ZLF-450 制冷機組在麥垛山礦采煤工作面降溫中的應用

倪少軍，趙新宇

國家能源集團寧夏煤業公司麥垛山煤礦 寧夏靈武 751400

隨著我國經濟的快速發展，煤炭作為我國能源支柱仍占有重要地位。煤炭資源的不斷開發，礦井的深度開采成為必然趨勢，由此加劇了礦井熱害的嚴重程度。礦井熱害是指煤礦井下的大氣環境溫度和相對濕度超過一定限度時，影響井下作業的正常進行和礦工身體健康的現象。

造成礦井熱害的原因主要有井巷圍巖放熱、機電設備放熱、煤巖氧化放熱、運輸中煤炭及矸石放熱、井下熱水放熱等。長期在高溫環境下工作，不僅降低礦工的勞動效率，還會對礦工的生命健康造成威脅[1-5]。資料顯示，以目前《煤礦安全規程》規定的溫度為基準，礦內環境溫度每增加 1 ℃，礦工的生產效率就會下降 6%～ 8%。礦井熱害已經成為危害礦井深度開采的重大災害之一[6]。

礦井降溫方式歸納起來主要有兩類[7-10]：一為非人工制冷措施，如改變礦井通風路線、增大風量、改革采煤方法及管理頂板以減少熱源散熱、井下熱水治理等；二為人工制冷降溫，也稱為礦井空氣調節，即在地面或井下安裝制冷機組，并將制取的冷量輸送到采掘工作面等需冷地點。一般在地溫為 31～ 37℃時，熱害不太嚴重情況下，采用非人工制冷方法可以解決熱害問題，也有采用冷卻服等個體保護方式[11]，但目前仍在探索階段，尚未得到廣泛應用。在地溫達到 37 ℃ 以上時，單靠非人工制冷措施不能解決熱害問題時，應采用人工制冷降溫措施。

從制冷機組服務的范圍來看，人工制冷降溫方法分為集中制冷與局部制冷兩大類。其中，集中制冷降溫又分為地面集中制冷、井下集中制冷和井上下聯合制冷 3 類。無論哪一種集中制冷方法，均需采用大型制冷設備制取冷水，通過長距離輸冷管道將冷水輸送到采掘工作面，并與風流進行熱交換來降低工作面空氣的溫度。集中制冷降溫設備投資和工程費用都非常巨大，長距離輸冷和多個換熱環節造成冷量損失巨大、效率低下、運營費用高。

因此，在需要制冷降溫工作面數量少、需冷量小、井下排熱條件好的礦井，采用簡單可靠、易于移動的局部降溫系統具有明顯的優越性。

筆者對麥垛山礦井高溫區的分布情況和機電設備的散熱情況進行了采集和分析，確定了采掘工作面的需冷量，采用 ZLF-450 制冷機組組成井下局部降溫系統，通過具體實施考察了該局部降溫系統的應用效果。研究結果可為深井熱害的治理提供新思路。

1 地溫及熱源分析

1.1 礦井概況

麥垛山井田位于寧夏回族自治區中東部地區，距銀川市約 70 km。整個井田呈北西—南東向條帶狀展布，南北長約 14.0 km，東西寬約 4.5 km，勘探區面積約為 65 km2。2015 年 8 月，麥垛山煤礦 130606 首采工作面投入試生產。該工作面在掘進和設備安裝過程中都出現了高溫熱害現象，結合鄰近礦井的降溫經驗，采取了加大工作面風量的措施，但效果并不明顯，采煤工作面最高溫度仍然高達 33 ℃。井下高溫熱害已經成為制約礦井安全生產的突出問題。

1.2 地溫分布

圍巖放熱是導致礦井高溫產生的主要原因之一。礦山地溫的具體分布受埋深、地質構造、地下水活動和局部熱源等多種因素影響。分析統計不同位置和深度條件下礦區的高溫區的分布，對于礦井熱害治理具有重要的指導意義[12-13]。依據《煤炭資源勘探地溫測量的若干規定》中的要求，礦井熱害分為 2 類：一級熱害區，巖體的初始巖石溫度為 31～ 37 ℃；二級熱害區，巖體的初始溫度 ≥ 37 ℃。麥垛山井田屬地溫異常區。根據全井田 49 個測溫孔資料統計，孔底溫度達 31 ℃ 以上的鉆孔有 44 個，一級和二級熱害區占總測溫孔的 89%，其中，孔底溫度達 37 ℃ 以上為 19個，二級熱害區占測溫孔數的 38%。因此，麥垛山井田熱害區占比較高，對其采取降溫措施勢在必行。

受太陽輻射和地熱的綜合作用，地殼沿垂直方向形成 3 個溫度變化帶：變溫帶、恒溫帶和增溫帶。地層淺部為變溫帶，受太陽輻射和地表氣流影響，呈現年周期變化；變溫帶下部為恒溫帶，深度一般在 10 m以上，受地表氣流的影響較弱，溫度基本不隨時間變化；增溫帶溫度隨深度呈近似線性增加。麥垛山井田開采深度較深，目前已達到 730 m。根據 44 個有一級熱害區的鉆孔統計，地溫值為 31 ℃ 最淺的點孔垂深為 500.14 m (相當于標高 954.50 m)，最深的點孔垂深為 848.78 m (相當于標高 552.05 m)；地溫值為 37 ℃最淺的點孔垂深為 637.70 m (相當于標高 816.94 m)，最深的點孔垂深為 931.64 m (相當于標高 448.91 m)。鉆孔孔深與孔底溫度之間關系如圖 1 所示。由圖 1 可知，僅在孔深為 760 m 處孔底溫度為 28.9 ℃，其余位置均高于 31 ℃，最高甚至超過了 40 ℃，由此也說明了采取降溫措施的必要性。

圖1 鉆孔孔深與孔底溫度之間的關系Fig.1 Relationship of drilling depth and bottom temperature

1.3 礦井機電設備

目前，煤礦開采的機械化程度越來越高，裝機功率越來越大，大功率的機電設備向周圍環境放熱，對進入采煤工作面的風流形成加熱作用，成為主要熱源之一。麥垛山煤礦實現了高度機械化采煤法，綜采工作面機電設備裝機容量達到 6 285 kW，主要機電設備功率如表 1 所列。由于通風能力有限，局部機電設備發熱嚴重。

表1 主要機電設備功率Tab.1 Power of main electromechanical equipments

1.4 采掘工作面需冷量

根據 GB 50418—2017《煤礦井下熱害防治設計規范》，采掘工作面需冷量[14]

式中：Q為采掘工作面的需冷量，kW；G為采掘工作面的通風質量流量，kg/s；i1、i2分別為處理前、后采掘工作面風流的焓，kJ/kg。

麥垛山煤礦 130606 采煤工作面夏季 8 月份工作面回風口實測最高干球溫度為 33 ℃，相對濕度接近95%。降溫前后采煤工作面氣象參數如表 2 所列。

表2 降溫前后采煤工作面氣象參數Tab.2 Meterological parameters on mining face before and after cooling

經計算，該采煤工作面的需冷量為 1 216.95 kW。考慮到輸冷過程中的冷量損失，附加系數按 1.1倍，則制冷站冷負荷應不小于 1 339 kW。

2 麥垛山煤礦井下降溫技術實施

礦井降溫系統有不同的安裝方式和運行方式。目前常用的礦井降溫系統主要有 4 類：地面集中式、井下集中式、井上井下聯合式、井下局部分散式[15]。地面集中式適用于全礦井制冷降溫，但需在井底進行高低壓轉換，輸冷管道長，冷量損失大，且需安裝大直徑管道；井下集中式適用于全礦井或采區的多個采掘工作面制冷降溫，但需要在井下建設大面積的硐室，且對設備有防爆要求，設備的安裝和維護比較困難；井上井下聯合式適用于全礦井制冷降溫，但其系統復雜，設備分散而不便于管理；井下局部分散式具有安裝靈活、管程較短、冷量損失小、容易搬遷重復使用等特點[16]，在高溫礦井中逐漸得到較為廣泛的應用。

井下局部機械制冷降溫是將整體制冷機組布置在采區內部或采區附近，對 1 個或多個采掘工作面進行降溫的方式。已有文獻[17-19]分別對不同型號的井下可移動式局部制冷機組的應用進行了分析。在采煤工作面，可以在進風順槽內安設局部制冷機組，直接制冷降低進入工作面的風流溫度，進而改善采煤工作面作業環境。

井下局部降溫制冷設備體積小、質量輕、投資小、建設周期短，可設于平板車上，安裝、移動、拆卸方便，無需鑿掘專門硐室。根據礦井實際情況，該礦熱害防治采用 3 用 1 備機組串聯組合方式進行局部降溫。

2.1 系統工藝

一般情況下，局部移動式制冷機組的制冷系統主要由制冷主機 (包括電動機、壓縮機、冷凝器、膨脹節流閥、控制箱) 及蒸發器、局部風機、膠質風筒、柔性波紋管等組成 (見圖 2)，冷凝熱的排放主要由冷凝器、冷卻器、冷卻水泵、冷卻水管及冷卻水箱等完成。

圖2 制冷系統Fig.2 Cooling system

壓縮機將吸收過熱負荷的低壓氣態制冷劑吸入并壓縮為高壓高溫蒸汽，通過冷凝器將熱量傳遞給冷卻水，同時制冷劑變為低溫高壓液體，通過膨脹閥節流，變為低溫低壓氣液兩相混合物進入蒸發器，其中的液態制冷劑在蒸發器中蒸發制冷 (吸熱)，而安裝于蒸發器進風端的風機則不斷吸入周圍環境中的熱空氣與蒸發器進行熱量交換，通過與蒸發器連接的膠質風筒將冷風送到采煤工作面，從而達到降低環境溫度的目的。在蒸發器內吸熱后的制冷劑以低壓氣態進入壓縮機再次進行循環。吸熱后的冷卻水被送到冷卻站，通過冷卻器把熱負荷傳給采區回風，由礦井回風系統排往地面大氣。其中，冷凝器中冷凝熱的排放是影響制冷降溫效果的關鍵。

局部制冷機組工作主要由 2 個循環構成。

(1) 制冷劑循環 液態制冷劑 (R407C) 經節流閥減壓后在蒸發器中吸收冷凍水的熱量，由液態蒸發為氣態，低溫低壓的氣態制冷劑經壓縮機壓縮，形成高溫高壓 (1.6 MPa，85 ℃) 的過熱氣體排至冷凝器，與冷卻水換熱后再形成高壓液態制冷劑，完成 1 個循環。

(2) 冷卻水循環 冷卻水通過主機冷凝器側吸收制冷劑中的熱量升溫至約 40 ℃，用冷卻水管道輸送至冷卻器與回風流進行換熱，冷卻水溫降至約 30 ℃再返回制冷機組冷凝器側，完成 1 個循環 (見圖 3)。經過冷卻器的回風流被加熱后，通過 130606 回風巷經由回風井排至地面。

圖3 冷卻水循環Fig.3 Circulation of cooling water

冷卻器采用 2 級冷卻方式：1 級冷卻采用風冷，依靠風通過傳導方式帶走冷卻器盤管內流體的熱量；2 級冷卻采用風冷和噴淋冷卻，風與噴淋水接觸，在風冷的同時，通過與冷卻器表面上的噴淋水蒸發換熱和對流換熱帶走傳熱管內流體的熱量，顯著增強了冷卻器的熱交換效果。

冷卻器的出風口處設有 S 形擋水板，濕熱空氣經脫水后排出機外。冷卻器運行中，噴淋循環水的水溫會略有上升，但通過補充一定的水量，水溫會穩定在接近進風溫度。噴淋水的消耗量僅為單位流量的0.01%～ 0.02%。

2.2 制冷機組及配套風機選型

2.2.1 制冷機組選型

根據計算的冷負荷，選用 4 臺 ZLF-450 型移動式局部制冷機組組成制冷站，3 用 1 備，對 130606 采煤工作面進行制冷降溫。制冷機組主要由 1 臺制冷主機、1 臺蒸發器及 1 臺冷卻器 3 部分組成，主要技術參數如表 3 所列。

表3 制冷機組主要技術參數Tab.3 Main technical parameters of cooling engine set

2.2.2 配套風機的選型

蒸發器型號為 ZLF-450F，3 用 1 備，與制冷主機運行方式一致。蒸發器的通風阻力為 1 150 Pa，所選風機風量為 800 m3/min，功率為 2×30 kW，電壓為 1 140/660 V，全壓大于 1 250 Pa。

冷卻器型號為 LQ-600，3 用 1 備，與制冷主機運行方式一致。冷卻器的通風阻力為 1 000 Pa，所選風機風量為 815～563 m3/min，功率為 2×37 kW，全壓為 1 364～6 161 Pa。在風量為 840 m3/min 時，風機全壓大于 1 100 Pa。

2.3 實施方案

局部降溫系統安裝布置如圖 4 所示。制冷站設在 130606 輔助運輸巷距離工作面約 500 m 處，靠近措施巷。制冷站有 4 臺 ZLF-450 型制冷主機、4 臺蒸發器及配套的 4 臺風機，均落地安裝。與蒸發器連接的 2 趟輸送低溫冷風的風筒出口距離工作面分別為50 m 和 150 m (見圖 5)。制冷站采用 3 用 1 備的運行方式，也可根據實際的需冷量，采用 4 用或 2 用 2 備等多種靈活的運行方式。隨著工作面的回采進度，制冷站可根據現場條件定期 (2～4 個月) 回撤 1 次，既能保證工作面的降溫效果，又可減少制冷設備移動次數，不影響安全生產。

圖4 采煤工作面降溫系統布置示意Fig.4 Layout of cooling system on mining face

圖5 工作面制冷機組布置方式Fig.5 Layout mode of cooling engine set on mining face

冷卻站主要有 4 臺 LQ-600 型排熱冷卻器及與之相配套的風機、水泵和水箱等設備，集中設在 130606工作面輔助運輸巷跨巷段與主水平回風大巷西側交叉位置。該處巷道空間大，場地平整，可直接放置冷卻站設備，無需掘進專門硐室，且距總回風巷較近，排熱方便。據現場實測，該處回風風量達 1 800 m3/min，風溫為 26～28 ℃，滿足冷卻站排熱要求。

制冷主機距冷卻器 3 000 m，需鋪設 2 趟長度為3 000 m 的冷卻水管，合計為 6 000 m。冷卻水循環管路鋪設在 130606 工作面輔助運輸進風巷道內，由于從冷凝器出來的冷卻水溫度約為 40 ℃、從冷卻器返回的水溫約為 30 ℃，因此 2 趟冷卻水管均需做保溫隔熱處理。保溫管 (見圖 6) 采用一次性整體澆注成型工藝，工作管、保溫層、外保護管三者緊密結合在一起，保溫隔熱效果好，且具有良好的防水、防潮綜合性能。保溫層采用導熱系數小的聚氨酯硬質泡沫塑料，厚度為 40 mm；外保護管為“雙抗”高強 PVC塑料管，壁厚為 8 mm。保溫管每根長為 6 m，質量輕，便于井下運輸與安裝。

圖6 保溫管結構示意Fig.6 Structural sketch of insulation pipe

130606 采煤工作面局部降溫設備 (冷卻站) 660 V電源取自 130604 工作面機巷繞道新設移變 KBSGZY-630/10/0.69 630 kVA 低壓側，高壓電力電纜接至 13采區變電所高爆 5203 號 PBG50-10Y。高壓電力電纜采用 MYPTJ-10 kV 3×50+3×25/3+3×2.5 mm2型礦用屏蔽監視型橡套軟電纜，低壓電力電纜采用MYP 型礦用移動屏蔽橡套軟電纜。井下電壓等級為10 kV 及 660 V。

3 實施效果分析

采用 ZLF-450 局部降溫機組后，綜采工作面的中部降溫效果如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，當需冷量為 1 MW 時，采用 3 用 1 備方案運行，工作面空氣的溫、濕度都會降到最低，降溫效果最好；當需冷量為 1.8 MW 時，4 臺制冷機組同時運行，環境空氣的溫、濕度也能達到設計要求，但此時 4 臺機組達到最大運行負荷。

圖7 局部降溫效果Fig.7 Local cooling effects

ZLF-450 型局部制冷機組安裝前和運行 3 個月后，分別對采煤工作面溫、濕度進行了測量。測量位置如表 4 所列，測量結果如圖 8 所示。當蒸發器出風溫度為 17.0 ℃ 時，風筒出口溫度分別為 21.0 ℃和 22.5 ℃，采煤工作面上部最高溫度由 32.5 ℃ 降低到 31.0 ℃，相對濕度降低了 9%；采煤工作面平均干球溫度由 31.0 ℃ 降低到 27.5 ℃，平均降低 3.5 ℃，相對濕度平均降低了 10% 以上。雖然沒有達到《煤礦安全規程》第 655 條規定的生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過 26 ℃，但井下降溫是為工作人員創造舒適的工作環境為目的，因此筆者認為應采用等效溫度作為井下工作環境的衡量標準。GB 50418—2017《煤礦井下熱害防治設計規范》附錄中推薦了等效溫度計算方法，國外的井下降溫設計也是以等效溫度作為評價標準。

圖8 工作面局部降溫系統使用前后溫度及相對濕度Fig.8 Comparison of temperature and relative humidity on mining face before and after application of local cooling system

表4 溫、濕度測量點位置Tab.4 Location of temperature and humidity test points

等效溫度teff是人體對環境溫度的感覺指標，與空氣的干球溫度ta、濕球溫度tf、風速v相關。當干濕球溫差不大于 5 ℃、濕球溫度為 25～35 ℃、風速為 0.5～3.5 m/s 時，可通過下式計算：

以人體對井下 -800 m 處靜風狀態、28 ℃ 飽和空氣的感覺為例，當風速為 1.5 m/s、相對濕度為 90%、干球溫度為 30.2 ℃ 時，以及當風速為 2.5 m/s、相對濕度為 90%、干球溫度為 30.9 ℃ 時，人體感覺與上述舉例氣象條件相當。德國等國在井下降溫設計中取最高等效溫度不超過 32 ℃，淮南礦業集團所屬高溫礦亦采用此種評價方法作為井下降溫設計依據，設計回采工作面上隅角等效溫度不大于 32 ℃，下隅角等效溫度約為 23 ℃，在實際運行中取得滿意的效果。

麥垛山礦局部降溫系統實施后，工作面平均等效溫度降低至 26 ℃ 以下，明顯改善了工作面工作條件，保護了職工身心健康，推動了礦井的安全高效生產。職工出勤率及工作效率明顯提升，經濟效益也明顯提升。

4 結語

通過對麥垛山煤礦地溫及設備運行散熱情況進行綜合分析，在對工作面需冷量進行計算的基礎上，提出了采用 ZLF-450 型局部制冷機組對采煤工作面進行降溫的方案，制冷機組采用 3 用 1 備并聯運行模式。冷凝熱通過冷卻器采用風冷加噴淋水蒸發 2 級排熱方式，顯著提高了熱交換效率。多臺機組聯合運行，可根據工作面需冷量變化，實時對機組進行組合運行調節，使采煤工作面達到了良好降溫效果，有效解決了采煤工作面熱害問題。該降溫系統可直接作用于采煤工作面，安裝靈活，送冷距離短，冷量損失小，易于移動，可重復使用，大大降低了投資成本，可為大埋深礦井消除熱害問題提供借鑒。