礦井涌水在深井HEMS降溫技術中的應用研究

曹秀玲,張 毅,郭東明,楊 清,田 景,宋衍昊

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;3.石家莊經濟學院,河北石家莊 050031)

礦業縱橫

礦井涌水在深井HEMS降溫技術中的應用研究

曹秀玲1,2,3,張 毅1,2,郭東明1,2,楊 清1,2,田 景1,2,宋衍昊2

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;3.石家莊經濟學院,河北石家莊 050031)

礦井涌水是一種在礦井開挖過程中從巖層中涌出的地下水。以往對礦井涌水的利用僅限于對水源本身的使用,深井HEMS降溫系統首次將礦井涌水作為其系統的冷源使用。本文以夾河礦和三河尖礦為例,闡述在深井HEMS降溫系統運行過程中礦井涌水的冷卻問題。實際應用表明,高差循環降溫技術和水平循環降溫技術均可將作為冷源的礦井涌水水溫控制在25～30℃,保證了深井HEMS降溫系統的正常運行。

礦井涌水;深井;HEMS降溫系統;高差循環;水平循環

Abstract:Mine water is a kind of ground water which gushes from the rocks during excavation.In the past,mine water is limited to the use of water sources itself.HEMS cooling system uses mine water as its cold sources for the first time.Taking Jiahe coal mine and Sanhejian coal mine as examples in this paper, the cooling of mine water is illustrated during the running of HEMS cooling system in deep mine.Practical appalication shows that the temperature of mine water which is used as cold sources could be controlled in 25～30℃,with the help of the technology of circulating by difference in level of mine water and the technology of circulating horizontally of mine water.It guarantees the normal operation of HEMS cooling system in deep mine.

Key words:mine water;deep mine;HEMS cooling system;circulating by difference in level;circulating horizontally

礦井涌水是一種在礦井開挖過程中從巖層中涌出的地下水。[1]一般采用在井下設置水倉的方法將不同水平的礦井涌水收集起來,再通過泵站將其抽到地表,最初采取直接作為廢水排掉的方式,后來加以資源化利用,對其進行水處理后,作為工農業用水。[2]

1 礦井涌水的用途

我國是一個水資源較少的國家,人均占有水量僅為世界人均占有量的1/4,世界排序第80位。[1]煤炭工業要發展,礦井水要排放,工農業的發展又需要大量的水資源,如何解決排放水和缺水的矛盾,出路就在于使礦井水資源化,把礦坑廢水變成有用的水資源。從另一方面講,充分利用礦井水對提高煤炭生產經濟效益、減輕環境污染,提高環境質量也有重要意義。[3]

結合礦井涌水的排、供、生態環保發展歷史,可分為以下三個階段[4]:

第一階段:礦井涌水粗放型利用,即利用礦井本身的排水和遺留下的報廢礦井水,作為礦山的供水和農業灌溉水源。第二階段:礦井排水與廢水處理與應用。除灌溉農業外,還著手處理凈化解決人畜飲用水,既避免了水資源的白白浪費,又解決群眾吃水難及灌溉難的問題,變水為寶,可謂一舉兩得。第三階段:用水與治水相結合,降低了巖溶地下水水位與水量。根據多年用水和治水的經驗,進一步充分利用礦井涌水,并隨著工農業的發展,創造多渠道既用水又治水的途徑。用水與治水相結合,既有利于礦井涌水疏放降壓,又為礦井涌水開辟新用途,并達到排供結合,有利于環保的要求。

2 深井HEMS降溫技術的原理

深井HEMS技術[5]是在礦井涌水排出地表前,從中提取冷能,并運用提取出的冷量與工作面高溫空氣進行換熱作用,降低工作面的環境溫度及濕度;同時將置換出來的熱能作為地面供熱及洗浴的熱源,形成井下降溫采熱、井上用熱的循環生產工藝系統。

深井HEMS降溫系統[6]的工作原理是利用礦井各水平現有涌水,通過制冷工作站(HEMS-I)從中提取冷量,之后將冷量通過上循環系統和下循環系統輸送至降溫工作站(HEMS-II),采取氣液換熱的方式,將冷風供給工作面,與工作面高溫空氣進行換熱作用,降低工作面環境溫度及濕度,同時將置換出的熱量作為地面建筑供暖、井口防凍及洗浴供熱的熱源。其工作原理如圖1所示。

圖1 深井HEMS降溫技術原理

深井HEMS降溫系統是一種以礦井涌水為冷源的深井降溫系統,其首次提出利用礦井涌水作為深井降溫系統的冷源。[7,8]但深井HEMS降溫系統要達到最終的降溫目的,關鍵在于礦井涌水是否能為制冷工作站(HEMS-I)源源不斷地提供冷量,以保證可以有充足的冷量輸送至降溫工作站(HEMS-II)。因此礦井涌水的冷卻是此系統是否能正常運行的關鍵技術問題之一。

下面以夾河礦的高差循環降溫技術和三河尖礦的水平循環降溫技術為例來闡述在深井HEMS降溫系統運行過程中礦井涌水的冷卻問題。

3 高差循環冷源降溫技術

3.1 技術原理

隨著礦井開采不斷向深部延伸,高溫熱害也越來越嚴重,當冷負荷需求很大時,要求必須具備足夠的冷源,而礦井涌水的水量畢竟是有限的,往往很難滿足要求。針對以上情況,提出了高差循環冷源降溫技術(見圖2),即,將冷卻水回水經由管路和水溝排至礦井淺部巷道(一水平),利用礦井淺部巷道較低的環境溫度,使得冷卻水回水與巷道內的空氣及巖壁進行充分的熱交換,降低冷卻水回水溫度,達到冷卻的目的,冷卻后再排至冷卻水儲水倉,從而形成不同水平間高差循環冷卻。

該技術利用礦井淺部環境溫度低、風量大的特點,通過不同水平間所形成的高差循環,冷卻HEMS-I機組的冷卻水回水,操作簡單。

圖2 高差循環冷源降溫技術原理

3.2 工程實例

目前,夾河礦井各水平涌水情況是,-280水平涌水量為40m3/h,水溫25℃;-450水平涌水量為15m3/h,水溫25℃;-600水平涌水量為50m3/h,水溫24℃;-800水平涌水量為30m3/h,水溫29℃。上述四個水平總涌水量為135m3/h。如果考慮-280水平距離制冷站較遠,不考慮利用該水源,這樣其余三個水平合計涌水量為95m3/h。另外,-80水平有較小的涌水量,但水溫低,水質好,可作為冷卻補充水源加以利用,增強系統的冷卻效果。

考慮到-600水平涌水量為50m3/h(占總涌水量的37%),以及-600水平西一儲水倉的儲水量及其位置,將-450水平和-800水平的涌水引入該儲水倉,如涌水量不能滿足系統運行要求,則將HEMS-I冷卻水回水經由中央水倉用泵排至-280水倉,冷卻后再用泵將水排至-600西一儲水倉,使得冷卻水循環利用,滿足HEMS-I機組冷卻水水量需求-80水源的水溫低,水質好,要充分利用起來,排到-280水倉,可以改善水質,增強冷卻效果。

4 水平循環冷源降溫技術

(1)技術原理

該技術是利用與冷卻水儲水倉在同一水平的閑置巷道作為冷卻水倉,冷卻水回水在水平大巷中經過一定距離的管路排至冷卻水倉內,通過與巷道空氣及巖壁的熱交換來達到冷卻目的,冷卻后的水源作為降溫系統的冷源,進行能量的提取、冷量的輸送以及對工作面進風風流的冷卻,完成工作面降溫。技術原理如圖3所示。

圖3 水平循環冷源降溫技術原理

該技術的特點是冷卻水在同一個水平循環冷卻,所需的循環動力小,耗電低,但當同一水平的環境溫度較高時,對冷卻效果會有很顯著的影響,可以根據冷量需求及冷卻水水量大小,采取合理的增強冷卻措施。

(2)工程實例

目前,三河尖礦可利用的冷源資源僅為60m3/h的礦井涌水,無法滿足工作面冷負荷需要,經過多次現場考察和討論,綜合考慮三河尖礦水源條件、冷負荷量及其礦井實際條件,冷源通過冷卻水循環方式獲得,HEMS-I機組出來的38℃水經回風巷噴淋及-700水平屯頭系大巷自流冷卻作為主要冷源,流量為600m3/h。另外礦井涌水中有60m3/h水源可以利用,將可利用的礦井涌水與循環冷卻水混合作為冷卻水水源。

水源供水的操作要求:井下-700水平循環冷卻水作為冷源,適當摻混其他低溫水源。

5 結論

(1)深井HEMS降溫系統所利用的冷源是礦井涌水,充分利用地層能,保證了資源的可持續利用和發展,整個生產系統實行閉路循環,無污染,最大程度地減少了廢氣廢物的排放,有效地保護了生態環境,具有顯著的社會效益。

(2)夾河礦利用在不同水平(-80、-280、-600、-800水平)水倉之間的高差循環來冷卻礦井涌水,送入HEMS-I工作站的礦井涌水水溫始終保持在25℃～30℃,為深井HEMS降溫系統提供了充足的冷源,實際降溫工程表明,高差循環冷源降溫技術可以解決礦井涌水冷源的冷卻問題,為深井高溫工作面提供源源不斷的冷量,保證了深井HEMS降溫系統的正常運行。

(3)三河尖礦利用在同一水平(-700水平)的回風巷噴淋及屯頭系大巷自流來冷卻礦井涌水,送入HEMS-I工作站的礦井涌水水溫始終保持在25℃～30℃,為深井HEMS降溫系統提供了充足的冷源,實際降溫工程表明,水平循環冷源降溫技術可以解決礦井涌水冷源的冷卻問題,為深井高溫工作面提供源源不斷的冷量,保證了深井HEMS降溫系統的正常運行。

[1] 趙蘇啟,郭啟文,徐志斌.鄭州礦區水害綜合治理技術研究[M].北京:中國科學技術出版社,2006.

[2] 毛艷麗,肖曉存,羅世田,等.平頂山市煤礦礦井涌水的資源化[J].潔凈煤技術,2007,13(02),94-96.

[3] 鄭連科.永城礦井涌水水資源的綜合評價及利用[J].煤炭科學技術,2007,(06),16-19.

[4] 中國煤炭工業勞動保護科學技術學會,礦井水害防治技術[M].北京:煤炭工業出版社,2007.

[5] 何滿潮,徐敏.HEMS深井降溫系統研發及熱害控制對策[J].巖石力學與工程學報,2008,27(7):1353-1361.

[6] He Manchao.Rock mechanics and hazard control in deep mining engineering in China.Rock Mechanics in Underground Construction,Rock mechanics in underground construction[J]. Proceedings of ISRM International symposium 2006.The World Scientific Publishing,2006,11:29-46.

[7] 張 毅,郭東明,何滿潮.深井熱害控制工藝系統應用研究[J].中國礦業,2009,(01),85-87.

[8] 何滿潮.HEMS深井降溫系統研發及熱害控制對策[J].中國基礎科學,2008,(02),5-8.

Utilization and research on mine water in HEMS cooling technology in deep mine

CAO Xiu-ling1,2,3,ZHANG Yi1,2,GUO Dong-ming1,2,YANG Qing1,2,TIAN Jing1,2,SONG Yan-hao2
(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;
2.School of Mechanics&Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;
3.Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang 050031,China)

TD727+.2

A

1004-4051(2010)02-0104-03

2009-09-17

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2006 CB 202200);國家自然科學基金重大項目(50490270);教育部創新團隊發展計劃項目(IRT0656)

曹秀玲(1964-),女,河北人,中國礦業大學(北京)在讀博士研究生,石家莊經濟學院老師,副教授,主要從事地熱工程、結構工程師方面的研究工作。