高地熱深井熱環境分析及井下制冷降溫系統的研究與實踐

商傳玉 潘文超,2 周升舉,2

1.山東新巨龍能源有限責任公司, 山東 巨野 274918; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇 徐州 221008

高地熱深井熱環境分析及井下制冷降溫系統的研究與實踐

商傳玉1潘文超1,2周升舉1,2

1.山東新巨龍能源有限責任公司, 山東 巨野 274918; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇 徐州 221008

隨著礦井開采深度的增加，深部礦井熱害問題越來越嚴重。本文針對特大型高地熱深井進行了熱環境分析，概述了目前國內外高溫礦井降溫技術的分類。介紹了基于地面排熱的井下集中制冷降溫系統，該系統制冷降溫部分主要由冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、散冷系統等組成，該系統的顯著特點是制冷機組布置在井下，置換出的熱量通過水循環排到地面，能夠降低井下冷量損失和井下散熱量。通過應用井下集中制冷降溫技術，礦井降溫效果特別明顯。

高溫深井；熱環境分析；井下制冷

新巨龍能源有限責任公司位于魯西南巨野煤田的中南部，井田面積180平方公里，設計生產能力600萬噸/年,主要開采水平為-810m，具有高地熱特征。

1 地熱概況

根據礦井地質資料，本區恒溫帶深度50m、溫度18.9℃；平均地溫梯度2.88℃/100m，其中非煤系地層平均地溫梯度2.52℃/100m，煤系地層平均地溫梯度3.23℃/100m。礦井主采3煤層底板溫度平均41.38℃，3煤層全部處于一或二級高溫區。

2 熱環境分析

2.1 地面季節性氣候

礦井所在地區季節性氣候明顯，夏季炎熱。由于夏季地面入風溫度較高，從而導致井下氣溫較高。同時，地面大氣溫度的季節性變化，也影響到井下風溫的季節性變化，而且變化規律基本上是同步的。經實測，礦井井筒常年為加溫過程，這與其他礦井夏季井筒起降溫作用有著根本的區別，這是該礦井夏季高溫熱害較嚴重的重要原因。

2.2 巷道圍巖放熱

礦井開采深度大，-810m水平的圍巖溫度曾高達44.7℃，處在二級熱害區。因此，圍巖是礦井內風流的主要加熱環境。礦井通風系統形成后，巷道圍巖放熱增加了風流的溫度。

2.3 礦井涌水放熱

目前礦井總涌水量保持在1000m3/ h～1500m3/h，涌水水溫45℃～51℃，涌水水溫比巖溫高，同水平水溫比巖溫高4～6.3℃，水的放熱量傳遞給風流的速度快。水溫高散熱是該礦井高溫熱害重要特點。[1]

2.4 機電設備運轉時放熱

該礦井為高度機械化生產的大型現代化礦井，采、掘、運的機電設備容量大，采煤工作面內裝機容量為3450kW，掘進工作面內裝機容量為403kW，采煤工作面運輸順槽內裝機容量為3140kW，采煤工作面輔助順槽內裝機容量為296kW，膠帶輸送機大巷內裝機容量為2520kW等。機電設備運轉放熱是礦井不可忽視的高溫熱環境。

2.5 風流壓縮熱

風流為一可壓縮流體，其沿井筒向下流動時，由于自身的壓縮使其焓值升高，相反地，向上流動時，由于膨脹使其焓值降低，風流從地面流入井底是一個加溫壓縮的多變過程，對井底車場的風溫起決定性的作用。[2]局部通風機對風流的壓縮，也遵循以上規律。風流經過局部通風機高壓壓縮送入工作面，風筒內的風流比局部通風機前風流的溫度升高4～6℃。[3]

3 國內外礦井降溫技術概述

防治礦井熱害技術自20世紀20年代興起，至今已有80余年的歷史；但是，迅速發展并廣泛應用是在20世紀70年代以后。縱觀國內外礦井降溫技術，可分為非人工制冷降溫技術，人工制取冷水降溫技術，人工制冰降溫技術和空氣壓縮式制冷技術。[4]從20世紀70年代開始，人工制冷降溫技術開始迅速發展，使用越來越廣泛、越來越成熟，該種降溫技術已經成為礦井降溫的主要手段。該種礦井降溫技術主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面聯合集中式、分散式。[5]

4 井下集中制冷降溫系統

4.1 井下集中制冷降溫系統概述

新巨龍公司井下集中制冷降溫系統采用先進的德國WAT降溫技術，制冷降溫部分主要由冷卻水循環系統、冷凍水循環系統和散冷系統等組成。通過打鉆孔方式從地面下兩趟冷卻水管到井下，冷凝熱在地面排放，同時在井下設制冷硐室、地面設冷卻機房。主要優點有：①制冷機組可盡量靠近負荷中心，冷損小；②機組可模塊化組合，根據負荷分布情況分區域集中制冷；③系統簡單，無需設高低壓轉換設備，少一個高壓冷凍水循環，系統冷損小；④冷卻水管路無需保溫，施工、安裝方便。

4.2 井下制冷機組

井下制冷機組使用德國WAT公司成熟的產品KM3000機組,單機制冷量可達3300kW，目前安裝三臺機組。根據《煤礦井下熱害防治設計規范》的要求，當采用井下集中式制冷降溫方式時，制冷機出水溫度不應高于5℃。制冷機組出水溫度確定為3℃，另外，供水與回水的大溫差對整個系統更有利，國外一般為15℃，從設備運行安全性、穩定性及使用情況等方面考慮，采用3℃/18℃的供回水溫差。

4.3 冷卻水系統

結合地面冷卻機房的布置，選用兩臺方形橫流塔作為冷卻塔。與井下制冷機組相配套，選用三臺冷卻水循環泵。由于冷卻塔存在蒸發損失、風吹損失及排污損失且補水要求為軟化水，計算出需補水量并安裝配套補水設備。利用在地面打鉆孔方式下兩趟冷卻水管，與井下制冷系統相連接，實現冷卻并在地面排放冷凝熱。

4.4 冷凍水系統

與制冷機組相配套，選用三臺冷凍水循環泵，兩用一備。冷凍水的補水定壓方式采用設補水箱，補水泵，水源引自降溫硐室的冷卻水回水管，經減壓閥減壓后接至補水箱。由于制冷機組對水質的要求，井下集中式制冷降溫系統需補充軟化水，因此應提供滿足制冷機組要求的水質。

4.5 散冷系統

輸冷管采用無縫鋼管，輸冷管的隔熱保冷結構采用塑套鋼預制成型保溫管，其內工作管為無縫鋼管，中間層為聚氨酯發泡保溫層，外護管為雙抗高密度聚乙烯管。為確保冷凍水系統通往各采區主干管路的壓力平衡，在采區的枝干管處必須設置電動調節閥及流量計，以調節冷凍水流量。

將冷水輸送到采掘工作面后，采用空氣冷卻器散冷方式，對采掘工作面進行散冷降溫。[6]根據采掘工作面的散冷量，在采掘工作面的合理位置安設大小不同、多少不等的空氣冷卻器進行散冷，以降低采掘工作面的風溫。新巨龍公司采用了德國先進的RWK-450型空冷器，確保了空冷器的散冷效率。

5 應用效果

新巨龍公司應用井下集中制冷降溫系統對2301采煤工作面進行了降溫。該工作面走向長平均1950m，傾斜寬254m,為綜采放頂煤開采。在工作面進風巷安設了5臺空冷器對工作面進風流進行降溫，經實測，可使工作面進風流溫度平均降低6.5℃，降溫效果十分明顯。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.024

商傳玉，男，現擔任山東新巨龍能源有限責任公司副總工程師，從事礦井安全管理工作。山東省巨野縣龍古鎮新巨龍公司安監處。