一级热害区回采工作面移动风冷降温技术

2020-06-08李文福宋战宏张红卫吴奉亮

煤矿安全 2020年5期

李文福，宋战宏，张红卫，吴奉亮

（1.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳713600；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054）

随着煤炭开采向深部延伸，原始煤岩温度升高，高温热害成为深部煤炭资源开采必须面临的问题[1]。孟村煤矿位于陕西彬长矿区中西部，最大开采深度890 m，正在开采的首个回采工作面处于原始煤温34 ℃的一级热害区，回采工作面上隅角风温最高时为32 ℃。尽管通风是最方便、经济的降温方法[2]，但目前孟村煤矿回采工作面配风量已达到1 900 m3/min，通过直接增加风量不仅不能有效改善回采工作面的热湿环境，而且还会加大采空区漏风、增加采空区遗煤自燃风险。因此，急需建立人工机械制冷降温系统。国内外热害明显的矿井多采用以水、冰为载冷剂的人工机械制冷系统，研究表明井深超过3 000 m 后，冰冷系统相比于水冷系统才会显示出更好的经济性[3-4]。另外从制冷系统的不同布置形式来看，国内使用井下集中降温系统的占36%，使用地面集中降温系统的占24%，使用局部移动降温系统的占61%[5-6]，且建立集中降温系统的矿井开采煤层多处于二级热害区。由于制冷系统总体上存在设备昂贵、能耗高等问题[7-8]，因地制宜地构建经济、高效的矿井制冷降温系统受到许多学者的关注，如以矿井涌水作为冷源[9]，利用防尘水、乳化液对回采工作面进行均匀供冷[10]，针对季节性热害在井口冷却全风量[11]等。综上，在矿井空调系统的载冷、排热工艺上形成因地制宜的措施，是学者们提高矿井空调系统的经济性普遍采用的方法。矿用风冷机组具有造价低、冷损小的特点，但其排热困难的缺点限制了它的应用范围。结合孟村煤矿一级热害，回采工作面涌水温度高等特点，提出采用矿井供、排水系统来解决移动风冷系统排热难的问题，将移动风冷技术用于回采工作面热害防治，并对这一思路的可行性在现场进行试验。

1 孟村矿采煤面热害状况及需冷量

1.1 矿井热害状况

孟村井田位于彬长矿区中西部，恒温带深度22～25 m，温度13.5 ℃，井田平均地温梯度为3.76℃/hm。经现场观测，矿井掘进工作面无明显热害，夏季最高风温26 ℃，矿井主要热害集中在回采工作面。矿井首个回采的401101 工作面布置图如图1，采用后退式开采、“U”形通风系统，可采走向长2 090 m、工作面斜长180 m，回采工作面大部分处于一级热害区。工作面涌水主要来自顶板，平均涌水量695 m3/h，水温30～32 ℃，涌水汇入位于工作面进风巷中部的回采工作面水仓，水仓水温基本恒定在30℃。回采工作面回采初期，未采取制冷降温，现场测定的冬、夏两季回采工作面转载机头到上隅角的风流温度如图2。

图1 401101 回采工作面布置图Fig.1 Layout of 401101 mining face

图2 制冷降温前距工作面入风口不同距离风温Fig.2 Temperature distribution at different distances from the air inlet of working face before cooling

从图2 可以看出，冬季工作面上隅角风流温度最高为26 ℃，未出现热害。夏季，工作面进风巷的大部分区域没有超过26 ℃，也无热害现象；但由于回采工作面较长，回采中剥落的高温煤体量大，回采工作面入口风温超过28 ℃，上隅角处达到32 ℃，可见矿井热害主要在回采工作面。

1.2 回采工作面需冷量

对于生产矿井，一般采用式（1）的焓差法来计算回采工作面需冷量Q：

式中：Q 为需冷量，kW；G 为风流的质量流量，kg/s；k 为考虑冷量损失和制冷系统安全性的富裕系数，取1.2；i 为焓值；i1、i2分别为降温前后高温地点空气的焓值，kJ/kg。

式中：t 为空气的温度，℃；d 为空气的含湿量，kg/kg。

式中：φ 为空气的相对湿度，%；p 为空气的压力，Pa；ps为空气温度为t 时对应的饱和水蒸气分压，Pa。

401101 工作面的通风量为1 900 m3/min，取制冷降温前工作面上隅角风温为32 ℃、相对湿度85%；制冷降温后工作面上隅角风温26 ℃、相对湿度95%。现场测得工作面空气平均绝对静压96 635 Pa，平均密度为1.09 kg/m3。根据式（1）～式（4）求得401101 工作面需冷量Q 为885.3 kW。

2 回采工作面移动风冷降温技术

2.1 不同制冷降温系统的适用性

以矿井空调中主要使用的压缩式蒸气制冷机来分析，根据与制冷机蒸发器换热形式的不同，局部移动式制冷降温系统还分为制取冷冻水与冷冻风2种方式。制冷剂通过蒸发器带走被冷却的低温物体的热量，并在冷凝器处将这些热量传给高温处的冷却水。制取冷冻水的方式是指制冷机首先制取冷冻水（与蒸发器换热），再将冷冻水送至工作面近处，通过空冷器冷却风流。局部水冷降温系统布置示意图如图3，这种系统的优点是制冷机的位置在1 个工作面回采期间相对固定、排热方便，但需要铺设冷冻水管路、存在一定的冷损。冷冻风的方式采用蒸发器直接冷冻风流，局部移动风冷降温系统布置示意图如图4，制冷机组随着工作面的回采而不断移动位置，其优点是对风流冷却效果好、不用铺设冷冻水管路，缺点是常需要铺设冷却水管路、排热困难。综上可见，局部移动风冷降温系统更加简单，设备投资小，但由于受排热条件的限制很难将其应用到回采工作面，如能合理解决冷却水的排热问题，则可为回采工作面的热害防治提供新的思路。

图3 局部水冷降温系统布置示意图Fig.3 Diagram of local water cooling system

2.2 回采工作面移动风冷降温技术

图4 局部移动风冷降温系统布置示意图Fig.4 Diagram of local moving air cooling system

经现场观测矿井首个回采工作面平均涌水量为695 m3/h，平均水温ty约32 ℃。矿井涌水经水仓排至地面净化、自然冷却后（夏季约23 ℃），再经供水系统输送至井下使用。根据矿井涌水与供水水温的情况，建立的回采工作面移动风冷降温系统如图5。

图5 回采工作面移动制冷降温系统示意图Fig.5 Diagram of moving cooling system of mining face

该系统使用矿井生产供水作为冷却水，高温冷却水回水直接排入水沟。取制冷系统的能效比为3.5，为达到回采工作面885.3 kW 的需冷量Q，计算得到制冷系统的总排热量Qp为1 138 kW，设计冷却水温升△T 为10 ℃，水的比热容Cs取4.2 kJ/（kg·℃）、密度ρs取1.0×103kg/m3，则冷却水需水量Vs=97.5 m3/h。

式中：Vs为冷却水需水量，m3；Qp为制冷系统总冷却量，℃；△T 为设计冷却水温度，℃；Cs为水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρs为水的密度，kg/m3。

图5 中冷却水回水温度tc（33 ℃，按温升10 ℃计算）在水沟与矿井涌水混合后，进入排水系统。考虑涌水的不均匀性，取工作面进风巷水沟中的平均水流量Vy为180 m3/h，计算制冷机冷却水排水口下游的水温th=32.4 ℃。

式中：th为制冷机排水口下游水温，℃；Vy为进风巷平均水流量，m3/h；Vs为冷却水需水量，m3；ty为工作面涌水温度，℃；tc为冷却时回水温度，℃。

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可见水沟内水的温升仅为0.4 ℃。由于水沟与风流的换热面较小，且后期还可通过增加盖板，或采取减小水沟宽度、加大深度的办法来降低水沟内热水对风流的放热。因此，即便矿井供水水温有升高，致使冷却水回水温度升高，其对进风风流的热污染也不会很明显。同时，在回采工作面进风巷的中部设有水仓，水沟中水流路线较短，这些都有利于减小水沟对风流的散热。

3 回采工作面移动风冷降温现场试验

3.1 试验方案

选用制冷量为450 kW 的ZLF-450 型矿用冷风机组在矿井首个回采工作面进行试验。该机组冷凝器对冷却水的进入温度可放宽至32 ℃，排水温度达40 ℃，机组的其它主要技术参数如下：①电机功率：132 kW；②蒸发器额定冷却功率：450 kW；③蒸发器入口空气温度：32 ℃；④蒸发器入口空气湿度：70%；⑤蒸发器出口空气温度：20 ℃；⑥蒸发器出口空气湿度：100%；⑦蒸发器冷却风量：540～600 m3/min；⑧冷凝器功率：560 kW；⑨冷凝器进水温度：32℃；10○冷凝器出水温度：40 ℃；1○冷凝器中循环水量：75 m3/h。

根据401101 回采工作面需冷量计算结果，回采工作面需配置2 台ZLF-450 型制冷机组。出于试验考虑，在首个回采工作面暂选用了1 台机组进行试验。风冷机组放置在距工作面200 m 处，其蒸发器与主机通过管道连接、分离布置：蒸发器入口接风机、出口接风筒，通过支架高置于带式输送机之上；主机位于带式输送机旁边。风筒将冷风送到距工作面50～100 m 位置，冷却水则直接排至巷道水沟。随着工作面的回采，制冷机组相应移动位置。

3.2 效果考察

制冷降温系统于2018 年8 月调试正常后开始运行。由于矿井供水系统设计时没有考虑制冷系统的用水，因此存在一定的供水不足，试验时对冷却水量分别为30 m3/h 与50 m3/h 时的工况进行了观测、并与实施制冷降温前的风温进行了比较，制冷降温前后工作面风流温度如图6。

由图6 可见，在冷却水供水量为30 m3/h 时，工作面风流温度最大降低1.2 ℃，平均降温1 ℃，工作面上隅角风流平均温度为31.2 ℃，较局部制冷降温前风流温度（32 ℃）降低0.8 ℃。在冷却水供水量为50 m3/h 时，工作面风流温度最大降低3.4 ℃，平均降温2.8 ℃，工作面上隅角风流平均温度为29.8 ℃，较局部制冷降温前风流温度（32 ℃）降低2.2 ℃。从试验结果可以看出，冷却水供水量对制冷机的制冷效果有明显影响。由于当前供水系统只能为制冷系统提供50 m3/h 的稳定水量，因此效果并没有达到设计状态。

图6 制冷降温前后工作面风流温度Fig.6 Air temperature of working face before and after cooling

冷却水供水量为50 m3/h 时系统运转期间不同时刻水温变化曲线如图7。

图7 系统运行温度曲线Fig.7 Temperature curves of system operating

从图7 可见，制冷机在运行32 h 后，系统保持在1 个稳定的状态。来自地面水池的冷却水温度稳定在23.2 ℃，冷却水出水温度稳定在32.3 ℃；回采工作面涌水水温稳定在平均值为30.5 ℃，与冷却水混合后稳定在30.9 ℃，温度上升了0.4 ℃，混合后的水经排水系统进入地面水池自然冷却，再送入井下循环使用。工作面进风巷涌水量180 m3/h，冷却水循环水量50 m3/h，冷却功率531 kW，蒸发器进口空气温度27.4 ℃、相对湿度85%，蒸发器出口空气温度17.2 ℃、相对湿度80%，蒸发器冷却风量600 m3/min，制冷量400 kW，系统的能效比为3.05。

综上，通过优化矿井供水系统，加大制冷机冷却水供水量，可以保证制冷机组正常工作；使用2 台ZLF-450 型机组可达到预期的降温要求。