煤矿井下集中式降温系统设计研究

孙宝明

(山西汾西瑞泰正太丈八煤业，山西 左权 032699)

1 工况背景

某井田地处黄河冲击平原，地势平坦，海拔高度40 ～46.06 m，从西南向东北缓慢倾斜。矿井井底水平标高－895 m，开拓石门进入煤层之后沿煤层底板布置－895 m 水平大巷。初期采区为上山采区，后期在工业场的煤柱内－895 m 水平布置一组石门，平推穿过平楼断层至－ 895 m 水平，利用南北两组－895 m水平大巷进行全井田开拓。根据矿区地质资料，该矿井恒温带深度约为50 m，恒温带温度为18.9 ℃;地温梯度平均值:2.59 ℃/100 m，即地热增温率:1 ℃/38.6 m.该煤矿煤层属正常地温梯度为背景的高温区，具有煤层埋藏深、地温高等特点。主采3(3上、3下)煤层初期开采部分埋藏在－800 m 以下，最深开拓深度－1 200 m.3 煤层底板－750 m 为大于37 ℃的二级高温区(一级热害区:31 ～37 ℃;二级热害区:≥37 ℃).

该煤矿采用中央并列式通风方式，抽出通风方法。副井进风，主井少量进风，风井回风。这也是该矿现行的通风方式。开采后期为解决通风路线长、通风阻力大的问题，井田边界开凿一个新的回风井，形成混合式通风方式。

矿井投产时，布置1 个综采工作面，4 个掘进工作面;投产后期，增加1 个综采工作面和4 个掘进工作面，最终形成矿井2 个综采工作面和8 个掘进工作面。根据测温资料和高温矿井调研结果，该矿井主要设计煤层开采深度为－600 ～－1 200 m，立井开拓，原始岩温为36 ～40 ℃. 采掘工作面水平标高为－895 m，地下热害严重，通风降温不能解决根本问题，需采取机械降温措施。根据《矿井降温技术规范》规定，一级热害矿井(28 ～30 ℃)应加强通风，采掘工作面风流速度应为2.5 ～3.0 m/s;对于二级(30 ～32 ℃)和三级(≥32 ℃)热害矿井，除加强通风、提高风速外，还应采取人工制冷降温措施;对于三级热害矿井若不采取有效的降温措施，则应停止作业。

2 井下集中制冷降温系统工艺流程

该系统需要在井下开凿制冷硐室放置制冷机组，将冷却塔系统和散热设备设置在地面。制冷机组制备出3 ℃的冷冻水，由冷冻水循环泵通过绝热保温管路送至采、掘工作面的空冷器。冷冻水在空冷器内与风流换热，冷却风流，该过程吸收的热量会使水温升高12 ℃左右，之后冷冻水泵会将温度升高后的冷冻水送回制冷机组再次冷却，形成冷冻水循环。

冷却水在制冷机组冷凝器内吸收冷凝热量后，通过井筒内的管路送至地面冷却塔并将热量散发到地面大气中，冷却水散热后又被循环水泵送至井下机组冷凝器内吸热，形成冷却水循环(见图1)。

图1 集中式制冷降温系统工艺流程图

3 主要设备选型及布置

3.1 井下部分

冷水机组是制备冷冻水的核心设备，冷水机组由螺杆式压缩机、冷凝器、油分离器(油收集器)、汽化器和油冷器等设备组成。该煤矿降温系统主要由制冷机组、冷冻水循环、冷却水循环、空冷器及电控系统等设备组成。前期采用2 台KM3000 型制冷机，并联运行，制冷能力约为6 kW，系统预留可扩展到9 kW，每台制冷机的产量为(3 ℃的冷冻水)190 m3/h. 其中，KM3000 型制冷压缩机组拥有自动控制系统，对压缩机组本身，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、润滑油泵站、电动闸阀等设备及相应管路的参数进行监测，并对压缩机组实现自动控制及相关保护功能。选用6 台RWK450 型空冷器、5 台RWK350 型空冷器，冷却水的进、出水温度为31/40.4 ℃;冷冻水循环和冷却水循环过程中损耗的水量，由软化水自动补给。RWK 系列空冷器实物图见图2.

图2 RWK 系列空冷器实物图

1)制冷系统采用KM3000 制冷机组，其冷冻水进出口温度:18/3 ℃、额定流量:115 m3/h、工作压力:4.0 MPa;冷却水进出口温度:32/41 ℃、额定流量:240 m3/h、工作压力:16.0 MPa;机组配备国产压缩机电机功率:630 kW、油泵电机功率:7.5 kW.

2)冷冻水循环泵(3 台)型号为MD155－30X9，额定流量:142 m3/h、扬程:247 m，电机功率:185 kW.冷却水补水泵型号为MD85－45X5，额定流量:85 m3/h、扬程:225 m，电机功率:90 kW.

3)掘进工作面采用RW－450 型空冷器，额定制冷量:450 kW，空冷器冷冻水进出口温度:5/16 ℃、冷冻水额定流量:35.3 m3/h、工作压力:4.0 MPa;RW－350 型空冷器，额定制冷量:350 kW，冷冻水进出口温度:5/16 ℃、冷冻水额定流量:27.4 m3/h、工作压力:4.0 MPa.

3.2 地面部分

1)设置4 台150SS119A 冷却水循环水泵与1 台200S－95 冷却水循环水泵。

2)设置2 个CDW－400ASY－X 角形横流式玻璃钢冷却塔实现对冷却水的冷却。

制冷系统通过地面制冷泵房内2 条直径为377 mm的管路，从风井将冷却水输送至井下制冷硐室内的制冷机组;制冷硐室内安装2 趟直径为273 mm的管路，但在制冷电气硐室门口管路直径变为219 mm，将冷冻水输送至空冷器冷却风流。井下局部通风机将冷却后的空气送至各个掘进迎头，采煤工作面选用的局部通风机链接3 个冷凝器，通过风筒将冷风吹向工作面，选用直径800 mm 的抗静电阻燃软质风筒。

3.3 局部散冷设备

1)综采工作面。选用2 台GK(RWK)350 系列空冷器，每台散冷量:350 kW，基本可以满足工作面降温需求。选取合适位置固定散冷设备，避免在整个回采过程中随着工作面的推进而变动位置。将空冷器布置在工作面进风巷内巷道一侧，第一台空冷器安装在进风巷停采线以外50 ～100 m 处，连接风筒后输送至工作面进风口;第二台空冷器安装在第一台后100 ～300 m 处，不接风筒，风流直接送入巷道。配套风机选用FBDNo.6.3 型(2 ×30KW)对旋局部扇风机，风量:500 ～600 m3/min. 风筒选用直径800 mm的抗静电阻燃软质风筒。空冷器与风筒的连接方式与空冷器的间距根据工作面具体情况而定。综采工作面空冷器布置情况见图3.

2)掘进工作面。掘进工作面选用1 台GK(RWK)350 系列空冷器，散冷量:350 kW，可以满足掘进工作面降温需求。一次性安装散冷设备，迎头掘进过程中，空冷器等设备无需移动位置。空冷器及配套风机安装在进风大巷内靠近掘进巷道处一侧，空冷器前接风机后接风筒将冷空气送至掘进迎头，风筒型号一致。掘进工作面空冷器布置情况见图4.

图3 综采工作面空冷器布置图

图4 掘进工作面空冷器布置图

目前，空冷器与风机连接顺序有两种(见图5):1)由于空冷器本身具有通风阻力，所以将其安装在风机前。2)空冷器本身通风阻力较小，应安设于风机后。实践证明，第二种安装方式风流换热效果较好。

图5 空冷器与风机的组合方式图

各型号空冷器技术参数见表1.

表1 空冷器技术参数表

3.4 输冷系统

1)根据工作面制冷功率总和计算循环回路总管路直径，计算公式为:

式中:

V—载冷剂循环量，m3/s;

uj—载冷剂流速，m/s;

Dx—管道直径，m.

该煤矿制冷总功率为5 W，冷冻水流量:294 m3/h，载冷剂流速为1.5 ～2.5 m/s，取中间值2 m/s，将数据带入式(1)可得循环回路总管路D(内径)≈0.228 m=228 mm. 加上富裕系数影响，最终可选用直径(内径)为250 mm 的矿用钢管。

该煤矿冷却水流量为600 m3/h(冷冻水和冷却水的流量不同是因为各自进出水温不同)。冷却水采用1.5 ～2.5 m/s 的流速，取中间值2 m/s，则冷却水循环回路总管D(内径)≈0.325 m=325 mm. 同样考虑富裕系数影响，最终可选用直径(内径)为350 mm的矿用钢管。

其中，冷冻水管路必须采取保温隔热措施，冷却水管路可不采取保温隔热措施。

2)根据各工作面需冷量以及冷水流量、流速，计算出各分管直径。

综采工作面:2 台RWK350 空冷器，冷冻水流量:54.8 m3/h. 可得综放工作面冷水循环管道分管D(内径)≈0.098 m =98 mm. 考虑富裕系数影响，最终选用内径为125 mm 的矿用钢管。

掘进工作面:1 台RWK350 空冷器，冷冻水流量:27.4 m3/h. 可得综掘工作面冷水循环管道分管D≈0.069 m=69 mm. 考虑富裕系数影响，最终选用内径为100 mm 的矿用钢管。

3)根据总管路的长度、流速、流量，选择合适的冷冻水、冷却水循环水泵。

根据全矿冷冻水管道的落差范围、总长度、冷冻水流速和流量等因素，选择扬程、流量、功率适合的水泵。根据该煤矿井下线路状况和系统制备冷冻水流量，选用扬程为200 m、流量为500 m3/h、功率为250 kW的水泵。

由于制冷机组放置在井下，冷却水由地面冷却塔提供，实施完降温后冷却水又回到地面，所以，冷却水循环回路为“U”型结构，进回水基本能够实现平衡，根据冷却循环管路长度、冷却水流量、落差等因素，地面循环水泵可选用扬程为300 m、流量为720 m3/h、功率为850 kW 的水泵。

4)根据实际情况在管道中安装阀门，一般300 m左右安装一个。

3.5 制冷硐室布置

在该煤矿－900 m 水平选择合适位置开凿硐，建立集中制冷站，安装集中式冷水降温设备，主要包括冷水机组、冷冻水循环水泵、定压膨胀水箱以及配电控制柜等。制冷硐室位置的选择不仅要考虑目前制冷降温的需要，还要考虑未来该水平采区制冷降温的需要。制冷硐室应独立通风，利用风窗进行调风。集中制冷系统布置见图6.

4 结 论

图6 该煤矿井下集中制冷系统布置图

以该煤矿矿井降温系统方案优选为例，从矿井降温方案的拟定到多目标决策优选以及最终确定井下采用集中式降温系统，该煤矿需冷量计算以某一综采工作面为例，该工作面平均原始岩温37 ℃，工作面宽度170 m，平均周长12 m，围岩的不稳定换热系数0.003 856 kW/(m2·℃)，风流的平均密度1.221 kg/m3，风量960 m3/min. 假设降温前进风流的干球温度为27 ℃，相对湿度为80%，回风流的干球温度为33 ℃，相对湿度为100%;降温措施后，风流的干球温度为28 ℃，相对湿度为90%. 设计实施后降温系统效率较高，比其他系统能耗低10% ～15%，达到了预期效果。

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