井下深部開采工作面冷量配置及優化

夏洪滿 徐慶武 高尚青

（1.沈陽焦煤有限責任公司，遼寧省沈陽市，110122；2.國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京市朝陽區，100029）

1 引言

沈煤集團紅陽三礦為存在高溫熱害隱患礦井，礦井通風系統為中央分列抽出式，入風溫度為15～20℃，排風溫度為27℃。礦井目前開采深度為－1050m，煤溫約為47℃，采煤工作面平均風溫為38℃，掘進工作面平均風溫為33℃。

為了后期深部開采提高降溫系統輸出冷量的利用率，有必要對輸出的冷量進行優化配置。特別是在輸冷設備上進行優化配置，即在生產過程中根據工作面的實際需冷量，優化配置空冷器的數量、組合方式及布置位置。

2 工作面冷量分布模擬分析

2.1 空冷長度及有效位置計算模型

將空冷器置于巷道冷卻進風風流時，空冷器只能冷卻部分風量，而另一部分風量則不流經空冷器，這樣在空冷器后方將形成兩股風流相互混合達到某一溫度并逐漸升溫的過程，見圖1。

圖1 工作面降溫系統配置圖

從空冷器流出的冷卻風流與未冷卻風流混合，假設混合為紊流穩態工況，在絕熱條件下進行，且忽略風流動能、位能的變化，則由能量方程得：

式中：L——空冷長度，m；

i1——從空冷器流出的冷卻風流的單位質量焓，k J／kg；

i2——未經冷卻的風流的單位質量焓，k J／kg；

i——混合后風流的單位質量焓，k J／kg；

t1——混合前的風流溫度，℃；

t2——混合后預定空氣狀態的溫度，℃；

QE——除對流熱交換外的其他熱量，k J；

K r——不穩定換熱系數；

tgu——原始巖溫，℃。

由（1）式可得：

由于濕球溫度與焓值之間的函數關系式為：

因此，用空冷器冷卻后，干球溫度和濕球溫度可表示為：

式中：ts——混合后的濕球溫度，℃；

ts1——混合前的濕球溫度，℃；

ts2——空冷器出口濕球溫度，℃；

t1——混合前的干球溫度，℃；

t2——混合后的干球溫度，℃；

K

r——不穩定換熱系數；

tgu——原始巖溫，℃。

根據工作面允許的進風溫度和空冷長度可以確定其有效位置，進風巷道空冷器離工作面的有效距離為：

式中：tda——工作面降溫進風允許的濕球溫度，℃；

ta——工作面降溫進風允許的干球溫度，℃；

K r——不穩定換熱系數；tgu——原始巖溫，℃。

2.2 空冷器有效位置的確定

工作面安裝空冷器的目的就是使采煤工作面的空氣溫度達到《煤礦安全規程》中規定的不高于26℃的要求，一般情況下，采煤工作面出口風溫最高，所以只要保證工作面出口溫度不高于26℃，就可以保證整個工作面內空氣溫度符合規定要求。

由于煤礦井下工作面條件復雜多變，驗證計算西一采區704工作面進風巷空冷器有效位置時假定基于以下條件：①不考慮煤壁不規則形狀對風流的影響，不考慮液壓支架和輸送機占用工作空間對流場的影響；②對工作面圍巖和采煤機散熱通過定義

壁向溫度來考慮，除采煤機外的機電設備散熱則通過定義熱流密度來考慮，其熱流密度施加在壁面上；③不考慮重力加速度和煤層傾角對工作面流場的影響，則工作面流場在豎直方向均勻分布。

計算采用的參數：紅陽三礦西一采區704工作面長度L＝180m，斷面積f＝18m2，周長U＝18m，風量1500 m3／m in，圍巖比熱c＝700J／kg·℃，導熱系數λ＝2.1 W／mK，圍巖密度γ＝2700kg／m3，工作面標高在－1025m左右，平均巖溫47℃，工作面出口溫度26℃，通風時間τ＝2年，工作面內總裝機容量3000kW。

圖2 空冷器安裝有效距離與運輸巷長度的關系

根據公式（4），西一采區704工作面運輸巷中空冷85m，在此距離內安設空冷器即可達到工作面溫度降至26℃以下。

隨著回采工作面的逐步推進，空冷器的安裝位置也相應根據作業條件的變化作相應調整。由于在回采工作面回采的同時，工作面距進、回風巷的距離逐漸減少，通風阻力減弱，工作面通風風速、風量有增大的趨勢。同時，此處煤（巖）溫比工作面初期工作時較低且趨于穩定。在西一采區704工作面運輸巷為500m時，重新采用上述計算方法計算空冷器的有效安裝距離約為105m，安裝距離增加約20m。因此，后期隨著工作面推進，運輸巷中空冷器的安裝距離會逐漸增大，經模擬分析，最大安裝距離約123m。空冷器安裝有效長度與運輸巷長度的關系如圖2所示。

2.3 工作面溫度場模擬分析

對工作面溫度場冷量進行模擬，采用C F D數值模擬分析軟件對空冷器輸出冷空氣后與運輸巷空氣混合紊流降溫場進行模擬分析，分析采用的計算網格模型如圖3，西一采區704工作面溫度場立體分布計算見圖4，西一采區704工作面溫度場平面分布見圖5。

圖3 西一采區704工作面計算網格劃分模型

由工作面溫度場模擬平面圖分析可知，西一采區704工作面運輸巷空冷器出口端至工作面出口端為冷量覆蓋區域（圖5中靠近工作面深色部分），也是主要降溫場。根據工作面溫度場降溫分布范圍，空冷器在距工作面約120m的位置安裝布置，同時在回風巷中距工作面約100m的位置處，在巷頂部即可安設引排風機進行回風巷輔助降溫。由于在工作面溫度場中溫度按箭頭的方向是逐漸升溫的過程，只要在工作面出口端溫度小于26℃，即可保證整個采煤工作面的降溫要求。

3 冷量優化配置預測

隨著紅陽三礦后期開采工作面深度加大，巖溫逐漸升高，依據上述計算公式對后期工作面運輸巷中空冷器安裝距離及配置個數進行了計算和預測，如表1所示。

表1 紅陽三礦后期開采工作面空冷器配置預測

由表1預測結果可知，按礦方目前采掘接續計劃，以平均2～3個工作面預測，北二、北三采區總需冷量為4260kW，西一、西二采區總需冷量為5630kW，南一采區總需冷量為3860kW。

根據礦井開采接續計劃及上述計算分析可知，紅陽三礦按照目前生產能力500萬t／a繼續深入煤層開采，全礦井采掘面需冷量在2011年6月達到4100kW以上，后期需冷量約為4500kW。因此，紅陽三礦后期需冷量不斷增加，該礦應對后期采區各采掘工作面的需冷量進行合理優化配置，減少能源損耗，提高制冷設備的降溫運行效率。

隨著紅陽三礦開采深度的加大、圍巖溫度的升高，工作面需冷量和空冷器的數量也會相應增加。為了改善紅陽三礦后期工作面的溫度分布情況，必須優化工作面的空冷器布局，可采用在運輸巷布置大型空冷器以減少空冷器安裝數量，并在回采工作面布置小型空冷器（懸掛式）的方式。工作面的降溫以大型空冷器為主、懸掛式空冷器為輔，可根據現場情況確定回采工作面的溫度超過28℃的邊界點，從邊界點后開始布置制冷量較小的懸掛式空冷器，所需冷卻水通過軟管連接輸送，可有效地保證整個工作面的氣候環境比較均勻且符合降溫要求。

4 結論

（1）根據空冷長度的計算方法，空冷器按照西一采區704采煤工作面進風巷空冷器的有效位置進行布置，工作面溫度環境有了顯著改善。

（2）建立C F D工作面溫度場冷量分布模擬模型，并利用該模型對空冷器布置在進風巷123 m位置時的空冷分布效果進行了模擬，通過模擬分析可知，當空冷器位置距工作面入口小于123 m時，能夠滿足降溫效果的要求。

（3）通過空冷器在工作面的模擬分析和配置結果表明，進風巷空冷器位置的布置方式合理有效，溫度場的冷量計算模型能夠滿足模擬要求。

（4）隨著紅陽三礦后期開采工作面深度加大，巖溫逐漸升高，依據冷量分布模擬結果對后期深部開采中的8個工作面運輸巷中空冷器安裝距離及配置個數進行了計算和預測，為制冷設備的優化配置提供了可靠依據。

（5）在工作面進風巷空冷器優化配置的同時，結合輔助降溫措施，可有效保證整個工作面的氣候環境比較均勻且符合降溫要求。

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