安全工程采矿工程煤矿井降温方案毕业设计-刘店矿井降温方案

1刘店矿井降温方案2012 年 12 月 25 日2目 录一、 矿井概况1二、 矿井需冷量计算3三、 矿井制冷降温系统6四、 主要设备明细及投资表12五、 其他投资13六、 制冷系统运行费用13七、 防尘水水冷、冰冷与局部降温降温系统比较14八、 两种降温方案对比3一、矿井概况一、位置与交通刘店井田位于安徽省涡阳县境内，西南距涡阳县城约 15km，行政区划隶属马店镇、龙山镇和新兴乡管辖。井田的勘查范围由以下 11个拐点圈定，面积为 110.15km2。濉阜铁路从井田外东侧经过；井田周围尚有以涡阳县城为中心的公路网直达淮北、永城、亳州、阜阳、蒙城和宿州等地。交通十分方便。二、地形与河流本井田地处淮北平原西南部，地形平坦，地面标高介于+30.16+31.47m之间，总体趋势为北高南低。井田内主要河流为涡新河，其支流胜利河、岭孜河、大寨沟、五道沟、白洋沟、洪沟和青龙河等均流入涡新河。上述沟、河流量均受大气降水的影响而随季节性变化。三、气候与气象本井田所在地属大陆与海洋过渡性气候，四季分明，冬冷夏热。该地区每年夏季多东南风，冬季多西北风，最大风速14.0m/s；年均气温14.0左右，最高气温40.0，最低气温-17. 2；年均降雨800mm 左右，且雨量在每年的 7、8月份最高；全年无霜期在212天左右。四、地震基本烈度根据建筑抗震设计规范（GB50011-2001） 的有关规定，4本井田所在地的抗震设防烈度为 7 度。五、煤系与煤层井田内二叠系含煤层段总厚877m，煤层总厚30.30m，含煤系数为3.45% 。其中山西组含煤三组，1 4层，煤层累厚0.2414.64m ， 9煤和11煤不发育，不可采，仅10煤层可采，其厚度介于07.29m之间，平均2.23m ，系主要可采煤层；下石盒子组含煤五组，17层，煤层累厚0.3415.66m， 4煤、5煤和6煤极不稳定，不可采，8 煤零星可采，仅7 煤层可采，其厚度为07.37m，平均1.94m ，但受岩浆侵入影响， 7煤层多质变为天然焦。本井田的可采煤层为大部可采的中厚煤层，煤层的结构简单较简单，煤层的稳定性属较稳定型。六、矿井涌水量安徽省涡阳县刘店煤矿勘探地质报告采用比拟法预计的一水平（-650m ）矿井正常涌水量和最大涌水量分别为 450m3/h 和610m3/h；采用地下水动力学法预计的一水平（ -650m）太灰岩溶裂隙含水组的可能突水量为 109m3/h。考虑到在建设和生产过程中可能受井筒淋水、井下洒水和防火灌浆等因素的影响，矿井的正常排水量和最大排水量分别取 500m3/h 和 660m3/h。七、煤尘爆炸与煤的自燃本井田可采煤层均有煤尘爆炸危险。本井田10煤层为不自燃不易自燃煤层，7煤层为不易自燃煤5层。八、地温本井田所在地的恒温带深度为自地表向下垂深25m，相应的温度为17.2。本井田地温梯度为2.35/hm，属正常地温区。预计本井田在510m以下开始进入一级高温区。九、通风方式本矿井为高瓦斯矿井，前期采用中央并列式通风方式，主、副井进风，中央回风井回风。后期增开西风井，通风方式为混合式通风方式。选用FBCDZ-No32/2*800型轴流式风机2台，1用1备。二、矿井需冷量计算采掘面降温标准目前矿井降温标准有：1、 矿山安全条例第 53 条规定“井下采掘作业地点的空气温度不得超过 28” 。2、 煤矿安全规定第 102 条规定“生产矿井采掘工作面空气温度不得超过 26，机电设备峒室的空气温度不得超过 30,采掘工作面的空气温度超过 30、机电设备峒室的空气温度超过34时，必须停止作业” 。3、 矿山井巷工程施工及验收规范 （GBJ213-90）第 10.2.1 条规定“井巷工程施工时，工作面的相对湿度为 90%时，空气温度不6得越过 28，超过时采取以下措施三部降温标准有 26、28、30三种不同要求。结合刘店矿目前及下步深水平高温发展状况，本设计按矿山安全条例规定，井下回采工作面上隅角由 35降至 28，掘进工作面由 31降至28的标准进行计算需冷量。供冷范围：按矿方要求，本次降温工程共设计矿井二个综采工作面、四个掘进工作面。矿井需冷量计算1.回采工作面需冷量的计算根据矿提供的工作面热工计算参数及实测温度，风量按 766 回采工作面 1176 m3/min，气温 35，相对湿度 96%，大气压力按99.98kPa，计算回采工作面的需冷量为 639kW。计算采煤工作面制冷前的空气状态参数空气的含湿量d1=0.622*P s1/(P-P s1)= 0.0338 kg/kg 干空气其中： d1含湿量相对湿度Ps134 度时饱和水蒸汽压力P大气压力湿空气的焓i1=1.005t1+1.85t1d1+2501d1=121.86 KJ/kg 干空气7其中： i 1湿空气的焓t1空气温度湿空气的密度 1=0.003484/T1*( P -0.378*P s)= 1.1092kg/m3其中： 1 密度T1 热力学温度，T 1=273+35=308K湿空气的质量流量M=Q* 1 =21.74kg/s干空气的质量流量Md=M/(1+d1) =21.03kg/s计算制冷后空气状态参数饱和湿空气的含湿量d2=0.622*Ps2/(P-Ps2)= 0.02438kg/kg 干空气其中：P s2 -28 度时饱和水蒸汽压力含水雾空气的焓i1=1.005t2+1.85t2d2+4.19（d 1-d2）t 2+2501d2=91.481kJ/kg 干空气制冷前后空气的焓差i 1=i1 -i2=121.86-91.48=30.38kJ/kg 干空气采煤工作面的需冷量Q1=G*（i 1 -i2）=639KW2.掘进工作面冷量计算8按照 1017 掘进工作面提供参数：风量 800 m3/min，风温 31，相对湿度 96%，大气压 99.98kPa，按同样方法计算掘进工作面需冷量为 192kW。3.矿井总需冷量Q=6392+1924=2046kW根据“煤炭工业矿井设计规范”要求设备备用系数取 1.2， “矿井热害防治规范”要求矿井冷量损失系按矿井有效需冷量的 1.25 计算，因此本矿井下降温需冷量为：Qc=K*Q=1.21.252046=3069kW三、矿井制冷降温系统矿井制冷降温系统工艺流程：主要由地面制冷水系统、防尘管输冷系统、井下空冷器散冷系统以及控制配电系统组成。具体祥见系统流程图。工艺流程如下：地面制冷站设置一套冷水机组，制取 2的低温冷水。低温冷水通过循环水泵，利用主井中的159mm 静压防尘水管（保温） ，将低温冷水输送到井下，通过井底减压阀减压后直接供至各工作面的空气冷却器。经过空气冷却器换热后，水温升至25，升温后的高温水进过工作面或大巷喷雾降尘，消耗下放低温水，然后进入井下大巷排水沟，然后再进入井底水仓，再通过井底主排水泵经主井排水管返回，返回地面的矿井排水经过地面水处理站处理，净化后的水再进入地面制冷机房进行制冷，重复使用。此降温系统主要借助地面制冷机和保温的矿井防尘水管，不断将地面9产生冷水送入井下工作面进行降温，并且工作面安装空气冷却器和喷雾降尘水幕。（一）工作面降温设备选型1、回采工作面回采工作面的需冷量为 639KW，空冷器进出水温差需达到 20，故按照 1200KW 配空冷器，考虑到工作面运输巷进风，采用 4 台 MK-300 空气冷却器，距工作面切眼 150-200 米放置，可利用软风筒将冷风接至工作面进口。考虑工作面供风量较小，每台空气冷却器可配备防爆风机 FBDNo.5.3/112KW，空气冷却器单台名义制冷功率为 300KW，作为热交换器，降低工作面进风温度和湿度；另外，工作面各运输设备转载点喷雾、巷道洒水降尘也接自空冷器回水系统，通过正常喷雾等，也起到降低工作面进风温度。4 台空气冷却器的所需冷水量：42.8 m 3/h。2、掘进工作面总需冷量为 192kW，按照 400KW 配空冷器，采用 1 台 MK-400 空气冷却器，单台名义制冷功率为 400KW，可满足要求。所需冷水量：12.8m3/h。空气冷却器可安放在距迎头 150-200 米的地点，与600mm 软质风筒串接。3、矿井需总冷水量：42.82+12.84=136.8 m 3/h井下工作面空气冷却器的效率直接关系到工作面的降温幅度，若进出水温温差高，则可节省冷水流量，进而采取较细的输冷水管，10由地面下放到井下的水量减少，做到节能节电。（二） 防尘管输冷系统设计立井、井下采用防尘管输冷系统，按照降温范围：二个回采工作面和四个掘进工作面，需要冷水流量为：136.8 m3/h；另外考虑矿井正常防尘水消耗，综合考虑供冷水量按照：140 m 3/h 设计。目前，矿井地面、立井、井下防尘主管路采用 159mm 无缝钢管，但未进行保温处理。为保证空气冷却器的散冷效率，保障进水水温在 5，设计矿井地面、立井、轨道大巷的防尘管路全部进行保温，保温材料选用 50mm 的聚氨脂保温层，外层采用玻璃丝布乳化沥青涂层处理，作为外防护层。1、管道冷损计算：计算公式：q l=(t 2-t1)ln(D1/D2)(2)+1/(a D 1) ql-每米管道的冷量损失，W/m；t2-管道外周围空气温度，；t1-管道内介质温度，；-隔热材料的热导率，W/（mK） ；a-隔热层外表面的放热系数，在自然对流的情况下，可取a=8.141 W/（m 2K） ；D1-隔热管外径，m；D2-无隔热层管外径，m；11Q 损 = qlmQ 损 -输冷管道的冷损量，W；m-输冷管道的长度，m；管道温升计算公式：t=Q 损 (Cm)C-水的比热；m-循环冷水流量，m 3；管路按照外径 159mm 无缝钢管，保温层为 50mm 厚的聚氨酯保温，环境温度为 30，供水温度为 2，回水温度为 25时，计算766 工作面各段管路单位冷损量：管径单位冷损 管路长度Q 损（W）流量(m3/h)t（）备注地面防尘水管 159 10.22 W/m 50m 511 140 0.00031 保温立井防尘水管 159 10.22 W/m 674m 6888 140 0.04217 保温-641 大巷防尘水管159 10.22 W/m 2795m 28564 70 0.3497 保温回采工作面防尘水管78 5.74 W/m 1036m 5946 42.8 0.119 保温 41909 0.51若考虑管路法兰接头、弯头等损失增大 20%，则：Q 损 （KW）=50.3 KWt（）=0.613另外考虑到水流向下流动时，要损失位能，如果这部分能量不对外做功，要全部转化为热能，水温就要升高。温升公式：gH=cpt12cp-水的比热容（4.19KJ/(kgK)） ；t-水的温升，； 采用减压阀，可利用 3MPa 压力，剩余 4MPa 压力转化为热能，即 374 米的位能转化为热能，水温升高t=0.875。故低温冷水总的温升：t=1.488，地面下放 2-3的冷水，到达回采工作面喷淋式空气冷却器进口，水温为 3.488-4.488。2、矿井防尘输冷管路水利阻力计算：利用矿井防尘水管作为输冷水管，由于目前矿井的防尘水管为159 无缝钢管，井下供冷水量为：140 m3/h，而 159 管路在平巷中最大流速为：2.45m/s，最大流量为：154.5 m3/h，140 m3/h 的流量不超过管路最大流量，另外两个工作面分别位于副井两翼，故副井底静压防尘水管分为两路供水。但考虑立井井筒中存在水位差，井筒管路的静压为 6.74MPa。计算此压力能否克服管路阻力，满足个工作面供冷水量。计算 766 工作面输冷管路的阻力损失：hi= iLivi2(Dgi2g)Dgi=159mm i=0.0364Dgi=78mm i=0.0451管道位置 长度（m） 管径（mm） 流量(m3/h) 流速（m/s）压力损失（米水柱）地面防尘水管 50m 159 140 1.96 2.24立井防尘水管 674m 159 140 1.96 30.2-641 大巷防尘水管 2795m 159 70 0.9798 31.313回采工作面防尘水管 1036m 78 42.8 2.489 189.3 253.04防尘供水管路水力阻力为：253.04 米水柱，考虑工作面洒水降尘水压力，井底减压阀出口应调整在 4MPa，最远点及工作面供水压力可保持在 1.47 MPa，能够满足工作面防尘水压力要求。但通过计算回采工作面运输顺槽内防尘管路水利阻力最大，必要时应采用加压水泵进行加压满足设备防尘水压要求，以及工作面回水要求。对于其它巷道内的喷雾防尘、或洒水防尘，可根据所需压力确定从防尘水管接。（三）地面制冷水系统选型根据井下需冷量为：2046KW。设计地面冷水机组最低出水温度为 2，进水温度为 25，向井下供冷水量 140m3/h，计算地面机房的制冷量为：3760KW，地面制冷机房制冷机组能够满足要求。根据“煤炭工业矿井设计规范”要求，制冷设备数量不宜少于2 台，本设计选用 2 台模块式制冷机组，依次对冷水进行降温。考虑今后矿井降温需冷量增大，机房预留一台机组空间，以及相配套的冷却塔、冷却水泵和配电设备。制冷机房布置在地面工业广场内，离矿井防尘管路较近。为减少占地面积，设计将冷水机组的冷却塔放在制冷机房屋顶，机房内安装制冷机组、保温水池、水泵、供配电设备。设计机房长宽：2010m，高度约 5m。制冷机房内建冷水机组设备基础，安装 2 级制冷压缩机组和冷冻水泵基础。地面制冷设备制冷剂采用 R-22，由二套螺杆式冷水机组、四台14蒸发冷和二台冷冻水泵组成。1、第一级冷水机组：进水温度：25，出水温度：12，进、出水温差：13，冷冻水量为 140m3/h 时，则冷负荷为：2123KW。蒸发器采用壳管式，压缩机采用汉钟 RC2-1130B 二台并联，制冷量为：1225KW2，电功率 241KW2，蒸发冷为 STC-2300 二台，风机电机功率 20.5KW2。2、第二级冷水机组：进水温度：12，出水温度：2，进、出水温差：10，冷冻水量为 140m3/h 时，则冷负荷为：1633KW。蒸发器为降幕式，能够防止表面结冰损坏蒸发器，供水水泵 11KW，压缩机采用汉钟 RC2-1130B 二台并联，制冷量 880KW2，电功率223KW2,蒸发冷为 STC-1800 一台，风机电机功率 11.7KW2。（四）控制配电系统地面制冷机房供电采用 6KV，安装一台高压进线开关柜，一台10 KV/380V-1000KVA 干式变压器，冷水机组、蒸发冷、冷冻水泵供电采用 380V。井下回采工作面空气冷却器的防爆供风风机可取自附近 660V 供电，掘进工作面原有供风风机，喷淋式空气冷却器直接串入风筒中，不需要另加防爆风机。四、主要设备明细及投资表序号 名称 规格型号或图号 技术说明 数量 单位 备注一、地面设备151.1 一级压缩机 RC2-1130B 38/6,Q=1224.9kW/ 台 2 台 Hanbell1.2 二级压缩机 RC2-1130B 38/-3,Q=880.1kW/台 2 台 Hanbell3.1一级蒸发式冷凝器STC-2300 额定换热负荷 2300kW/台 2 台 Snoweky3.2二级蒸发式冷凝器STC-1800 额定换热负荷 1800kW/台 2 台 Snoweky5.1一级壳管式蒸发器25 12，1200kW/ 台 2 台 5.2二级降幕式蒸发器15001800 12 2，1760kW 48 片 Snoweky2.1 一级排气管 带管路配件 2 根 Snoweky2.2 二级排气管 带管路配件 2 根 Snoweky4.1 一级供液管 带管路配件 2 根 Snoweky4.2 二级供液管 带管路配件 2 根 Snoweky5.3 卧式气分 2 台 6.1 一级回气管 带管路配件 2 根 Snoweky6.2 二级回气管 带管路配件 2 根 Snoweky10 其它 1 套 7 冷冻油 以现场实际加油量为准 1 项 8 制冷剂 R22 以现场实际加氟量为准 2000 Kg 9 电控系统 各高、低压柜，变压器等 1 套 小计 450 万元16二、井下设备 1.2 高压空冷器 AC-300 8 台 240 万1.2 风机 AC300 标准配套 8 台 20 万2.1 高压空冷器 AC-400 4 台 152 万2.2 风机 AC400 标准配套 4 台 10 万3.1 喷淋空冷器 AC-200 4 台 64 万3.2 风机 AC200 标准配套 4 台 10 万小计 496 万元三、合计 946 万元五、其他投资序号 名称 费用（万元） 备注1地面保温水池、厂房（土建）502 地面制冷设备安装 153 立井、井下管路保温安装 604 设计费 105 合计 135防尘水制冷系统总投资 1081 万元17六、制冷系统运行费用制冷系统运行费用主要是电费，其余人工费，由于地面冷水系统自动化程度比较高，每班只需一人进行巡检即可，井下采用减压阀方式，管路冷水正常循环运行，不需要人员，故整个系统简单，需要人员较少。另外年维修费也较少，地面冷水机组技术比较成熟，属于免维护设备，主要维修量在井下管路漏水，可由矿原来管道维修人员代替，不需要另外增加人员，维修费用也很低。制冷系统运行电费制冷系统按每年 4 个月运行，其它时间设备停止运转，正常运转期，考虑到负荷的调整与变化，负荷调整系数取 0.7，当地用电平均价格按 0.6 元/ kWh；系统运行功率为：996KW。电费： 996243040.70.6=120 万元/a因增加排水量而增加的排水费用：（矿井吨水百米电耗不超过0.5KWh）去除正常矿井消防洒水水量，每小时回水仓的循环水量为：50 m3/h，考虑到随着季节变化，下放冷水量会发生变化，调整系数取0.7，则计算年排水电费增加：0.550(674100) 243040.60.7=20.4 万元3、系统每年运行费用：12020.4=140.4 万元月运行费用：140.44=35.1 万元七、防尘水水冷、冰冷与局部降温降温系统比较18采用的防尘水水冷降温系统与地面集中冷水系统有一定区别，取消了井下的高低压换热器，利用防尘系统中的减压阀将冷冻水减压到一定压力，满足井下冷水管路的正常循环。其优点：减少投资，省掉高低压换热器，井下供冷管路的供水动力取消了供水水泵，依靠管路的静压实现供水。设备设计在地面，排热方便，设备操作维修方便。另外，设计一套地面水源热泵，夏季作为井下降温设备，产生冷水供井下使用，冬季可利用矿井水处理厂的水源，进行取热，供地面工业广场的供暖，实现设备综合利用。缺点：增加矿井的排水费用，但较冰冷降温的运行费用较低。举例：冷水机组制取1000KW 的能量，机组功率 210KW，冷却塔 15KW，水泵按 30KW（包括冷却和冷冻水泵） ，总功率为 255KW，冷水量按 85.7m3/h（进水、出水温差为 10） ，小时电耗为 2550.90.8=183.6 KWh（0.9 为需用系数，0.8 为负荷率） 。制冰机组制取 1000KW 的能量，机组功率450KW，蒸发式冷凝器 30KW（风机、冷却塔） ，供水水泵 15KW，片冰机 7.5KW（三台） ，总功率为 502.5KW，制冰量为 7.5 m3/h，小时电耗为 502.50.90.8=361.8 KWh（0.9 为需用系数， 0.8 为负荷率），根据以上分析可确定在同样制冷量下，制冰比制冷冷水小时电耗增大一倍。考虑冷水系统排水费用：比冰冷系统增加排水量 85.7-7.5=78.2 m3/h,按照矿井排水百米吨水电耗 0.5 KWh 计算，西风井井筒深度为 600 米，增加的排水费用为 78.2（ 600100）0.5=234.6KWh，即水冷系统小时电耗为 183.6+234.6=418.2 KWh，小时电耗增加：418.2-361.8=56.4 KWh，每度电按 0.5 元计算,每19天增加费用 56.40.524=676.8 元，每月多支出 2.1 万元。但初期投资相差较大，冷水机组制取 1000KW 的能量，投资在 150 万元（地面设备、安装） ，制冰机组制取 1000KW 的能量，投资在 500 万元（地面设备、安装） 。另外，矿井目前排水能力富裕较大，能够满足下放冷水后出现的排水要求，并且不需要新的投入。通过以上经济比较，选用冰冷降温经济性较差。采用局部降温机，最大缺点排热困难，象有些矿目前采区有两条巷道，一条进风巷，一条回风巷，回风巷兼作主运输巷，巷道内设有运输设备，操作维修人员每班都要进入，若将进风巷的热量带到回风巷内，会增加运输巷的回风温度，影响到皮带司机和维修人员正常作业，不符合煤矿安全规程要求， “煤矿安全规程”第 102 条规定，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过 26，机电设备硐室的空气温度不得超过 30，采掘工作面的空气温度超过 30，机电设备硐室超过 34时，必须停止作业。有些矿利用井下涌水排热，相应增加泵房温度，尤其是排热热量大时，超过 2000KW，井下水泵运行困难，事故率增多，对机电设备安全运行不利，另外，井下涌水水质较差时，水质硬度大时，局部降温机冷凝器结垢严重，使用时间不长就不能正常运转。局部降温机单位制冷量投资额要大于其他方式制冷，单台的制冷量较小，不超过 500KW。矿井降温主要是考虑热量如何转移，一般两种方式，一是地面产生冷源送到井下，平衡井下高温地点热量，实现降温目的；二是井下设置设备，产生冷源，送到高温地点降温，但如何将热量排到20地面是技术关键，若排热解决不好，会重新污染进风流，使进风流风温升高，起不到降温目的。地面制备冷源下放，不会发生上述问题，象地面制冰、制冷水，中途冷损也属于有益损耗，降低进风流风温，效率高。三种降温方式比较：防尘水水冷系统 冰冷系统 局部降温系统排热设备设置在地面，排出的热量不会进入井下，效果好。另外采用冷却塔排热，设备简单，介质采用，无制冷剂循环，安全性能高。设备设置在地面，排出的热量不会进入井下，效果好。采用蒸发式冷凝器，设备复杂，体积较大，盘管内流动制冷剂，若发生泄漏，对环境和系统造成危害。设备设置在井下，排出的热量进入井下回风巷，污染回风巷环境。需要将进风巷的热量通过局部降温机排放到回风巷内。针对北徐楼矿实际情况，回风巷内有运输设备，每天需要进入人员作业，操作设备和维修，环境温度过高，对人员和设备运行都不利。系统排热效果好。设 备设备简单，整体紧凑，占用面积小。相当于制冰设备的十分之一，不需要很大的机房，土建投资少。不需要防爆。制冰设备多，有制冷机、蒸发冷、片冰机、储液罐、虹吸罐、低压循环桶等，机械传动部位多，故障多，制冷阀门多，容易出现泄漏，维修量大。系统复杂，设备较重，占用建筑面积大，土建投资较高。不需要防爆。需要防爆设备，对井下环境要求较高。水质差，悬浮物、硬度超标后，冷凝器容易发生结垢，整机效率变低。安 装只需连接冷水机组、冷却塔、水泵的水管路即可，安装十分方便。安装时间短，短期可即可完成安装投入。安装工作量大，投资较多。管路上焊接量多，需要抽真空、打压充氟等工作，另外由于管路焊点、阀门较多，容易泄露氟利昂。安装时间长，短期不能投入运行。安装工作量大，井下空间狭小，运输，安装困难。安装时间短，短期可即可完成安装投入。制冷剂 一般厂家出厂设备整体 现场组装各设备、管 制冷机组安装在工21出厂，制冷管路在厂家已连接好，并进行抽真空、打压试验，已加注冷冻机油和氟利昂，现场不需要充注氟利昂和油。路、阀门，安装后加注冷冻机油和氟利昂。作面进口，若发生制冷剂泄露，会进入工作面，严重影响到人员的生命安全。维修费（上方案中未计算）维修简单，维修量小，每年的氟利昂、冷冻油不需要投入，机械设备少，检修量小。维修费用低，基本不需要维修。只对水系统进行简单维修，清垢处理即可。制冷管路多，阀门较多，机械设备多，事故率高，设备维修量大，每年需要投入部分氟利昂，维修费较高。井下设备维修不方便，维修费用高。井下管路压力利用井底减压阀减压，技术上成熟，取消高低压换热器，减少投资，但增加了矿井排水费用。井下为开始系统，不存在压力危险。但增加了矿井排水费用。制冷剂存在