首山一礦井下降溫方案設計

李　墨　楊　磊

(河南平寶煤業有限公司)

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首山一礦井下降溫方案設計

李墨楊磊

(河南平寶煤業有限公司)

摘要近年來，由于礦井開采深度的增加，熱害已成為制約礦井安全生產的關鍵因素。首山一礦屬厚表土、高瓦斯、高地溫、高開發強度類的大型礦井，開采水平深、地溫高、機電設備散熱量大，熱害程度較嚴重。對此，通過對井下降溫制冷方案進行論證，對系統投資與運行費用進行初步估算，優選出了適合首山一礦的降溫方案，為確保礦井安全生產提供保障。

關鍵詞礦井降溫方案設計降溫制冷系統投資運行費用

國內外相關研究表明，以30 ℃為標準，氣溫每增加1 ℃，礦井生產效率降低6～8個百分點，礦工勞保醫療費增加8～10個百分點，井下機電設備的故障率增加1倍以上[1]。《煤礦安全規程》規定：生產礦井采掘工作面氣溫不得超過26 ℃；當氣溫超過26 ℃時，須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予高溫保健的相關待遇；當采掘工作面氣溫超過30 ℃時，須停止作業；采掘工作面氣溫超過30 ℃、機電設備硐室氣溫超過34 ℃時，須停止作業。近年來，由于礦井開采深度的增加，熱害已成為制約礦井安全生產的關鍵因素[2]。為此，本研究以首山一礦為例，對井下降溫方案進行設計。

1礦井概況

首山一礦于2004年8月開工建設，2010年7月投產，設計生產能力2.4 Mt/a。首山一礦井田位于平頂山市東北，平頂山煤田李口向斜北翼東端，距平頂山市約25 km。井田東西走向長6.6 km，南北傾斜寬4～4.6 km，面積26.9 km2。礦井工業儲量4.02億t，可采儲量3.1億t。礦井采用立井多水平開拓，中央分列式通風方式，主副井進風，中央回風井回風。首山一礦屬厚表土、高瓦斯、高地溫、高開發強度類的大型礦井，開采水平深、地溫高、機電設備散熱量大、熱害程度較嚴重。

2礦井氣溫預計與冷負荷計算

2.1回采工作面冷負荷

根據首山一礦的測溫資料，工作面巖溫39.7 ℃，降溫前回采工作面氣溫31.4～33.2 ℃，計算時回采工作面氣溫取中間值32 ℃，降溫前濕度95%，配風量1 800 m3/min。降溫后回采工作面溫度按26 ℃、濕度按85%計算。回采工作面冷負荷(Q)計算公式為

(1)

式中，G為回采工作面的質量風量，kg/s；i1、i2分別為處理前、處理后采面的進風流焓值，kJ/kg。

若G取38.4 kg/s，焓差(Δi=i1-i2)取30.87 kJ/kg，據式(1)可得：Q=1 185.408 kW。

2.2掘進工作面冷負荷

首山一礦掘進工作面溫度參考瓦斯抽放巷溫度，瓦斯抽放巷巖溫為39.7 ℃時，氣溫一般為31.5～36.2 ℃，計算時降溫前掘進工作面氣溫取34 ℃，降溫前濕度95%，配風量750 m3/min。降溫后工作面迎頭溫度28℃、濕度85%、空氣密度1.28 kg/m3。掘進工作面冷負荷(Q′)計算公式為

(2)

式中，G′為掘進工作面的質量風量，kg/s。

若G′取16 kg/s，焓差(Δi=i1-i2)取36.03 kJ/kg，據式(2)可得：Q′=576.48 kW。礦井總的冷負荷為4 644.288 kW。

3礦井降溫方案優選

3.1降溫方案3.1.1井下風冷式冷卻(方案一)

風冷式冷卻方案采用礦井回風對機組進行冷卻，在礦井中央回風井附近的總回風巷道設回風冷卻站，機組冷卻水通過回風冷卻站進行冷卻，冷卻后的循環冷卻水重新進入制冷機組，熱風經回風井排入地面(圖1)。該方案實施的前提是回風溫度不高，風量足夠。首山一礦總回風量2.2萬m3/min，參考采煤面實測溫度，估算礦井回風溫度為34 ℃，濕度93%。回風冷卻站進口溫度為34 ℃，濕度93%，制冷機組的冷卻水出口溫度為42 ℃，按風-水交換的最低要求(5 ℃溫差)計算，則回風冷卻站出口溫度應為37 ℃，濕度98%，可利用的風量按80%計算，為1.76萬m3/min，則回風可帶走的熱量為5 700 kW。礦井6 600 kW制冷量的制冷機組的散熱量為8 200 kW，因此回風無法完全滿足機組的散熱要求。該方案對礦井回風溫度要求較高，若超出35 ℃，則冷卻效果和制冷效率都大大降低，制冷效果無法保證。可見，該方案在首山一礦不適用。

圖1　井下回風冷卻原理

3.1.2井下礦井涌水冷卻(方案二)

水冷卻有通過礦井涌水冷卻和采用地面河(湖)水冷卻2種方式。制冷機組前設水水換熱器，機組冷卻水通過水水換熱器進行冷卻，冷卻后的循環冷卻水重新進入制冷機組，熱水經井下排水泵排入地面，可見，該方案對水量的需求較大(圖2)。礦井6 600 kW的制冷量所需水量約1 000 m3/h。首山一礦寒武紀涌水量僅約120 m3/h，水溫51 ℃，已超出冷卻水進水的水溫要求，井下工作面除塵灑水及礦井滲出涌水量約260 m3/h，但水質較差，水倉距制冷硐室位置較遠，因此，該方案不適用。

圖2　井下礦井涌水冷卻原理

3.1.3地面排熱降溫(方案三)

地面排熱降溫方案是機組冷卻水通過建于地表的冷卻塔冷卻，冷卻水通過井筒或鉆孔下井，為運行管理方便，軟化水裝置等也建于地表(圖3)。由于冷卻塔排熱僅消耗電能，且冷卻水消耗量有限，所以該方案在首山一礦具有可行性。

圖3　地面排熱原理

3.1.4地面電制冷(方案四)

地面電制冷方案的冷凝熱有通過冷卻塔、地面水源、礦井涌水等幾種排放方式。因首山一礦地面水源有限，故僅可采用冷卻塔將冷凝熱排放至空氣中。電制冷方案(圖4)的制冷機組和冷卻塔均設于地表，冷凝熱排放方便，風量不受限制，冷卻塔排熱僅消耗電能，且冷卻水消耗量有限，因此，該方案在首山一礦具有可行性。

圖4　地面電制冷方案原理

3.2可行方案對比分析

計算依據：①水費按3元/t計算；②綜合電價按0.65元/kWh計算；③人員工資按4萬元/(人·a)計算；④年運行小時數按5個月3 600 h計算；⑤運行電費=運行總功率×滿負荷功率系數×同時使用系數×運行時間；⑥方案三中負荷調節靈活，滿負荷功率系數取0.7，同時使用系數取0.6，方案四中2臺機組串聯需同時運行，滿負荷功率系數為0.9，同時使用系數為1。方案三、方案四經濟技術對比見表1，兩者特點對比見表2。

表1　可行性方案技術經濟比較

表2　方案特點對比

由表1、表2可知：方案三優勢較明顯，故本研究采用該方案作為首山一礦礦井降溫方案。

4結語

針對首山一礦礦井熱害程度較嚴重的情況，在詳細分析現有井下降溫制冷方案的基礎上，對各方案進行了詳細的技術經濟對比和優勢分析，結果表明，地面電制冷方案優勢較突出，較適合于首山一礦，對于高效治理礦井熱害，確保井下安全生產有一定的參考價值。

參考文獻

[1]陳安國.礦井熱害產生的原因、危害及防治措施[J].中國安全科學學報，2004(8)：6-9.

[2]李莉，張人偉，王亮.礦井熱害分析及其防治[J].煤礦現代化，2006(2)：34-35.

(收稿日期2016-01-14)

李墨(1966—)，男，副總經理，工程師，461714 河南省許昌市襄城縣紫云鎮。