羊場灣煤礦二號井井下局部降溫技術的研究與應用

劉 喜

（寧夏寶豐能源股份有限公司紅四煤業，寧夏 靈武 751400）

羊場灣煤礦屬于神華寧夏煤業集團公司首個使用大采高綜采技術的礦井。該礦井二號井目前已經開采至埋深740m位置，該水平有明顯地下熱害現象，各采掘工作面中有多處溫度超過30℃，其中溫度最高的一處平均高達32℃。根據《煤礦安全規程》中相關規定：“生產礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過 26℃；采掘工作面的空氣溫度超過30℃，必須采取降溫措施逐步解決”。所以當前情況下，礦井井下熱害對礦井的開拓、工作面的延伸以及正常的生產秩序都造成了極大的影響，地溫升高問題已經成為阻礙礦井正常生產的一個重大隱患。

本文通過對現采煤層2#煤層中的熱害現狀進行分析，查找熱源，根據熱源特點與地溫現狀制定專項治理方案，選取局部降溫技術進行井下工作面環境改善工作。

1 礦井地熱現狀

羊場灣煤礦井田面積約58.52km2，含多層可采煤層，其中南北走向9.9km，東西12.8km，走向沿東西方向傾斜。井田現主采煤層為2#煤層，煤層賦存條件良好，煤層厚度平均達到14m，采用大采高綜采工藝進行煤炭回采，礦井屬于低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險，且煤層存在自燃傾向。

1.1 地溫狀況

羊場灣煤礦對所在煤田進行井溫測定，通過測溫鉆孔對不同的煤層進行溫度監控。測溫鉆孔沿勘探線布置在不同構造位置，各測溫鉆孔位置沿剖面線布置會利于后期分析，測溫孔主要布置在垂深260m、460m、600m三個水平，并少量設置在火區內外。測溫孔選擇簡易測溫孔、近穩態測溫孔和長期穩態測溫孔三類，再利用原有地質詳查的9個測溫孔和井田深部邊緣的1個近穩態測溫孔（1912號孔）外，再額外施工56個測溫鉆孔，配合火區測溫孔等不同測溫孔共計76個測孔。測溫設備為JJW-1型井溫儀和TYW-2型晶體管井溫儀兩種。溫度測量結果表明井田隨著埋深溫度逐漸升高，其中垂深260m處測得最高溫度為24.1℃，而垂深600m處的最高溫度為36.l6℃。不同垂深溫測孔溫度測量數據見表1。

表1 不同垂深溫測孔溫度測量數據

1.2 熱害現狀

通過對工作面內各處的溫度進行測定，工作面下隅角處為溫度最高點，測得溫度最高值為32℃。工作面內的熱害除巖層的地溫影響，還包括工作面內機械設備和通風方式等的影響。

（1）機電設備因素。以II020207工作面為例，該工作面為綜采工作面，存在采掘、轉載、轉運等各型設備以及各大功率配套機電設備，導致回采期間下隅角存在溫升4～5℃，可見機電設備是除巖層地熱之外最大溫度增長原因。

（2）通風方式。工作平面內回風流方向與運煤方向相反，導致煤炭通過運輸皮帶轉運過程中，自身熱量沒有被回風流帶離，而是散入巷道內部，從而影響工作面內巷道溫度上升。

根據分析，當前羊場灣煤礦采煤工作面的主要熱害為機電設備，其次才是巖層地溫和原煤熱量散失，而相對人員散熱影響較小。當隨著采深不斷增加，巖層的穩增效應加大，煤巖壁蘊含的熱量大幅度增加，并通過輻射和對流等方式傳遞至工作面內部，即采深增加后，地熱影響將最為突出。

2 井下降溫冷負荷計算

采掘工作面需冷量：

式中：

Q-采、掘工作面的需冷量，kW；

G-采、掘工作面的質量風量，kg/s；

I1-處理前采、掘工作面的風流焓值，kJ/kg；

I2-處理后采、掘工作面的風流焓值，kJ/kg；

q-工作面內局部通風風量，m3/s；

ρ-空氣密度，kg/m3。

根據GB50418-2017《煤礦井下熱害防治設計規范》第七章相關要求，以及二號井020602綜放工作面各項指標情況，其中處理前采、掘工作面的風流焓值為106.3kJ/kg，處理后采、掘工作面的風流焓值為84.5 kJ/kg，工作面內的供風量為16.6m3/s，空氣密度為1.22 kg/m3，通過公式（2）計算：

將020602綜放工作面各冷負荷參數匯總后，見表2所示。

表2 采煤工作面冷負荷計算表

3 制冷方案選擇

由于造成羊場灣煤礦工作面內溫度超限的原因主要為機電設備散熱，該類情況特點在于熱源主要影響設備所在局部區域，而且采用全礦井降溫系統經濟投入較大，且需要較長的建設周期，不利于快速解決井下熱害問題。考慮到羊場灣煤礦工作面熱害特點，計劃采用直冷式局部降溫制冷裝置來控制采掘工作面的局部高溫。該類系統通常由制冷主機、蒸發器、空冷器三大主要部分以及各類管路和控制閥組成。

3.1 降溫設備選型

根據020602綜采工作面實際需冷量為529.8kW，計劃選取450型局部移動式制冷主機，并根據冷量需求，選擇3套制冷設備，實現兩開一備的運行方式，維持900kW的總的制冷量。由于工作面內風量應滿足800m3/min的風量需求，制冷主機蒸發器空氣壓降＞1150Pa，全風壓＞1250Pa，與制冷主機對應選型應兩開一備；冷卻器氣壓降＞1000Pa，全風壓＞1100Pa，同樣兩開一備；冷卻水泵選型為MD100型冷卻水泵，經濟流速為1.5m/s，主路選取D108×7無縫鋼管，管線長度為6500m，冷卻水路管路鋪設路為：1號制冷站-020602工作面機巷-2號制冷站-0206021#聯絡巷-020602工作面風巷-冷卻站。所有冷卻水管需做隔熱處理。噴淋水管路中噴淋水泵選型為MD25型單臺冷卻器，需水量為25m3/h，采用1用1備。

3.2 設備布置方式

020602工作面內共計3套局部降溫制冷設備，考慮到冷卻站尺寸和不影響工作面正常運輸和通行秩序，冷卻站設置在空間較大的020602風巷內，也避免了單獨開鑿專用硐室。經過測試，回風巷內整體回風量為1000m3/min，巷道內部溫度約為30℃，滿足冷卻站散熱要求。兩套局部制冷裝置設置在回采工作面切眼500m處，稱為1號制冷站；在巷道中部單獨設置1套局部制冷裝置，稱為2號制冷站。各套制冷裝置包含有450型制冷主機、450型蒸發器及配套對旋風機，冷風通過膠質風筒輸送到工作面內部，各冷卻器設置在冷卻站內，為3臺LQ-600的排熱型冷卻器、排熱風機、水泵及配套水箱。各套制冷裝置使用過程中實行2開1備。為了避免受到工作面前端爆破作業和回采割煤作業的影響，制冷機應前移過程中應和工作面前端保持合適的安全距離，并以工作面每推進200m進行一次前移，確保工作面至制冷機范圍內部溫降可達5～6℃以上。

4 制冷效果分析

020602綜采工作面的局部制冷裝置設置完成后，進行了一個月的試運行。通過對工作面內部各處設置的溫、濕度傳感器的反饋數據進行匯總，并對比局部制冷裝置使用前后工作面內部的溫濕度變化（見表3），數據充分說明局部制冷裝置的使用改善了工作面內部濕熱的工作環境，起到良好的降溫效果，為井下作業人員創造了良好的作業條件。

表3 020602綜采工作面局部制冷裝置效果數據匯總表

礦井熱害是多種因素造成的，使用局部制冷降溫裝置等單一措施效果是有限的。結合調整局部通風方式、工作面局部通風能力以及減少機電設備散熱等綜合措施，才是工作面內環境溫度控制合理范圍的最佳方式，也能降低局部制冷降溫裝置工作負荷，做到降低能耗。