陳蠻莊礦分階段高溫熱害防治技術實踐研究

李士棟，朱學軍，魏中舉

(1.肥城礦業集團單縣能源有限責任公司，山東 單縣 274300；2.山東科技大學，山東 泰安 271019)

隨著礦井開采深度的增加和采掘機械化程度的不斷提高，礦井熱害已嚴重威脅礦井安全生產和井下作業人員的身心健康，導致煤礦事故率上升、作業人員勞動率下降，影響煤礦的正常安全生產。因此，如何改善礦井氣候狀況，防治熱害，保障安全生產，是煤礦生產現實所要求的緊迫任務[1-3]。

《煤礦安全規程》規定：“生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃；當空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予高溫保健待遇。”井下適宜溫度為15℃～20℃。陳蠻莊礦為立井開拓，井底水平標高為-895m，設計開采煤層深度為-600～1200m，原始巖溫為36℃～40℃，地溫梯度平均2.59℃/100m，即地熱增溫率1℃/38.6m，而3煤底板在-750m以下，屬于37℃以上的二級高溫區，井下熱害嚴重，采掘工作面溫度超過37℃。高溫的工作環境影響了工作效率和工人的身心健康，增加了事故發生率。在此采礦地質條件下，純粹的通風降溫已不能有效解決根本問題。針對這種情況，從安全生產和職工健康角度出發，積極尋找改善工人工作環境的方法，對陳蠻莊礦基建與生產期間降溫系統進行了應用實踐。同時，結合國內外研究成果[4-5]，從礦井熱害發展規律、礦井冷負荷計算方法和不同時期熱害控制技術等方面入手，進行了礦井熱害防治關鍵技術的研究，以建立可靠、有效和經濟的降溫系統，從而實現礦井的安全、高效運轉。

1 深井熱害發展規律

對于基建深井，礦井不同建井時期，礦井熱害與礦井需冷量是不同的，需要分析礦井熱害發展規律，制定合理可行的降溫方案。

根據礦井不同階段熱害特點，將基建熱害深井分為三個階段：井筒掘進到形成通風系統之前；通風系統形成至大巷掘進時期；正常生產時期。不同階段礦井需冷量差別較大，通常情況下，生產時期需冷量最大，尤其是礦井開采后期，隨通風線路的延長及工作面布置原因，礦井熱害尤為嚴重。

1.1 井筒掘進至通風系統形成時期

隨著深部煤炭資源的開發，基建深井越來越多，基建時期，井筒掘進初期屬于淺部井筒掘進，基本不存在熱害問題。隨著井筒深度的增加，地熱影響越來越明顯，當掘進深度大于800m時，井筒掘進或多或少的會遇到熱害問題。

井筒掘進完畢至形成通風系統階段，由于供風不足和地溫的影響，巖溫處于原始巖溫狀態，對風流加熱較大，熱害問題易突出。通風系統形成之后，礦井通風量加大，圍巖表面溫度降低，熱害程度會得到一定程度的緩解。

1.2 大巷掘進時期

大巷掘進時期，隨著巷道延伸及機械化設備的大量使用，使巷道內溫度升高；另一方面，熱量還來源于礦井涌水，礦井涌水一般體現原始巖溫，而且水與空氣的熱交換系數遠遠大于巖石與空氣的熱交換系數，從而加劇了礦井熱害。該階段熱害問題常出現在長距離掘進工作面回風流中，降溫需冷量也會隨著巷道長度的增加而不斷增加。

1.3 生產時期

礦井生產時期，礦井熱害出現在回采工作面與長距離掘進巷道。回采工作面布置了較大功率的機電設備，受采空區影響、圍巖散熱等原因，是礦井熱害比較集中的區域。另一方面，礦井生產后期，隨通風系統的延長，采區布置越來越遠，礦井熱害問題將日益嚴峻，生產后期同樣是礦井降溫的主要階段。

2 礦井降溫工藝及方法

基建礦井降溫系統應遵循與主體工程同時設計、同時施工、盡快投入使用的原則，設計合理可行的降溫系統。分階段礦井降溫技術，主要指的是設計自建井初期至生產后期礦井不同時期內的礦井降溫系統，降低系統投資運行成本，達到投資最大化的目標。

2.1 井筒及井底車場掘進時期

1)井筒掘進時期，主要采取增大通風量的降溫方式。增加風量是一種簡單易行的降溫方法，但是其降溫幅度是有限的，其受進風溫度和圍巖溫度等因素的影響。所以，當圍巖溫度達到一定高度時，增加風量降溫效果將不明顯。

2)井底車場掘進降溫系統未運行前，不宜在巷道內進行總體降溫，采用局部降溫措施更有利和有效。根據基建礦井的建設特點與井下熱環境的實際測量結果，以及初步的噴淋措施實施的經驗，決定實施“蓄冷釋冷移動式礦井降溫空氣調節機組系統”的降溫措施。

3)“蓄冷釋冷移動式礦井降溫空氣調節機組系統”主要包括：蓄冷釋冷保溫箱式礦車、冷水供回水加壓輸送泵與管材礦車、礦井降溫專用空氣調節礦車、冷空氣輸送加壓風機車和冷空氣輸送風筒(柔性風管)等部分。系統主要運行參數包括：空調器處理進出口空氣狀態參數、處理風量、噴淋水量；保溫車蓄冰量、班次耗冰量(車)；一級噴淋泵流量與壓力、二級噴淋泵流量與壓力、回水泵流量及壓力；加壓軸流風扇流量與壓力等。

2.2 通風系統形成大巷掘進時期

該時期礦井降溫技術主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面聯合集中式、分散式等。國內外實踐表明：負荷小于2MW的礦井，以采用分散式最優；負荷大于2MW的礦井，才采用集中式。集中式有3種形式，又以井上、井下聯合集中系統投資費用最高，地面集中式和井下集中式系統基本相同。4種降溫系統比較見表1。

表1 降溫系統比較

通過比較分析，陳蠻莊煤礦降溫系統采用井下集中式降溫系統，系統布置如圖1所示。降溫系統可分兩個階段：第一階段，通風系統形成之后開拓制冷硐室，布置一臺制冷量2200kW制冷機組，預留第二臺主機位置，鋪設降溫系統保溫管路，對掘進工作面進行機械制冷降溫；第二階段，針對生產時期，增加一臺3300kW制冷主機，管路使用已有管路，增加空冷器，礦井總制冷量5500kW，可以基本滿足礦井降溫要求。

該系統是將制冷機組放置在井下制冷硐室內，散熱設備冷卻塔系統布置在地面。制冷硐室內的制冷機組制備3℃冷凍水，通過冷凍水循環水泵經絕熱保溫管路送至采煤工作面和掘進工作面的空冷器。在空冷器內5℃冷凍水與風流進行換熱，達到冷卻風流的目的，其間所吸收的熱量將使水溫上升至17℃左右，再由冷凍水泵使其返回制冷機組再冷，形成冷凍水循環。制冷機組冷凝器內的冷卻水吸收冷凝熱量后，經井筒內的管路送至地面冷卻塔內，將熱量散發到地面的大氣中，散熱后的冷卻水通過循環水泵被送至井下機組冷凝器內吸熱，形成冷卻水循環。

地面主要設備：冷卻塔、冷卻水泵，設備布置在礦井工業廣場主通風機配電室東側。

井下主要設備：冷水機組、冷凍水循環水泵、空冷器，設備硐室布置在-900 m井底車場附近。

圖1 陳蠻莊煤礦井下集中制冷系統布置圖

制冷機組冷凝器內的冷卻水吸收冷凝熱量后，經井筒內的管路送至地面冷卻塔內，將熱量散發到地面的大氣中，散熱后的冷卻水通過循環水泵被送至井下機組冷凝器內吸熱，形成冷卻水循環。

井下降溫系統主要設備為德國飛馬公司生產的井下制冷機組和空冷器，其余設備為國產配套設備，有利于降低初期投資。

2.3 生產時期

對采煤工作面進行機械制冷降溫，當圍巖溫度不太高時(<40℃)，一般在采煤工作面進風平巷集中冷卻風流即可。當圍巖溫度較高(>40℃)，且風流量較低時，若在進風流平巷集中冷卻風流，就可能出現在空冷器處風溫很低(有時低于10℃)，而遠離空冷器的采煤工作面出口處的風溫，有時會高于安全規程規定的標準，這就需要分段制冷，使風流得到均勻冷卻。分段冷卻空氣是采煤工作面最優冷卻空氣方式，特別適用于回采深度大、原始巖溫高的工作面降溫。

空冷器安設位置主要考慮降溫效果和采面推進速度兩個方面。由于空氣的比熱小，升溫快，因此空冷器越靠近采面進風口，采面的降溫效果越好。但空冷器距工作面太近，會造成設備移動頻繁，影響生產，因此，空冷器布置面前400～600m處，如圖2所示。

圖2 采煤工作面空冷器位置示意圖

3 基建深井各階段需冷量計算

3.1 井筒及井底車場掘進時期

陳蠻莊礦熱害治理區域主要集中在深部井筒掘進與車場形成階段，包括3個井筒掘進面及其井底車場掘進面，每個需冷量約125.67kW，冷負荷取1.2的附加系數，則井筒及井底車場掘進時期降溫系統總冷負荷為：Q=125.67kW×3×1.2=452.4kW。

3.2 通風系統形成大巷掘進時期

通風系統形成大巷掘進時期，掘進巷道主要有5條，西翼回風大巷、西翼膠帶大巷、西翼軌道大巷、東翼集中軌道上山、東翼集中膠帶上山等，每條巷道掘進面需冷量為187.776kW，西翼大巷取1.3附加系數，東翼巷道取1.2附加系數，則通風系統形成大巷掘進時期降溫系統的總冷負荷為：Q=187.776kW×3×1.3+187.776kW×2×1.2=1183kW。

3.3 生產時期

礦井生產前期：布置四個掘進工作面，一個綜采工作面，每個掘進工作面及綜采工作面制冷量取1.2附加系數，礦井降溫需冷量為：Q=187.776kW×4×1.2+809.5474kW×1.2=1872.78kW。

礦井生產后期：布置八個掘進工作面，兩個綜采工作面，每個掘進工作面及綜采工作面制冷量取1.3附加系數，礦井的總降溫需冷量為：Q=187.776kW×8×1.3+809.5474kW×2×1.3=4057.69kW。

4 結語

陳蠻莊礦采取人工制冷降溫后，掘進工作面空氣溫度由原始巖溫降低至26℃～28℃，降溫效果明顯，工作環境相對舒適，工人體力消耗大大降低，勞動效率大大提高，實現了高溫礦井的高產高效，經濟效益和社會效益良好。

礦井分階段高溫熱害防治技術在陳蠻莊礦的實施，促進了相關理論研究和現場測試技術應用，通過對建井期的熱害防治技術的方案論證、系統設計及調試運行、維護管理等多個環節進行嘗試，獲得了重要基礎數據。實踐證明了現用井下制冷設備性能可靠、經濟可行，為后續生產和科研積累經驗，也為同等條件下的深井高溫熱害治理提供借鑒。

[1] 周興旺.礦山建設工程技術新進展——2009全國礦山建設學術會議文集[C].合肥：合肥工業大學出版社，2009.

[2] 郭平業, 朱艷艷. 深井降溫冷負荷反分析計算方法[J]. 采礦與安全工程學報, 2011, 28(3): 483-487.

[3] 辛嵩.礦井熱害防治[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[4] 吳亞非. 關于高溫礦井地面集中制冷降溫系統節能設計分析[J]. 煤炭工程, 2011 (3): 17-20.

[5] 何滿潮, 郭平業, 陳學謙, 等. 三河尖礦深井高溫體特征及其熱害控制方法[J]. 巖石力學與工程學報, 2010, 29(S1): 2593-2597.