井下局部降溫技術的實踐應用

吳晉懷

(大同煤礦集團白洞礦業公司，山西 大同 037003)

0 引言

同煤集團某礦二號井目前已開采至埋深740 m的位置，該水平有明顯地下熱害現象，各采掘工作面中有多處溫度超過30 ℃，其中最高的一處平均溫度高達32 ℃，必須采取降溫措施逐步解決[1-3]。當前情況下，礦井井下熱害對礦井的開拓、工作面的延伸以及正常的生產秩序都造成了極大的影響，地溫升高問題已經成為阻礙礦井正常生產的一個重大隱患[4-6]。為此，通過對現采煤層2號煤層中的熱害現狀進行分析，查找熱源，根據熱源特點與地溫現狀制定專項治理方案，選取局部降溫技術開展井下工作面環境改善工作。

1 礦井地熱現狀

1.1 工程概況

該礦井設計產量1 500萬t/a，所在井田整體面積約58.52 km2，含有多層可采煤層，其中南北走向9.9 km，東西12.8 km，走向沿東西方向傾斜。礦井分有1號井和2號井兩套獨立的生產系統，主井均采用斜井開拓，井田現主采煤層為2號煤層，煤層賦存條件良好，煤層厚度平均達到14 m，采用大采高綜采工藝進行煤炭回采，礦井屬于低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險，且煤層存在自燃傾向。

1.2 地溫狀況

礦井不同埋藏深度受到環境溫度和地層地溫綜合影響，可以分為氣候影響區、溫度穩定區、地熱影響區三層，通常井下地熱現象主要存在于埋深較大的地熱影響區內，該煤巖層受到地溫梯增影響[7-9]。對所在煤田進行井溫測定，通過測溫鉆孔對不同煤層進行溫度監控，測溫鉆孔沿勘探線布置在不同構造位置，各測溫鉆孔位置延剖面線布置會利于后期分析。測溫孔主要布置在垂深260 m、460 m、600 m這3個水平，并少量設置在火區內外；測溫孔選擇簡易測溫孔、近穩態測溫孔和長期穩態測溫孔三類，利用原有地質詳查的9個測溫孔和井田深部邊緣的1個近穩態測溫孔(1912號孔)外，再額外施工56個測溫鉆孔，配合火區測溫孔等不同測溫孔共計76個測孔；測溫設備為JJW-1型井溫儀和TYW-2型晶體管井溫儀兩種。溫度測量結果表明井田隨著埋深溫度逐漸升高，其中垂深260 m處測得最高溫度為24．1 ℃，而垂深600 m處的最高溫度為36.16 ℃，不同垂深溫測孔溫度測量數據見表1。

表1 不同垂深溫測孔溫度測量數據

1.3 熱害現狀

通過對工作面內各處的溫度進行測定，工作面下隅角處為溫度最高點，測得溫度最高值為32 ℃，工作面內的熱害除去巖層的地溫影響，還包括工作面內機械設備和通風方式等方面的影響[11-14]。

機電設備因素：以Ⅱ020207工作面為例，該工作面為綜采工作平面，存在采掘、轉載、轉運等各型設備以及各大功率配套機電設備，導致回采期間下隅角存在溫升4～5 ℃，可見機電設備是除去巖層地熱之外的最大溫度增長原因。

通風方式：工作平面內回風流方向與運煤方向相反，導致煤炭通過運輸皮帶轉運過程中，自身熱量沒有被回風流帶離，而是散入巷道內部，從而影響工作面內巷道溫度上升。

主要熱害因素：根據分析，當前采煤工作面的主要熱害為機電設備，其次才是巖層地溫和原煤熱量散失，而相對人員散熱影響較小。當隨之采深不斷增加，巖層的穩增效應加大，煤巖壁蘊含的熱量大幅度增加，并通過輻射和對流等方式傳遞至工作面內部，即采深增加后，地熱影響將更為突出。

2 制冷方案選擇及效果分析

2.1 井下降溫冷負荷計算

采掘工作面需冷量：采掘工作面需冷量的計算參照式(1)

Q3=q·ρ·(I1-I2)

(1)

式中：Q3—采、掘工作面的需冷量，kW；I1—處理前采、掘工作面的風流焓值，取106.3 kJ/kg；I2—處理后采、掘工作面的風流焓值，取84.5 kJ/kg;q—工作面內局部通風風量，取16.6 m3/s；ρ—空氣密度，取1.22 kg/m3。計算得Q3為441.5 kW。

冷負荷參數匯總：將020602綜放工作面各冷負荷參數匯總后，見表2。

表2 采煤工作面冷負荷計算表

2.2 制冷方案

局部降溫技術確定：由于造成工作面內溫度超限的原因主要為機電設備散熱造成的，該類情況特點在于熱源主要影響設備所在的局部區域，而且采用全礦井降溫系統經濟投入較大，且需要較長的建設周期，不利于快速解決井下熱害問題。考慮到工作面熱害特點，計劃采用直冷式局部降溫制冷裝置用來控制采掘工作面的局部高溫。該類系統的構成通常由制冷主機、蒸發器、空冷器3大主要部分以及各類管路和控制閥組成。

局部制冷降溫原理：局部制冷機主要由主機、蒸發器和冷卻器3部分組成，而主機中又含有壓縮機、冷凝器、膨脹閥及各類控制閥構造。局部制冷機壓縮機帶動制冷劑進行循環，制冷劑吸收完熱量后會以低壓氣態存在，通過壓縮機加壓轉化為高壓高溫狀態；通過主機中冷凝器對熱量的吸收，熱量被傳遞至冷卻水中；制冷劑再次轉化為低溫高壓液體狀態，該狀態下制冷劑通過膨脹閥，膨脹閥起到節流作用，使制冷劑改變為氣固兩相狀態后進入蒸發器，制冷劑在蒸發器內與環境中空氣進行換熱，吸收熱量進行制冷工作，而蒸發器與局部通風機相連，通過局部通風機將環境中的空氣不斷帶入蒸發器內，環境中的熱量通過與制冷劑的交換逐步降低。蒸發器內的制冷劑換熱膨脹后再次改變為低壓高溫氣體狀態進入壓縮機形成新的制冷循環，如此形成穩定的局部制冷降溫效果。

降溫設備選型：根據020602工作面綜采工作面實際需冷量為529.8 kW，計劃選取450型局部移動式制冷主機，并根據冷量需求，選擇3套制冷設備，實現兩開一備的運行方式，維持900 kW的總的制冷量。由于工作面內風量應滿足800 m3/min的風量需求，制冷主機蒸發器空氣壓降>1 150 Pa，全風壓>1 250 Pa，與制冷主機對應選型應兩開一備；冷卻器氣壓降>1 000 Pa，全風壓>1 100 Pa，同樣兩開一備；冷卻水泵選型為MD100型冷卻水泵，經濟流速為1.5 m/s，主路選取D108 mm×7 mm無縫鋼管，管線長度為6 500 m。冷卻水路管路鋪設路為：1號制冷站→020602工作面機巷→2號制冷站→020602工作面1號聯絡巷→020602工作面風巷→冷卻站。所有冷卻水管需做隔熱處理，噴淋水管路中噴淋水泵選型為MD25型單臺冷卻器，需水量為25 m3/h，采用1用1備。

設備布置方式：020602工作面內共計3套局部降溫制冷設備，考慮到冷卻站尺寸和不影響工作面正常運輸和通行秩序，冷卻站設置在空間較大的020602風巷內，也避免了單獨開鑿專用硐室。并且經過測試，回風巷內整體回風量為1 000 m3/min，巷道內部溫度約為30 ℃，滿足冷卻站散熱要求。而其中兩套局部制冷裝置設置在回采工作面切眼500 m處，稱為1號制冷站；在巷道中部單獨設置 1套局部制冷裝置，稱為2號制冷站。各套制冷裝置包含有450型制冷主機、450型蒸發器及配套對旋風機，冷風通過膠質風筒輸送到工作面內部，各冷卻器設置在冷卻站內，為3臺LQ-600的排熱型冷卻器、排熱風機、水泵及配套水箱。各套制冷裝置使用過程中實行2開1備。為避免受到工作面前端爆破作業和回采割煤作業的影響，制冷機前移過程中應和工作面前端保持合適的安全距離，并以工作面每推進200 m進行一次前移，確保工作面至制冷機范圍內部溫降可達5～6 ℃以上。

2.3 制冷效果分析

020602綜采工作面的局部制冷裝置設置完成后，進行了一個月的試運行，通過在工作面內部各處設置的溫、濕度傳感器的反饋數據進行匯總，并對比局部制冷裝置使用前后工作面內部的溫濕度變化，見表3。由表可知，局部制冷裝置的使用改善了工作面內部濕熱的工作環境，起到良好的降溫效果，為井下作業人員創造了良好的作業條件。

表3 020602綜采工作面局部制冷裝置效果數據

3 結語

綜上，礦井熱害是多種因素造成的，使用局部制冷降溫裝置等單一措施效果是有限的。結合調整局部通風方式、工作面局部通風能力以及減少機電設備散熱等綜合措施，才是工作面內環境溫度控制合理范圍的最佳方式，也能降低局部制冷降溫裝置工作負荷，做到降低能耗。