煤礦井下集中式降溫系統設計研究

孫寶明

(山西汾西瑞泰正太丈八煤業，山西 左權 032699)

1 工況背景

某井田地處黃河沖擊平原，地勢平坦，海拔高度40 ～46.06 m，從西南向東北緩慢傾斜。礦井井底水平標高－895 m，開拓石門進入煤層之后沿煤層底板布置－895 m 水平大巷。初期采區為上山采區，后期在工業場的煤柱內－895 m 水平布置一組石門，平推穿過平樓斷層至－ 895 m 水平，利用南北兩組－895 m水平大巷進行全井田開拓。根據礦區地質資料，該礦井恒溫帶深度約為50 m，恒溫帶溫度為18.9 ℃;地溫梯度平均值:2.59 ℃/100 m，即地熱增溫率:1 ℃/38.6 m.該煤礦煤層屬正常地溫梯度為背景的高溫區，具有煤層埋藏深、地溫高等特點。主采3(3上、3下)煤層初期開采部分埋藏在－800 m 以下，最深開拓深度－1 200 m.3 煤層底板－750 m 為大于37 ℃的二級高溫區(一級熱害區:31 ～37 ℃;二級熱害區:≥37 ℃).

該煤礦采用中央并列式通風方式，抽出通風方法。副井進風，主井少量進風，風井回風。這也是該礦現行的通風方式。開采后期為解決通風路線長、通風阻力大的問題，井田邊界開鑿一個新的回風井，形成混合式通風方式。

礦井投產時，布置1 個綜采工作面，4 個掘進工作面;投產后期，增加1 個綜采工作面和4 個掘進工作面，最終形成礦井2 個綜采工作面和8 個掘進工作面。根據測溫資料和高溫礦井調研結果，該礦井主要設計煤層開采深度為－600 ～－1 200 m，立井開拓，原始巖溫為36 ～40 ℃. 采掘工作面水平標高為－895 m，地下熱害嚴重，通風降溫不能解決根本問題，需采取機械降溫措施。根據《礦井降溫技術規范》規定，一級熱害礦井(28 ～30 ℃)應加強通風，采掘工作面風流速度應為2.5 ～3.0 m/s;對于二級(30 ～32 ℃)和三級(≥32 ℃)熱害礦井，除加強通風、提高風速外，還應采取人工制冷降溫措施;對于三級熱害礦井若不采取有效的降溫措施，則應停止作業。

2 井下集中制冷降溫系統工藝流程

該系統需要在井下開鑿制冷硐室放置制冷機組，將冷卻塔系統和散熱設備設置在地面。制冷機組制備出3 ℃的冷凍水，由冷凍水循環泵通過絕熱保溫管路送至采、掘工作面的空冷器。冷凍水在空冷器內與風流換熱，冷卻風流，該過程吸收的熱量會使水溫升高12 ℃左右，之后冷凍水泵會將溫度升高后的冷凍水送回制冷機組再次冷卻，形成冷凍水循環。

冷卻水在制冷機組冷凝器內吸收冷凝熱量后，通過井筒內的管路送至地面冷卻塔并將熱量散發到地面大氣中，冷卻水散熱后又被循環水泵送至井下機組冷凝器內吸熱，形成冷卻水循環(見圖1)。

圖1 集中式制冷降溫系統工藝流程圖

3 主要設備選型及布置

3.1 井下部分

冷水機組是制備冷凍水的核心設備，冷水機組由螺桿式壓縮機、冷凝器、油分離器(油收集器)、汽化器和油冷器等設備組成。該煤礦降溫系統主要由制冷機組、冷凍水循環、冷卻水循環、空冷器及電控系統等設備組成。前期采用2 臺KM3000 型制冷機，并聯運行，制冷能力約為6 kW，系統預留可擴展到9 kW，每臺制冷機的產量為(3 ℃的冷凍水)190 m3/h. 其中，KM3000 型制冷壓縮機組擁有自動控制系統，對壓縮機組本身，包括蒸發器、冷凝器、壓縮機、潤滑油泵站、電動閘閥等設備及相應管路的參數進行監測，并對壓縮機組實現自動控制及相關保護功能。選用6 臺RWK450 型空冷器、5 臺RWK350 型空冷器，冷卻水的進、出水溫度為31/40.4 ℃;冷凍水循環和冷卻水循環過程中損耗的水量，由軟化水自動補給。RWK 系列空冷器實物圖見圖2.

圖2 RWK 系列空冷器實物圖

1)制冷系統采用KM3000 制冷機組，其冷凍水進出口溫度:18/3 ℃、額定流量:115 m3/h、工作壓力:4.0 MPa;冷卻水進出口溫度:32/41 ℃、額定流量:240 m3/h、工作壓力:16.0 MPa;機組配備國產壓縮機電機功率:630 kW、油泵電機功率:7.5 kW.

2)冷凍水循環泵(3 臺)型號為MD155－30X9，額定流量:142 m3/h、揚程:247 m，電機功率:185 kW.冷卻水補水泵型號為MD85－45X5，額定流量:85 m3/h、揚程:225 m，電機功率:90 kW.

3)掘進工作面采用RW－450 型空冷器，額定制冷量:450 kW，空冷器冷凍水進出口溫度:5/16 ℃、冷凍水額定流量:35.3 m3/h、工作壓力:4.0 MPa;RW－350 型空冷器，額定制冷量:350 kW，冷凍水進出口溫度:5/16 ℃、冷凍水額定流量:27.4 m3/h、工作壓力:4.0 MPa.

3.2 地面部分

1)設置4 臺150SS119A 冷卻水循環水泵與1 臺200S－95 冷卻水循環水泵。

2)設置2 個CDW－400ASY－X 角形橫流式玻璃鋼冷卻塔實現對冷卻水的冷卻。

制冷系統通過地面制冷泵房內2 條直徑為377 mm的管路，從風井將冷卻水輸送至井下制冷硐室內的制冷機組;制冷硐室內安裝2 趟直徑為273 mm的管路，但在制冷電氣硐室門口管路直徑變為219 mm，將冷凍水輸送至空冷器冷卻風流。井下局部通風機將冷卻后的空氣送至各個掘進迎頭，采煤工作面選用的局部通風機鏈接3 個冷凝器，通過風筒將冷風吹向工作面，選用直徑800 mm 的抗靜電阻燃軟質風筒。

3.3 局部散冷設備

1)綜采工作面。選用2 臺GK(RWK)350 系列空冷器，每臺散冷量:350 kW，基本可以滿足工作面降溫需求。選取合適位置固定散冷設備，避免在整個回采過程中隨著工作面的推進而變動位置。將空冷器布置在工作面進風巷內巷道一側，第一臺空冷器安裝在進風巷停采線以外50 ～100 m 處，連接風筒后輸送至工作面進風口;第二臺空冷器安裝在第一臺后100 ～300 m 處，不接風筒，風流直接送入巷道。配套風機選用FBDNo.6.3 型(2 ×30KW)對旋局部扇風機，風量:500 ～600 m3/min. 風筒選用直徑800 mm的抗靜電阻燃軟質風筒。空冷器與風筒的連接方式與空冷器的間距根據工作面具體情況而定。綜采工作面空冷器布置情況見圖3.

2)掘進工作面。掘進工作面選用1 臺GK(RWK)350 系列空冷器，散冷量:350 kW，可以滿足掘進工作面降溫需求。一次性安裝散冷設備，迎頭掘進過程中，空冷器等設備無需移動位置。空冷器及配套風機安裝在進風大巷內靠近掘進巷道處一側，空冷器前接風機后接風筒將冷空氣送至掘進迎頭，風筒型號一致。掘進工作面空冷器布置情況見圖4.

圖3 綜采工作面空冷器布置圖

圖4 掘進工作面空冷器布置圖

目前，空冷器與風機連接順序有兩種(見圖5):1)由于空冷器本身具有通風阻力，所以將其安裝在風機前。2)空冷器本身通風阻力較小，應安設于風機后。實踐證明，第二種安裝方式風流換熱效果較好。

圖5 空冷器與風機的組合方式圖

各型號空冷器技術參數見表1.

表1 空冷器技術參數表

3.4 輸冷系統

1)根據工作面制冷功率總和計算循環回路總管路直徑，計算公式為:

式中:

V—載冷劑循環量，m3/s;

uj—載冷劑流速，m/s;

Dx—管道直徑，m.

該煤礦制冷總功率為5 W，冷凍水流量:294 m3/h，載冷劑流速為1.5 ～2.5 m/s，取中間值2 m/s，將數據帶入式(1)可得循環回路總管路D(內徑)≈0.228 m=228 mm. 加上富裕系數影響，最終可選用直徑(內徑)為250 mm 的礦用鋼管。

該煤礦冷卻水流量為600 m3/h(冷凍水和冷卻水的流量不同是因為各自進出水溫不同)。冷卻水采用1.5 ～2.5 m/s 的流速，取中間值2 m/s，則冷卻水循環回路總管D(內徑)≈0.325 m=325 mm. 同樣考慮富裕系數影響，最終可選用直徑(內徑)為350 mm的礦用鋼管。

其中，冷凍水管路必須采取保溫隔熱措施，冷卻水管路可不采取保溫隔熱措施。

2)根據各工作面需冷量以及冷水流量、流速，計算出各分管直徑。

綜采工作面:2 臺RWK350 空冷器，冷凍水流量:54.8 m3/h. 可得綜放工作面冷水循環管道分管D(內徑)≈0.098 m =98 mm. 考慮富裕系數影響，最終選用內徑為125 mm 的礦用鋼管。

掘進工作面:1 臺RWK350 空冷器，冷凍水流量:27.4 m3/h. 可得綜掘工作面冷水循環管道分管D≈0.069 m=69 mm. 考慮富裕系數影響，最終選用內徑為100 mm 的礦用鋼管。

3)根據總管路的長度、流速、流量，選擇合適的冷凍水、冷卻水循環水泵。

根據全礦冷凍水管道的落差范圍、總長度、冷凍水流速和流量等因素，選擇揚程、流量、功率適合的水泵。根據該煤礦井下線路狀況和系統制備冷凍水流量，選用揚程為200 m、流量為500 m3/h、功率為250 kW的水泵。

由于制冷機組放置在井下，冷卻水由地面冷卻塔提供，實施完降溫后冷卻水又回到地面，所以，冷卻水循環回路為“U”型結構，進回水基本能夠實現平衡，根據冷卻循環管路長度、冷卻水流量、落差等因素，地面循環水泵可選用揚程為300 m、流量為720 m3/h、功率為850 kW 的水泵。

4)根據實際情況在管道中安裝閥門，一般300 m左右安裝一個。

3.5 制冷硐室布置

在該煤礦－900 m 水平選擇合適位置開鑿硐，建立集中制冷站，安裝集中式冷水降溫設備，主要包括冷水機組、冷凍水循環水泵、定壓膨脹水箱以及配電控制柜等。制冷硐室位置的選擇不僅要考慮目前制冷降溫的需要，還要考慮未來該水平采區制冷降溫的需要。制冷硐室應獨立通風，利用風窗進行調風。集中制冷系統布置見圖6.

4 結 論

圖6 該煤礦井下集中制冷系統布置圖

以該煤礦礦井降溫系統方案優選為例，從礦井降溫方案的擬定到多目標決策優選以及最終確定井下采用集中式降溫系統，該煤礦需冷量計算以某一綜采工作面為例，該工作面平均原始巖溫37 ℃，工作面寬度170 m，平均周長12 m，圍巖的不穩定換熱系數0.003 856 kW/(m2·℃)，風流的平均密度1.221 kg/m3，風量960 m3/min. 假設降溫前進風流的干球溫度為27 ℃，相對濕度為80%，回風流的干球溫度為33 ℃，相對濕度為100%;降溫措施后，風流的干球溫度為28 ℃，相對濕度為90%. 設計實施后降溫系統效率較高，比其他系統能耗低10% ～15%，達到了預期效果。

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