集中制冷降溫技術(shù)在高溫高濕礦井中的應(yīng)用

相飛 王 斌 高興海

（山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司王樓煤礦，山東 濟(jì)寧 272065）

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，高溫?zé)岷σ呀?jīng)成為礦井最為常見(jiàn)的自然災(zāi)害，影響礦井正常生產(chǎn)，威脅井下工人人身安全和健康，實(shí)現(xiàn)高溫?zé)岷Φ挠行е卫韺?duì)于保障礦井正常生產(chǎn)和工人身體健康具有重要的意義。然而在深部工程實(shí)踐中，由于深部制冷所需冷量大幅增加，常規(guī)的礦井制冷技術(shù)已經(jīng)無(wú)法保證礦井安全生產(chǎn)的基本需求。本文結(jié)合王樓煤礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，采用WAT井下集中制冷降溫技術(shù)進(jìn)行降溫，通過(guò)增大礦井通風(fēng)與WAT制冷相結(jié)合的降溫模式，實(shí)現(xiàn)了井下制冷、井上排熱，有效降低了工作面和巷道的溫度，改善了作業(yè)環(huán)境。

1 礦井概況

王樓煤礦位于濟(jì)寧市中區(qū)境內(nèi)，井田面積93.77km2，可采儲(chǔ)量10098萬(wàn)t，主采3上煤層，埋深-650m～-1200m，地溫高，大部位于一至二級(jí)高溫區(qū)，平均地溫梯度為2.42℃/100m；礦井恒溫點(diǎn)的深度為55m，溫度為17.5℃。當(dāng)前，王樓煤礦七采區(qū)開(kāi)采深度達(dá)到了1150m水平，圍巖溫度高達(dá)44℃以上，圍巖是風(fēng)流的主要加熱源，而且采掘工作面頂?shù)装迳皫r出水，出水溫度高，導(dǎo)致井下風(fēng)流中空氣濕度大，井下空氣相對(duì)濕度達(dá)90%以上，進(jìn)一步加劇了礦井熱害。

為緩解熱害問(wèn)題，礦井以往采用局部制冷措施，解決了部分區(qū)域的高溫?zé)岷?wèn)題，但由于該方法制冷降溫覆蓋范圍較小，隨著礦井開(kāi)采深度增大，制冷效果差，無(wú)法滿足正常生產(chǎn)需求。因此，決定采用WAT集中制冷降溫技術(shù)對(duì)七采區(qū)及以下水平進(jìn)行綜合制冷降溫。

2 WAT集中制冷降溫系統(tǒng)原理

WAT集中制冷降溫系統(tǒng)通過(guò)井下制冷、地面排熱的模式進(jìn)行制冷。首先，利用冷水機(jī)組制取冷水，用冷水作為冷媒介將冷量輸送到井下各需冷地點(diǎn)，其制冷效率較高。然后，通過(guò)冷卻水系統(tǒng)將井下冷水機(jī)組制冷產(chǎn)生的熱量以冷卻水為媒介，使用鉆孔水管輸送至地面，經(jīng)過(guò)地面冷卻塔將冷卻水熱量散發(fā)后再送入井下機(jī)組，達(dá)到為機(jī)組降溫的目的。該系統(tǒng)具有制冷效率高、對(duì)地面條件要求較低的特點(diǎn)。WAT系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 WAT集中制冷降溫系統(tǒng)原理圖

WAT制冷機(jī)組將制冷劑在制冷機(jī)組內(nèi)形成低溫側(cè)（蒸發(fā)器端）和高溫側(cè)（冷凝器端）。在高溫側(cè)，通過(guò)從地面經(jīng)鉆孔下的冷卻循環(huán)水將產(chǎn)生的熱量帶走，保證機(jī)組的正常運(yùn)行；在低溫側(cè)，低溫制冷劑將供往采掘工作面空冷器的冷凍循環(huán)水進(jìn)行降溫，經(jīng)過(guò)降溫的冷凍循環(huán)水經(jīng)冷凍水循環(huán)泵供至各采掘地點(diǎn)空冷器。通過(guò)空冷器與風(fēng)機(jī)供風(fēng)進(jìn)行熱交換，為采掘工作面提供涼風(fēng)，從而達(dá)到采掘工作面降溫目的。

3 WAT內(nèi)外部機(jī)組原理

3.1 WAT內(nèi)部機(jī)組工作原理

煤礦井下用制冷裝置KM3000是生產(chǎn)冷凍水的中央設(shè)備，所使用的制冷劑是R22，這種制冷劑不燃燒，無(wú)毒，允許井下使用。其工作過(guò)程如下：（1）R22吸收熱量后蒸發(fā)成氣體，氣體被壓縮機(jī)吸入，壓縮成為高壓、高溫的R22氣體，繼續(xù)抽送至冷凝器，繼續(xù)吸收電動(dòng)機(jī)內(nèi)的多余熱量；（2）R22蒸汽將熱量傳送給冷卻水后演化為液態(tài)R22，節(jié)流閥將液態(tài)R22分批次補(bǔ)充給蒸發(fā)器，保證其連續(xù)工作。R22降溫的過(guò)程就是將制冷對(duì)象的熱量強(qiáng)制輸送至冷卻水中，以使制冷對(duì)象達(dá)到需求溫度3℃，冷卻水將吸收來(lái)的熱量通過(guò)蒸汽方式排送至大氣中。見(jiàn)圖2。

圖2 WAT內(nèi)部機(jī)組工作原理

3.2 地面涼水塔工作原理

涼水塔采用煙臺(tái)荏原的方型橫流式超低噪音冷卻塔，其主要通過(guò)蒸發(fā)作用來(lái)排出工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的廢熱。其工作的基本原理是：干燥(低焓值)的空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)的抽動(dòng)后，自進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處進(jìn)入冷卻塔內(nèi)；飽和蒸汽壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動(dòng)，濕熱(高焓值)的水自播水系統(tǒng)灑入塔內(nèi)。當(dāng)水滴和空氣接觸時(shí)，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達(dá)到降溫的目的。見(jiàn)圖3。

圖3 涼水塔工作原理圖

4 工程實(shí)踐

王樓煤礦采用WAT集中制冷降溫系統(tǒng)，以27302綜采工作面為研究對(duì)象，在工作面上、下順槽，具體安裝位置為工作面進(jìn)風(fēng)巷安裝2臺(tái)450kW空冷器，進(jìn)風(fēng)巷工作面切眼以南200m安裝2臺(tái)450kW空冷器，為工作面進(jìn)風(fēng)降溫，流量141m3/h，流速1.06m/s；回風(fēng)巷共安裝2臺(tái)450kW空冷器。安裝位置如圖4所示。

圖4 工作面集中式布置示意圖

經(jīng)實(shí)測(cè)，27302綜采工作面溫度降低了4～5℃，降至27℃以下，掘進(jìn)工作面溫度降至25℃以下，滿足采掘工作面溫度要求。井下機(jī)械設(shè)備故障率下降了30%，徹底消除了職工中暑現(xiàn)象，同時(shí)提高了工作效率。掘進(jìn)進(jìn)尺每個(gè)大班由原來(lái)的5m提高到降溫制冷后的8m，效率提高了60%；采煤工作面推進(jìn)度每個(gè)大班由原來(lái)的4m提高到降溫制冷后的6m，效率提高了50%。如表1所示。

5 結(jié)論

（1）WAT制冷降溫系統(tǒng)采用井下制冷、地面排熱的方式，通過(guò)井下冷水機(jī)組制取冷水，用冷水作為冷媒介將冷量輸送到井下各需冷地點(diǎn)，從而達(dá)到降溫效果。

（2）以王樓煤礦27302綜采工作面為研究對(duì)象，采用集中式布置空冷器的方式，降溫效果明顯。

表1 工作面采取制冷降溫前后效果對(duì)比