为8700kW，生产前期需冷量约为13265 kW，生产后期需冷量增加到14790 kW。制冷系统规模按投产期和生产后期的供冷量分一、二期建设。一期制冷系统规模为12000 kW，二期制冷系统规模为18000kW。

2.1.2设计特点

一期制冷分为两个制冷单元，第一个制冷单元制冷机组采用离心式+离心式，第二个制冷单元制冷机组采用蒸汽双效溴化锂+离心式二级串联方式连接，单元制式布置。预留二期第三制冷单元—蒸汽双效溴化锂+离心式制冷机组安装位置。

井上一次側冷冻水系统采用定流量方式运行；各制冷单元一次冷冻水系统采用定流量方式运行，负荷调节为质调节。地面制冷系统一次冷冻水的运行调节为质调节+量调节，即通过调节运行的制冷单元数量调节系统流量，根据制冷机组进水温度自动调节制冷负荷。

井下冷冻水压力耦合方式采用高压换热器。

井下二次側冷冻水系统采用变流量方式运行。

2.2制冷主机设备

2.2.1第一制冷单元（一期）

制冷机房供回水温度为2.5℃/18℃，设计由蒸汽溴化锂+离心式两级制冷装置实现。

第一级为蒸汽溴化锂双效制冷机组，将冷媒水由18℃降至5℃，计算制冷量为5032kW，设计选用1台额定制冷量5035kW的蒸汽溴化锂制冷机组。

第二级为离心式制冷机组，将冷媒水由5℃降至2.5℃，计算制冷量为968kW，考虑溴化锂机组衰减及电制冷机组一定的备用率，设计选用1台额定制冷量2517 kW的离心式制冷机组。

一级蒸汽溴化锂制冷机满负荷运行，二级离心式制冷机降负荷运行，第一制冷单元总制冷量为6000kW，满足矿井建设期降温需求。

2.2.2第二制冷单元（一期）

制冷机房供回水温度为2.5℃/18℃，设计由两级离心式电制冷装置实现。

第一级为离心式制冷机组，将冷媒水由18℃降至7℃，计算制冷量为4258kW，设计选用1台额定制冷量4260kW的离心式制冷机组。

第二级为离心式制冷机组，将冷媒水由7℃降至2.5℃，计算制冷量为1742kW，考虑制冷机组一定的备用率，设计选用1台额定制冷量2517 kW的离心式制冷机组。

一级离心式制冷机满负荷运行，二级离心式制冷机降负荷运行，第二制冷单元总制冷量为6000kW。

第一制冷单元+第二制冷单元，总制冷量为12000kW，满足矿井投产前期降温需求。

2.2.3预留第三制冷单元（二期）

制冷机房供回水温度为2.5℃/18℃，设计由蒸汽溴化锂+离心式两级制冷装置实现。一级蒸汽溴化锂制冷机满负荷运行，二级离心式制冷机降负荷运行，第三制冷单元总制冷量为6000kW。

第一制冷单元+第二制冷单元+第三制冷单元，总制冷量为18000kW，满足矿井投产后期降温需求。三个制冷单元互为备用。

2.3制冷工艺系统

制冷系统设计供回水温度为2.5℃/18℃，设计由蒸汽溴化锂冷水机组+离心式冷水机组或者离心式冷水机组+离心式冷水机组串联的两次制冷装置实现。

整个制冷系统分为三个制冷单元，其组合如下：

第一制冷单元：蒸汽溴化锂冷水机组（额定制冷量5035kW）+离心式冷水机组（额定制冷量2517kW）。

第二制冷单元：离心式冷水机组（额定制冷量4260kW）+离心式冷水机组（额定制冷量2517kW）。

第三制冷单元：蒸汽溴化锂冷水机组（额定制冷量5035kW）+离心式冷水机组（额定制冷量2517kW）。

制冷流程为：冷媒回水→蒸汽型溴化锂制冷机（离心式电制冷机）→离心式电制冷机→冷媒水循环泵→冷媒供水管。

2.4系统运行方式

制冷系统由三个（一期为二个）制冷单元组成，根据井下需冷负荷调节制冷单元运行数量，因此，一次冷冻水系统有三种运行工况：

（1）地面三个单元同时运行工况：

流量为999m3/h 系统阻力为0.91MPa

（2）地面两个单元同时运行工况：

流量为666m3/h 系统阻力为0.48MPa

（3）地面一个单元运行工况：

流量为333m3/h 系统阻力为0.35MPa

三种运行工况的系统阻力变化很大，各制冷单元采用定流量方式运行。采用水泵变频调节控制系统流量及扬程。

各制冷单元可根据冷媒水回水温度，调节制冷机的制冷负荷。

2.4.1 三个制冷单元降负荷调节

当三个制冷单元总制冷负荷下降至11.7MW只能满足29台空冷器的供冷需求时，关闭1个制冷单元及其对应的一次冷水泵。

当二个制冷单元制冷负荷下降至5.4MW只能满足13台空冷器的供冷需求时时，关闭1个制冷单元及其对应的一次冷水泵。

2.4.2 三个制冷单元升负荷调节

当一个制冷单元满负荷运行，且制冷单元出口水温高于5℃，增加1个制冷单元运行。

当二个制冷单元满负荷运行，且制冷单元出口水温高于5℃，增加1个制冷单元运行。

2.5地面制冷机房布置

制冷机房为一字型联合建筑，自西向东分别为水箱间、制冷机间、低压配电间。

制冷机自东向西按制冷单元依次排列，一台蒸汽溴化锂制冷机+一台离心式制冷机为第一单元；一台离心式制冷机+一台离心式制冷机为第二单元；预留二期一台蒸汽溴化锂制冷机+一台离心式制冷机安装位置。

2.6井下高压换热站

井下二次供冷管网采用闭式循环，主要由高压换热器、二次输冷管道、过滤站、二次冷冻水泵、补水定压装置、末端空冷器及相应的阀门仪表等组成。其系统流程为：高压换热器出水→输冷供水管→空冷器→输冷回水管→过滤站→二次冷冻水泵→高压换热器进水，如图1所示。

降温硐室内主要布置有以下设备：高压换热器、手动反冲洗过滤器（细过滤器）、粗过滤器、二次冷冻水泵、补水定压装置。

高压换热器是传统的压力耦合方式，它是通过间接热交换的方式将一次供冷循环的冷量传递给井下二次供冷循环的冷水，并将二次供冷循环冷水的热量传递至一次供冷循环。

2.7井下末端设备

井下降温末端设备主要由空冷器、过滤器、仪表阀门、配电、控制设备等组成。其中空冷器分为掘进工作面和回采工作面空冷器两种。按空冷器布置的形式又可分为落地式和悬挂式。

2.7.1掘进工作面空冷器的布置

设计要考虑把空冷器布置在掘进工作面距迎头不超过100m的进凤筒，空气冷却器的冷却风通过双层风筒直到掘进工作面迎头，空气冷却器随着掘进头的推进向前移动，每100m推进就会向前移动一次。空气冷却器自身没有动力，掘进头局扇选型时序考虑克服空冷器的阻力。空气冷却器的水和冷媒水主干管采用使用金属软管连接。

2.7.2回采工作面空冷器的布置

设计考虑的空气冷却器布置在带槽内，回采工作空气冷却器按用途可分为预冷空气冷却器和工作面降温空冷却器两种。为消除槽带空气冷却器的沿热负荷，为回采工作面进风起到预冷作用。考虑到空冷器设备经常在井下搬动，选用一种规格便于互换，设计选用400kW交换冷量的空冷器。工作面降温空冷器布置在皮带机顺槽靠近采煤面100m之内的位置。该冷却器随着采煤面的回采而变化。

3结语

以朱集西煤矿为研究对象，通过对矿井井下降温设计的探究，水冷地面集中式机械降温系统的应用最为广泛，技术也最成熟。但在国内，煤矿井下专用降温设备的定型产品基本没有，制冷主机或井下换冷器均为进口设备。国内相关企业应根据井下降温设备的技术特点，研发出适合国情的矿井专用降温设备以便满足更多高温矿井的降温需求。

参考文献：

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