集中制冷降温技术在高温高湿矿井中的应用

2019-04-09相飞高兴海

山东煤炭科技 2019年3期

相飞王斌高兴海

（山东能源临沂矿业集团有限责任公司王楼煤矿，山东济宁 272065）

随着煤矿开采深度的不断增加，高温热害已经成为矿井最为常见的自然灾害，影响矿井正常生产，威胁井下工人人身安全和健康，实现高温热害的有效治理对于保障矿井正常生产和工人身体健康具有重要的意义。然而在深部工程实践中，由于深部制冷所需冷量大幅增加，常规的矿井制冷技术已经无法保证矿井安全生产的基本需求。本文结合王楼煤矿具体地质生产条件，采用WAT井下集中制冷降温技术进行降温，通过增大矿井通风与WAT制冷相结合的降温模式，实现了井下制冷、井上排热，有效降低了工作面和巷道的温度，改善了作业环境。

1 矿井概况

王楼煤矿位于济宁市中区境内，井田面积93.77km2，可采储量10098万t，主采3上煤层，埋深-650m～-1200m，地温高，大部位于一至二级高温区，平均地温梯度为2.42℃/100m；矿井恒温点的深度为55m，温度为17.5℃。当前，王楼煤矿七采区开采深度达到了1150m水平，围岩温度高达44℃以上，围岩是风流的主要加热源，而且采掘工作面顶底板砂岩出水，出水温度高，导致井下风流中空气湿度大，井下空气相对湿度达90%以上，进一步加剧了矿井热害。

为缓解热害问题，矿井以往采用局部制冷措施，解决了部分区域的高温热害问题，但由于该方法制冷降温覆盖范围较小，随着矿井开采深度增大，制冷效果差，无法满足正常生产需求。因此，决定采用WAT集中制冷降温技术对七采区及以下水平进行综合制冷降温。

2 WAT集中制冷降温系统原理

WAT集中制冷降温系统通过井下制冷、地面排热的模式进行制冷。首先，利用冷水机组制取冷水，用冷水作为冷媒介将冷量输送到井下各需冷地点，其制冷效率较高。然后，通过冷却水系统将井下冷水机组制冷产生的热量以冷却水为媒介，使用钻孔水管输送至地面，经过地面冷却塔将冷却水热量散发后再送入井下机组，达到为机组降温的目的。该系统具有制冷效率高、对地面条件要求较低的特点。WAT系统工作原理见图1。

图1 WAT集中制冷降温系统原理图

WAT制冷机组将制冷剂在制冷机组内形成低温侧（蒸发器端）和高温侧（冷凝器端）。在高温侧，通过从地面经钻孔下的冷却循环水将产生的热量带走，保证机组的正常运行；在低温侧，低温制冷剂将供往采掘工作面空冷器的冷冻循环水进行降温，经过降温的冷冻循环水经冷冻水循环泵供至各采掘地点空冷器。通过空冷器与风机供风进行热交换，为采掘工作面提供凉风，从而达到采掘工作面降温目的。

3 WAT内外部机组原理

3.1 WAT内部机组工作原理

煤矿井下用制冷装置KM3000是生产冷冻水的中央设备，所使用的制冷剂是R22，这种制冷剂不燃烧，无毒，允许井下使用。其工作过程如下：（1）R22吸收热量后蒸发成气体，气体被压缩机吸入，压缩成为高压、高温的R22气体，继续抽送至冷凝器，继续吸收电动机内的多余热量；（2）R22蒸汽将热量传送给冷却水后演化为液态R22，节流阀将液态R22分批次补充给蒸发器，保证其连续工作。R22降温的过程就是将制冷对象的热量强制输送至冷却水中，以使制冷对象达到需求温度3℃，冷却水将吸收来的热量通过蒸汽方式排送至大气中。见图2。

图2 WAT内部机组工作原理

3.2 地面凉水塔工作原理

凉水塔采用烟台荏原的方型横流式超低噪音冷却塔，其主要通过蒸发作用来排出工业上或制冷空调中产生的废热。其工作的基本原理是：干燥(低焓值)的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内；饱和蒸汽压力大的高温水分子向压力低的空气流动，湿热(高焓值)的水自播水系统洒入塔内。当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温的目的。见图3。

图3 凉水塔工作原理图

4 工程实践

王楼煤矿采用WAT集中制冷降温系统，以27302综采工作面为研究对象，在工作面上、下顺槽，具体安装位置为工作面进风巷安装2台450kW空冷器，进风巷工作面切眼以南200m安装2台450kW空冷器，为工作面进风降温，流量141m3/h，流速1.06m/s；回风巷共安装2台450kW空冷器。安装位置如图4所示。

图4 工作面集中式布置示意图

经实测，27302综采工作面温度降低了4～5℃，降至27℃以下，掘进工作面温度降至25℃以下，满足采掘工作面温度要求。井下机械设备故障率下降了30%，彻底消除了职工中暑现象，同时提高了工作效率。掘进进尺每个大班由原来的5m提高到降温制冷后的8m，效率提高了60%；采煤工作面推进度每个大班由原来的4m提高到降温制冷后的6m，效率提高了50%。如表1所示。