梁北矿井下局部降温系统在掘进工作面应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：陈少华（1982），男，河南禹州人，工程师，2002年毕业于河南工程技术学校，现从事煤矿机电运输管理工作。-75-梁北矿井下局部降温系统在掘进工作面应用 陈少华 陈 林 李金献 河南省许昌新龙矿业有限责任公司，河南 许昌 461000 摘要：摘要：随着采区开采深度的增加，地温也随之升高，矿井热害问题日益突出，给矿井的安全生产带来了严重影响。根据矿井热害现状，对于井下热害最严重地点-800m 泄水巷和 21091 机巷底抽巷，使用现有系统降温效果较差的地点，矿井通过考察了使用局部降温设备的其他单位掘进工作面，综合数据表明，局部降温设备能够使工作面温度平均降低 10以上，湿度降低 20%以上，降温除湿效果明显。关键词：关键词：矿井；热害；局部降温；降温；除湿 中图分类号：中图分类号：TD4 1 矿井热害情况 梁北矿设计生产能力 2.4Mt/a，属于煤与瓦斯突出矿井。矿井采用立井方式开拓，通风系统为分区式，通风方法为抽出式。主采煤层为二叠纪山西组底部二 1煤层，煤层平均厚度 4.49m，井田东西走向长 8.513.0km，南北倾向平均宽 4.5km，面积约 42.3km2。井田地面标高+325+105m，自西向东逐渐变低，地质储量 2.43 亿吨，可采储量 0.9 亿吨。随着采区开采深度的增加，地温也随之升高，矿井热害问题日益突出，给矿井的安全生产带来了严重影响。梁北煤矿 21 采区深部-800 泄水巷和 21091 机巷底抽巷掘进工作面高程为-800m 以深，放水温度超过45，2022 年夏季时，工作面温度已经超过 30，区队人员出现中暑现象，严重制约工作面安全生产。随着 2023 年开始放水，以及工作面长度延伸超过 1000m，2023 年夏季时，-800m 泄水巷工作面温度将会更高。2 矿井制冷系统现状 梁北矿地面制冷站安装有 11 套 180t/d 型制冰机组，大部分机组已经使用 10 年以上，设备老化，效率低，制冷能力不足。另外，现有降温系统采用在井下建立融冰池，通过融冰池，利用管路往工作面输送冷水，沿线冷量损失较多，末端冷水降温效果较差，尤其是井下偏远高温地点-800 泄水巷和 21091 机巷底抽巷，位于 21 采区最下部，距副井底融冰池距离较远，利用管路往工作面迎头输送冷水时，沿线冷量损失较多，末端冷水降温效果较差，工作面迎头风量仅能够降低温度 23。由于现有制冷系统制冷能力不足，使用后效果达不到煤矿安全规程要求：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。矿井计划用于 32 采区、22 采区和 42 采区等热害程度低的采掘工作面防暑降温。3 井下局部制冷设备实施方案（1）按照矿井采掘生产计划，21091 机巷底抽巷剩余工程量 1198m，切眼底抽巷 240m，预计 2023 年 11月份底抽巷贯通，最大风路长度 1400m。-800m 泄水巷目前剩余 430m，22 采区西回风下山反掘剩余 575m，预计 2023 年 12 月份贯通,最大风路长度 1420m，贯通后转入22采区东回风下山施工，预计2025年10月贯通，贯通时最大风路长度 2190m。表 1 梁北煤矿掘进工作面基本参数 序号 地点-800 泄水巷 21091 机巷底抽巷 备注 1 掘进面新风量 670m/min 496 m/min 4 巷道长度 2190m 1400m 5 巷道温升 0.8/100m 0.8/100m 6 新风温度 32 32 7 新风相对湿度 75%75%（2）根据矿井热害现状，对于井下热害最严重地点-800m 泄水巷和 21091 机巷底抽巷，使用现有系统降温效果较差的地点，矿井通过考察、论证，经煤电公司组织实地考察了使用局部降温设备的其他单位掘进工作面，与格力集团制定了梁北煤矿 21 采区下部掘进工作面局部制冷降温技术方案。综合数据表明，局部降温设备能够使工作面温度平均降低 10以上，湿度降低 20%以上，降温除湿效果明显。因此，矿井计划购置局部降温设备进行针对性降温。（3）掘进工作面局部制冷设计要求 中国科技期刊数据库 工业 A-76-制冷系统采用冷媒直接蒸发降温设计，由局部通风机提供动力，通过保温风筒向掘进面输送冷风，直膨组合柜采用多级串联布置方案，运用高效梯度除湿供冷技术，实现高效降温深度除湿。制冷系统管道连接：制冷主机与直膨组合柜之间使用制冷剂管道连接，连接管道气管 DN125mm 和液管 DN40mm，由投标方提供连接管、螺栓、密封垫及密封胶等物料，由采购方按以下要求进行现场安装。冷却水系统采用闭式循环，使用无缝钢管，管路无需保温。冷却水系统水侧承压为 1.6MPa，采用无缝钢管，需做好管外表面防腐和内部清洁度处理，设备包括：2台制冷主机，总冷量为 1085kW、10 台冷却塔模块、3台冷却水泵（两用一备）。冷却水系统管道连接：单台制冷主机冷却水进出水口共 4 个（两进两出，尺寸：DN100mm），制冷主机冷却水出水管（管径 DN100mm）直接接入冷却水供水主管（管径 DN200mm），冷却水供水主管（DN200mm）与闭式冷却塔进水总管（管径 DN200mm）相连，冷却塔出水总管(管径 DN200mm)接入冷却水系统回水主管（管径DN200mm），冷却水系统回水主管（管径 DN200mm）与冷却水泵相连（3 台冷却水泵并联，两用一备），冷却水泵进出水管径 DN150mm，出水管（管径 DN150mm）与冷却水回水主管（管径 DN200mm）相连，冷却回水主管（管径 DN200mm）与制冷主机冷却水进水管（管径DN100mm）直接连接。喷淋水系统采用开式循环，使用无缝钢管，管路无需保温；喷淋水泵安装位置需低于冷却塔标高 5m以上，喷淋水系统需同时驱动冷却塔内水力风机。喷淋式补水系统需配置软化水装置，采用单向供水补水方案，需配置浮球阀，实现自动补水。喷淋水系统的水侧承压为 1.6MPa，设备包括：10 台闭式冷却塔、3台喷淋水泵（两用一备）；喷淋水系统管道连接：冷却塔模块总出水管（管径 DN200mm）直接与喷淋水主管（管径 DN200mm）连接，喷淋水主管在储水箱和喷淋水泵之间（水流方向为进水泵方向）设置一处旁通管线（管径 DN200mm）在主管及旁通管上设置 Y 型过滤器（管径DN200mm），一用一备，喷淋水主管（管径DN200mm）与喷淋水泵相连，3 台喷淋水泵并联），喷淋水泵进出水管管径 DN200mm，出水管（管径 DN200mm）与喷淋水主管（管径DN200mm）连接，喷淋水主管（管径DN200mm）与冷却塔模块喷淋水总进水管（管径 DN200mm）相连。本项目要求的制冷成套设备应符合国家有关法律、法规、规定及标准，各设备应有齐备的技术文件、图纸、说明书、合格证，应有标准的安全装置。制冷主机和直膨组合柜包括 2 台主机和 2 台直膨组合柜，分别布置于新风巷道入口位置，直膨组合柜通过局部通风机供冷，通过保温风筒将冷风送入掘进面，实现掘进面降温；闭式冷却塔放置于乏风侧，因乏风含有粉尘和瓦斯，带电设备存在安全隐患，闭式冷却塔需采用水力驱动，不用电，其制冷主机主要部件应满足以下要求：表 2 制冷主机基本参数 制冷主机 制冷量 1085kW 输入功率 800kW 启动方式 变频启动 冷媒 R134a 主电源 1140V3N50Hz 控制电源 127V50Hz 换热器型式 板式冷凝器 总冷却水流量 324m/h 冷凝管尺寸 气管 DN125mm 液管 DN40mm 冷却水管尺寸 2DN100mm 主机数量 2 台 尺寸（mm）392013001510mm 压缩机：压缩机与制冷成套设备同一品牌，采用半封闭式螺杆压缩机结构、内置自冷却电机、依靠低温制冷剂冷却不受外界环境影响、电机温度低、绝缘寿命长、采用静密封结构、电机直接驱动、轴系内置于密封腔体内无外部运动部件、一体式半封闭结构、结构尺寸小、安全性、可靠性高。冷凝器：冷凝器采用板式结构，不锈钢材质、结构紧凑，冷凝器运行的温度(压力)相对较高，其作用是将高温制冷剂的热量传递至流过它板片的冷却水中带走热量达到冷凝的目的。冷却水流量：324m/h、冷却水管尺寸：DN100mm，水侧承压 1.6MPa。其新风系统主要部件应满足以下要求：表 3 直膨组合柜基本参数 直膨组合柜 驱动方式 局部通风机电力驱动 总风量 800m/min 进风温/湿度 32，85%RH 出风温度 101 冷媒接管尺寸 气管 DN125mm 液管 DN40mm 数量 2 台 尺寸（mm）373013001540 净重 1400kg 中国科技期刊数据库 工业 A-77-蒸发器：采用铜管铜翅片换热器、整体电泳、按大片距设计；蒸发器为管翅式换热器（翅片换热器），即换热管外套翅片以增加换热面积增强换热性能。蒸发器运行的温度（压力）相对较低，通过换热器外的空气可从蒸发器带走制冷剂中的冷量。风量：800m/min、接管尺寸：气管 DN125、液管 DN40。热力膨胀阀：采用外平衡式结构。矿用防爆制冷装置用到的热力膨胀阀有系统热力膨胀阀。系统热力膨胀阀的作用是通过等焓节流，降低制冷剂的压力和温度。其乏风冷却系统主要部件应满足以下要求：表 4 闭式冷却塔基本参数 闭式冷却塔 驱动方式 水力风机驱动 风量 1000m/min 进风温/湿度 35，95%RH 换热器型式 蒸发式冷凝器 总喷淋水流量 350m/h 冷却水管尺寸 2DN80mm 喷淋水接管尺寸 2DN80mm 数量 10 台 尺寸（mm）256012202450mm 蒸发式冷凝器：采用内螺纹不锈钢换热管设计，通过管内螺纹扰流高效冷却，管外降膜蒸发，水路低流阻、多级分配、均匀布水，换热效率高。蒸发式冷凝器通过喷淋水驱动水力风机，带走换热管周围热量，达到强制冷却目的。设计多重防漏水、防飘水结构，耗水量大幅降低。闭式结构延缓结垢,降低粉尘污染产生的结垢，延缓清洗周期。水力风机：采用泵做透平型式，水力驱动透平叶轮进而带动叶轮旋转，带动风叶旋转产生动力。（4）掘进工作面局部制冷实施方案 根据局部制冷设备技术性能和矿井生产采掘规划，提出如下二种局部制冷设备安装实施方案：1）供-800 泄水巷 1 个掘进工作面制冷降温。采用 1 套机组供-800 泄水巷掘进工作面降温：机组新风送风温度 10.1，含湿量 6.9g/kg，巷道按1500m 计算,经过风筒后迎头温度可确保达到 22,理论计算含湿量 6.9g/kg,相对湿度 43%。2）供-800 泄水巷和 21091 机巷底抽巷 2 个掘进工作面制冷降温，后期根据矿井采掘计划，21091 机巷底抽巷掘进完成后，调整为仅供-800 泄水巷掘进工作面降温。采用 1 套机组供-800 泄水巷和 21091 机巷底抽巷2 个掘进工作面降温：-800 泄水巷机组新风送风温度18.6，含湿量 12.1g/kg，21091 机巷底抽巷机组新风送风温度 15.1，含湿量 9.7g/kg。后期根据矿井采掘计划，21091 机巷底抽巷掘进完成后，调整为仅供-800 泄水巷掘进工作面降温，机组新风送风温度10.1，含湿量 6.9g/kg。（此温度为组合柜出风温度，保温风筒出口温度理论增加 0.8/100m，1000m 巷道增加 8）（5）掘进工作面局部制冷实施方案对比分析 表 5 局部制冷实施方案对比 类别 优点 缺点 备注 方案1 供 1 个工作面降温，工作面迎头降温 10，湿度降低 20%以上，效果较好。仅供 1 个工作面降温，使用范围小，性价比较低。方案2 供 2 个工作面降温，使用范围广，性价比较高；后期根据矿井采掘计划，可以调整设备布局。工作面迎头预计降温 5，效果一般，经济性好。4 结论 综合比较，井下局部制冷设备实施安装采用第二方案。前期采用采用 1 套机组供-800 泄水巷和 21091机巷底抽巷 2 个掘进工作面降温,-800 泄水巷机组新风送风温度 18.6，含湿量 12.1g/kg，21091 机巷底抽巷机组新风送风温度 15.1，含湿量 9.7g/kg；新风湿度降低约 2/3,工作面迎头温度降低 5，工作面环境适宜，职工得到舒适的体感温度。2023 年 11 月份以后，21091 机巷底抽巷掘进完成，-800m 泄水巷长度超过 1500m 后，需要供冷量增大，将制冷机组全部制冷量供-800 泄水巷掘进工作面降温，确保-800 泄水巷长距离掘进时的工作面高温问题能够得到较好解决。5 实施效果 2023 年 7 月份，梁北矿首套井下局部制冷装置在21 采区-800 泄水巷和 21091 机巷底抽巷投入使用。通过运行，工作面温度下降7以上、湿度减少20%以上，极大改善了职工作业环境，得到了职工的认可，达到了预期效果。中国科技期刊数据库 工业 A-78-参考文献 1辛嵩.矿井热害防治M.北京:煤炭工业出版社,2011.2李春,胡春胜.压缩空气降温技术在煤矿掘进工作面的应用J.矿业安全与环保,2012(6):70-72.3刘何清,吴超,王卫军,等.矿井降温技术研究述评J.金属矿山,2005(6):43-46.4刘忠宝,王浚,张书学.高温矿井降温空调的概况及进展J.真空与低温,2002(3):8-12.