一級熱害區回采工作面移動風冷降溫技術

李文福，宋戰宏，張紅衛，吳奉亮

（1.陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽713600；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054）

隨著煤炭開采向深部延伸，原始煤巖溫度升高，高溫熱害成為深部煤炭資源開采必須面臨的問題[1]。孟村煤礦位于陜西彬長礦區中西部，最大開采深度890 m，正在開采的首個回采工作面處于原始煤溫34 ℃的一級熱害區，回采工作面上隅角風溫最高時為32 ℃。盡管通風是最方便、經濟的降溫方法[2]，但目前孟村煤礦回采工作面配風量已達到1 900 m3/min，通過直接增加風量不僅不能有效改善回采工作面的熱濕環境，而且還會加大采空區漏風、增加采空區遺煤自燃風險。因此，急需建立人工機械制冷降溫系統。國內外熱害明顯的礦井多采用以水、冰為載冷劑的人工機械制冷系統，研究表明井深超過3 000 m 后，冰冷系統相比于水冷系統才會顯示出更好的經濟性[3-4]。另外從制冷系統的不同布置形式來看，國內使用井下集中降溫系統的占36%，使用地面集中降溫系統的占24%，使用局部移動降溫系統的占61%[5-6]，且建立集中降溫系統的礦井開采煤層多處于二級熱害區。由于制冷系統總體上存在設備昂貴、能耗高等問題[7-8]，因地制宜地構建經濟、高效的礦井制冷降溫系統受到許多學者的關注，如以礦井涌水作為冷源[9]，利用防塵水、乳化液對回采工作面進行均勻供冷[10]，針對季節性熱害在井口冷卻全風量[11]等。綜上，在礦井空調系統的載冷、排熱工藝上形成因地制宜的措施，是學者們提高礦井空調系統的經濟性普遍采用的方法。礦用風冷機組具有造價低、冷損小的特點，但其排熱困難的缺點限制了它的應用范圍。結合孟村煤礦一級熱害，回采工作面涌水溫度高等特點，提出采用礦井供、排水系統來解決移動風冷系統排熱難的問題，將移動風冷技術用于回采工作面熱害防治，并對這一思路的可行性在現場進行試驗。

1 孟村礦采煤面熱害狀況及需冷量

1.1 礦井熱害狀況

孟村井田位于彬長礦區中西部，恒溫帶深度22～25 m，溫度13.5 ℃，井田平均地溫梯度為3.76℃/hm。經現場觀測，礦井掘進工作面無明顯熱害，夏季最高風溫26 ℃，礦井主要熱害集中在回采工作面。礦井首個回采的401101 工作面布置圖如圖1，采用后退式開采、“U”形通風系統，可采走向長2 090 m、工作面斜長180 m，回采工作面大部分處于一級熱害區。工作面涌水主要來自頂板，平均涌水量695 m3/h，水溫30～32 ℃，涌水匯入位于工作面進風巷中部的回采工作面水倉，水倉水溫基本恒定在30℃。回采工作面回采初期，未采取制冷降溫，現場測定的冬、夏兩季回采工作面轉載機頭到上隅角的風流溫度如圖2。

圖1 401101 回采工作面布置圖Fig.1 Layout of 401101 mining face

圖2 制冷降溫前距工作面入風口不同距離風溫Fig.2 Temperature distribution at different distances from the air inlet of working face before cooling

從圖2 可以看出，冬季工作面上隅角風流溫度最高為26 ℃，未出現熱害。夏季，工作面進風巷的大部分區域沒有超過26 ℃，也無熱害現象；但由于回采工作面較長，回采中剝落的高溫煤體量大，回采工作面入口風溫超過28 ℃，上隅角處達到32 ℃，可見礦井熱害主要在回采工作面。

1.2 回采工作面需冷量

對于生產礦井，一般采用式（1）的焓差法來計算回采工作面需冷量Q：

式中：Q 為需冷量，kW；G 為風流的質量流量，kg/s；k 為考慮冷量損失和制冷系統安全性的富裕系數，取1.2；i 為焓值；i1、i2分別為降溫前后高溫地點空氣的焓值，kJ/kg。

式中：t 為空氣的溫度，℃；d 為空氣的含濕量，kg/kg。

式中：φ 為空氣的相對濕度，%；p 為空氣的壓力，Pa；ps為空氣溫度為t 時對應的飽和水蒸氣分壓，Pa。

401101 工作面的通風量為1 900 m3/min，取制冷降溫前工作面上隅角風溫為32 ℃、相對濕度85%；制冷降溫后工作面上隅角風溫26 ℃、相對濕度95%。現場測得工作面空氣平均絕對靜壓96 635 Pa，平均密度為1.09 kg/m3。根據式（1）～式（4）求得401101 工作面需冷量Q 為885.3 kW。

2 回采工作面移動風冷降溫技術

2.1 不同制冷降溫系統的適用性

以礦井空調中主要使用的壓縮式蒸氣制冷機來分析，根據與制冷機蒸發器換熱形式的不同，局部移動式制冷降溫系統還分為制取冷凍水與冷凍風2種方式。制冷劑通過蒸發器帶走被冷卻的低溫物體的熱量，并在冷凝器處將這些熱量傳給高溫處的冷卻水。制取冷凍水的方式是指制冷機首先制取冷凍水（與蒸發器換熱），再將冷凍水送至工作面近處，通過空冷器冷卻風流。局部水冷降溫系統布置示意圖如圖3，這種系統的優點是制冷機的位置在1 個工作面回采期間相對固定、排熱方便，但需要鋪設冷凍水管路、存在一定的冷損。冷凍風的方式采用蒸發器直接冷凍風流，局部移動風冷降溫系統布置示意圖如圖4，制冷機組隨著工作面的回采而不斷移動位置，其優點是對風流冷卻效果好、不用鋪設冷凍水管路，缺點是常需要鋪設冷卻水管路、排熱困難。綜上可見，局部移動風冷降溫系統更加簡單，設備投資小，但由于受排熱條件的限制很難將其應用到回采工作面，如能合理解決冷卻水的排熱問題，則可為回采工作面的熱害防治提供新的思路。

圖3 局部水冷降溫系統布置示意圖Fig.3 Diagram of local water cooling system

2.2 回采工作面移動風冷降溫技術

圖4 局部移動風冷降溫系統布置示意圖Fig.4 Diagram of local moving air cooling system

經現場觀測礦井首個回采工作面平均涌水量為695 m3/h，平均水溫ty約32 ℃。礦井涌水經水倉排至地面凈化、自然冷卻后（夏季約23 ℃），再經供水系統輸送至井下使用。根據礦井涌水與供水水溫的情況，建立的回采工作面移動風冷降溫系統如圖5。

圖5 回采工作面移動制冷降溫系統示意圖Fig.5 Diagram of moving cooling system of mining face

該系統使用礦井生產供水作為冷卻水，高溫冷卻水回水直接排入水溝。取制冷系統的能效比為3.5，為達到回采工作面885.3 kW 的需冷量Q，計算得到制冷系統的總排熱量Qp為1 138 kW，設計冷卻水溫升△T 為10 ℃，水的比熱容Cs取4.2 kJ/（kg·℃）、密度ρs取1.0×103kg/m3，則冷卻水需水量Vs=97.5 m3/h。

式中：Vs為冷卻水需水量，m3；Qp為制冷系統總冷卻量，℃；△T 為設計冷卻水溫度，℃；Cs為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρs為水的密度，kg/m3。

圖5 中冷卻水回水溫度tc（33 ℃，按溫升10 ℃計算）在水溝與礦井涌水混合后，進入排水系統。考慮涌水的不均勻性，取工作面進風巷水溝中的平均水流量Vy為180 m3/h，計算制冷機冷卻水排水口下游的水溫th=32.4 ℃。

式中：th為制冷機排水口下游水溫，℃；Vy為進風巷平均水流量，m3/h；Vs為冷卻水需水量，m3；ty為工作面涌水溫度，℃；tc為冷卻時回水溫度，℃。

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可見水溝內水的溫升僅為0.4 ℃。由于水溝與風流的換熱面較小，且后期還可通過增加蓋板，或采取減小水溝寬度、加大深度的辦法來降低水溝內熱水對風流的放熱。因此，即便礦井供水水溫有升高，致使冷卻水回水溫度升高，其對進風風流的熱污染也不會很明顯。同時，在回采工作面進風巷的中部設有水倉，水溝中水流路線較短，這些都有利于減小水溝對風流的散熱。

3 回采工作面移動風冷降溫現場試驗

3.1 試驗方案

選用制冷量為450 kW 的ZLF-450 型礦用冷風機組在礦井首個回采工作面進行試驗。該機組冷凝器對冷卻水的進入溫度可放寬至32 ℃，排水溫度達40 ℃，機組的其它主要技術參數如下：①電機功率：132 kW；②蒸發器額定冷卻功率：450 kW；③蒸發器入口空氣溫度：32 ℃；④蒸發器入口空氣濕度：70%；⑤蒸發器出口空氣溫度：20 ℃；⑥蒸發器出口空氣濕度：100%；⑦蒸發器冷卻風量：540～600 m3/min；⑧冷凝器功率：560 kW；⑨冷凝器進水溫度：32℃；10○冷凝器出水溫度：40 ℃；1○冷凝器中循環水量：75 m3/h。

根據401101 回采工作面需冷量計算結果，回采工作面需配置2 臺ZLF-450 型制冷機組。出于試驗考慮，在首個回采工作面暫選用了1 臺機組進行試驗。風冷機組放置在距工作面200 m 處，其蒸發器與主機通過管道連接、分離布置：蒸發器入口接風機、出口接風筒，通過支架高置于帶式輸送機之上；主機位于帶式輸送機旁邊。風筒將冷風送到距工作面50～100 m 位置，冷卻水則直接排至巷道水溝。隨著工作面的回采，制冷機組相應移動位置。

3.2 效果考察

制冷降溫系統于2018 年8 月調試正常后開始運行。由于礦井供水系統設計時沒有考慮制冷系統的用水，因此存在一定的供水不足，試驗時對冷卻水量分別為30 m3/h 與50 m3/h 時的工況進行了觀測、并與實施制冷降溫前的風溫進行了比較，制冷降溫前后工作面風流溫度如圖6。

由圖6 可見，在冷卻水供水量為30 m3/h 時，工作面風流溫度最大降低1.2 ℃，平均降溫1 ℃，工作面上隅角風流平均溫度為31.2 ℃，較局部制冷降溫前風流溫度（32 ℃）降低0.8 ℃。在冷卻水供水量為50 m3/h 時，工作面風流溫度最大降低3.4 ℃，平均降溫2.8 ℃，工作面上隅角風流平均溫度為29.8 ℃，較局部制冷降溫前風流溫度（32 ℃）降低2.2 ℃。從試驗結果可以看出，冷卻水供水量對制冷機的制冷效果有明顯影響。由于當前供水系統只能為制冷系統提供50 m3/h 的穩定水量，因此效果并沒有達到設計狀態。

圖6 制冷降溫前后工作面風流溫度Fig.6 Air temperature of working face before and after cooling

冷卻水供水量為50 m3/h 時系統運轉期間不同時刻水溫變化曲線如圖7。

圖7 系統運行溫度曲線Fig.7 Temperature curves of system operating

從圖7 可見，制冷機在運行32 h 后，系統保持在1 個穩定的狀態。來自地面水池的冷卻水溫度穩定在23.2 ℃，冷卻水出水溫度穩定在32.3 ℃；回采工作面涌水水溫穩定在平均值為30.5 ℃，與冷卻水混合后穩定在30.9 ℃，溫度上升了0.4 ℃，混合后的水經排水系統進入地面水池自然冷卻，再送入井下循環使用。工作面進風巷涌水量180 m3/h，冷卻水循環水量50 m3/h，冷卻功率531 kW，蒸發器進口空氣溫度27.4 ℃、相對濕度85%，蒸發器出口空氣溫度17.2 ℃、相對濕度80%，蒸發器冷卻風量600 m3/min，制冷量400 kW，系統的能效比為3.05。

綜上，通過優化礦井供水系統，加大制冷機冷卻水供水量，可以保證制冷機組正常工作；使用2 臺ZLF-450 型機組可達到預期的降溫要求。

4 結 論

1）提出了回采工作面局部移動風冷降溫技術。該系統將移動制冷機放置于距工作面200 m 內的進風巷，采用礦井生產供水作為冷卻水，冷卻水的高溫回水直接排入水溝。系統充分利用了礦井供、排水系統，避免了為制冷系統增設專用管路，實現了將造價低、易于維護的礦用移動制冷技術應用于高溫回采工作面的熱害防治。

2）現場試驗結果表明制冷機組向水溝排入的高溫冷卻水與回采工作面涌水水溫相近，建立的回采工作面局部移動風冷系統可以穩定高效運行。回采工作面涌水與冷卻水混合后溫度上升0.4 ℃，工作面風流溫度平均降低2.8 ℃，制冷機的能效比達到3.05，2 臺ZLF-450 型機組可滿足回采工作面熱害防治的需要。

3）冷卻水的供水量對制冷效果有明顯影響，礦井供水系統在設計時往往沒有考慮制冷機組的用水需求，導致制冷機組的供水量不足，增加了設備故障率。因此，礦井應在后期對供、排水系統進行改造，加大生產供水量，保證制冷機組的正常運轉。