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矿井热害及防治技术研究 汇报人 矿集团有限公司 汇报内容 矿井热害现状 矿井热害基础理论 国内外降温技术 降温项目实例 4 1 2 3 2 工作展望 5 3 我国煤矿开采深度将以每年8 12m的速度增加 东部矿井更甚至以每10年100 250m的速度发展 井下高温 高湿环境对人体及设备造成极大危害 生产效率大幅下降 事故率明显增高 对作业人员的人身健康 矿井的安全生产构成重大威胁 矿井热害将成为继顶板 瓦斯 火 水 粉尘五大灾害之后的第六大灾害 表1井下温度与事故率的关系 一 矿井热害现状 4 图1我国国有重点煤矿平均采深变化趋势 1980年1995年2000年2010年2020年 一 矿井热害现状 热传导热对流热辐射 二 矿井热害基础理论 5 6 二 矿井热害基础理论 根据煤的三相介质系统关系及传热方式 热害形成机理可概括为 采掘活动引起能量传递 由于温度场的变化 井下煤岩体中的高温部分向低温部分进行热传导 由于应力场的变化 井下环境中的流体 井下高温热水 巷道风流等 与煤岩固体之间产生了热对流 三种热量散发形式 热传导 热对流与热辐射 与固 煤岩 液 热水 气 风流 三相之间的热耦合作用是造成矿井热害的主要原因 7 图2热量散发造成高温热害 图3三相热耦合机制 二 矿井热害基础理论 8 二 矿井热害理论 图4矿井主要热源 三 国内外降温技术 10 3 1非机械制冷降温技术 11 其中按输送介质的不同 可以分为冷风 冷水与冷冰 表1空调系统比较 总制冷值相同且大于2 德国实践表明 负荷小于2MW的矿井 以采用分散式最优 负荷大于2MW的矿井 才采用集中式 3 2机械制冷降温技术 12 1 制冷站 2 冷水泵 3 冷水管 4 局部通风机 5 空冷器6 风筒 7 冷却水泵 8 冷却水塔 9 冷却塔图8 2 1水制冷矿井空调系统结构模式 3 2机械制冷降温技术 13 图8 2 8冰冷系统过程简图 3 2机械制冷降温技术 1 空压机 2 压气管道 3 压气支管 4 工作面进风平巷5 采煤工作面送气软管 6 工作面回风平巷7 掘进工作面送气软管 8 节流阀图8 2 10井下压气降温系统简图 3 2机械制冷降温技术 按照空间布置位置的不同 可以分为地面集中式 井下集中式 井上下联合式和分散式 特点 1 制冷站与冷凝热排放均在地面 2 井下设置高低压换热器 3 用风地点处冷却风流 图1地面集中式降温系统 3 3机械制冷降温技术 该系统的制冷机设在井下 通过管道集中向各工作站供冷水 优势 比较简单 供水管道短 没有高低压换热器 仅有冷水循环管路不足 必须开凿大断面硐室 它给施工和维护带来困难 设备都需防爆 难度大 造价高 图2井下集中式降温系统 3 3机械制冷降温技术 这种布置形式是在地面 井下同时设置制冷站 冷凝热在地面集中排放 优势 提高一次载冷剂回水温度 减少冷损 可利用一次载冷剂将冷凝热带到地面排放 不足 设备布置分散 冷媒循环管路复杂 操作管理不便 图3井上 下联合式降温系统 3 3机械制冷降温技术 实际矿井工程中只有几个点需要降温 并且点点相隔较远时 矿井中不设置统一的大型制冷站 只在需要降温的地点 建立小型的制冷站 对局部地区进行降温 图4井下分散式局部降温系统 优势 制冷机可移动冷量传输距离小 冷损小 初期投资少 移动灵活 不足 冷凝热排放困难 仅适用于小范围的煤矿降温空调 3 3机械制冷降温技术 表1四种空调系统优缺点的比较 3 3机械制冷降温技术 3 3 矿井降温装备 制冷主机空冷器保冷管道冷却塔换热器等 往复式吸收式离心式螺杆式 制冷量大 表面式环保 灵巧直接接触式 喷淋式 换热效率高 矿井降温装备 21 4 1赵楼煤矿基建时期喷淋蒸发冷却降温 利用原有冻井氨制冷设备 制取所需低温水 在地面建立喷水室 集中冷却矿井进风风流 井筒掘进与井底车场开拓 四 降温项目实例 22 在副井井底车场 860m水平设置制冷硐室 即井下集中式降温系统 冷机组制出的冷水 1 3 通过冷冻水循环水泵经保温隔热管道送至采煤工作面或掘进工作面的空气冷却器 将通过空气冷却器的空气降温 在地面上的冷却塔 用以排放井下制冷机组产生的冷凝热 降温系统工艺流程 四 降温项目实例 4 2井下集中式冷水降温空调系统 23 制冷机组KM3000 RWK系列空冷器 回采工作面一般能够降低4 5 最大幅度能够降低7 左右 煤岩巷掘进工作面温度降低幅度能够达到7 9 距迎头200m处温度降低幅度也能达到5 左右 四 降温项目实例 24 四 降温项目实例 采煤工作面温度分布图 25 四 降温项目实例 25 上隅角温度分布局部放大图 掘进巷道温度分布趋势图 四 降温项目实例 运输顺槽 图X考虑生产 降温及季节因素 设计空冷器的3种布置方式 采煤工作面 1理论布置方式 2方便布置方式 3折中布置方式 27 四 降温项目实例 图6空冷器与风筒的不同组合方式测试 轨道顺槽 运输顺槽 2 1 F F F 3 1302采煤工作面 28 根据所测数据 绘制三种不同组合方式下1302工作面风流干 湿球温度曲线 干球温度 湿球温度 一是 在工作面需冷量基本不变的情况下 工作面降温效果不会因为风筒组合方式的不同产生太大的变化 二是 在上述空冷器与风筒的三种组合方式中 组合方式二的降温效果相对较好 四 降温项目实例 29 主要思路 在南翼 740m水平开凿硐室 建立集中制冷站 安设集中式冷水降温系统 以供 740m水平主要采掘工作面制冷降温使用 图7系统工艺流程 系统工艺流程 制冷系统主要设备均设置于井下 制冷机组制出的冷冻水 1 3 通过冷冻水循环水泵经保温隔热管道送至采煤工作面或掘进工作面的空气冷却器 将通过空气冷却器的空气降温 冷却后的空气与未通过空气冷却器温度较高的空气在巷道混合后 进入工作面 4 3济宁二号煤矿井下区域集中式冷水降温系统 四 降温项目实例 30 图8综放工作面布置 图9综采工作面布置 四 降温项目实例 31 图10掘进工作面布置 图11区域集中式降温井下涌水冷却方案示意图 涌水不进入主机冷凝器 四 降温项目实例 32 矿井排水能力矿井降温所需冷却水量较大 如全部排至地面 对矿井的排水系统将是一个很大的负担 针对这一问题 提出的解决方案是 冷却用水并不排至地面 仍排至采空区 由地温场进行自然冷却 矿井井下涌水排热方案推荐设计方案 暂定改造 740m水平的11305联络巷为制冷硐室 制取低温水输送至需冷工作面 此为冷冻水循环 水仓附近建设一硐室布置板式换热器设备 制冷机组冷却水进入板式换热器温度由41 降至31 此为冷却水循环 板式换热器低温侧水源则由11301 11302 11303工作面采空区积水供给 需水量约500m3 h 水温由28 升至36 左右后排入采空区 此为采空区涌水循环 图12矿井采空区涌水排热方案 矿井涌水作为冷却水源封闭循环 是煤矿深部开采降温技术的一次崭新的探索 如果实施成功 将是矿井深部开采机械降温技术的重大进步 四 降温项目实例 33 4 4济宁三号煤矿采煤工作面局部降温 1 局部制冷降温基本原理 局部制冷降温就是针对高温矿井某些采掘工作面的局部高温点 采用整体制冷降温机组来减轻这些高温点所带来的危害 在回采工作面 可以在进风顺槽内安设局部制冷机组 在掘进工作面可以选择某一位置 比如某联络巷 安设制冷机组 制取矿井降温所需的冷冻水或低压低温制冷剂 然后通过与局部制冷机配套空冷设备 蒸发器 降低采掘工作面环境温度 系统工艺流程 主要由制冷 输冷 排热三部分组成 采用整体 局部制冷降温取降温所用冷媒介质 进入蒸发器中 处理高温高湿风流 将处理后的冷风通过风筒输送至需冷地点 采掘工作面 冷凝热随矿井回风系统排出或随冷却水进入井底水仓排出 冷凝器 地面 水仓 主机 水泵 制冷剂R22或R407 冷风至工作面 蒸发器 局扇 压缩机 膨胀阀 矿井涌水 也可采用回冷机回冷模式 四 降温项目实例 34 4 冷凝热的排放 科学 合理的排热方式是影响制冷机组发挥最佳制冷效果的关键 方案一 利用补给水源一次性水排热将满足要求的补给水源 来自地面 由水泵送进制冷机组冷凝器吸热 吸收热负荷后的冷却水不再循环使用 而是一次性排往地面 此方案系统简单 不再需要安装排热冷却器和局部通风机 降温效果好 同时 这种开式系统将会影响制冷机组的使用寿命 方案二 利用循环水及乏风排热将生产用水或其它水源作为冷却水循环使用 即在回风巷安装一台排热冷却器 吸收热负荷后的冷却水经由保温管路进入排热冷却器内 利用安装于排热冷却器一端的局部通风机压入乏风将冷却水的热量排至回风巷内 而后冷却水经由保温管路回到压缩机进行下一个循环 四 降温项目实例 35 四 降温项目实例 35 增加板式换热器 将冷却水循环与矿井涌水循环隔离 利用两套水循环系统 避免直接采用井下涌水作为冷却水对制冷主机的损害 矿井涌水经过滤后进入板式换热器 与冷却水换热后进入排水系统 高温矿井热害防治技术研究 一 二 三 四 蓝冰个体防护服 矿井轻便空调室设计及额外冷量引入 压气蒸发冷却空调系统 高温矿井热害防治技术平台建设 37 五 工作展望 2 1个体防护 蓝冰 一种新型高分子材料 具有储热量大 储热效果好的特点 蓝冰 降温服 蓝冰袋 压气蒸发冷却空调系统 图1压气蒸发冷却空调系统示意图 矿井轻便空