井下局部降溫技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

吳晉懷

(大同煤礦集團(tuán)白洞礦業(yè)公司，山西 大同 037003)

0 引言

同煤集團(tuán)某礦二號井目前已開采至埋深740 m的位置，該水平有明顯地下熱害現(xiàn)象，各采掘工作面中有多處溫度超過30 ℃，其中最高的一處平均溫度高達(dá)32 ℃，必須采取降溫措施逐步解決[1-3]。當(dāng)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(chǎn)秩序都造成了極大的影響，地溫升高問題已經(jīng)成為阻礙礦井正常生產(chǎn)的一個(gè)重大隱患[4-6]。為此，通過對現(xiàn)采煤層2號煤層中的熱害現(xiàn)狀進(jìn)行分析，查找熱源，根據(jù)熱源特點(diǎn)與地溫現(xiàn)狀制定專項(xiàng)治理方案，選取局部降溫技術(shù)開展井下工作面環(huán)境改善工作。

1 礦井地?zé)岈F(xiàn)狀

1.1 工程概況

該礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量1 500萬t/a，所在井田整體面積約58.52 km2，含有多層可采煤層，其中南北走向9.9 km，東西12.8 km，走向沿東西方向傾斜。礦井分有1號井和2號井兩套獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng)，主井均采用斜井開拓，井田現(xiàn)主采煤層為2號煤層，煤層賦存條件良好，煤層厚度平均達(dá)到14 m，采用大采高綜采工藝進(jìn)行煤炭回采，礦井屬于低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，且煤層存在自燃傾向。

1.2 地溫狀況

礦井不同埋藏深度受到環(huán)境溫度和地層地溫綜合影響，可以分為氣候影響區(qū)、溫度穩(wěn)定區(qū)、地?zé)嵊绊憛^(qū)三層，通常井下地?zé)岈F(xiàn)象主要存在于埋深較大的地?zé)嵊绊憛^(qū)內(nèi)，該煤巖層受到地溫梯增影響[7-9]。對所在煤田進(jìn)行井溫測定，通過測溫鉆孔對不同煤層進(jìn)行溫度監(jiān)控，測溫鉆孔沿勘探線布置在不同構(gòu)造位置，各測溫鉆孔位置延剖面線布置會(huì)利于后期分析。測溫孔主要布置在垂深260 m、460 m、600 m這3個(gè)水平，并少量設(shè)置在火區(qū)內(nèi)外；測溫孔選擇簡易測溫孔、近穩(wěn)態(tài)測溫孔和長期穩(wěn)態(tài)測溫孔三類，利用原有地質(zhì)詳查的9個(gè)測溫孔和井田深部邊緣的1個(gè)近穩(wěn)態(tài)測溫孔(1912號孔)外，再額外施工56個(gè)測溫鉆孔，配合火區(qū)測溫孔等不同測溫孔共計(jì)76個(gè)測孔；測溫設(shè)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(jié)果表明井田隨著埋深溫度逐漸升高，其中垂深260 m處測得最高溫度為24．1 ℃，而垂深600 m處的最高溫度為36.16 ℃，不同垂深溫測孔溫度測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同垂深溫測孔溫度測量數(shù)據(jù)

1.3 熱害現(xiàn)狀

通過對工作面內(nèi)各處的溫度進(jìn)行測定，工作面下隅角處為溫度最高點(diǎn)，測得溫度最高值為32 ℃，工作面內(nèi)的熱害除去巖層的地溫影響，還包括工作面內(nèi)機(jī)械設(shè)備和通風(fēng)方式等方面的影響[11-14]。

機(jī)電設(shè)備因素：以Ⅱ020207工作面為例，該工作面為綜采工作平面，存在采掘、轉(zhuǎn)載、轉(zhuǎn)運(yùn)等各型設(shè)備以及各大功率配套機(jī)電設(shè)備，導(dǎo)致回采期間下隅角存在溫升4～5 ℃，可見機(jī)電設(shè)備是除去巖層地?zé)嶂獾淖畲鬁囟仍鲩L原因。

通風(fēng)方式：工作平面內(nèi)回風(fēng)流方向與運(yùn)煤方向相反，導(dǎo)致煤炭通過運(yùn)輸皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，自身熱量沒有被回風(fēng)流帶離，而是散入巷道內(nèi)部，從而影響工作面內(nèi)巷道溫度上升。

主要熱害因素：根據(jù)分析，當(dāng)前采煤工作面的主要熱害為機(jī)電設(shè)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(dāng)隨之采深不斷增加，巖層的穩(wěn)增效應(yīng)加大，煤巖壁蘊(yùn)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(nèi)部，即采深增加后，地?zé)嵊绊憣⒏鼮橥怀觥?/p>

2 制冷方案選擇及效果分析

2.1 井下降溫冷負(fù)荷計(jì)算

采掘工作面需冷量：采掘工作面需冷量的計(jì)算參照式(1)

Q3=q·ρ·(I1-I2)

(1)

式中：Q3—采、掘工作面的需冷量，kW；I1—處理前采、掘工作面的風(fēng)流焓值，取106.3 kJ/kg；I2—處理后采、掘工作面的風(fēng)流焓值，取84.5 kJ/kg;q—工作面內(nèi)局部通風(fēng)風(fēng)量，取16.6 m3/s；ρ—空氣密度，取1.22 kg/m3。計(jì)算得Q3為441.5 kW。

冷負(fù)荷參數(shù)匯總：將020602綜放工作面各冷負(fù)荷參數(shù)匯總后，見表2。

表2 采煤工作面冷負(fù)荷計(jì)算表

2.2 制冷方案

局部降溫技術(shù)確定：由于造成工作面內(nèi)溫度超限的原因主要為機(jī)電設(shè)備散熱造成的，該類情況特點(diǎn)在于熱源主要影響設(shè)備所在的局部區(qū)域，而且采用全礦井降溫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投入較大，且需要較長的建設(shè)周期，不利于快速解決井下熱害問題。考慮到工作面熱害特點(diǎn)，計(jì)劃采用直冷式局部降溫制冷裝置用來控制采掘工作面的局部高溫。該類系統(tǒng)的構(gòu)成通常由制冷主機(jī)、蒸發(fā)器、空冷器3大主要部分以及各類管路和控制閥組成。

局部制冷降溫原理：局部制冷機(jī)主要由主機(jī)、蒸發(fā)器和冷卻器3部分組成，而主機(jī)中又含有壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥及各類控制閥構(gòu)造。局部制冷機(jī)壓縮機(jī)帶動(dòng)制冷劑進(jìn)行循環(huán)，制冷劑吸收完熱量后會(huì)以低壓氣態(tài)存在，通過壓縮機(jī)加壓轉(zhuǎn)化為高壓高溫狀態(tài)；通過主機(jī)中冷凝器對熱量的吸收，熱量被傳遞至冷卻水中；制冷劑再次轉(zhuǎn)化為低溫高壓液體狀態(tài)，該狀態(tài)下制冷劑通過膨脹閥，膨脹閥起到節(jié)流作用，使制冷劑改變?yōu)闅夤虄上酄顟B(tài)后進(jìn)入蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)與環(huán)境中空氣進(jìn)行換熱，吸收熱量進(jìn)行制冷工作，而蒸發(fā)器與局部通風(fēng)機(jī)相連，通過局部通風(fēng)機(jī)將環(huán)境中的空氣不斷帶入蒸發(fā)器內(nèi)，環(huán)境中的熱量通過與制冷劑的交換逐步降低。蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑換熱膨脹后再次改變?yōu)榈蛪焊邷貧怏w狀態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)形成新的制冷循環(huán)，如此形成穩(wěn)定的局部制冷降溫效果。

降溫設(shè)備選型：根據(jù)020602工作面綜采工作面實(shí)際需冷量為529.8 kW，計(jì)劃選取450型局部移動(dòng)式制冷主機(jī)，并根據(jù)冷量需求，選擇3套制冷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)兩開一備的運(yùn)行方式，維持900 kW的總的制冷量。由于工作面內(nèi)風(fēng)量應(yīng)滿足800 m3/min的風(fēng)量需求，制冷主機(jī)蒸發(fā)器空氣壓降>1 150 Pa，全風(fēng)壓>1 250 Pa，與制冷主機(jī)對應(yīng)選型應(yīng)兩開一備；冷卻器氣壓降>1 000 Pa，全風(fēng)壓>1 100 Pa，同樣兩開一備；冷卻水泵選型為MD100型冷卻水泵，經(jīng)濟(jì)流速為1.5 m/s，主路選取D108 mm×7 mm無縫鋼管，管線長度為6 500 m。冷卻水路管路鋪設(shè)路為：1號制冷站→020602工作面機(jī)巷→2號制冷站→020602工作面1號聯(lián)絡(luò)巷→020602工作面風(fēng)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25 m3/h，采用1用1備。

設(shè)備布置方式：020602工作面內(nèi)共計(jì)3套局部降溫制冷設(shè)備，考慮到冷卻站尺寸和不影響工作面正常運(yùn)輸和通行秩序，冷卻站設(shè)置在空間較大的020602風(fēng)巷內(nèi)，也避免了單獨(dú)開鑿專用硐室。并且經(jīng)過測試，回風(fēng)巷內(nèi)整體回風(fēng)量為1 000 m3/min，巷道內(nèi)部溫度約為30 ℃，滿足冷卻站散熱要求。而其中兩套局部制冷裝置設(shè)置在回采工作面切眼500 m處，稱為1號制冷站；在巷道中部單獨(dú)設(shè)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(jī)、450型蒸發(fā)器及配套對旋風(fēng)機(jī)，冷風(fēng)通過膠質(zhì)風(fēng)筒輸送到工作面內(nèi)部，各冷卻器設(shè)置在冷卻站內(nèi)，為3臺LQ-600的排熱型冷卻器、排熱風(fēng)機(jī)、水泵及配套水箱。各套制冷裝置使用過程中實(shí)行2開1備。為避免受到工作面前端爆破作業(yè)和回采割煤作業(yè)的影響，制冷機(jī)前移過程中應(yīng)和工作面前端保持合適的安全距離，并以工作面每推進(jìn)200 m進(jìn)行一次前移，確保工作面至制冷機(jī)范圍內(nèi)部溫降可達(dá)5～6 ℃以上。

2.3 制冷效果分析

020602綜采工作面的局部制冷裝置設(shè)置完成后，進(jìn)行了一個(gè)月的試運(yùn)行，通過在工作面內(nèi)部各處設(shè)置的溫、濕度傳感器的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并對比局部制冷裝置使用前后工作面內(nèi)部的溫濕度變化，見表3。由表可知，局部制冷裝置的使用改善了工作面內(nèi)部濕熱的工作環(huán)境，起到良好的降溫效果，為井下作業(yè)人員創(chuàng)造了良好的作業(yè)條件。

表3 020602綜采工作面局部制冷裝置效果數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

綜上，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(jié)合調(diào)整局部通風(fēng)方式、工作面局部通風(fēng)能力以及減少機(jī)電設(shè)備散熱等綜合措施，才是工作面內(nèi)環(huán)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(fù)荷，做到降低能耗。