礦井全風量降溫在龍固煤礦熱害治理中的應用

徐廣才 劉京坤 陳炬

（通用技術集團工程設計有限公司，山東 濟南 250031)

1 項目背景

山東新巨龍能源有限責任公司龍固煤礦位于山東省菏澤市巨野縣境內，設計生產能力6.0 Mt/a，核定生產能力為7.5 Mt/a。

本地區氣候溫和，四季分明，屬北溫帶半濕潤季風型大陸性氣候。年平均氣溫14.8 ℃，月平均最高氣溫32.4 ℃，日最高氣溫42.4 ℃，日最低氣溫-18.7 ℃，月平均最低氣溫在每年的1 月份，平均-1.8 ℃。

6 月、7 月、8 月為最熱月份，最高氣溫一般在每年的7 月份。

礦井含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，主采3（3上）煤層，埋深900～1200 m。煤層屬正常地溫梯度為背景的高溫區；井田非煤系地層平均地溫梯度2.52 ℃/100 m，煤系地層平均地溫梯度3.23 ℃/100 m；全孔地溫梯度1.99～4.24 ℃/100 m，全區平均地溫梯度2.88 ℃/100 m，即地熱增溫率為1 ℃/34.72 m。龍固煤礦主采煤層埋藏較深，故3（3上）煤層西部局部賦存區處于一級高溫區，東部大部處于二級高溫區，井下高溫熱害較為嚴重。

2 高溫熱害熱源分析

（1）井下熱源

高溫熱害井下熱源包括高溫圍巖、高溫礦井水、機電設備、下山風流壓縮熱、煤氧化散熱、人體散熱等[1-3]。

由于礦井開采深度較大，該礦井下巖溫最高達44.8 ℃，是最主要的井下熱源。

礦井水涌水量1000～1500 m3/h，水溫高達51 ℃。高溫的礦井水不僅提高了礦井進風溫度，而且增加了進風濕度，進一步加重了井下高溫熱害的影響，是關鍵性熱源。

礦井采、掘、運的機電設備容量大，機電設備運行放熱是不可忽視的高溫熱源。

（2）礦井季節性熱害夏季高溫高濕，最高溫度42.4 ℃。夏季高溫高濕的室外空氣成為典型的礦井季節性熱源[4]。

3 礦井降溫系統現狀

為解決高溫熱害問題，龍固煤礦自建井之初就采取了加大通風量、利用低溫防塵水進行噴淋降溫等措施。投產后，實施了水源熱泵、EAV300 移動式空氣冷卻器等制冷設備的局部降溫系統和集中冰制冷降溫系統，均取得良好的降溫效果。

隨著產量的增加，原有的制冷方式不能滿足降溫需求。近年來，該礦不斷完善礦井降溫系統，逐步建成地面降溫和井下降溫相結合的綜合降溫模式。在井下二采區及三采區建立兩期井下集中式制冷降溫系統，實現在井下集中制冷降溫。一期制冷系統安裝4 臺制冷機組，總制冷量13 000 kW；二期制冷系統安裝6 臺制冷機組，總制冷量19 600 kW。礦井總制冷量達32 600 kW，為井下所有回采及掘進工作面進行降溫。井下制冷降溫系統運行時，采掘工作面空冷器平均出風溫度22 ℃，工作面溫度不超過28 ℃，井下高溫熱害基本得到緩解，工作環境得以改善。

2013 年建設礦井水熱能綜合利用工程，以實現冬季供熱和夏季空調為主，同時能夠實現部分井口進風降溫。該工程安裝3 臺離心制冷機組，單臺制冷量為2500 kW，2 臺螺桿機組，單臺制冷量為1944 kW，總制冷量為11 388 kW。井口安裝6 臺冷風機，單臺風機處理風量為900 m3/min，制冷量680 kW，總制冷量為4080 kW。

4 存在問題

現有礦井降溫系統基本能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求，但存在夏季井底車場及大巷溫度超限和現有降溫系統制冷能力不足的問題。受夏季高溫天氣影響，地面制冷系統因機組制冷量小，配套冷風機處理風量小，在初夏和夏末能夠對井下環境溫度起到緩解作用。室外溫度較高時，井口進風降溫系統對井底溫度影響較小，不能起到降低礦井進風溫度的作用。夏季高溫時礦井進風溫度在33 ℃以上，井底進風溫度在34 ℃以上，極端天氣下井底溫度達38 ℃，造成井底車場及硐室溫度超溫（井底機電硐室溫度平均在34 ℃以上，中央泵房溫度達36 ℃），同時礦井各主要進風巷溫度均在32 ℃以上。

由于井下各地點進風溫度較高，極大地增加了礦井各地點的需冷量。據計算，夏季礦井需冷量比其他季節高6000 kW 以上，造成夏季礦井降溫難度增加，對設備運行及人員安全造成較大隱患。

5 設計方案

5.1 技術路線

龍固煤礦現有礦井降溫系統春秋季和冬季能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求，但存在夏季井底車場及大巷溫度超限和現有降溫系統制冷能力不足的問題，說明井下環境受地面氣候影響顯著。經調研，趙樓煤礦、濟三煤礦、東灘煤礦已經實施的全風量降溫系統[5-7]降溫效果明顯，極大地緩解井下高溫熱害。以龍固煤礦的進風為例，降溫前的空氣焓值為101.3 kJ/kg，降溫后的焓值為56 kJ/kg，降溫后空氣的焓值降低45%，有效降低井下進風的熱量，因此采用全面降低進風溫濕度的礦井全風量降溫方案是可行的。

為創造適宜工作環境，進一步解決高溫熱害，擬在礦井主、副井口實施全風量降溫項目，新擴建一套制冷（熱泵）系統，對礦井進風進行降溫除濕，降低輸送至井下的空氣的溫度和濕度，以達到提高井下舒適度，改善井底車場及主要大巷的環境，降低夏季井下降溫系統負荷的目的。

同時對主副井口進行適當封閉，并考慮該熱泵系統在冬季時利用礦井水作為熱源制熱，用于井筒保溫。

5.2 冷熱負荷計算

龍固礦井位于山東省巨野礦區，參考菏澤市氣象參數，結合龍固煤礦的具體情況，夏季室外空氣計算溫度確定為34.4 ℃，相對濕度72.7%，降溫后的進風溫度為20 ℃，相對濕度95%，冬季井口防凍進風溫度為2 ℃。總進風量30 000 m3/min，其中主井2×5500 m3/min，副井19 000 m3/min。

5.3 冷熱源方案

根據表1 可知，總制冷負荷27 617 kW，冷熱源機房內設計6 臺水源熱泵機組，總制冷量為27 888 kW。其中新增四臺離心式熱泵機組，單臺機組制冷量6000 kW，額定輸入電功率1232 kW，主要負責井口全風量降溫、井筒防凍和建筑空調；另外兩臺原有螺桿式熱泵機組，單臺制冷量1944 kW，主要負責浴室供熱負荷。主機系統采用母管制連接方式，提高機組的備用性、安全性、靈活性。

表1 冷熱負荷統計表 （單位：kW）

夏季，制冷機組通過冷卻塔進行散熱。冷卻塔布置在機房東側的礦井水池上方，冷卻循環泵布置在水泵機房內，通過管道連接主機。

冬季，熱泵機組利用礦井涌水作為熱源，制備45 ℃及以上的熱水。東側1000 m3地面水池作為礦井水循環水池。礦井水取自選煤廠礦井水處理站。

5.4 井口換熱末端方案

在主副井井口房的空氣熱交換室內設置空氣換熱器。夏季由熱泵機房提供給換熱器7/15 ℃冷凍水，將進風冷卻除濕到20 ℃。冬季由熱泵機房提供給換熱器45/40 ℃熱水，進行進風加熱，保證井筒進風溫度不低于2 ℃。

為充分利用礦井主通風機的動力，降低井口房的噪音，提高設備的安全可靠性，主副井井口采用無動力的表面式換熱器。考慮表冷器為無動力換熱設備，風流流速越高風阻越大，為降低對礦井通風的影響，換熱器風阻不大于50 Pa。

副井口設計進風量為19 000 m3/min，冷負荷為16 224 kW。換熱器選型預留0.2 的富裕系數，共選用36 臺空氣換熱器，總制冷量20 400 kW。

主井口設計進風量為2×5500 m3/min，需要的冷負荷為9393 kW。換熱器選型預留0.2的富裕系數，共選用18 臺空氣換熱器，總制冷量12 000 kW。

空氣換熱器選用無動力的表面式換熱器，利用井口負壓驅動空氣經表面式冷卻器換熱后進入井筒。為防止冷風滲透，需對井口房進行封閉改造，確保漏風率小于10%。具體參數見表2。

表2 空氣換熱器參數表

5.5 運行費用和運行效果

系統設備運行總電功率6253 kW，綜合電價0.55元/千瓦時，夏季運行天數為90 d，負荷系數0.6，夏季全風量降溫系統運行電費為356 萬元。

系統運行后，室外空氣經表面式冷卻器降溫后，井口進風溫度降至22～24 ℃，井底車場風溫為26～28 ℃，達到了設計目標，滿足規程及規范要求，有效改善了井下工作環境。

6 結論

隨礦井開采深度的增加和范圍的擴大，高溫熱害趨于嚴重。龍固煤礦已經實施的井下集中式的降溫系統，冬季和春秋季能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求，存在夏季井底車場及大巷溫度超限和現有降溫系統制冷能力不足的問題。

實踐證明，采用礦井全風量降溫系統作為井下集中式礦井降溫系統的補充用于治理礦井高溫熱害是可行的，能夠降低季節性熱害對礦井的影響，起到降低井底車場、主要大巷及沿途主要硐室溫度的作用，切實改善夏季井下高溫高濕環境，減少主要硐室設備故障，維護職工身體健康。礦井全風量降溫系統初投資和運行費用低，系統運行維護方便，噪音低，安全可靠性高。