矿井全风量降温在龙固煤矿热害治理中的应用

徐广才 刘京坤 陈炬

（通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031)

1 项目背景

山东新巨龙能源有限责任公司龙固煤矿位于山东省菏泽市巨野县境内，设计生产能力6.0 Mt/a，核定生产能力为7.5 Mt/a。

本地区气候温和，四季分明，属北温带半湿润季风型大陆性气候。年平均气温14.8 ℃，月平均最高气温32.4 ℃，日最高气温42.4 ℃，日最低气温-18.7 ℃，月平均最低气温在每年的1 月份，平均-1.8 ℃。

6 月、7 月、8 月为最热月份，最高气温一般在每年的7 月份。

矿井含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，主采3（3上）煤层，埋深900～1200 m。煤层属正常地温梯度为背景的高温区；井田非煤系地层平均地温梯度2.52 ℃/100 m，煤系地层平均地温梯度3.23 ℃/100 m；全孔地温梯度1.99～4.24 ℃/100 m，全区平均地温梯度2.88 ℃/100 m，即地热增温率为1 ℃/34.72 m。龙固煤矿主采煤层埋藏较深，故3（3上）煤层西部局部赋存区处于一级高温区，东部大部处于二级高温区，井下高温热害较为严重。

2 高温热害热源分析

（1）井下热源

高温热害井下热源包括高温围岩、高温矿井水、机电设备、下山风流压缩热、煤氧化散热、人体散热等[1-3]。

由于矿井开采深度较大，该矿井下岩温最高达44.8 ℃，是最主要的井下热源。

矿井水涌水量1000～1500 m³/h，水温高达51 ℃。高温的矿井水不仅提高了矿井进风温度，而且增加了进风湿度，进一步加重了井下高温热害的影响，是关键性热源。

矿井采、掘、运的机电设备容量大，机电设备运行放热是不可忽视的高温热源。

（2）矿井季节性热害夏季高温高湿，最高温度42.4 ℃。夏季高温高湿的室外空气成为典型的矿井季节性热源[4]。

3 矿井降温系统现状

为解决高温热害问题，龙固煤矿自建井之初就采取了加大通风量、利用低温防尘水进行喷淋降温等措施。投产后，实施了水源热泵、EAV300 移动式空气冷却器等制冷设备的局部降温系统和集中冰制冷降温系统，均取得良好的降温效果。

随着产量的增加，原有的制冷方式不能满足降温需求。近年来，该矿不断完善矿井降温系统，逐步建成地面降温和井下降温相结合的综合降温模式。在井下二采区及三采区建立两期井下集中式制冷降温系统，实现在井下集中制冷降温。一期制冷系统安装4 台制冷机组，总制冷量13 000 kW；二期制冷系统安装6 台制冷机组，总制冷量19 600 kW。矿井总制冷量达32 600 kW，为井下所有回采及掘进工作面进行降温。井下制冷降温系统运行时，采掘工作面空冷器平均出风温度22 ℃，工作面温度不超过28 ℃，井下高温热害基本得到缓解，工作环境得以改善。

2013 年建设矿井水热能综合利用工程，以实现冬季供热和夏季空调为主，同时能够实现部分井口进风降温。该工程安装3 台离心制冷机组，单台制冷量为2500 kW，2 台螺杆机组，单台制冷量为1944 kW，总制冷量为11 388 kW。井口安装6 台冷风机，单台风机处理风量为900 m³/min，制冷量680 kW，总制冷量为4080 kW。

4 存在问题

现有矿井降温系统基本能够满足井下采掘工作面降温的需求，但存在夏季井底车场及大巷温度超限和现有降温系统制冷能力不足的问题。受夏季高温天气影响，地面制冷系统因机组制冷量小，配套冷风机处理风量小，在初夏和夏末能够对井下环境温度起到缓解作用。室外温度较高时，井口进风降温系统对井底温度影响较小，不能起到降低矿井进风温度的作用。夏季高温时矿井进风温度在33 ℃以上，井底进风温度在34 ℃以上，极端天气下井底温度达38 ℃，造成井底车场及硐室温度超温（井底机电硐室温度平均在34 ℃以上，中央泵房温度达36 ℃），同时矿井各主要进风巷温度均在32 ℃以上。

由于井下各地点进风温度较高，极大地增加了矿井各地点的需冷量。据计算，夏季矿井需冷量比其他季节高6000 kW 以上，造成夏季矿井降温难度增加，对设备运行及人员安全造成较大隐患。

5 设计方案

5.1 技术路线

龙固煤矿现有矿井降温系统春秋季和冬季能够满足井下采掘工作面降温的需求，但存在夏季井底车场及大巷温度超限和现有降温系统制冷能力不足的问题，说明井下环境受地面气候影响显著。经调研，赵楼煤矿、济三煤矿、东滩煤矿已经实施的全风量降温系统[5-7]降温效果明显，极大地缓解井下高温热害。以龙固煤矿的进风为例，降温前的空气焓值为101.3 kJ/kg，降温后的焓值为56 kJ/kg，降温后空气的焓值降低45%，有效降低井下进风的热量，因此采用全面降低进风温湿度的矿井全风量降温方案是可行的。

为创造适宜工作环境，进一步解决高温热害，拟在矿井主、副井口实施全风量降温项目，新扩建一套制冷（热泵）系统，对矿井进风进行降温除湿，降低输送至井下的空气的温度和湿度，以达到提高井下舒适度，改善井底车场及主要大巷的环境，降低夏季井下降温系统负荷的目的。

同时对主副井口进行适当封闭，并考虑该热泵系统在冬季时利用矿井水作为热源制热，用于井筒保温。

5.2 冷热负荷计算

龙固矿井位于山东省巨野矿区，参考菏泽市气象参数，结合龙固煤矿的具体情况，夏季室外空气计算温度确定为34.4 ℃，相对湿度72.7%，降温后的进风温度为20 ℃，相对湿度95%，冬季井口防冻进风温度为2 ℃。总进风量30 000 m³/min，其中主井2×5500 m³/min，副井19 000 m³/min。

5.3 冷热源方案

根据表1 可知，总制冷负荷27 617 kW，冷热源机房内设计6 台水源热泵机组，总制冷量为27 888 kW。其中新增四台离心式热泵机组，单台机组制冷量6000 kW，额定输入电功率1232 kW，主要负责井口全风量降温、井筒防冻和建筑空调；另外两台原有螺杆式热泵机组，单台制冷量1944 kW，主要负责浴室供热负荷。主机系统采用母管制连接方式，提高机组的备用性、安全性、灵活性。

表1 冷热负荷统计表 （单位：kW）

夏季，制冷机组通过冷却塔进行散热。冷却塔布置在机房东侧的矿井水池上方，冷却循环泵布置在水泵机房内，通过管道连接主机。

冬季，热泵机组利用矿井涌水作为热源，制备45 ℃及以上的热水。东侧1000 m³地面水池作为矿井水循环水池。矿井水取自选煤厂矿井水处理站。

5.4 井口换热末端方案

在主副井井口房的空气热交换室内设置空气换热器。夏季由热泵机房提供给换热器7/15 ℃冷冻水，将进风冷却除湿到20 ℃。冬季由热泵机房提供给换热器45/40 ℃热水，进行进风加热，保证井筒进风温度不低于2 ℃。

为充分利用矿井主通风机的动力，降低井口房的噪音，提高设备的安全可靠性，主副井井口采用无动力的表面式换热器。考虑表冷器为无动力换热设备，风流流速越高风阻越大，为降低对矿井通风的影响，换热器风阻不大于50 Pa。

副井口设计进风量为19 000 m³/min，冷负荷为16 224 kW。换热器选型预留0.2 的富裕系数，共选用36 台空气换热器，总制冷量20 400 kW。

主井口设计进风量为2×5500 m³/min，需要的冷负荷为9393 kW。换热器选型预留0.2的富裕系数，共选用18 台空气换热器，总制冷量12 000 kW。

空气换热器选用无动力的表面式换热器，利用井口负压驱动空气经表面式冷却器换热后进入井筒。为防止冷风渗透，需对井口房进行封闭改造，确保漏风率小于10%。具体参数见表2。

表2 空气换热器参数表

5.5 运行费用和运行效果

系统设备运行总电功率6253 kW，综合电价0.55元/千瓦时，夏季运行天数为90 d，负荷系数0.6，夏季全风量降温系统运行电费为356 万元。

系统运行后，室外空气经表面式冷却器降温后，井口进风温度降至22～24 ℃，井底车场风温为26～28 ℃，达到了设计目标，满足规程及规范要求，有效改善了井下工作环境。

6 结论

随矿井开采深度的增加和范围的扩大，高温热害趋于严重。龙固煤矿已经实施的井下集中式的降温系统，冬季和春秋季能够满足井下采掘工作面降温的需求，存在夏季井底车场及大巷温度超限和现有降温系统制冷能力不足的问题。

实践证明，采用矿井全风量降温系统作为井下集中式矿井降温系统的补充用于治理矿井高温热害是可行的，能够降低季节性热害对矿井的影响，起到降低井底车场、主要大巷及沿途主要硐室温度的作用，切实改善夏季井下高温高湿环境，减少主要硐室设备故障，维护职工身体健康。矿井全风量降温系统初投资和运行费用低，系统运行维护方便，噪音低，安全可靠性高。