液氮降温系统在煤矿的运用

张红霄

液氮降温系统在煤矿的运用

张红霄

（上海众一石化工程有限公司宁夏分公司，宁夏银川 750001）

近年来在煤矿矿井采掘深度不断加深的影响下，出现的矿井热害问题逐渐称成为相关人员思考的重点问题。当前阶段，较为常用的下行通风降温形式一般只可以控制工作面温度为31℃，然而这并不能从实质上解决高温热害的问题。因为液氮降温系统是现阶段应用较为普遍的一种全新技术，同时也具备降温以及防灭火的功效，为此，在相关领域得到广泛的推广。

液氮降温系统；煤矿；应用

1　矿内热源阐述

矿内热源种类与数量均较多，一些热源散发热量的多少在于流经该热源风流温度、水蒸气分压力两方面。例如岩体放热与水、风流之间热湿交换便是如此，通常情况下，这是相对热源或是自然热源。另外一类热源散发热量的多少与风流温、湿度并没有决定性的关系，只是与其在生产过程中发挥的作用有关，例如机电设备放热，为此，也可被称作绝对热源或是人为热源。

传统的矿井降温系统由制冷剂（refrigerant）、载冷剂（Loading Cooler）（冷水）和冷却水（Cooling water）三个独立的循环系统组成。该系统的主要缺点有：系统复杂、设备分散、不便管理。

2　液氮降温基本原理与优势

在液氮温度为-196℃时，其主要呈现为无色无味的液体，微溶于水，且性质较为稳定，液体本身无腐蚀性，液氮密度为（水=1g/cm3）0.81g/cm3（-196℃），对于液氮而言，其基本的成分主要是分解产物的氮气。通常情况下，被氮气化的问题为0℃，其自身的体积在这种状态下会膨胀为原来的643倍。

2.1降温及防灭火系统合二为一

工作面降温及采空区防灭火系统来自储罐的液氮经过低温保冷管道输送到减压阀，经减压阀后进入液氮气化换热装置，在汽化换热装置中液氮汽化放出大量的冷量与新空气进行换热，经换热后的气氮一部分到采空区用于防灭火，另一部分送到回风巷放散。

新鲜空气来自地面，选用局散风机作为新风的输送机械，新空气在换热装置中与液氮进行换热，使新风温度降到适宜温度（由于冷空气在传输过程中，矿井内岩层放热会使冷空气损失大量的冷量。因此，实际控制新风的冷却温度要考虑传输过程中的冷损失），经过保冷管输送到工作面，实现改善矿井工作面高温环境的目的。

2.2系统流程

如前所述，综合分析各种制冷流程的优缺点，根据煤矿现有装置局限性的实际条件，实际操作时选定井下局部集中制冷流程，采用局散风机强制送风。

液氮管线设置流量调节阀，利用换热器出口气氮温度来控制液氮进料流量，将此温度恒定为定值，既保证气氮碳钢管道的安全运行，也实现液氮进料量的控制。

具体流程如图1所示。

图1　流程图

3　系统存在的不足与分析

3.1管道保温

地面液氮在管道的作用下，可以将液体输送到煤矿井之中，由于液氮自身性质的作用，需要对管道进行保温处理，但是，在液氮管道运行的过程中，主要是利用了地面进行钻进管道的处理，钻井套管，对管道保温工程进行综合考虑。

3.2热胀冷缩问题分析

对于氮而言，在-196℃的环境下，当温度超过了-196℃时，液氮将呈现出汽化的状态，因此，在这种状态下就会发生热胀冷缩的现象，其系统中的液氮管道中就会发生热胀以及冷缩的问题。

3.3地下水的影响问题

在钻孔套管套管直线距离设计的过程中，其直线距离应该接近470m，从而导致大量地下水沿外壁累积并出现下流的现象，从而使套管中的空气湿度不断增大，同时，在此种环境下，也逐渐加速了氮气在输送过程中的气化量。

3.4影响管道应力的问题

在煤矿工程项目设计及管道应力分析的环境下，液氮在输送的过程中，经常会存在着热胀冷缩的现象，其中氮气管道也在某种程度上产生应力反应，所以，在系统设计中，通常存在两处生产管道的应力。

4　结束语

在煤矿矿井的生产中使用液氮降温系统，不仅可以优化工作环境，提升生产效率，同时也能够为易自然煤层CO的预防与治理提供了经验支持，全面提高工作面防灭火技术，并且具有一定的应用前景。但是，在不同区域工程施工的环境下，由于煤矿利用液氮系统会降低液氮系统降温的现象，所以，需要对技术及经济问题进行综合性的对比，保证液氮气源的充足性。通过对应用问题的最佳分析，在液氮气源较为缺乏的地区，则要结合实际状况进行全面的考虑。

［1］ 原芝泉，万鹿贵.液氮防灭火系统在煤矿中的应用［J］.煤炭工程，2013，（3）.

［2］ 国家安全生产监督管理局.国家煤矿安全监督局.煤矿安全规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2012.

［3］ DB/OL液氮防灭火工程设计［S］.

［4］ GB 50125—2005煤炭工业矿井设计规范［S］.

Application of Liquid Nitrogen Cooling System in Coal Mine

Zhang Hong-xiao

in recent years，under the influence of the deepening of the mining depth of coal mine，the problem of heat damage appears gradually called the key issue of the relevant personnel thinking.The current stage，more commonly used in the form of cooling ventilation can only control the working surface temperature of 31 degrees，but this does not solve the problem of high temperature heat damage in essence.Because liquid nitrogen cooling system is a new technology which is widely used in the present stage，it also has the function of cooling and fire prevention.

liquid nitrogen cooling system；coal mine；application

TD727.2

A

1003-6490（2016）06-0184-02

2016-06-06

张红霄（1982—），男，河北保定人，工程师，主要研究方向为化工设计。