關于煤礦井筒防凍設備無效投入的探討

李慶林

（山西省臨汾市霍州煤電集團，山西臨汾031412）

0 引言

通風是采礦中的重要環節，冬季通風中由于礦井地面環境的寒冷氣流經過井下通道，致使井上井下與環境溫度相差無幾。采礦設備與設施不能在低溫環境下運行工作，如綜采設備的潤滑油、輸送煤炭出井的橡膠輸送帶、供給井下工作用的自來水、操控作業人員的工作條件等等。當煤礦井筒筒壁有淋邦水時，環境氣溫降低會造成結冰，從而影響提升能力。嚴重時，冰凌脫落易造成井底嚴重事故。因此，煤礦安全規程規定，對于采暖室外溫度等于或低于-4℃地區的進風立井，等于或低于-5℃地區的進風斜井，等于或低于-6℃地區的進風平硐，應設置井筒防凍設施。

為此，井筒防凍設施的選型就顯得尤為重要。選小，解決不了問題；選大，無效投入增加。

1 傳統井筒保暖做法

1.1 鍋爐加熱法

采用在主井井口、副井井口處各設空氣加熱室一座，主副井供熱熱媒一般為高溫蒸汽鍋爐提供的蒸汽或常壓鍋爐提供的蒸汽和熱水，末端采用散熱器或暖風機，經風機將空氣加熱室的熱風輸送到井下。

1.2 空氣加熱法

在室內建造一燃煤空氣加熱室，通過室內的盤旋管道內的空氣加熱，采用風機、管道送到主井井口和副井井口。

2 目前先進的做法

2.1 電加熱法

電加熱機組加熱空氣，通風機將加熱空氣通過輸送管道送至井下。

2.2 熱泵加熱法

采用熱泵形式，將井下排出的帶有溫度的空氣，通過二次熱交換的方式加熱空氣，將加熱的空氣通過風機送到主井井口和副井井口。

2.3 遠紅外線加熱法

遠紅外線熱風輸送形式，利用電能通過遠紅外電熱管自動將空氣加熱到一定溫度，用風機將熱風送到主井井口和副井井口。

3 電加熱井筒防凍設施分析

3.1 對比分析

以山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司紫晟煤礦的井筒防凍設施的運行情況為例，對理論計算數據和實際操作數據進行對比分析。

紫晟煤礦：進風立井，風量48 000 m3/h，最低氣溫-15℃，通風方式：抽出式，要求冬季井筒溫度不低于2℃。

紫晟煤礦井筒防凍設施所需熱功率的理論計算：

式中，Q為所需熱功率（kW/h）；V為進風量（m3/h）；ρ為20℃時空氣的容重，取1.2 kg/m3；t2為冷熱風混合后溫度，取2℃；t0為最低大氣溫度，取-15℃；K為富裕系數，取1.1；C為空氣比熱，取0.24 kcal/（kg·℃）。

通過理論計算可知，紫晟煤礦的井筒防凍設施在保證不結冰的情況下需配備341.4 kW的熱功率。

但是，紫晟煤礦實際配備的井筒防凍設備的熱功率為150 kW。

3.2 紫晟煤礦電加熱井筒防凍設備簡要介紹

（1）紫晟煤礦電加熱井筒防凍設備主要由帶翅片的U型電加熱管、軸流式風機、變頻控制柜三部分組成。

U型帶翅片的電加熱管每根熱功率5 kW，6根一組，每組熱功率30 kW（每套設備的熱功率可以根據實際需要無限串聯）。紫晟煤礦共使用電加熱管5組，總熱功率為150 kW。為了方便維修，采用抽出式活動結構，即當電熱管發生故障時，隨時可以把活動鋼架抽出進行更換。

風機為普通軸流式通風機，功率11kW，最大風量50000m3/h，風量的調節，主要通過控制柜中的變頻器完成，也可以通過調整風葉角度來調整風量。

控制柜通過兩組測溫傳感器獲得的信息傳輸給PLC，由PLC對電加熱管組和風機風量進行控制。每組電加熱管都有獨立的控制電源，兩組測溫傳感器分別安裝在井上和井下，當地面溫度低于3℃時，控制柜通過PLC對每組電加熱管組進行順序開啟。同樣，當井筒內溫度高于5℃時，控制柜通過PLC對每組電加熱管組進行順序停止。并適時調整風機頻率，使井筒的進風溫度及進風量達到最佳。通過上述控制，使得設備在環境溫度發生變化時，自動調整熱負荷，取得了非常明顯的節能效果。

（2）紫晟煤礦電加熱井筒防凍設備示意圖如圖1所示。

圖1 電加熱井筒防凍設備示意圖

通過實踐證明，紫晟煤礦采用150 kW的電加熱井筒防凍設備，從2017年12月至2018年3月運行期間，既解決了紫晟煤礦的井筒結冰問題，又解決了常規熱風爐的井筒防凍帶來的環保問題，且節能效果明顯，運行平穩。

4 同樣的自然條件，理論計算的數據和實際發生的數據出現很大誤差的主要原因

4.1 環境溫度原因

俗話說：“冰凍三尺，非一日之寒”，晉南地區偏暖，日照時間長，每天09：00，氣溫開始回升，一直到17：00，氣溫基本在5℃以上；18：00以后開始降溫，一直到21：00才能降到0℃以下，這時，電加熱井筒防凍設備開始運行，補充熱量，一直到凌晨05：00基本處于0℃左右，凌晨06：00開始達到結冰條件。但是，結冰也需要時間，當達到結冰時間點時，又一個循環開始了。周而復始，循環往復，解決了井筒結冰的問題。

4.2 理論計算原因

理論數據偏大。在理論計算過程中，對于常用系數的選擇習慣性取大，當所有的系數均取最大值時，疊加起來的數值是很可觀的。所以，理論計算的數據比實際數據要大很多。

4.3 實際運行原因

另一個主要原因是設備投入生產后，對現場的數據采集的少，只求解決問題，哪怕大馬拉小車也行，很少考慮節能和適用問題。

5 三廢治理及環境保護

5.1 三廢治理

（1）廢氣：本方法無廢氣產生。

（2）廢渣：本方法無廢渣產生。

（3）廢水：本方法無廢水產生。

5.2 噪聲

噪聲來源于動力設備，而動力設備則主要是電機和風機。電機的噪聲極低，具體標準參見風機生產廠家的說明書及認證資料，一般設備運行的噪聲低于85 dB（A）。

6 結語

井筒防凍所需的熱功率，理論計算和實際使用相差2倍多，說明有1倍多的熱功率屬于無效投入。那么，在井筒防凍設備選型時就已經注定設備的無效投入要多花費1倍多的價錢，安裝費用也會相應增加。更主要的是，設備投入后的運行費用也要增加1倍多。試想，全國煤礦有多少這樣的無效投入和無效運行呢？

現在煤礦的井筒防凍設施種類繁多，有燃煤鍋爐、電鍋爐、紅外線加熱器、電加熱器、空氣源熱泵、水源熱泵等，這么多種類的設備中，哪種設備是最適合自己礦井現狀的，即使能確定一種設備適合自己礦井的現狀，匹配的熱功率多少才能最大限度地降低無效投入。

一點心得權當拋磚引玉，歡迎全國志同道合的業內人士一起學習探討。