高温热害矿井通风制冷降温技术
时间：2022-12-04 08:55:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王春耀，周 建，简俊常，郑兴博，骆 伟
（1.山东能源集团鲁西矿业有限公司，山东 菏泽 274700；
2.山东李楼煤业有限公司，山东 菏泽 274700；
3.兖煤菏泽能化有限公司 赵楼煤矿，山东 菏泽 274700；
4.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274700）
为解决长距离通风下的矿井热害问题[1-2]，国内外相关学者针对深井通风和矿井降温技术进行了相关研究[3-6]。程伯明等[7]针对深井工作区域风量分配、风量管理和漏风等问题，对矿井通风系统进行优化改进；
石乃敏等[8]针对金属矿山的复杂通风系统、风流漏风短路、风量不足且气温偏高等问题，提出以通风系统优化改造为主、局部制冷为辅的综合降温技术；
苗俊德等[9]提出了1 种工作面局部降温技术，通过在工作面设置多个冷风口的方式对局部进行降温，采用数值模拟对其降温效果进行验证；
易欣等[10]分析了全风量井口降温技术的可行性，并提出了井口大风量空气处理技术及井口封闭技术；
Guo 等[11]采用深井回风作为深井冷却系统的冷却能量，试验得到冷却系统对工作面温度和湿度分别降低了8～12 ℃和8%～15%；
Luo Y 等[12]进行了U 型和Y 型通风系统的降温试验研究，Y 型通风系统的巷道风流温度比U 型通风系统低3～5 ℃，湿度从95%～100%降至92%左右。基于此，以山东巨野矿区新巨龙、赵楼及李楼矿井为研究对象，通过对高温热害矿井通风热害防治难点的分析，提出井下集中式降温系统和矿井全风量降温系统相结合的降温方法，并对降温系统运行前后井口风流和工作面进风的沿程风流状态对比，分析系统的降温效果。
1.1 高温矿井通风难点
矿井开采程度提高后，井下采区和工作面布置范围更广，工作面距离进风井口长度增加，通风系统网络复杂[13-14]。煤矿开采中，工作面设计长度增加后需风量也相应增加，因此矿井通风系统的供风量和风压均随矿井开采强度进行相应调整。矿井进风量增加后，风流在井巷沿程流动过程时的摩擦阻力随通风路线的延长而相应增加。由于井巷断面、方向变化以及分叉和汇合点增多，使风流的局部阻力增加，造成风流能量的损失。在矿井通风过程中为了克服通风阻力，除了降低井巷摩擦阻力、减小局部阻力和优化调整风网结构的基础上，还需增加矿井的通风动力来满足矿井开采通风的安全需求[15]。
在无高温热害矿井中，增大通风动力的主要影响在于矿井通风机负荷增加，造成耗电量升高，降低煤矿生产的经济性。然而，对于高温矿井不仅仅存在增大能耗的问题，因为矿井通风阻力的增加，风流与井巷之间的热交换作用时间延长，热量传递增加，导致风流在相同流动距离内温升速率更快，进一步加剧矿井热害。
1.2 高温矿井热害防治难点
巨野煤田位于山东省西南部，主采煤层为3#煤层，开采深度大，地温高，煤层平均采深-1 010 m，平均地温38 ℃。巨野煤田所属矿井普遍存在高温热害问题，且随着开采强度的增加热害问题日趋加剧。新巨龙公司煤层属正常地温梯度为背景的高温区，地层年恒温带为50～55 m，温度为18.2 ℃，平均地温梯度2.20 ℃/100 m，非煤系地层平均地温梯度1.85℃/100 m，煤系地层平均地温梯度2.76 ℃/100 m，初期采区大部分块段原始岩温为37～45 ℃，处于二级热害区域。
矿井主要热源有地表季节性气温、地温、空气压缩热、大型机电设备散热及氧化放热等，矿井进风流温度升高的主要原因是地表季节性气温，每年7 月是地表气温最高的时间，日最高气温可达41.6 ℃，湿度可达80%以上。矿井开采深度增加，造成围岩温度升高和通风路线长度增加，其中进风竖井长度增加导致空气压缩产热增加，同时风流与巷道围岩之间的热交换长度增加，热量交换作用加强。通风距离增加后，为满足矿井通风的要求，需要增大矿井通风量和通风速度，因此造成高温矿井工作面两端的压差增大，同时由于工作面高温环境产生的热风压，导致工作面两端的风压差加剧，造成采空区的漏风量增加，风流在采空区内与垮落围岩的热湿交换作用以及煤氧化产生的热量导致采空区风流温度升高，高温风流漏出工作面后对工作面热环境造成影响。矿井开采机械化程度提高，机械设备使用率增加，机械设备散热也成为矿井主要热源之一。
矿井各热源影响作用导致工作面风流温度和湿度增加，井下空气的温度、湿度、风速达到一定的状态以后，人体出现体温调节功能失调和热疲劳，形成矿井热害[16]。《煤矿安全规程》第六百五十五条和第六百五十六条规定采掘工作面空气温度不得超过26 ℃、机电设备硐室不得超过30 ℃，有热害的井工煤矿应当采取制冷降温措施[17]。为有效解决矿井热害问题，以巨野矿区新巨龙煤矿为例，提出了由进风井口降温和井下集中式降温相结合的分级降温方法，从进风井筒开始沿风流流动路径至工作面进行逐级降温。
2.1 矿井全风量井口降温系统
风流在竖井中流动时，风流热量的增加主要包括3 个方面：风流压缩热、风流与井壁的摩擦生热及井筒壁与风流的对流散热[18]。矿井进口风流温度降低能有效减小进入矿井的热量，在进风井口对风流进行降温除湿，从源头解决风流的高湿高温问题，有效达到降温目的。为解决地表风流温度对井下环境的影响，建立了矿井全风量井口降温系统，系统主要由水源热泵机组、冷却塔、无动力换热器等组成。
2.1.1 矿井全风量降温需冷量
对新巨龙矿井地表气温进行长时间观测，以进风温度20 ℃和相对湿度95%为降温目标，以现场观测的实际平均温度进行降温冷负荷进行计算。新巨龙矿总进风量30 000 m3/min（主井11 000 m3/min，副井19 000 m3/min），可处理进风空气所需的冷负荷为：主井9 393 kW；
副井16 224 kW。计算公式为：
P=Gρ（h2-h1） （1）
式中：P 为冷负荷；
G 为体积流量，m3/s；
ρ 为空气密度，冷却前空气密度，干球温度34.4 ℃、相对湿度72.7%、99.89 kPa 压力的空气密度约1.131 kg/m3；
h1为冷却前空气（34.4 ℃、72.7%相对湿度）比焓，101.3 kJ/kg；
h2为冷却后空气（20 ℃、95%相对湿度）比焓，56.0 kJ/kg。
2.1.2 制冷机组配置与工艺
考虑到夏季制冷和冬季井口供热需求，根据矿井降温需冷量，设计选用4 台离心式冷水机组，单台机组制冷负荷6 000 kW，额定输入功率1 022 kW，2 台2 500 kW 的离心机组，地面制冷站总制冷负荷可达到29 000 kW，总制热负荷达24 000 kW，其中2 台2 500 kW 离心机组作为全年洗浴用水热源及夏季矿井全风量降温补充制冷。制冷机组辅助设备有冷冻水泵4 台，设计流量为1 760 m3/h。冷却水泵4 台，设计流量为2 160 m3/h。冷却水塔4 组，设计流量为1 575 m3/h，4 组冷却水塔并联使用便于冷却水流量的分配。
水源热泵机组冷冻水系统及冷却水系统均采用纯净水，冷冻水系统为闭式循环，水量基本不损耗，冷却水系统为开式循环，存在夏季蒸发情况，需要补充水量。冬季采暖时冷却水系统通过板式换热器与矿井涌水进行热交换，作为水源热泵热源。
2.1.3 井口空气换热系统
1）副井口换热系统。副井口设计进风量为19 000 m3/min，对进风井口的全部风量进行处理（温度20℃，相对湿度95%）需要的冷负荷为16 224 kW。根据GB 50019—2015 换热器选型应预留0.15～0.25 的富裕系数，换热器按18 658～20 280 kW 选型，总制冷负荷21 260 kW，处理风量23 776 m3/min，表冷器换热总面积396 m2。副井口空气换热器设计参数见表1。副井表冷器平面布置图如图1。
表1 副井口空气换热器设计参数Table 1 Design parameters of auxiliary wellhead air heat exchanger
图1 副井表冷器平面布置图Fig.1 Layout of surface cooler of auxiliary well
2）主井口换热系统。主井口设计进风量为11 000 m3/min，对进风空气状态全部进行处理（温度20 ℃，相对湿度95%）需要的冷负荷为9 393 kW。根据换热器选型的富裕系数，选用26 台功率为450 kW 的无动力空气换热器，表冷器额定总制冷量11 700 kW，处理风量13 728 m3/min，表冷器换热总面积228.8 m2。主井口无动力表冷器装在井筒侧壁，配备可调式风叶，通过调节风叶开合，调节矿井进风量及风压。主井表冷器平面布置图如图2。
图2 主井表冷器平面布置图Fig.2 Layout of surface cooler in main well
2.1.4 井口封闭技术
为确保井口通风降温效果，增强井口建筑物的密闭性，减少未经表冷器处理的高温风流漏入进风井口，降低对井口全风量通风降温的影响，井口需要进行封闭减少漏风。副井井口房封闭示意图如图3。
图3 副井井口房封闭示意图Fig.3 Schematic diagram of sealing of wellhead house of auxiliary well
井筒房四周使用彩钢板或玻璃窗进行密封，在副井东西两侧各设置2 道封闭通道，进车侧封闭通道长30 m，出车侧封闭通道长28 m。在井筒房的东西两侧封闭通道的端头，设置自动开启的可视风门。自动风门设置有1 组红外线感应探头，当车辆接近电动风门时，红外线感应探头检测到车辆后，对应自动风门开启，待车辆全部通过后，风门自动关闭。后侧对应轨道的电动风门开启，在通过后道门以后，后道门保持关闭。在电动风门开启时，其对应的后道电动风门保持关闭。当电动门失电时，所有电动门处于开启状态。在井口等候室出入口各安设1 道自动门，减少等候室热风进入副井房。
2.2 井下集中式降温系统
根据新巨龙煤矿实际情况及降温负荷需求，井下采用集中式水冷降温系统，主要由井下制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、空冷器及电控系统等设备组成。根据井下降温制冷量计算，井下降温系统需设置3 台KM3000 的制冷机组，降温系统总制冷量9 900 kW。
井下降温系统的冷却水管道通过制冷硐室的钻孔直接通至地面，地面的冷却水管道采用直埋敷设的方式。地面冷却泵站安装冷却水循环系统设备、冷却塔、补水装置及配套的配电控制系统设备，冷却水管连接至冷却泵站，用于排放井下制冷机组产生的冷凝热。井下集中式降温系统图如图4。
图4 井下集中式降温系统图Fig.4 Diagram of downhole centralized cooling system
1）井下集中式降温系统设备。新建制冷硐室位于-980 边界回风下山与井底车场联巷，制冷机组及冷冻水循环系统均设置在制冷硐室内，在东副立井场地新建冷却泵站，冷却塔设于冷却泵站的西侧。井下制冷硐室主要有制冷机组3 台，设计额定功率为3 300 kW。MD280-43×3 型冷冻水循环水泵4 台，1套定压补水装置，配置容积为1.0 m3的膨胀定压罐，以及手动清洗过滤器和Y 型过滤器各2 台。
2）地面冷却设备。地面冷却设备主要有3 台角形横流式玻璃钢冷却塔，冷却水流量500 m3/h；
冷却水循环水泵4 台，额定流量460 m3/h；
全自动钠离子交换器1 台，全程综合水处理器2 台，用于软化处理冷却水，并配置有容积300 m3的混凝土冷却水池。
3）井下制冷硐室及冷冻水管路布置。考虑井下降温系统的服务范围、制冷硐室的规模以及降温系统的管道布置，分别在一采区和二采区分别布置制冷硐室，主供冷距离不超过1 km，缩短了冷水的流动距离减少沿程能量损失。在制冷硐室对应的地面位置，布设有井下降温系统专用钻孔，根据冷却水流量和流速，在孔内敷设2 趟ϕ480 无缝钢管作为冷却水立管，实现地面与井下直接热交换，形成“井下制冷、地面散热”。根据制冷硐室供给的冷冻水流量及流速，冷冻水管路由制冷硐室沿回风大巷敷设，共敷设2 趟ϕ377 无缝钢管作为冷冻水管路，并接至各综采工作面及掘进工作面的空冷器。冷冻水管路总长45 000 m，全部采用聚氨酯发泡保温无缝钢管，在管路连接处使用保温海绵，实现管路的全线保温覆盖，管路温升控制在0.4 ℃/km 以内，构建高效输冷管网。主要输冷管网尺寸见表2。
表2 主要输冷管网尺寸Table 2 Size of main cooling pipe network
3.1 井口全风量降温效果
井下环境温度与地面同步测试，沿着综放工作面进风路线，对沿途各主要地点进行测试。测试地点为：副井下口、主井下口、南部1#大巷测风站和2#大巷测风站、一集轨道上车场（距副井口900 m）、一集轨道中车场（距副井口1 500 m）、一集轨道下车场（距副井口2 000 m），对比井口全风量降温系统运行前后各测点的温度数据，分析井口全风量降温系统的降温效果。风流温度数据如图5。
图5 全风量降温前后温度变化情况Fig.5 Temperature changes before and after cooling with full air volume
采取矿井全风量降温系统后，相比往年同一时间的风流温度，降温系统运行后，进风井口风流温度出现明显下降，下降幅达最大为16 ℃，井下环境得到有效改善，工人在井下工作的体感温度得到明显改善。地面进风流湿度不变的情况下，经过井口降温后，副井下井口、一采上车场、下车场的风流温度和湿度均出现降低，湿度降幅约15%，温度降幅在4～5 ℃，副井下井口温度能保持在26 ℃以下，一采下车场温度保持在28 ℃以下。
3.2 矿井采区主要通风路线降温效果
矿井采掘工作面为工人作业的主要场所，同样也是矿井降温的主要目标区域。对新巨龙矿井一采区和三采区主要通风路线上的风流温度进行观测，一采区主要通风路线风流温度如图6。三采区主要通风路线风流温度如图7。
图6 一采区主要通风路线风流温度Fig.6 Air flow temperature of main ventilation routes in the first mining area
图7 三采区主要通风路线风流温度Fig.7 Air flow temperature of main ventilation routes in the third mining area
由图6 可知，副井风流经过风量降温后，进口风流温度为16.2 ℃，风流经过竖井到达井底时温度为26.4 ℃。风流流经井下大巷进入一采区，在该段过程中风流温度基本保持不变。一采区进风巷的风流温度为26 ℃，一采区总回风的平均风流温度为28.6℃，风流经过一采区的温升范围相对较小，对比风流流动路线上其他测点的温度数据，风流的整体温度保持稳定基本不变，井下采区的风流环境相对稳定。
由图7 可知，三采区进风的风流温度为28.5℃，沿三采区风流进风路线，整体风流温度上升幅度不大，在回风侧的风流温度保持在29.5 ℃以下。2304N 工作面进风侧的风流温度为27.6 ℃，风流经过工作面时受热源影响温度大约升高为4 ℃。根据其余监测地点的风流温度数据，整体风流温度变化趋于平稳，温度波动幅度在2 ℃之以内。
1）矿井开采深度增加后，通风路线延长，井巷断面、方向变化以及分叉或汇合点增多，使风流的沿程阻力和局部阻力增加，风流能量损失增加；
矿井通风动力增加后，高温矿井中空气压缩产热增加，风流与围岩的热交换作用加强，加剧高温矿井的热害。
2）井口全风量降温系统用于降低矿井进风口风流温度，将高温风流热量留在地面，解决地面季节性高温热害问题；
井下集中式降温系统布置2 个制冷机组，分别用于解决2 个采区的工作面降温，形成井下制冷地面散热的降温方式，建立沿风流流动路径的井口降温和工作面降温的分级降温模式。
3）井口采取全风量降温后，井筒入口风流温度均保持在19 ℃以下，风流经过竖井后风流温度升高6～10 ℃，风流进入井底后沿通风路线上温度相对稳定，整体变化幅度在2 ℃以内，采用井下集中式降温系统后，工作面进回风之间的风流温度差为4 ℃，井口降温和井下降温相结合的分级降温方法能有效改善井下环境。
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