降温系统季节性制冷能力不足解决方法应用研究

张立洋，闫玉山，刘 超

(1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东 菏泽 274000；2.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053)

降温系统季节性制冷能力不足解决方法应用研究

张立洋1，闫玉山1，刘 超2

(1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东 菏泽 274000；2.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053)

针对赵楼煤矿已安装的井下集中式冷水降温系统，采用统计学方法分析了其季节性制冷能力不足的问题，提出了一种利用矿井余热在矿井井口为矿井全风量降温的系统与方法，地面设置制冷机组，以矿井水作为冷热源，制出低温冷媒水，通过空气冷却器将空气冷却并输送至井下采掘工作面，最终达到降温目的，同时具备矿井冬季供暖功能；设计并安转了无动力换热装置和井口自动门封闭系统。实测应用效果表明：在测试路线上，湿度降幅约15%，温度降幅在4～5℃，下井口由32℃降到20℃以下，工作面进风26℃以下，实现了矿井进风全风量降温，达到治理高温热害的目的。

矿井热害；制冷能力；井口降温；应用研究

0 引言

热害是矿井的自然灾害之一，热源主要包括地热、机电设备放热、煤和矸石放热、风流自然圧缩热四大热源[1-2]，随着开采深度的增加，地热成为高温矿井的主要热源，矿井热害问题日益突出，给矿井的安全、正常生产带来了严重影响。我国已有65对矿井出现了不同程度的热害，其中38对矿井的采掘工作面气温超过30℃[3-4]。《煤矿安全规程》2016版规定“当采掘工作面空气温度超过26℃、机电设备硐室超过30℃时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。当采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室超过34℃时，必须停止作业。”

图1 井下集中式冷水降温工艺流程

矿井热害治理技术主要分为两类：非人工制冷技术和人工制冷技术。当非人工制冷技术不能解决矿井的热害问题时，就要考虑人工制冷技术[5-6]。人工制冷技术已经成为矿井降温的主要手段。自英国最早在井下应用局部空调开始，经历了巴西、南非采用的集中冷却井筒入风流的方法降温，逐渐发展为德国、美国采用的大型矿井集中式空调。我国的井下降温系统也经历了局部制冷降温、井下集中制冷降温、地面集中制冷降温、冰冷低温辐射空调降温等发展阶段。但制冷能力和制冷设备与国外还有一定的差距[7-11]。

1 工程背景

1.1 矿井概况

兖煤菏泽能化公司赵楼煤矿含煤地层为山西组和太原组，主采3号煤层，埋深700～1200 m。采用单一水平开拓方式，机械化放顶煤开采工艺，中央并列抽出式通风方法。工业广场布置主、副、风三个立井。主、副井进风，风井回风。主井净直径7.0 m，井深921.158 m；副井净直径7.2 m，井深936.208 m；风井净直径6.5 m，井深921.096 m。大多数专家认为我国煤矿深井开采的深度可界定为：800～1500 m[12]。赵楼煤矿属于典型的深井开采。由此也带来了高温热害等深井开采的一系列问题。

矿井主要热源有地表季节性气温、地热、空气压缩热、大型机电设备散热及氧化放热等，其中地热为矿井的主要热源。煤层属正常地温梯度为背景的高温区，地层年恒温带为50～55 m，温度为18.2℃，平均地温梯度2.20℃/100 m，非煤系地层平均地温梯度1.85℃/100 m，煤系地层平均地温梯度2.76℃/100 m，初期采区大部分块段原始岩温为37～45℃，处于二级热害区域。根据测算，赵楼煤矿采、掘进工作面空气温度一般在32～35℃。

1.2 降温系统

矿井安装使用了德国WAT公司生产的井下集中式冷水降温系统。该系统主要由制冷机组、冷冻水及冷却水循环系统、空气换热器及电控系统等设备组成。系统装备3台KM3000型制冷机，总制冷能力9900 kW。

单台制冷机组可提供190 m3/h的3～5℃冷冻水，冷冻水经输冷管送至末端空气换热器，利用热交换器与采、掘工作面的热空气进行交换。其间所吸收的热量将使水温上升至16℃左右，再由冷冻水泵使其返回制冷机组再冷，形成冷冻水循环。

冷却塔出来的31℃冷却水经冷却水泵，通过安装在回风井的管路输送到井下，接至制冷机组冷凝器的进水侧，冷却水吸收制冷机的冷凝热后温度上升至40.4℃左右，再由安装在回风井中的回水管返回地面冷却塔进行冷却。

目前矿井共计安装31台空冷器，全部投入运行。其中RWK-450型17台、RWK-350型7台、RWK-250型 5台、QS-200型2台，共计功率11750 kW。其中，采煤工作面进风顺槽布置4-6台RWK-450型空冷器，回风侧布置2台RWK-450型空冷器；综掘工作面和掘进距离较长的普掘工作面布置1台RWK-450型空冷器，环境温度较好或掘进距离较短的普掘工作面布置1台其他型号空冷器。

1.3 存在的问题

降温方案实施后，取得了比较明显的降温效果，但目前存在降温系统制冷能力不足的问题。制冷机组全年运行情况统计见表1，现有制冷机组在冬季(1、2、12月)和春秋季(3、4、5、6、10、11月)能满足矿井用能需求，但每年7月上旬-9月下旬月三个月的时间三台机组全部运行，仍然不能满足矿井制冷降温需求。夏季7-8月份井底车场空气温度达到32℃，湿度为93%左右；当采煤工作面进风巷安设4台空冷器时，进风隅角的温度为26～27℃，湿度80%左右；但工作面风流温升十分明显，工作面回风温度达到33～34℃，严重影响工作效率，采掘活动受到较大影响，严重制约矿井生产能力的提高。

表1 制冷机组全年运行情况表

2 井口降温系统

2.1 技术论证

现有系统的制冷能力主要在夏季出现制冷能力不足，而春秋季和冬季能够满足要求，说明井下气候受地面气候的影响显著，夏季，室外温度较高，相对湿度较大，矿区地面夏季7、8月份的空气热焓比冬季1、2月份平均高60 kJ/kg，夏季气候加剧了井下的高温热害。而冬季寒冷空气是天然冷源，大大缓解了井下高温热害(一般机械制冷降温可降低采掘面的空气热焓为20～30 kJ/kg)，因此，采用地面集中空调系统，夏季将地面空气进行降温除湿处理后送入井下，可以大大缓解井下高温热害。

2.2 工作原理

矿井井口安装使用离心式水源热泵机组地面集中降温系统，在地面设置集中式能源站，由热泵机组制备低温7℃冷冻水，通过管道将低温冷却水输送到设置的主、副井口空气换热站，将进入矿井的空气温度降至20℃以下实现降温除湿后再送入井下工作面，最终达到井下整体降温效果。

2.3 井口降温系统设计

2.3.1 制冷机组配置和工艺

由于地面气候随着季节发生变化，不同时段制冷负荷将随着地面空气负荷的变化而变化。根据负荷软件计算，6月上旬和10月下旬冷负荷为4.5 MW左右，只需一台制冷机组运行即可满足要求；6月下旬、10月上旬、冷负荷为9 MW左右，二台制冷机组运行即可满足要求；9月冷负荷为14 MW左右，三台制冷机组运行即可满足要求；7月、8月冷负荷为18 MW左右，四台制冷机组运行即可满足要求。

考虑到运行的优化，最大限度的节约能源，系统需要总冷量为17282 kW，按照矿井降温对冷负荷的要求，设计选用4台离心式水源热泵机组，单台机组制冷量4500 kW，四台制冷机组运行制冷量18 MW即可满足要求。设备机房布置在一层，设置4台离心式水源热泵机组、5台冷冻水泵、5台冷却水泵、储水池(240 m3)。

2.3.2 冷冻水系统

由冷水机组制备的冷冻水通过架空敷设DN630保温管道通往主井和副井井口换热站，夏季使进入矿井的空气降温，达到要求的送风参数进入井下。

(三)品牌意识和行动缺少持久力导致轻重失衡。品牌是持久实践的产物，持久的探索和完善方可铸成品牌。品牌的标准有哪些？我们可否作这样的基本概括——业内认同、认可并支持；引起社会关注，吸引公众参与；党政满意。这三条指向三个侧重面，目标是育品牌、打品牌，凸现文艺界人士的主体地位和创新智慧。而现实是，绍兴的文艺品牌不多。其原因在于较大程度存在“品牌意识不强，今年办了，明年再说，活动缺乏示范性”、“重活动组织，轻谋划和总结提炼”、“重活动，轻原创”、“活动组织各自为政，统筹力度不够，活动资源在地域、时间上分布不平衡”、“重本级轻基层，重运行轻管理，重眼前轻长远”等失衡问题，必须加以思考，逐步改良和完善。

2.3.3 冷却水系统

设置冷却塔排放系统的冷凝热，冷凝热量为21410 kW，按照冷却水进水温度32℃，回水温度37℃进行计算，冷却水量为3700 m3/h，考虑10%的富裕量，采用2组冷却塔，每台循环水量2000 m3/h。由于厂区供水不稳定，设置集水池，冷却塔回水进入集水池，可以确保水泵的吸水管始终处于满流状态，并起到定压作用，使系统运行稳定，可靠性增强。此外还可以避免冷却塔底盘水位不平衡问题。

2.3.4 井口空气换热系统

采用表面式空气冷却器，与井口构筑物进行一体化设计。动力源采用矿井通风机负压,充分利用矿井通风机的动力，克服有动力换热器所产生的噪音以及有可能产生的火灾事故的不利影响，,满足矿井井口防爆要求。

图2 机房布置图

图3 换热器布置示意图

2.3.5 冬季供热设计改造

为保证冬季进风井口以下的空气温度(干球温度)不低于2℃，赵楼矿原采用在井口安设暖气片，锅炉蒸汽方式供热。现在井口已安设空气换热设备，供热方式为主副井口进风供暖，淘汰了原有的传统供热暖气片工艺。

冬季利用矿井涌水和井下制冷机组的循环冷却水作为热源，由冷水机制冷机组制备40℃～45℃的热水，通过管道将低温冷媒水输送到设置的井口空气换热站，将进入矿井的空气加热到2℃以上。

2.3.6 井口自动门封闭系统

由于井口构筑物是主要运输通道，为确保通风降温效果，需加强井口构筑物密闭和控制，避免风流通过井架和东西两侧的风门进入。沿着铁轨方向，利用A级蓝色防火石棉夹心彩钢板将四周密封，副井东侧密封长约50 m，西侧密封长约20 m。 东侧原有门处设置2个快速自动门，在延伸处布置2个快速自动门。西侧原有门处设置2个快速自动门，延伸处设置3个快速自动门。每道自动门前侧3～5 m处安装自动阻车器，与自动门实现之间闭锁，即自动门打开后阻车器才能打开，阻车器关闭后，卷门允许关闭。

每个快速自动门前后适当距离设置自动感应系统，当矿车运行接近自动门时，被地磁感应探头检测到后，阻车器打开，然后其对应自动门快速开启。待车辆全部通过后，阻车器关闭，然后自动门快速关闭。在前道自动门开启时，其对应的后道自动门保持关闭。当电动门失电时，所有电动门处于开启状态。

2.4 井口降温系统实施

2.4.1 设备机房土建施工

图4 副井口房密闭和控制方案

2.4.2 井口降温制冷系统技术改造

井口制冷降温系统于2014年6月1日正式投入运行，2015年7月对该系统进行了技术改造，在原系统基础上增加井口空气换热器数量并改进自动门系统。经过主、副井空气换热器的风速分别降至1.5 m/s左右和1.0 m/s左右，主井增加换热面积43 m2，副井增加换热面积122 m2。井口全封闭系统漏风率进一步降低。

3 应用效果分析

采取矿井井口制冷降温系统后，井下降温效果体感明显，较往年有显著改善：

(1) 主、副井实测：换热器风阻24-45 Pa(设计风阻109 Pa)、平均漏风率8-9%(设计小于10%)，送风温度小于20℃，湿度约75%(设计温度20℃，湿度95%)；

(2) 矿井降温效果：在测试路线上，湿度降幅约15%，温度降幅在4-5℃，下井口20℃以下，工作面进风26℃以下。

4 结论

(1) 针对矿井原有降温系统出现的季节性制冷能力不足的问题，提出了一种利用矿井余热在矿井井口为矿井全风量降温系统与方法，地面设置制冷机组，以矿井水作为冷热源，制出低温冷媒水，通过空气冷却器将空气冷却并输送至井下采掘工作面，最终达到降温目的。

(2) 矿井通风专用无动力空气换热装置，通过矿井原有通风系统产生的负压将井口房内由无动力空气换热器降温处理的空气输入井下，无动力空气换热器不配备风机，不靠电力驱动，没有噪音，安全洁能。

(3) 高效率的冷(热)源主机，空调系统自带成熟的自控系统，同时具备矿井冬季供暖功能，可根据实际运行工况随机调节机组的出力，从而实现节能运行的目的。

(4) 实现了矿井进风全风量降温，应用效果显著，在测试路线上，湿度降幅约15%，温度降幅在4-5℃，下井口由32℃降到20℃以下，工作面进风26℃以下。达到治理高温热害的目的。

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Application Research on the Method to Solve the Problem of Seasonal Insufficient Cooling Capacity of Mine Cooling System

ZHANG Li-yang1,YAN Yu-shan1,LIU Chao2

(1.ZhaolouCoalMineofHezeEnergyandChemistryIndustryCompanyLimited，YanzhouCoalMiningCompanyLimited,Heze,274000,China;2.ChinaWuzhouEngineeringGroupCorporationLTD,Beijing,100053,China)

Aiming at underground centralized cold water cooling system installed in Zhaolou coal mine,it is analyzed that the seasonal cooling capacity is insufficient using statistical methods.The paper puts forward a kind of system and method to cool the whole mine air using mine waste heat,refrigeration unit is set on the ground produce low temperature chilled water using the mine water as cold and heat source,cool air is transported to underground mining working faces through the air cooler and ultimately achieve the purpose of reducing the temperature,the system has a function of heating in winter.Heat exchanging device without power and automatic door closing system has been designed and installed.Actual application effect shows that humidity drops about 15% and temperature drops of at 4～5 degree centigrade on test line,temperature at lower wellhead drops from 32 to 20 degree centigrade,temperature of inlet air at work face drops to below 26 degree centigrade.The purpose of cooling the whole inlet air to control thermal hazard has been achieved.

mine thermal hazard; cooling capacity; wellhead cooling; application research

2016-06-18

张立洋(1985-)，男，山东枣庄人，大学毕业，助理工程师，兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿普掘一区区长，主要从事煤矿安全管理和矿井基础建设、大采深巷道开拓施工、高温矿井制冷降温技术、煤矿安全培训等方面的研究工作。E-mail：373978530@qq.com

TD727

A

1672-7169(2016)04-0025-05