基建矿井热害分析及风温需冷量预测

尹万才

(山东能源集团有限公司,山东省济南市,250014)

基建矿井热害分析及风温需冷量预测

尹万才

(山东能源集团有限公司,山东省济南市,250014)

根据矿井热害发展特点,结合现场实际,将基本建设矿井存在的热害划分为井筒掘进到通风系统形成阶段、大巷掘进至生产系统形成阶段、正常生产阶段3个阶段。对矿井热害热源进行了简要分析。根据经验公式,对不同施工阶段风温进行预测,在此基础上对陈蛮庄矿井不同阶段降温需冷量进行计算。测算结果经陈蛮庄矿井现场验证与实际基本相符合。通过分阶段预测风温并据此测算各阶段需冷量,对于基建矿井的热害治理具有一定的借鉴意义。

基建矿井 井筒掘进 大巷掘进 热害 风温 需冷量 预测

随着浅部煤炭资源的日益枯竭,开采水平的不断延伸,我国东部许多基建矿井第一水平埋深已达到800～950 m,受地热影响,矿井热害问题比较突出。井下温度高,施工环境差,不仅降低劳动效率,还将直接影响作业人员的身体健康,威胁矿井安全,高温热害已成为威胁深井安全生产的自然灾害之一。目前,我国矿井热害问题研究治理大多针对深部开采的生产矿井,对基建矿井热害相关问题的分析研究较少。本文对基建矿井热害有关问题进行了初步分析探讨,并结合实例对基建矿井不同阶段的风温、需冷量进行预测,对类似条件矿井的热害治理具有借鉴意义。

1 基建矿井热害发展阶段划分

根据不同施工阶段热害特点将基建矿井热害发展分为3个阶段。

1.1 井筒、井底车场掘进至通风系统形成阶段

矿井建设过程中,因井筒初期在浅部掘进,基本不存在热害问题。随着井筒深度的增加,地热影响越来越明显,当掘进深度大于800 m时,井筒掘进便遇到地温明显升高的问题,如赵楼煤矿井筒掘进至820 m时掘进头平均风温29.4℃,陈蛮庄煤矿井筒掘进至800 m时平均风温在28.8℃,对安全生产造成了影响。

井筒掘进到底后施工井底车场,因通风系统未形成,供风量相对较少,风流对围岩的降温作用小,岩壁温度基本处于原始岩温状态,热害问题明显。通风系统形成之后,风量加大,围岩与风流热交换作用加强,围岩表面温度降低,热害状况会得到一定程度的缓解。

1.2 大巷掘进至生产系统形成阶段

随着生产水平大巷和采区巷道的不断延伸,巷道围岩大面积揭露,围岩散热面积范围增加,对矿井风流加热作用明显;同时掘进、运输机械设备大规模使用过程中散热明显,也使巷道温度升高;最后矿井涌水带来部分热量也增加了矿井温度,矿井涌水一般体现原始岩温,而且水与空气的热交换系数远大于岩石与空气的热交换系数,进一步加剧了巷道热害。这一阶段,热害问题经常出现在长距离掘进工作面回风流中。

1.3 生产阶段

生产阶段,矿井各大生产系统已形成,采煤工作面正式投产。因回采工作面采空区大面积围岩暴露,散热面积扩大,而且工作面布置了大功率的采煤机电运输设备,造成回采工作面热害比较集中;另外,因通风运输网络系统进一步延长,也加剧了热害形成。此阶段,热害在回采工作面与通风网络较长的掘进巷道中比较明显。矿井生产后期,随着采区布置向矿井深部延伸,通风运输网络越来越长,矿井热害问题日益严峻。基建矿井热害发展曲线如图1所示。

图1 基建矿井需冷量变化规律示意图

2 矿井热害热源分析

2.1 围岩散热

恒温带以下地层随埋藏深度的增加其温度也相应增加,形成一定的地温梯度。地层岩层温度与地层埋深、区域地质构造(褶皱、断裂)发育程度、岩浆活动、岩层的导热能力等因素有关。不同地质区域地温梯度和地层温度是不一样的。

埋深较大的矿井井巷工程揭露岩层后,周围岩体与空气风流介质进行热交换并向工作面散热,风流与围岩的热交换过程是一个很不稳定的热、湿交换过程,因风流与围岩的热交换导致工作面气温升高,因此井巷工程围岩岩体散热是矿井热害的主要热源。

2.2 地表大气温度

地表大气温度与湿度的季节性变化对矿井井下气候有一定影响。地面空气温度变化直接影响矿井内空气温度,尤其对浅井影响更为显著;地面空气温度的季节变化和昼夜变化也会导致矿井通风路线气温相应地发生变化,这种变化随风流在井下运移距离的增加而减弱。

2.3 机电设备散热

井巷工程的挖掘设备,各类巷道的带式输送机、绞车等运输设备,泵房变电所的水泵、供配电设备,采煤工作面的采煤机、刮板输送机等设备除了维持正常生产所做的大部分有用功之外,还有部分电能转换为热能;另外设备磨损也造成部分热能。这些热能散发到井巷风流中造成矿井温度升高。其中回采机械设备放热是采煤工作面气温变热的重要因素,可使风流温度上升2～5℃。

2.4 风流的自压缩(或膨胀)热

矿井深度变化会使空气受到的压力状态发生变化,当风流沿井巷向下(或向上)流动时,空气的压力值增大(或减小),空气的压缩(或膨胀)会出现放热(或吸热),从而使矿井温度升高(或降低)。

3 矿井风温及降温需冷量预测实例分析

由于受地层构造条件、矿井热源条件、矿井埋深、井巷通风运输网络系统等众多因素的影响,基建矿井风温预测十分复杂。目前风温预测的方法包括理论研究、数值模拟、现场测试统计等。因矿井热害环境条件的复杂性,风温预测往往存在一定误差。本文结合以上分析,根据有关经验公式,以陈蛮庄煤矿为例,对该矿建井各阶段风温及降温需冷量进行预测。

3.1 煤矿概况

陈蛮庄矿位于鲁西南单县煤田,为立井开拓,井底水平标高为－895 m,设计开采煤层深度为－600～－1200 m,原始岩温为36～42℃,地温梯度平均2.59℃/100 m(地热增温率1℃/38.6 m)。大巷掘进时期主要有西翼回风大巷、西翼带式输送机大巷、西翼轨道大巷、东翼集中轨道上山、东翼集中带式输送机上山5条大巷。矿井生产前期布置了4个掘进工作面、一个综采工作面。目前矿井开采3＃煤层,煤层底板标高在－750 m以下,采掘工作面温度超过37℃,属于37℃以上的二级高温区。

3.2 井筒风温预测

在井筒通风量较大的情况下,井筒围岩对风流的热状态影响较小,决定井筒风流热状态的主要因素是地表大气条件和风流在井筒内的加湿压缩过程。根据有关经验公式参数对陈蛮庄矿主井井筒风温进行预测。该井筒深度900 m,地面入风温度25℃,地面相对湿度80%,井底相对湿度85%,地面大气压力101.325 k Pa,井底大气压力108 k Pa。预测结果如表1所示。

表1 风流温度预测

3.3 掘进工作面风温预测

风流通过巷道的热交换过程是相当复杂的,以压入式通风条件下的掘进工作面为例,风流在掘进工作面的热交换主要是通过风筒进行的,其热交换过程一般可视为等湿加热过程。风流从风筒口射出后,又与掘进头附近区的围岩发生热交换,如图2所示。

图2 掘进工作面风温预测示意图

根据有关经验公式对该矿掘进工作面风温进行预测。风温预测地点为陈蛮庄东翼集中带式输送机上山掘进工作面,东翼集中带式输送机上山全长564 m,起始点风温27.3℃,湿度0.85,大气压力108.5 k Pa,局部通风机最大吸风量320 m3/min,掘进头有效风量260 m3/min,风筒直径800 mm,通风机功率2×18.5 k W,围岩散热系数取0.002 k W/(m2·k－1),局部散热量之和取20 k W。预测结果如表2所示。

表2 掘进工作面风温预测值与实际值比较

3.4 采煤工作面风温预测

风流通过采煤工作面为增温加湿过程,工作面环境与风流间的热、湿交换是同时进行的。根据有关经验公式对回采工作面风温进行预测。预测地点为陈蛮庄煤矿3101工作面,该工作面设计运输巷长673 m,工作面长120 m,工作面产量3500 t/d,该面内装机容量1205 k W,大气压力107.3 kPa,围岩原始岩温42℃,围岩不稳定换热系数取3.025 W/(m2·k－1),机电设备系数取0.8,氧化放热系数为5.187 W/m2,氧化面积520 m2,预测风流温度如表3所示。

表3 采煤面风流温度预测值

3.5 矿井降温需冷量计算

根据风温预测数据和实测数据计算采掘工作面的需冷量,如表4所示。

表4 矿井作业地点需冷量

3.5.1 井筒、井底车场掘进至通风系统形成阶段

矿井热害治理区域主要集中在深部井筒掘进面与井底车场。井筒、井底车场共3个掘进工作面,冷负荷取1.2的附加系数,则矿井降温总需冷量为:125.6572 k W×3×1.2＝452.4k W。

3.5.2 大巷掘进至生产系统形成阶段

大巷掘进时期主要有西翼回风大巷、西翼带式输送机大巷、西翼轨道大巷、东翼集中轨道上山、东翼集中带式输送机上山5条大巷,西翼大巷掘进面3个需冷量取1.3附加系数,东翼巷道掘进工作面2个取1.2附加系数,则矿井降温总需冷量为187.776 k W×3×1.3＋187.776 k W×2×1.2＝1183 k W。

3.5.3 生产阶段

矿井生产前期布置4个掘进工作面、1个综采工作面,每个掘进工作面及综采工作面制冷量取1.2的附加系数,矿井降温需冷量为:187.776 k W×4×1.2＋809.5474 k W×1.2＝1872.78 k W。

矿井生产后期布置8个掘进工作面、2两个综采工作面,每个掘进工作面及综采工作面制冷量取1.3的附加系数,矿井的总降温需冷量为: 187.776 k W×8×1.3＋809.5474 k W×2×1.3＝4057.69 k W。

4 结论

(1)根据矿井热害发展特点,结合现场实际,将基本建设矿井存在的热害划分为井筒掘进到通风系统形成阶段、大巷掘进至生产系统形成阶段、正常生产阶段3个阶段;对矿井热害热源进行了简要分析。该分析意见对基本建设矿井的热害分阶段治理提供了参考依据。

(2)结合基建矿井实例,根据有关经验公式,对不同施工阶段风温进行预测,在此基础上对陈蛮庄矿井不同阶段降温需冷量进行计算。测算结果经陈蛮庄矿井现场验证与实际基本相符合。通过分阶段预测风温并据此测算各阶段需冷量,对于基建矿井的热害治理具有一定的借鉴意义。

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(责任编辑 张艳华)

Analysis of heat harm and prediction of cold requirement of air cooling in the capital construction coal mine

Yin Wangcai
(Shandong Energy Group Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250014,China)

According to development characteristics of coal mine heat harm,combined with the actual field,the heat harm which existed in the capital construction coal mine can be divided into the stage of shaft sinking into the ventilation system forming,the stage of main gate driving into production system forming and the stage of normal production.A brief analysis of the heat source of heat harm was made,and then the air temperature of different construction stages was predicted according to the concerning empirical formulae.cold requirement of air cooling of different stages in the Chenmangzhuang coal mine was calculated on the basis of air temperature prediction,and the prediction results by coal mine onsite verifying were basically in keeping with the actual,It was significant for heat harm treatment of the capital construction coal mine by predicting the air temperature and calculating the cold requirement of different stages.

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TD727

A

尹万才(1966－),山东昌乐人,研究生学历,1988年毕业于山东矿院地质专业,现在山东能源集团工作。