大采深高温矿井降温技术研究.doc

大采深高温矿井降温分析及综合治理一 引言- 1 -二 概况- 1 -三 温度梯度- 3 -3.1 温度梯度- 3 -3.2 变化规律- 3 -3.3采煤工作面供风量与冷负荷的关系- 4 -四 矿井热源- 6 -4.1 空气自压缩放热- 6 -4.3 机电设备散热- 7 -4.4 氧化热和炸药爆破热- 7 -4.5 矿井涌水散热- 7 -五 矿井主要降温措施- 8 -5.1 增加风量- 8 -5.2 改革通风方式- 8 -5.3 避开局部热源- 8 -5.4 隔绝高温围岩- 8 -5.5 热水防治- 9 -5.6 采取个体防护- 9 -5.7 井下集中制冷降温系统- 10 -六 赵楼矿主要降温系统介绍及工作面降温系统计算- 10 -6.1 赵楼降温系统介绍- 10 -6.2 采煤工作面降温设计- 11 -6.2.1采煤工作面需冷量估算- 11 -6.2.2 输冷管道的冷损计算- 12 -6.2.3 热水散热- 13 -6.2.4 水泵的冷损计算- 14 -6.2.4 采煤工作面降温效果研究- 14 -七 1306工作面综合降温情况- 15 -7.1 1306概况- 15 -7.2 采取措施- 15 -7.2.1 增大风量法- 15 -7.2.2 安装制冷风机- 15 -7.3降温效果分析- 16 -7.4存在的问题- 17 -7.5 结束语- 18 - 18 -大采深高温矿井降温分析及综合治理一 引言随着煤矿采煤技术的发展，煤炭开采的机械化程度也越来越高，井硐中的机械设备也越来越多，同时，煤矿开采的深度也随之加深，原岩温度升高，导致采煤工作面温度过高，从而造成采煤环境恶劣，工人劳动强度加大，各类热害事故频繁发生。所以，如何降低高地温矿井采煤工作面的温度，对改善工人的劳动生产环境，提高作业安全系数，有着现实而又重大的意义。二 概况兖煤菏泽能化公司赵楼矿井含煤地层为山西组和太原组，主采3煤层，埋深7001200m，煤层平均厚度6.19m，煤层倾角218，属赋存比较稳定煤层，矿井采用单一水平开拓方式，机械化放顶煤开采工艺，设计年产量为3.0Mt/a。工业广场布置主、副、风三个立井。主井净直径7.0m，井深921.158m,属于千米深井。由于开采深度大，矿井地温较高，再加上采煤工作面机械设备散热，使得夏季7、8、9、10这4个月井下热害问题非常突出。因此，在2008年矿井建立了井下集中式降温系统对工作面进行降温。矿井开采前期采用中央并列抽出式通风方法，时间约30年。随着矿井开拓、准备、回采巷道的不断增加，掘进工作面不断向纵深拓展，2007年9月份开始，大部分掘进工作面逐步转入煤巷施工，2009年3月份1302首采工作面投入生产，有效降低不断升高的采掘工作面环境温度已成为不容忽视和回避的问题。由原井筒冻结设备经技术创新改造的临时降温系统，成功解决了井筒施工及二期工程前期的井巷施工的降温工作，但由于该临时降温系统的降温工艺的局限性，远不能解决矿井的准备、回采巷道施工及采煤工作面的降温问题。因此，探讨、研究高温矿井采掘工作面的制冷降温问题，降低采掘工作面空气温度，为井下职工创造良好、舒适的工作环境，在体现人本观念的同时，促进矿井安全生产，提高职工的生产效率等方面具有重大的现实意义。三 温度梯度3.1 温度梯度赵楼矿井煤层属正常地温梯度为背景的高温区，地层年恒温带为5055m，温度为18.2，平均地温梯度2.20/100m，非煤系地层平均地温梯度1.85/100m，煤系地层平均地温梯度2.76/100m，初期采区大部分块段原岩地温为3745，处于二级热害状态。根据理论计算，赵楼矿井采、掘进工作面空气温度一般在3235。3.2 变化规律在平面上，3（3下）煤层底板地温基本上与煤层底板等高线平行，即煤层埋藏越深温度越高。但同一深度，由于所处构造部位不同以及受其它地质因素影响不同，地温梯度也就不同，如在背斜轴部，温度略有增高。图1 3（3下）煤层底板温度等值线图3.3采煤工作面供风量与冷负荷的关系采掘工作面供风量的增加对降低采掘工作面的风温有一定的效果，但风量大到一定程度后，这种效果并不明显。制冷量随采掘工作面风量的增加而减少，但风量增加到一定程度后，制冷量的变化不再减少，再增加量只能造成浪费。采掘工作面可能的进风温度t0随着风量的增加而减少，采掘工作面允许的入风温度t1随风量的增加而提高，两条入风温度曲线随风量增加而逐渐靠近，如果将两条曲线绘制在同一坐标系中，就可能出现三种情况，一是两条曲线的交点在采掘工作面所允许的最大风量（M点）之前；二是两条曲线的交点在采掘工作面所允许的最大风量之后；三是两条曲线没有交点。因此要求得供风量与冷负荷的关系解析解非常困难，可以借助图解法进行分析。图2 供风量与冷负荷的关系示意图在图2中，两条入风温度曲线随风量增加而逐渐靠近，当两条曲线相交时，即t0=t1，此时LQ曲线与横轴相交，即LQ=0。在这种情况下，工作面需冷量随风量增加而单调下降，直至需冷量为零。如果t0、t1两条曲线的交点在最大风量点之前，说明该工作面无需采用机械降温而仅靠通风即能满足降温的要求，而且交点风量为工作面的最优风量。如果两曲线的交点在最大风量点之后，即交点风量是工作面不允许的风量，说明该工作面仅仅通风不能满足降温的要求，此时采掘工作面所需风量应取最优风速所对应的风量。若由于原岩温度上升，通风距离加长，致使t0温度较高，而工作面热源散热量又较大，要求的t1又较低，两曲线没有交点。在这种情况下，当风量增加一定程度时，t0和t1几乎不再变化，即t0-t1const，因此冷量随风量的变化曲线，开始时呈单调下降，而后逐渐变缓，到达一定程度时，冷量随风量几乎呈线性增加，则该工作面的需冷量应取曲线上最大风量左侧最低点的冷量。根据赵楼煤矿实际情况，研究采煤工作面供风量和制冷量的关系，从而使之达到最优配合。四 矿井热源4.1 空气自压缩放热 空气的自压缩并不是一个热源，它是在地球重力场作用下，空气绝热地沿井巷向下流动时，其温升是由于位能转换为焓的结果，而不是由外部热源输入热流造成的。但对深矿井来说，自压缩引起风流的温升在矿井的通风与空调中所占的比例很大，所以一般将它归在热源中进行讨论。4.2 围岩散热井下未被扰动岩石的温度(原始岩温)是随着与地表的距离加大而上升的，其温度的变化是由自地心径向外的热流造成的。在一个不大的地区内，大地的热流是相当稳定的，一般为6070mW/m2，但在某些热流异常地区，其值可能变动很大。原始岩温随深度而上升的速度(地温梯度)主要取决于岩石的导热系数与大地热流值，原始岩温的具体数值决定于温度梯度与埋藏深度。围岩向井巷传热的途径有两个：一是借热传导自岩体深处向井巷传热；二是经裂隙水借对流将热量传给井巷。4.3 机电设备散热 目前我国煤矿井下所使用的能源，几乎全部采用的是电源，压缩空气及内燃机的使用量都很少。机电设备所消耗的能量除了部份用以做有用功处，其余全部转换为热能并散发到周围的介质中去。井下机电设备主要有采掘机械、提升运输设备、扇风机、电机车、变压器、水泵、照明设备。4.4 氧化热和炸药爆破热 如硫化矿、煤等碎石都会氧化发热，若到达自燃阶段，发热更大，是矿内氧化发热的主要热源。其它如坑木、充填材料、油、包装料等的氧化发热影响并不显著。用放顶法开采的长壁采煤工作面中，从采空区煤氧化而来的发热，又加上空场漏风助势，一般都占全煤工作面总热量的30%以上，有时达到55%。炸药爆炸产生的热量全部传给了空气。常用的2#岩石销铵炸药爆破热为3639kJ/kg，其产生的热量是相当可观的，因此应当考虑炸药的爆破热。4.5 矿井涌水散热高温矿井原岩温度高，在开采的同时，伴随大量热水用处，造成热量散发，可致温度升高34五 矿井主要降温措施5.1 增加风量 在矿井热害不太严重的情况下，可以加大风量以降低井下温度。改善通风系统，增加井下通风量，可采用下列措施：减少风阻；防止漏风；加大扇风机能力；采用合理分风与辅助风路通风法；加强通风管理等。但是，风量的增加不是无限制的，它受规定的风速和降温成本的制约，且当风量加大到一定程度后其降温作用会逐渐减小直至消失。 5.2 改革通风方式 将温度较高的皮带巷改为进风巷。在一般情况下，采用此通风方式可使工作面的风温降低12。 5.3 避开局部热源 井下各种局部热源，如机电设备散热、热水散热、矿物氧化放热以及采空区的漏风等都会对风流加热。因此需要分析矿井的热源，有针对性地采取措施减少热量的排放，并使新鲜风流尽量避开这些局部热源，减少热源对风流的加热，以降低风流温度和湿度的上升。 5.4 隔绝高温围岩 当围岩温度很高时，就要采用某些隔热材料喷涂岩壁，防止围岩通过岩壁向巷道中的空气散热。在工作面进回风隅角每隔20m施工密闭一道，并用高分子材料赛福特喷涂，可有效减少采空区热量向外发散，同时减少采空区漏风，预防自然发火，此方法可使隅角的温度最大降低34.5，采煤工作面温度可降低12。 5.5 热水防治 热水对风流的加热作用相当显著。治理深井热水的热量和热蒸气进入风流的主要办法是：超前疏干地下水源，疏干的热水经有隔热盖板的水沟导入水仓，再用隔热管路排至地面。也可打专用的疏排热水的立井、斜井和平硐排出热水。 5.6 采取个体防护 人体防护就是在矿内某些气候条件恶劣的地点，由于技术和经济上的原因，不宜采取风流冷却措施时，可让矿工穿上冷却服，以实现个体保护。研究表明，穿着冷却服是保护个体免受恶劣气候环境危害的有效措施。它的作用是：当环境的温度较高时，可以防止其对身体的对流和辐射传热，使人体在体力劳动中所产生的新陈代谢热能，较容易地传给冷却服中的冷媒。冷却服的适用范围很广，即可以是独头高温工作面，又可以是井下各种大型设备操作人员和未采用中央制冷空调时的井下游动工作人员和生产管理者。个体防护的制冷成本仅为其它制冷成本的1/5左右，因而世界各国争相开展冷却服的研制，走在技术前列的有德国、南非、美国、澳大利亚。5.7 井下集中制冷降温系统大型制冷机安装在井下的集中固定式制冷方式，即制冷机在井底冷却全部进风的直接制冷方式和制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移动式热交换器配套，组成局部冷却的分散制冷方式。六 赵楼矿主要降温系统介绍及工作面降温系统计算6.1 赵楼降温系统介绍赵楼矿井制冷降温系统采用井下集中制冷。该系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、空冷器及电控系统等设备组成。原选用2台德国产KM3000型制冷机，并联使用，具有6.6MW制冷能力，2012年井下制冷降温系统扩容，增加一台德国产KM3000型制冷机，总制冷能力可达9.9MW。单台制冷机可向外提供190m3/h的3冷冻水。确定冷却水的进出口水温度为31/40.4；冷却水循环和冷冻水循环回路中所损失的水量，将用软化水自动补充。冷却塔出来的31冷却水经冷却水泵，通过安装在回风井的管路输送到井下，接至制冷机组冷凝器的进水侧，冷却水吸收制冷机的冷凝热后温度上升至40.4左右，再由安装在回风井中的回水管返回地面冷却塔进行冷却。制冷机组蒸发器侧流出的3冷冻水经输冷管送至末端空冷器，利用热交换器与采、掘工作面的热空气进行交换。其间所吸收的热量将使水温上升至16左右，再由冷冻水泵使其返回制冷机组再冷，形成冷冻水循环。6.2 采煤工作面降温设计矿井降温系统所需冷量主要包括采煤工作面的需冷量（即载冷剂从风流中吸收的热量）、供冷管道的冷量损失、涌出热水散热量和水泵能耗等。冷负荷计算建立在矿内风流热参数计算的基础之上。6.2.1采煤工作面需冷量估算采煤工作面的需冷量，就是载冷剂通过空冷器从风流中吸取的热量，它是指采煤工作面在进行空调降温时，为保持采煤工作面回风口的风温不超过26，需要向采煤工作面供给的冷量，它按下式进行计算： （2.1）其中 采掘工作面的需冷量，KW； 风流的质量流量，kg/s； 降温前采掘工作面回风口风流的焓值，KJ/kg； 降温后采掘工作面回风口风流允许的焓值，KJ/kg； 围岩的不稳定换热系数，KW/（m2）； 降温前后工作面风流的平均温差，按下式确定， 、降温前工作面进、回风流的温度，； 、降温后工作面进、回风流的温度，。赵楼煤矿采煤工作面长一般为200m，断面的平均周长为14m，平均原始岩温为42，围岩的不稳定换热系数为0.003856 KW/（m2），采面的供风量为25m3/s，平均静压为112550pa，风流的平均密度为1.221kg/ m3。在未采取空调措施之前预测采面进风干球温度为29，相对湿度为80%，回风流的干球温度为31，相对湿度为90%，采取降温措施后，回风流的干球温度为26，相对湿度为100%。根据焓湿图软件可以查得降温前：t1=29，1=80%时，d1=18.2g/kg，i1=75.748KJ/kg；t2=31，2=90%时，d2=25.1g/kg，i2=95.293KJ/kg。采取降温措施后：t2=26，2=100%时，d2=19.2g/kg，i2=74.969KJ/kg。故采面的需冷量为：6.2.2 输冷管道的冷损计算管道冷损由三部分组成，即通过管壁传热、流体与管内壁的摩擦和局部阻力损失造成的冷量损失。如下式所示： （2.2）式中：每1m管道的冷损失量，W/m； 管道长，m。管道采用聚氨酯保温，厚度一般都为50mm，此时管道的冷损失量可以由下表查出。表中为理论值，实际值可能超过此数值。表1 冷损失量值表（单位W/s）管径（mm）89108133150219300温差t（）154.24.85.66.48.310.0205.66.37.48.510.013.3257.08.09.310.713.816.6制冷机组安装在制冷硐室，输冷管道从制冷硐室引出。在轨道大巷、一集轨道下山、顺槽管路中，进水管采用聚氨酯保温，聚氯乙烯硬质塑料防护，管道内径为300mm，长度为270m；管道内径为219mm，长度为840m；管道内径为133mm，管道的长度为100m。始端的载冷剂温度为3，巷道的平均风温为28，此时温差t=25。将以上数据带入上式，可以计算出由输冷管道造成的冷损。=（16.6270+13.8840+9.3100）10-3=17kW。6.2.3 热水散热井下热水的放热量主要是由水量和水温决定的。当热水大量涌出时，可对附近的气候条件造成很大的影响。工作面热水是自由流淌，其传热量可按下式计算： （2.6）式中 涌水质量流量，kg/s； 水的定压比热容，4.187kJ/(kgK)；涌水的平均温度，；巷道中风流的平均温度，；估计采煤工作面热水向工作面方向涌出量为30m3/h（即8.3 kg/s），涌水的平均温度与围岩的原始温度相近，取42，巷道风流温度为28。将数据带入公式（2.6），可以计算出由热水散热所造成的冷损=8.34.187（42-28）=486.5kW。6.2.4 水泵的冷损计算水泵对载冷剂做功所造成的冷损量可按下面统一近似公式进行计算：式中，水泵的额定运转功率。水泵运转功率为200 kW，故=57.6kW。由以上计算可知，采煤工作面所需供冷量为：Q = 663.5+17+486.5+57.6=1225 kW6.2.4 采煤工作面降温效果研究采取降温措施后，采煤工作面有可能出现“下冷上热”的冷热不均现象。为使出现此现象的采煤工作面冷热均匀化，在采面的上半部安装若干套可控制流量的低温水喷淋降温降尘装置，沿采面中间至上出口布置，采用冷水直接向煤壁喷洒。最终形成采面下半部采用空冷器进行降温，上半部以冷水喷淋为主，空冷器为辅的综合降温措施。七 1306工作面综合降温情况7.1 1306概况1306工作面是一采区的综放工作面，井下标高-858-870米，走向长度1300米，倾斜长度190米，煤层厚度 0-7.4米，工作面平均地温梯度2.20/100m ，原岩温度3745，水温45，属于二级高温区。7.2 采取措施根据赵楼煤矿实际情况，在研究采煤工作面供风量和制冷量的关系后，为使工作面降温效果明显，达到规程标准，特采取以下措施。7.2.1 增大风量法由于1306工作面温度较高，最基本的方法是加大风量，在风速满足规程规定的同时，使风速最大化，1306工作面风量达到1550m3/min。7.2.2 安装制冷风机空冷器安设位置主要考虑降温效果和采掘面推进速度两个方面。由于空气的比热小，升温快，因此空冷器越靠近采掘面进风口，采掘面的降温效果越好。但空冷器距工作面太近会造成移动频繁，影响生产。在确定二个综采放顶煤回采工作面、三个综掘工作面和五个普掘工作面的冷负荷后，根据现场实际环境条件，确定选用空冷器的型号、个数、安设位置以及其最合理的流量通过井下集中式永久空调降温系统，对工作面降温。根据1302工作面配风情况，选三台2*30KW对旋风机和三台450空冷器，工作面接108进回冷水管两路，空冷器安装在风机后510米处，接800风筒，其中两风机安装在距工作面1100米处，两风机风筒出风口分别接到工作面的进风隅角和距工作面200米处电站外；另一风机安装在距工作面600米处，空冷器后接30米风筒。7.3降温效果分析唐口矿井冰降温工程主要由制冷制冰系统、输冷输冰系统、融冰系统、输冷散冷系统组成。整个系统能耗较大，为了有效的管理，提高降温效果，降低运行成本，进行了以下措施： (1)根据天气温度变化情况，适当调整地面制冷车间压缩机的运行台数，正常情况下运行2至5台压缩机，带动12至15台片冰机；井下通过调整阀门的开闭程度来调整空冷器的循环水量，尽量保证各个使用空冷交换器的地点均满足降温要求。(2)在井下需水量增大的情况下，