大采深大型矿井井下降温设计研究

牛永胜，王建学

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083； 2. 华北科技学院，北京 东燕郊 101601；3. 北京矿大节能科技有限公司，北京 100083)

0 引言

随着矿井采深的增加和采掘机械化程度的不断提高，我国矿井高温热害问题就更加突出，据我国煤田地温观测资料统计，我国煤矿平均地温增高率(地温梯度)为2～4℃/hm(1 hm=100 m)[1]。大部分高温矿井(约占90%)开采深度大、岩石温度高。

《煤矿安全规程》明确规定：采掘工作面空气温度不得超过26℃, 机电硐室的空气温度不得超过30℃, 并且当上述两项工作地点的空气温度超过30℃ 和34℃时, 必须停止作业[2]。

朱集西煤矿位于淮南市潘集区，设计生产能力400万吨/年，朱集西煤矿水平标高为-960 m，而该矿恒温带深度为30 m，温度为16.8℃，平均地温梯度2.78℃/hm，水平工作面地温达到43.49℃以上，是典型的高地温矿井。根据井下气象环境预测，部分工作面将出现36℃以上、相对湿度97%以上的高温、高湿工作环境，远远超过我国《煤炭安全规程》的规定，因此必须进行进行降温。

为合理、有效、经济地降低工作面温度，在充分发挥开采技术措施和通风降温的同时，必须采取人工制冷降温措施，以改善井下作业环境，保护矿工的身体健康，提高劳动生产效率。

1 朱集西矿井下降温冷负荷分析

影响本矿井热环境的因素较多，分析归纳认为主要有以下几个方面。

1.1 地面大气环境

矿井风流由地面进入井下，地面大气环境对井下风流气象条件的影响较大。朱集西矿地处淮河冲积平原，属季风温暖带半湿润气候，季节性明显，夏季炎热。根据邻近凤台县气象台站连续10年气象观测资料统计，4月份平均气温为19.3℃，相对湿度70.9%，大气压力为101160 Pa，6～9月份天气较热，7月份最热，平均气温为31.9℃，相对湿度为81.8%，大气压力为100091 Pa。由于夏季地面入风温度较高，且温、湿度较大，导致井下风流温度较高，湿度大。

1.2 地质地热环境

根据淮南九龙岗长期观测孔资料，恒温带深度为30 m，温度为16.8℃。朱集西矿测温孔地温梯度为2.44～3.01℃/nm(仅一个孔)，平均地温梯度2.78℃/hm，属地温梯度正常区，区内中深部存在正常地温背景下的高温区，一级高温区(≥31℃)一般在-504～-630 m 以下，二级高温区(≥37℃)一般在-701～-880 m 以下。

1.3 矿井生产环境

矿井开采所形成的生产环境对井下热环境具有直接的影响，如高温岩壁散热、机电设备运转时散热、运输中的煤及矸放热、通风风流的压缩热以及采掘裸露煤岩的氧化散热等[3]，都将与矿井风流发生热交换，使井下风流温度升高。

1.3.1 高温岩壁和煤壁散热

朱集西矿矿井煤层埋藏深，地温高，大量地热通过高温岩壁和煤壁以辐射和与通风流对流形式传导至矿井通风流中，是导致井下高温环境的重要因素。

1.3.2 机电设备运转时散热

朱集西矿开采强度大，井下采、掘、运等各生产环节机械化程度高，机电设备的装机容量较大。综采工作面生产能力1.0 Mt/a～4.0 Mt/a，装机容量为6000 kW～7000 kW。

煤巷普掘工作面设备平均功率为200 kW，综掘工作面设备平均功率为350 kW。

1.3.3 运输中的煤矸放热

从采掘工作面采落下来的煤矸，温度接近围岩的初始温度，将其从采掘工作面运送至地面的过程中，煤矸便将自身热量传递至风流中，引起风流温升。

1.3.4 风流压缩热

朱集西矿开采深度大，一水平标高-780 m，二水平标高-950 m，风流自然压缩使风流温升较大。

1.3.5 氧化放热

朱集西矿大多数煤层属易自燃煤层，煤和含煤、含硫围岩的氧化散热，也是局部气温升高的热源。

1.3.6 人体散热

煤巷人数按照25人计，岩巷人数按17人计，回采工作面人数按40人计。

综合考虑以上因素，朱集西井下降温冷负荷统计如表1：

表1 井下降温冷负荷表

从上表可以看出朱集矿在建设期主要是掘进头降温，投产后有1个回采工作面需要降温，生产期有2个工作面需要降温，同时在生产后期还有个掘进头需要降温，因此设计井下降温装机规模按生产后期负荷考虑。

2 井下降温方案

2.1 制冷方式选择

井下降温措施较多，归纳起来有两种:其一为非机械制冷降温措施，即加强矿井通风，一般来说，在地温在35℃以下时，产生热害通过加强通风方法可以解决[4]。其二为机械制冷降温措施，即对井下工作环境进行空气调节;在地温达到35℃及以上时，单靠加强通风不能达到温度要求，必须采用机械制冷降温方式，朱集西矿低温达到了43.49℃以上，远超过了35℃的限制要求，因此必须采用机械制冷降温方式。

机械制冷方式以制冷机组的设置位置不同，通常使用的移动式井下局部制冷、井下集中制冷和地面集中制冷三种形式。

2.1.1 移动式井下局部降温

热害程度不是很严重，对个别气温超限地点，可以采取局部机械制冷降温措施改善工作面的气象条件[3]。

朱集西矿热害严重，移动式井下降温，冷凝热排出困难，根据临近高温矿井的经验数据，矿井回风流温度可能超过32℃，利用回风流散热效果很差，造成制冷机制冷能力严重下降，达不到设计降温效果，故在朱集西矿不宜采用移动式井下局部制冷设备降温。

2.1.2 井下集中制冷降温

井下集中式系统是指把冷凝散热设备冷却塔设置于地面上，制冷主机、循环水泵房、末端装置空气冷却器及管路系统均设置于井下的降温系统。

目前井下集中制冷设备仅国外有推向市场的产品，造价很高，并且电机和控制设备都需防爆保护，很不经济。同时井下集中方案存在井下降温硐室安装空间受限，可安装的制冷机组总能力有限，因此本设计不推荐采用井下集制冷方案。

2.1.3 地面集中制冷降温

这种制冷方式是将井下降温制冷主机和冷却水系统及设备设于地面制冷站，在井下设置换冷机房、循环水泵房、末端装置空气冷却器及管路系统。设备的冷媒水通过隔热的管路送至井下，通过空气冷却器冷却风流。

朱集西矿矿井垂直深度超过900米，根据《煤炭工业矿井设计规范》井深大于600 m时，采用地面集中空调系统的冷量传输必须有耦合装置及高低压换热装置，目前该装置已经可以国产。

采用地面集中制冷放冷凝方便、设备安装、维护方便、安全可靠，既可以满足朱集西生产后期降温需冷量的要求，同时设备全部可以国产，单位投资较低、系统效率高、井下降温效果好，因此选用地面集中制冷方案。

2.2 制冷参数确定

根据《煤矿井下热害防治设计规范》的要求，当采用地面集中制冷降温方式时，制冷机出水温度不应高于3℃。

制冷参数的确定与设备选型密切相关，也影响到设备的选型。制冷机出水温度低，便于井下一、二次系统采用国产间接交换方式，有利于降低工程投资，也有利于井下除湿；冷媒水进出口温差大，可降低系统冷媒水循环量，有利于减少冷媒水输送设备的容量，并降低运行费用。

为此，本设计考虑地面集中制冷站出水温度2.5℃，回水温度18℃

2.3 井下降温工艺流程

如图1所示，地面集中制冷，冷凝热由闭式循环冷却水经冷却塔直接排放于大气，地面设2个制冷单元，每个制冷单元通过两级制冷，一级电制冷机组负责主要冷负荷，冷媒水进口温度设计为18℃，出水温度为5℃，二级电制冷机组低温工作效率偏低，负责剩余冷负荷，设计进水温度为7℃，出水温度为2.5℃，两级制冷量和为6000 kW。

2.5℃的一次冷冻水经地面制冷机房的一次循环泵送至井下降温硐室，通过高低压换热器，转换成6.5℃二次冷冻水送到各个用冷点，在各个用冷点通过井下空冷器将冷量释放出来，井下供回水温差按12℃设计考虑。

2.4 制冷机房的建设

根据表1各期需冷量可知，朱集西矿各时期井下降温冷负荷变化分为两个阶段，建设期和投产期降温负荷较小，生产前期和生产后期降温负荷较大。因此，地面制冷机房建设规模可分期建设。生产后期可建设2个6000 kW制冷单元满足降温需求。由于生产前期需要地面集中制冷量达到7650 kW，一个制冷单元不能满足降温需求，设计考虑与矿井同步建设2个6000 kW制冷单元，预留扩建1个6000 kW制冷单元的位置。

图1 地面集中式系统流程图

2.5 井下降温硐室布置方案

井下降温硐室布置主要考虑高低压换热器、二次循环水泵，二次水不是定压装置和水泵配电。

为在有限的空间内留有未来扩建的余地，设计考虑布置2套10 MW换热能力的高压换热器。

由于前后期供冷量的差异导致二次系统运行流量有变化，为使二次循环水泵适应因流量变化导致的扬程变化，设计考虑二次水泵采用变频控制，设计考虑配置3台变频泵，2用1备。

二次循环水系统的定压补水装置、过滤装置一次建成。

2.6 井下输冷管路系统设计

输冷管路沿着轨道大巷布置，回采面降温管布置在胶带机顺槽内。

井下输冷管道的主干管采用法兰连接，末端采用快速接头连接，以便于管道随着采、掘工作面的推进而拆装。

输冷管道在巷道中的安装位置,应尽量结合洒水、压风管路一并统一考虑；但应遵循不影响行车、行人、安装维护方便等原则，管道上应每隔一段涂上特殊标记加以区分，便于管理。

根据《煤矿井下热害防治规范》，输冷管流速宜取1.9～2.5 m/s[5]，管道设计压力设计为4.0 MPa，输冷管壁厚按此压力等级选择。

2.7 井下降温末端设备

2.7.1 掘进工作面空冷器的布置

设计考虑把空冷器布置在掘进工作面距迎头不大于100 m处的进风风筒，经空冷器降温后的风由双层风筒接至掘进面迎头，空冷器随着掘进头的推进向前移动，每推进100 m向前移动一次。

空冷器自身不带动力，掘进头局扇选型时序考虑克服空冷器的阻力。空冷器水管与冷媒水主干管采用金属软管连接。

2.7.2 回采工作面空冷器的布置

设计考虑回采工作面空冷器布置在皮带顺槽内，回采工作面空冷器根据用途分为预冷却空冷器及工作面降温空冷器两种。预冷却空冷器承担消除皮带顺槽内的沿途得热负荷，为回采工作面进风起到预冷作用。工作面降温空冷器承担消除工作面的沿途得热负荷，为回采工作面降温。

考虑到空冷器设备经常在井下搬动，选用一种规格便于互换，设计选用400 kW交换冷量的空冷器。

工作面降温空冷器布置在皮带机顺槽靠近采煤面100 m之内的位置。该冷却器随着采煤面的回采，间隔一定时间需向后移动。

3 结论

1) 分析朱集西矿井下降温冷负荷产生的环境和热害特点。

2) 分析了井下降温常用的制冷方式，并针对朱集西矿的热害特点，提出采用地面集中降温的制冷方式，并确定了降温用制冷参数。

3) 设计出了朱集西矿地面集中降温的工艺流程，并确定了地面制冷站的规模、井下硐室布置方案、井下输冷管路、末端降温设备的设计要点。

综上所述，本文针对朱集西矿这种矿井深度超过900 m、热害突出的典型高温矿井，进行了设计研究，提出采用地面集中两级制冷，井下通过高低压换热器解决大采深矿井静水压大的难题，提出了采用国产设备解决类似矿井井下高温热害解决方案。

[1] 卫修君,胡春胜.矿井降温理论与工程设计[M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[2] 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全操作规程[S].

[3] 王文,桂祥友,王国君.矿井热害的治理[J].矿业安全与环保, 2002,(6): 31-33.

[4] 胡汉华.深井高温矿山通风与降温技术研究动态[J].金属矿山, 1999,(7):37-46.

[5] 中国煤炭建设协会.煤矿井下热害防治设计规范[S].北京.中国计划出版社, 2007.