制冷系統在小莊煤礦40309 工作面的應用分析

劉昌國 張 濤

（陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽713500）

1《煤礦安全規程》對井下溫度的要求

《煤礦安全規程》第一百零二條：進風井口以下的空氣溫度（干球溫度，下同）必須在2℃以上。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。

采掘工作面的空氣溫度超過30℃、機電設備硐室的空氣溫度超過34℃時，必須停止作業。新建、改擴建礦井設計時，必須進行礦井風溫預測計算，超溫地點必須有制冷降溫設計，配齊降溫設施。

2 工程概況

小莊煤礦是陜西彬長礦業集團公司開發建設的一座大型現代化礦井。井田東西長9.0km，南北寬約6.8km，井田面積57.32km2，地質儲量10.77 億噸，可采儲量5.78 億噸，煤炭產品屬低灰、低硫、特低磷、高發熱量的優質動力煤和化工用煤。目前回采的40309 綜采工作面于2019 年2 月安裝調試運行并投產，是彬長礦區首個智能化綜采工作面，工作面走向長度2980米，切眼長度195 米，煤層煤層埋藏深度531m～731m，煤層厚度為19-28m。工作面內XZ1 鉆孔地溫觀測結果顯示：4 煤底板地溫為29.99℃，補勘時對5 個鉆孔進行了簡易地溫測量，最大地溫梯度2.07℃/100m，最小地溫梯度1.26℃/100m，平均地溫梯度為1.68℃/100m。本區位于礦井一級熱害區，在開采中必須對熱害問題應給予足夠重視并采取相應的措施。因設備溫度和地溫綜合影響，工作面正常生產期間溫度高達31-32 度，給礦井安全生產造成極大的安全隱患，經多方面考察研究論證，專為40309 綜采工作面建設了空調制冷系統，投運以來，綜采工作面的環境得到很大的改善，熱患得到了有效治理。

3 制冷系統布置

我礦40309 綜采工作面集中制冷降溫系統是由礦用防爆制冷裝置、全風量空調裝置、井下礦井排水換熱裝置、水循環輸送及過濾裝置、系統管路、電氣設備等組成。該系統通過位于19#聯巷制冷硐室的兩臺ZLS-1100/1140 制冷機組制取冷凍水，由冷凍水循環水泵經冷凍水管路送至40309 運順中段1450 米全風量空調器處，將空調器循環水冷卻，冷卻后的空調循環水在空調器內對運順巷道內所有送風進行冷卻，為空調器后端整個運順及工作面進行降溫。用于制冷機組散熱的冷卻水由冷卻水循環泵經冷卻水管路送入耐腐蝕可清污的礦井排水換熱器與40202 采空區的礦井排水進行熱交換，礦井排水將系統熱量吸收后排入盤區水倉送至地面，完成整個制冷降溫循環（如圖1）。

4 系統概述

圖1 40309 綜采工作面制冷系統示意圖

4.1 系統框架

本系統是基于過程控制系統模式應用先進的組態開發技術開發完成的。整個系統包含用戶權限管理、系統參數設定、實時參數的運行顯示、實時報警記錄、歷史報警記錄和機組控制操作等功能：

權限管理：控制系統為用戶設置了操作員、工程師和系統配置三種種級別,以不同的級別登陸本系統，其相應的操作權限就有所不同。這將更有利于用戶對系統的管理。系統監控：機組運行時，相關實時數據將在監控主畫面中顯示出來，便于用戶查看。用戶還可以根據機組要求對機組進行實時控制。報警記錄：當系統出現故障時，控制系統會顯示出故障原因，并在報警記錄畫面中顯示和儲存。系統設定：包括系統配置設定、系統參數設定、報警參數設定、校驗參數設定。用戶可以根據實際需要更改其中的設定參數以滿足現場工況的要求。

4.2 系統特點

4.2.1 操作簡單

只要在觸摸屏上設定好系統的各項參數，再按照觸摸屏上的提示進行操作，系統就能投入運行或按設定步驟停止運行。用戶所設定和校驗的參數進行保存操作后，即使PLC 長期斷電也不會丟失。

4.2.2 參數實時監控

當系統通電后，程序自動對各輸入點的溫度、壓力等參數進行檢測，實時顯示。本控制系統也可根據廠家要求，采用MODBUS RTU、TCP/IP、PROFIBUS-DP 等通訊協議與中控室上位機進行通訊，其中對MODBUS RTU 協議可進行站地址、波特率、奇偶校驗方式的屏上設定，使遠程監控變得更為簡單和可靠。

4.2.3 故障自動處理，避免頻繁停機

在參數設定菜單中只需設定好保護值，當系統檢測到實際參數接近保護值時，自動進行能量減載，若減載后仍超過保護值，系統才會停機，盡可能避免頻繁停機。但是如果發生油泵電機過載、壓縮機電機過載、油泵運行無反饋、壓縮機運行無反饋、系統連鎖等故障時，經PLC 確認后立即停機。

4.2.4 獨特的手動和自動控制

當系統處于自動狀態時，手動僅僅只能啟、停壓縮機，其它均為自動控制狀態；在手動狀態下，自動控制不起作用，但仍可顯示機組運行參數，并實施報警保護。兩種狀態可分別獨立運行，也可實現無擾動相互切換。

4.2.5 通用性高，靈活性強

本控制系統適合絕大多數型號的螺桿制冷壓縮機組，用戶只要根據機組型號及工況對機組參數進行必要的設定就能達到所需要的控制功能。

4.2.6 能量調節速度可調

能量調節速度可根據機組實際情況進行調節。當設定好壓力或溫度控制值后，系統將自動調節能量和內容積比的工作狀態，使壓力或溫度達到設定值，并使壓縮機組工作在最佳狀態，提高能源利用率，降低能耗。

5 運行狀態監測分析及注意事項

5.1 運行狀態分析

目前運行正常運行一臺機組，冷凍水出溫：6.4℃，冷凍水進溫：12.6℃；冷凍水流量為：73.2m3/h，水的比熱容為：C=4.2×103J/kg.℃，水的密度為：ρ 水=1.0×103kg/m3；空氣比熱容C=1×103J/Kg.℃，空氣的密度ρ≈1.29Kg/m3，40309 工作面運輸順槽巷道有效斷面為20m2，有效風速平均為2.0m/s；取冷熱轉換效率η=0.85；根據熱傳遞公示可η.Q 水冷=Q 放可求得。

根據熱量計算公式算出該機組一小時制冷量：

Q 水冷=CM（T-T0）=4.2×103×73.2×1×103×（12.6-6.4）=1906.128×106J

再根據η.Q 冷=Q 空氣C 空氣M 空氣△T 空氣 算出：△T空氣=8.7℃

因此：經過理論計算，在目前狀態下，運行一小時可以將與其完全接觸的空氣降溫8.7℃。

由此可見，小莊40309 工作面制冷系統的制冷效果非常明顯。而且通過實際現場勘測，制冷系統運行后、環境溫度已經達到了安全生產條件，工作環境確實得到了很大的改善。

5.2 應該注意的事項

5.2.1 由于在40309 運輸順槽1500 米處有通往回風順槽的設備聯巷，會消耗掉一定的冷空氣，因此實際到達綜采工作面的冷空氣會減少，溫度和理論計算有一定的差距。

5.2.2 由于運輸順槽裝有運輸皮帶設備，不能夠做到巷道的完全封堵，造成通過的風量不能完全經過空調器進行冷熱置換，因此在日常管理中要注意做好封堵工作。

5.2.3 冷凍水交換裝置與冷凍水空調器安裝在巷道中，使用過程中會造成冷凍水的消耗，與該處巷道煤體進行了冷熱交換，所以會出現在空調器附近溫度很低。

結束語

在深井開采條件下，地溫不斷升高，熱害以及有毒有害氣體、粉塵的危害也日益增大。這些危害嚴重影響作業工人的效率以及他們的身心健康，甚至很可能導致一些礦井惡性事故的發生，給礦井的安全生產及其日常管理帶來了極大的威脅。通過礦井制冷系統的投入運行，能夠徹底改變這一現狀，目前我礦40309 工作面的工作環境得到了很大的改變，使工人的勞動作業環。