荆各庄自然水制冷除湿系统在紧急避难硐室中的运用

刘水清

【摘要】总结了荆各庄矿业公司在紧急避险硐室建设中运用自然水冷却除湿技术的实践，为其他矿上在紧急避险建设提供了经验。

【关键词】自然水；制冷；避难硐室建设

引言

国家国家安全监管总局、国家煤矿安监局关于印发《煤矿井下安全避险"六大系统"建设完善基本规范》的通知以来，全国煤矿都在加紧"六大系统"建设。紧急避难硐室，作为作为紧急避险"六大系统"中的建设中的重要环节，需要更多的科技支撑和资金支持。我们在紧急避难硐室建设中，利用稳定的自然水源作为制冷除湿能量，获得了良好的效果。

一、荆各庄避难硐室概况

1.1、立项背景

根据目前国内的现状一个紧急避险硐室设备的配备所需投资约为人均6万元，即一個100人的紧急避险硐室设备的配备所需投资600万元，其中投资量最大的是降温除湿、空气净化两个系统的建立，改如何降低避险硐室的投资量同时又能保证避险硐室符合相关规定标准，成为摆在煤矿科技人员面前的一道难题。针对这一情况，荆各庄矿业公司根据井下的实际情况，对荆矿东翼1134紧急避险硐室降温除湿进行设计改造，用矿井水代替部分降温除湿系统，减少降温除湿设备的投入量，降低紧急避险硐室的投资。

1.2、水源条件

东翼1134紧急避险硐室附近有一个1134泄水巷，出水量比较稳定，常年保持在0.58立方米/分钟，根据地质资料分析此处出水量至少还能保持稳定10年以上。出水点顶板标高比避险硐室底板高2.43米，水温常年保持在16℃，荆矿计划在1134泄水巷筑一道水闸墙高度1.8米，可通过Φ108管路引入避险硐室，在避险硐室安装散热片，矿井水通过散热片来实现避险硐室降温的目的。

1.3、硐室总体布局

本硐室位于1134泄水巷附件，共两个出口，出口距离68m（符合国家规定的两个出口，出口距离≥20m）。本硐室共设置生存室1个、过渡室2个、设备室3个。生存室面积约142m2，去除设备所占空间16㎡，净面积126㎡（符合国家规定生存室人均净面积≥1㎡）；过渡室面积分别是26.5 m2和32.8 m2（符合国家要求过度室面积≥3㎡）；设备室面积均为22.5 m2。硐室额定人数：100人，硐室温度上限：35°C。

二、利用自然水冷却除湿可行性分析

2.1避难硐室耗冷量分析

东翼1134永久避难硐室，硐室埋深约340～500mm，硐室顶及侧壁为400mm厚的砼墙，墙外为围岩，因此，在避难硐室的全部围护结构中，能够形成有效冷负荷的仅有硐室出、入口处的墙壁和防护密闭门，入口处墙壁为500mm厚的砼墙，墙体的导热系数=1.74W/（m·k）；密闭门为钢制门，门板厚10mm，门板的导热系数λ=58.2W/（m·k）；围护结构的内、外表面传热系数均取=8.7W/（m2·k），根据传热系数的计算公式：

式中 K--围护结构的传热系数，W/（m2·k）；

--围护结构的表面换热系数，W/（m2·k）；

--围护结构的导热系数，W/（m·k）；

--围护结构厚度，mm。

可以计算出墙壁和防护密闭门的传热系数分别为：

K墙=1.93W/（m2·k）

K门=4.35W/（m2·k）

避难硐室室外热空气通过围护结构向硐室内传热的过程可以看作是一个稳态的传热过程，根据传热量的计算公式：

Q=KF

式中 Q--围护结构的传热量，W；

K--围护结构的传热系数，W/（m2·k）；

F--围护结构的传热面面积，m2；

--围护结构的传热温差，本方案中=55-30=25℃。

Q围=2×（1.93×（11.55-1.7×1.9）×25+4.35×1.7×1.9×25）=1505W。

2、避难人员的散热量

井下工作人员为男性，井下避难硐室避难人员按男性考虑，一名成年男子在30℃环境中静坐时的显热散热量为43W/人，潜热散热量为65W/人，总的散热量为110W/人，按照100人计算总散发热量110W×100=11000W。

3、设备散热量

蓄冰箱风机功率60w，共4台。空气净化装置40W，共5台。风机功率为76%，总散热量为（60×4+40×5）×（1-0.76）=105.6w

4、硐室总耗冷量

硐室外围传导热+避难人员的散热量+设备散热量=1505+11000+105.6=12610.6w

2.2自然水制冷量

使用自然水制冷，如果使用主管路使用DN100的管道，暖气片使用320片75×75×500的暖气片，其制冷量相当于四台蓄冰制冷空调，

使用DN100的总进水管，按照自由重力水头泄水，泄水流速为0.5m/s。流量为

V=0.05×0.05×3.14×0.5×1000×3600=14130kg/h

按照硐室使用时间96小时，安全系数1.2计算，

14m3×96×1.2=1612m3即需水总量为1612m3。

按照1小时，升高1度所消耗的热量为

14.13×4200×1000=59346000J

折算为59346000/3600000=16.485kw×h

即水温升高1度时候，管道制冷功率为16.485kw。

2、使用320片暖气片的制冷功率

避难硐室的空间，能使用320片暖气片。

使用每片75×75×500规格的暖气片，其功率为140w。取0.3的制冷系数，每片暖气片的功率为140×0.3=42w

其总功率为42×320=13440w

综上所述：

使用DN100的进出自然水管，使用320片暖气片，需要水量为：

1612m3对应16.485kw×h

那么13440w对应96小时、安全系数为1.2的情况下

总水需量为13440×1612/16485=1314.24m3的水

东翼1134紧急避险硐室附近1134泄水巷，常年保持在0.58立方米/分钟，96小时出水量为0.58×60×96=3340m3满足要求。

三、利用自然水冷却除湿效果评价

荆各庄矿东翼1134紧急避险硐室已经按设计施工结束，经过联合试运转，硐室的各项指标均达到设计要求。说明紧急避险硐室自然水冷技术取得成功。使用自然水冷却除湿具有以下及方面有点：

1、自然水冷却除湿系统靠水自重流动不需要额外的电源或动力，这就保证了制冷除湿在灾变情况下稳定可靠运行，增加了避难硐室的安全性和抗灾能力。

2、节省了硐室设备投资。使用制冷空调制冷，每台制冷空调大约需要60万元，荆各庄矿东翼1134紧急避险硐室需要4台制冷空调。使用自然水制冷可节省设备投资费用240万元。

3、节省了设备使用和维护费用。