热害矿井采暖期回风余热循环利用实例

文_王旭 宁夏煤矿设计研究院有限责任公司

1 项目背景

随着煤矿开采深度越来越深，矿井的热害对安全生产的影响逐步增大，某热害矿井生产工作面预测气温为32℃，已经超出了《煤矿安全规程》的规定值，急需采取措施对巷道温度进行控制。

目前常见的降温方法有通风、人工制冰、移动式井下局部制冷、地面集中制冷、井下集中制冷等方式。根据该矿的实际情况，目前采掘深度约800m，处于二级热害区，通过通风、人工制冰很难将工作面温度有效控制。又因该矿目前2个采区工作面同时开采，相对位置较远，若采用集中式系统，管路造价高、冷损失大，还需在井筒中重新打钻孔敷设冷冻水管路，最终从制冷效率、运行费用、保温钻孔设置等多方面综合考虑，采用移动式井下局部降温，技术可行，经济最为合理。

另一方面，进风井采暖期的防冻热负荷，一般是煤矿采暖期的最大热负荷，如能利用回风余热利用设备对进风进行加热，可大大减少采暖期的运行费用，相比采用燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉等热源，有着良好的节能效果和环保效益。

本文以具有热害的某矿回风立井为例，将井下局部降温与地面风-风换热装置相结合，在回风井口建设风-风换热装置，并利用井下降温设备置换出的热量，一定意义上实现了矿井采暖期回风余热的循环利用（图1）。

图1 矿井采暖期回风余热的循环利用示意图

2 井下部分

2.1 井下气象条件预测

该矿井田煤层厚度大，而上覆岩层主要是热阻大的粉砂岩和泥岩类，不能为地热的运移和散失提供良好的条件。另外，该区地下径流较弱、排泄不畅，补给水少、循环交替较弱，地下水与围岩热交换已达平衡，因此，造成本区地温较高，存在一、二级热害区。本文以1110208（11采区，10煤2层，编号为08的工作面）工作面为对象，进行气象条件预测。

2.1.1 井下围岩散热

根据最不利设计采煤工作面主要设计参数，放热系数取6.97×10-3，巷道粗糙系数取1.65，平均风速2.40m/s，巷道断面积16.0m2，恒温带温度12.02℃，恒温带深度64.5m，水平地温率32.05m/℃，测算深度820m，计算得围岩散热量Qw=748.06kW。

2.1.2 压缩热

空气沿井筒下行时，近似绝热压缩过程，其压力和温度均会增加，按照无潜热转移考虑，则空气位能变化增加的热值为：Qy=GA(Z1-Z2)·E=21.38kW，其中风流放热系数取0.2，高差220m，热工当量0.00981，风流质量49.54kg/s。

2.1.3 机电设备散热

井下采煤工作面各种设备、局扇等，在运行过程中电机产生的热量都要释放到巷道的风流中去，其散热量计算式为：Qd=Σψ·Nds，工作面同时使用装机设备功率2585kW，取折算系数0.2，则Qd=517kW。

2.1.4 氧化散热量

在一定的条件下，煤矿中已经形成的煤巷表面、煤壁表面与风流中的空气发生氧化反应，这也是井下热害最重要的三个影响因素之一。Qh=q0FhWp0.8=240.47kW。

2.1.5 人体散热

主要是在巷道从事采煤工作的管理人员及工人自身散热量，按一个工作面21人配置，人体散热系数按中等程度劳动0.21kW/人，重劳动强度按0.47kW/人，Qt=Rt×Nt=9.4kW。

2.1.6 矿井热源的总散热量预测

总散热量为以上5项之和，即：

ΣQ=QW+Qy+Qd+Qh+Qt=1535.91kW。

2.2 井下局部降温设备选型

2.2.1 冷负荷计算

1110208综采工作面采暖期的气象参数为干球温度32.1℃，相对湿度95%，空气密度1.22kg/m3，工作面进风量为19.33m3/s。

则Q1=M(I1-I2)×1.22=39.9×19.33×1.22=941.11kW，根据规范取1.2附加系数，设计冷负荷为1129.33kW。因气象预测中的散热量是不考虑通风因素的自然散热量，除去通风带走的热量约600kW，本设计冷负荷与预测值基本一致。

2.2.2 主要设备选型

（1）局部降温设备

井下局部降温系统主要由制冷站、空冷器、冷却站三个主要部分及配套的水泵、循环冷却水管道等组成，其工艺流程见图2。

图2 局部降温系统示意图

该系统的循环过程分为两个循环：一是制冷剂的循环，低温低压的制冷剂通过空冷器吸收工作面的热量、降低工作面温度后，变成气态送至冷却器，经压缩、冷却、节流后进行循环制冷；二是冷却水的循环，冷却站提供的30℃左右的冷却水，吸收第一循环制冷剂放出的热量后，温度升至40℃，通过冷却水泵的机械循环，返回冷却站，再通过喷淋水泵的喷淋蒸发及回风冷却，将冷却水温降至30℃继续循环，产生的热风经由回风大巷返回到地面回风井口排出。

根据计算冷负荷，1110208工作面需配套4套移动式局部制冷设备（包括制冷主机、空冷器、冷却器、水泵等），3用1备。

（2）局扇选型

空冷器及风管总压损约为1150Pa，制冷侧局扇选型主要参数为：Q=800m3/min，P=1265Pa，功率为N=2×37kW，防爆型。冷却站及风管总压损1000Pa，冷却侧局扇选型主要参数为：Q=860m3/min，P=1100Pa，功率为N=2×45kW，防爆型。经校核，设计工况点处于风机特性曲线高效区内。

2.2.3 主要水泵选型

（1）循环水泵及配套管道选型

冷却站与制冷站的最大高差为174.49m，循环水管道总长度为9790m(D219×7管路共计3360m，D273×8管路共计6430m)。根据矿井涌水水质和煤矿安全要求，选用矿用防爆耐磨水泵，3台，2用1备，冷却水泵主要参数Q=80～125m3/h，H=324～300mH2O，P=132kW, 1140/660V。

（2）喷淋水泵选型

根据计算，系统所需冷却喷淋水流量为50m3/h，扬程50m，选取防爆型喷淋水泵主要参数为：Q=30～55m3/h，H=68～55mH2O，P=15kW、1140V，3台，2用1备。

3 地面部分

3.1 井筒防冻热负荷核算

副立井井筒防冻采用风-风换热系统。间壁式换热器先吸取部分新风，通过从回风中提取的热量，将其加热至10℃左右，再通过新建的风管送入井口房，与井口房新风混合，混和后空气的设计温度为2℃，从而达到井筒防冻的目的。井筒防冻室外计算温度：tr=-25.4℃，空气加热温度：tr=10℃，冷热风混合温度：tn=2℃，考虑到各风井的风量要满足初期及后期的整体要求，本设计按进风副立井困难时期最大进风量204.4m3/s进行计算：

副立井井筒防冻耗热量为Q=aGγCp（2-W）=6948.48kW。

3.2 回风余热提取量计算

回风余热提取前空气参数：干球温度：18℃；相对湿度：85%；焓：50.70kJ/kg；密度：1.03kg/m3；预测回风余热提取后空气参数：干球温度：5℃；相对湿度：100%；焓：20.60kJ/kg；密度：1.102kg/m3。

理论提热量采用焓差法进行计算：Q1=M1(I1×1.03-I2×1.102)=9163.91kW。

风-风换热器的效率为90%，实际提取热量9163.9×0.9=8247.42kW，可以满足该矿副立井井筒防冻的需要，并对未来矿井扩大生产、进风量增加时留有一定余量。

3.3 井筒防冻热设备选型

3.3.1 设备选型

根据回风与热量计算，本设计风-风换热装置的总换热量为9200kW，采用2套换热器并联布置，单套换热能力为3600kW。自动控制采用PLC控制系统，在回风井、进风井、风道内布置远传温度计，并通过调联动节风机运行台数和运行频率来适应外部气温变化，达到稳定、经济的运行效果。

换热器本体采用间壁式换热器，采用0.8mm厚SS304材质，ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)=13.06℃，每个模块传热面积为1455m2，考虑到运行过程中回风中的杂质附着于换热器表面造成换热效率降低，取富裕系数1.10，取1600m2。每套设备由8个模块组成，换热面积为12800m2。

3.3.2 风机及风道设计

综合考虑风道阻力、流速和事故保证率，新风-风道采用6根圆形风管并联，将热风由换热器送至进风井的井口房内，与室外空气混合后送入井口。每个风道设置1套轴流风机，单套主要技术参数为：风量Q=2000m3/min，风压P=1200Pa，电机功率N=55kW。风机采用防爆变频电机，由PLC系统根据环境温度反馈，控制井口房热风进风量。

新风风道材料采用1.2mm厚镀锌钢板，敷设方式为低支架架空敷设。在风管外部包裹橡塑材料保温，保温层采用0.5mm镀锌白铁皮包裹作为外护壳。保温层厚度50mm，密度不小于45kg/m3。

回风风道因气流湿度较大，考虑一定的防腐厚度，采用内外防腐的4mm厚Q235B钢板，低支架架空敷设，保温层设置同新风风管。经核算，根据现有回风井主扇的风机性能曲线，风道增加的阻力为127Pa，工况点位于原设计范围内，不会对矿井的通风安全产生影响。

4 运行效果分析

该系统自2019年1月投入运行以来，1110208工作面切眼到温度由原来的32℃降至26℃，冷却站排出的热量，使得回风大巷回风温升2.6℃，回风温度平均升至12.4℃。这样风-风换热系统提热量增加，进一步保证了系统的稳定供热。

风-风换热系统在室外温度变化，最低达到-13.5℃时，矿井回风温度基本稳定，井口房室内实测平均温度6.2℃，最低2.5℃，可以稳定满足煤炭工业矿井规范对井口房混风温度≥2℃的要求。运行效果见图3。

图3 某矿采暖期最冷月运行曲线图

5 结语

煤矿进风井在采暖期时井口防冻的热负荷一般是矿井最大的热负荷，而在热害矿井中，采用风-风换热系统对矿井回风进行热量提取，加上井下局部降温机组冷却站散到回风中的散热量，足以满足矿井新风加热的热负荷，并留有未来扩大生产的余量，达到了很好的节能环保的效果。该项目的顺利实施，可以为其他热害矿井采暖期的设计提供一个良好的参考。