局部降温工程中冷凝热排放方案探讨及工程实践

周 涛 向 东 陈耀辉 王冠男

（中国平煤神马能源化工集团有限公司，河南省平顶山市，467000）

局部降温工程中冷凝热排放方案探讨及工程实践

周 涛 向 东 陈耀辉 王冠男

（中国平煤神马能源化工集团有限公司，河南省平顶山市，467000）

总结出煤矿井下局部降温的3种冷凝热排放方案，并对其优缺点进行了分析、对比，结合中平能化集团十三矿己15.17-13031风、机两巷高位瓦斯抽放巷局部降温工程，根据降温地点实际工况制订冷凝热排放方案，对方案制订中需注意的相关问题进行了阐述。

矿井热害 局部降温 冷凝热排放

建立大型地面集中制冷站能够有效解决井下高温采掘工作面的热害问题，但对于距离集中制冷站较远的高温掘进工作面，因其数量多、分布广、地点变化频繁且冷量输送困难，根本无法解决其高温热害难题，而新建地面集中制冷站又投资很大，不可能在每个高温掘进工作面建立大型地面集中制冷站。相对而言，局部制冷降温工程投资少，安装简便，施工周期短，局部制冷机组可随降温地点的变化而移动，恰好能够弥补地面集中制冷站的不足，与其形成优势互补。

1 煤矿用局部制冷机组构成

煤矿用局部制冷机组通常由3部分构成，一是压缩机组，包括压缩机、电动机、制冷剂冷凝器、电控部分等，是制冷机组的核心组件，主要用来控制制冷剂的物理状态转换及输出制冷机组工况参数；二是蒸发器，又称作直接作用热交换器，包括热交换管束、除雾器等，在热交换管束中，处于蒸发状态的制冷剂与流经蒸发器的空气进行热交换；三是排热冷却器，包括蛇形管组、喷淋组件、除雾器等，主要功能是用于冷却制冷剂在冷凝过程中加热的冷却水。

2 冷凝热排放方案

井下局部降温工程实施的目的是采用一定的技术手段及设备把工作面的热量置换出来，再选择合理的冷凝热排放方式将工作面的热量置换至地面或回风巷中，从而使工作面的温度降低，改善井下作业人员工作环境。井下相对地面而言是一个密闭的空间，而且受到各种生产、地质条件的限制，这就决定了局部制冷机组冷凝热排放方式选择是否合理是降温效果是否良好的关键，如果制冷机组冷凝热排放不当，会使制冷效果大大降低，甚至使置换出的热量又重新回到工作面。因此，结合降温地点的实际情况，研究选择科学合理的制冷机组冷凝热排放方式，再选择与制冷机组相匹配的水泵、管路等，才能达到降低工作面风流温度的目的。

2.1 3种冷凝热排放方案

（1）方案一：一次性水排热。冷却水由水泵送进压缩机组的冷凝器内与高温低压的制冷剂进行冷热交换，冷却水吸收制冷剂的热量后，携带热负荷的冷却水不再循环使用，而是通过保温管路一次性排放掉。因此制冷机组产生的冷凝热排放最为彻底，制冷效果最优。此种冷凝热排放不再需要安装排热冷却器和与之相配套的局部通风机，安装简便。在井下供水富裕且有一定排水能力时，应优先考虑此种冷凝热排放方式。如果井下涌水的水量和水温适宜，也可将其作为局部制冷机组的冷却水。冷凝热排放见图1。

图1 一次性水排热

（2）方案二：循环水及新风排热。冷却水由水泵送进压缩机组的冷凝器内与高温低压的制冷剂进行冷热交换，冷却水吸收制冷剂的热量，携带热负荷的冷却水经由保温管路进入排热冷却器的蛇形管组内，安装于进风巷的局部通风机经由风筒将温度较低的新鲜风流压入排热冷却器，新鲜风流与蛇形管组内流动的带有热负荷的冷却水进行冷热交换，排出热量后的冷却水经由保温管路回到压缩机组中的制冷剂冷凝器中进行下一个循环，吸收冷却水热量的风流则排至回风巷内。在冷却水通过排热冷却器排出热量的效率不能达到100%时，再次参与循环的冷却水中必然带有部分未排掉的制冷剂的热量，势必会影响到制冷机组制冷效果。因此，此种制冷机组冷凝热排放效率及制冷效果居中。循环水及新风排热见图2。

图2 循环水及新风排热

（3）方案三：循环水及乏风排热。此种冷凝热排放方式和前一种基本相似，所不同的是排热冷却器安放于回风巷中，由局部通风机将乏风压入排热冷却器的蛇形管组内与冷却水进行热交换。由于乏风温度比新鲜风流温度要高，再加上冷却水是循环使用，因此，此种冷凝热排放效率较低，制冷效果一般。循环水及乏风排热见图3。

图3 循环水及乏风排热

在煤矿井下供水、供风量紧张的情况下，可考虑利用循环水及乏风排热，但存在一定安全隐患，不能用于高瓦斯的瓦斯突出采掘工作面，即使瓦斯浓度极低也应谨慎采用，而且必须设立自动瓦斯监测报警断电装置。

2.2 3种冷凝热排放方案对比

3种冷凝热排放方案优缺点对比见表1。

表1 3种冷凝热排放方案优缺点对比一览表

3 工程实践

中国平煤神马集团十三矿是我国高温矿井之一，所属的己15.17-13031风、机两巷高位瓦斯抽放巷夏季气温达到34℃，湿度达95%，经常发生职工中暑晕倒事故。虽然十三矿在东风井工业区建有大型地面集中制冷站，但距离上述高温地点约20 km，制冷站所产生的冷量无法有效输送。

3.1 降温工程实施地点概况

（1）十三矿己15.17-13031风巷高位瓦斯抽放巷基本情况。工作面温度34℃、湿度96%，巷道设计长度2334 m，已掘进1798 m，掘进方式为炮掘，通过扒斗机、带式输送机进行清、运渣，掘进工作面与最近的回风巷距离为1800 m，己三上部东大巷进风，供风通风机功率为2×45 k W，吸风量1000 m3／min，末端风量840 m3／min，风筒直径为1000 mm，岩层出水量为0.5 m3／h，温度为56℃，距离最近的水仓为己三中部水仓，水仓容量1050 m3，水仓排水能力465 m3／h。

（2）十三矿己15.17-13031机巷高位瓦斯抽放巷基本情况。工作面温度34℃、湿度96%，巷道设计长度2234 m，已掘进1616 m。掘进方式为炮掘，通过扒斗机、带式输送机进行清、运渣，掘进工作面与最近的回风巷距离为1630 m。己三下部集中进风，供风通风机功率为2×45 k W，吸风量1000 m3／min，末端风量846 m3／min，风筒直径为1000 mm。岩层出水量为0.5 m3／h，温度为56℃，距离最近的水仓也为己三中部水仓。

3.2 高温热害成因分析

经过实地调研分析，己15.17-13031风、机两巷高位瓦斯抽放巷高温、高湿主要由以下原因引起：

（1）岩温高。实测掘进工作面岩温为56℃，高岩温使巷道内风流温度不断升温。

（2）岩层出水。岩层涌水量0.5 m3／h，水温56℃，高温水经围岩裂隙不断渗入工作面中，将热量释放到巷道内。

（3）己15.17-13031风、机两巷高位瓦斯抽放巷为正在施工巷道，尚未贯通，现有通风设备所产生的风流无法有效将巷道内热量带走。

（4）井下机电设备在工作时散发的热量及爆破时炸药热能的释放。

3.3 局部制冷机组的选择

根据工作面实际环境参数并经相关公式计算可知，己15.17-13031风、机两巷瓦斯高位抽放巷需冷量分别为290.32 k W和298.7 k W （富余系数为1.3）。工程中选用的是波兰托马斯派克 （TOMASPEC）公司生产的TS-300型局部制冷机，其制冷量为300 k W，需水量为30～36 m3／h（≤30℃），需风量 ≥500 m3／min，机组最高耐压4 MPa。

3.4 冷凝热排放方式的选择

为保证工作面降温效果，在上述两降温地点各安装一套TS-300型局部制冷机组。

（1）己15.17-13031风巷瓦斯高位抽放巷。经过实地勘察，己三采区供水充足，能够同时满足生产和制冷机组用水，因此，采用一次性水排热 （方案一）作为制冷机组冷凝热排放方式，即将己三采区生产用水作为制冷机组的冷却水，经由制冷机组进水管 （裸管）进入工作装置内的冷凝器中，吸收制冷剂的热量后，通过保温处理后的排水管经由13031风巷回风联络巷以及己三回风下山原有的排水管路先排至己三采区中部水仓，然后再排往井下中央水仓，利用中央泵房的排水设备，将带有热负荷的冷却水排往地面，其工艺流程见图4。

（2）己15.17-13031机巷高位瓦斯抽放巷。虽然一次性水排热方式能够使得制冷机组的冷凝热排放最为彻底，制冷效果最优，但由于安装于己15.17-13031风巷高抽巷的制冷机组已经采用此种冷凝热排放方式，如果在己15.17-13031机巷也采用一次性水排热方式，会对井下生产用水产生较大影响，可考虑冷凝热排放效果居中的循环水及新风方式，而经实地勘察，在满足风、机两巷风量需求的情况下，已无多余的新鲜风，无法满足制冷机组中排热冷却器需新风量不低于500 m3／min的要求。因此，第二种冷凝热排放方式无法采用。己15.17-13031机巷属岩巷掘进，几乎没有瓦斯，综合考虑以上因素，可在该降温地点采用循环水加乏风排热方式，同时设立瓦斯自动监测报警断电装置。

图4 己15.17-13031风、机两巷瓦斯高位抽放巷降温工艺流程图

3.5 冷却水管及冷却泵的选择

（1）冷却水管的选择。由于制冷机组冷却水的流量需满足36 m3／h，根据公式：

式中：V——载冷剂循环量，m3／s；

vj——载冷剂流速，m／s；

Dx——管道直径，m。

在矿井制冷系统中，载冷剂一般采用1.5～2.5 m／s的经济流速，取中间值2 m／s，经计算可知管道直径为79.79 mm。由此可知，若要满足冷却水量为36 m3／h，在经济流速下，应选择ø89 mm和ø108 mm两种规格的管子比较合适。经计算比较，ø89 mm的管道水阻要比ø108 mm的管道水阻高出许多。从投资和安装方面考虑，ø89 mm的管道成本较低且安装方便，但为了取得更好的制冷效果，管子的选择尽量富裕，因此选用ø108 mm×4 mm规格的无缝钢管作为冷却水管。

（2）冷却水泵的选择。由于己三采区是下山开采，从地面来的生产用水压力较高，约为6 MPa左右。因此，无需再增加水泵，利用矿井原有供水系统压力即可满足要求。但考虑到制冷机组最高耐压为4 MPa，还需在制冷机组冷却水进水处安装减压阀，以确保制冷机组正常运行。

3.6 管道保温

从制冷机组冷凝器中流出的冷却水温度约为40℃，必须对管道进行隔热处理。否则，由于管道内外存在温差，必然发生热交换，进而使冷却水的热量又散发至巷道中，影响降温效果。管道隔热层采用聚氨酯泡沫塑料，厚度约20～30 mm，外保护层为双抗玻璃钢材料，厚度为5 mm。

3.7 降温效果

十三己15.17-13031风巷高抽巷掘进工作面降温幅度能达到4～5℃，湿度降低15%左右；己15.17-13031机巷高抽巷掘进工作面由于采用的排热方式为循环水加乏风排热，因此，降温效果一般，降温幅度为2～3℃，湿度降低15%左右。

3.8 应注意的问题

（1）当采用一次性水排热作为制冷机组的冷凝热排放方式时，由于其排水量较大，要充分考虑井下水仓容积以及泵房排水能力。

（2）当采用矿井涌水作为制冷机组的冷却水时，水泵功率的选取要适宜，其抽水量不能大于矿井涌水量，否则会使制冷机因缺水而保护停机。另外，还需要在输水管道上安装过滤器，以防异物堵塞管道。

（3）如果制冷机组 （蒸发器）距离掘进工作面较远，应注意降低风筒的漏风量，以保证掘进工作面的降温效果。

［1］周孟颖 .矿井高效节能局部降温技术的研究 ［J］.煤矿机电，2008（3）

［2］刘海军，韩伟峰 .单台TS-300B制冷机在综放工作面的应用 ［J］.中州煤炭，2011（7）

［3］吴建亭，陈星明等 .移动制冷机在深井降温中的应用 ［J］.煤炭科学技术，2010（10）

［4］左金宝，吕品 .高温矿井热源分析与制冷降温技术应用 ［J］.煤矿安全，2008 （11）

［5］徐宁斌，吴奎斌 .姚桥煤矿局部降温技术的研究与应用 ［J］.中国煤炭，2010 （12）

［6］张习军 .矿井热害治理技术及其发展现状 ［J］.煤矿安全，2009（3）

Engineering practice and discussion on condensing heat emission during local cooling engineering

Zhou Tao，Xiang Dong，Chen Yaohui，Wang Guannan
（China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

Three kinds of condensing heat emission programs for the underground local cooling of coal mine were summarized and their advantages and disadvantages were analyzed and compared.On the basis of the local cooling engineering in the high gas drainage roadway of ventilation roadway and conveyor roadway at F15.17-13031 working face in No.13 Coal Mine of China Pingmei Energy Chemical Group，how to make program for the condensing heat emission according to the cooling location and actual working conditions and the relevant issues that should be noticed during making program were described.

colliery thermal hazard，local cooling，condensing heat emission

TD727

A

周涛 （1975-），男，河南许昌人，工程师，毕业于华中科技大学，现任中平能化集团能源化工研究院开采所电气室主任，主要从事煤矿机电、煤矿热害治理等方面研究。

（责任编辑 张艳华）