梅花井煤礦地面集中降溫系統設計研究

王 曦，陳孜虎

中冶建工集團有限公司 重慶 400084

神 華寧夏煤業集團有限責任公司梅花井煤礦位 于寧東煤田鴛鴦湖礦區中部，南北走向長約為 10.6 km，東西傾向寬約為 6.7 km，屬中等偏簡單類型。梅花井煤礦主采煤層二煤層結構簡單，可采厚度為 4.23～6.00 m，屬厚煤層，可采儲量約為 1 231.4 Mt。該礦井建設規模為 12.0 Mt/a，一期為 4.0 Mt/a，采用走向長壁、一次采全高采煤法。一期布置 2 個中厚煤層綜采工作面，二期增加 1 個大采高綜采工作面和 1 個薄煤層刨煤機綜采工作面。礦井為瓦斯礦井，各煤層熱害區主要分布在工作區深部，均有自燃傾向性。

根據全區 135 個測溫孔資料統計，井底溫度超過 31 ℃ 以上鉆孔有 101 個，占總測溫孔的 75%，其中井底溫度超過 37 ℃ 以上的鉆孔有 54 個，占測溫孔數的 40%。經測量，綜采工作面最高氣溫 35 ℃，掘進工作面為 35 ℃，相對濕度為 95%，礦區平均地溫梯度為 3.12 ℃/100 m，屬地溫異常區。

根據我國《煤礦安全規程》的規定[1-2]，生產過程中，工作面的環境氣溫不得超過 26 ℃，機電設備硐室內的氣溫不得超過 30 ℃。該礦區的熱害情況已經嚴重影響現場作業人員的身體健康，對安全生產造成嚴重影響，必須采取機械降溫措施。由于井下熱害范圍涵蓋了各個綜采面和掘進工作面，并且高溫區域分散，無法通過局部制冷降溫措施解決井下熱害問題。因此，為了解決高溫采掘工作面的實際降溫需求，建立一套集中制冷降溫系統是一種技術、經濟可行的方案。

1 降溫負荷計算

1.1 基本參數

降溫前工作面基本參數如表 1 所列。降溫后預計干球溫度為 26 ℃，相對濕度為 75%。

表1 降溫前工作面基本參數Tab.1 Basic parameters of work face before cooling

1.2 降溫負荷

礦井降溫所需制冷量

式中：K為系數，一般取 1.2～1.5；∑Qcj為采掘工作面需冷量，kW；∑Qls為系統的冷損失量，kW；G為采掘工作面配風量，kg/s；i1為降溫前采掘工作面風流焓值，kJ/kg；i2為降溫后采掘工作面風流焓值，kJ/kg。

干球溫度 35 ℃，相對濕度 95% 的空氣焓值為 124.03 kJ/kg；干球溫度 26 ℃，相對濕度 75% 的空氣焓值為 66.59 kJ/kg，空氣密度取 1.20 kg/m3。

由式 (1)、(2) 計算可得：綜采工作面降溫負荷為 1 379 kW，接替工作面降溫負荷為 827 kW，綜掘工作面降溫負荷為 689 kW，普通掘進工作面降溫負荷為 414 kW。由于 《礦井降溫技術規范》 中規定冷量損失不得超過 20%，可得礦井降溫總降溫負荷Qjc＝1.2×(2×1 379 kW+827 kW+3×689 kW+414 kW)＝7 279 kW。

另外考慮到變電所的降溫需求，設計降溫負荷取 8 000 kW，能夠滿足礦井的降溫需求。

2 礦井降溫方案

2.1 方案概述

針對梅花井煤礦的降溫區域分布情況及降溫負荷，要解決井下熱害嚴重的現狀，必須采取大型機械降溫系統。

近年來礦井井下集中降溫、地面集中降溫、局部降溫等技術在我國礦井得到較多的應用，由于地面集中降溫系統可以采用多種能源進行降溫，越來越受到礦方關注，地面集中制冷降溫系統可以綜合利用地面已有的各類能源，實現能量的梯級利用，可有效降低運行成本，具有良好的“節能減碳”效果；另外地面集中降溫系統可以采用熱回收的制冷機組，能夠將冷凝熱充分利用，解決礦井熱水需求；設備全年運行使用率較高，夏季可以解決井下降溫和地面熱水的需求；冬季可以實現地面采暖和供熱的需求。因此，國內降溫技術發展趨勢是朝著地面集中制冷、各類能源綜合利的方向發展。選擇地面集中降溫系統較為經濟合理。

2.2 地面集中降溫方案工藝流程

地面集中降溫系統工藝流程如圖 1 所示[3-4]。地面集中制冷降溫系統的制冷站布置在地面，制取的 3～5 ℃ 冷凍水經過保溫管道輸送至井下換冷硐室，水的靜壓達到 12 MPa。因此，高壓的冷凍水若要被井下空冷器使用，必須經過減壓，這里采用高低壓轉換裝置對高壓冷凍水進行減壓，壓力從 12 MPa 降低至 3 MPa，然后冷凍水泵將其輸送到采掘工作面空冷器，冷凍水吸收工作面環境空氣的熱量將其降溫；同時將低壓側熱水利用高壓冷水的勢能增壓后輸送至地面制冷站，形成閉式循環。其中高低壓轉換裝置是系統的核心裝備[5-6]。

圖1 地面集中降溫系統工藝流程Fig.1 Process flow of ground centralized cooling system

地面制冷機組可以選擇吸收式熱泵機組，可以利用地面余熱，包括瓦斯蓄熱裝置的熱量，還可以將冷凝熱回收，為澡堂提供熱水。

2.3 高低壓轉換裝置工作原理

高低壓轉換裝置的工作原理如圖 2 所示[7]。圖 2 中 A、B 類閥門為液壓控制單向閥 DN300；C、D 類閥門為液壓控制壓力平衡截止閥 DN32；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 為腔體管道，一般長度為 45 m。其工作過程如下：C1 壓力平衡閥開，將腔體Ⅰ中的壓力與高壓側的壓力平衡；然后閥 A1 開，閥 B1 關，高壓側冷水在循環水泵的驅動下進入管內，將管內的熱水推出，進入高壓回水管路，輸送至地面制冷站，直至腔體內熱水排空；D1 壓力平衡閥開，將腔體Ⅰ中的壓力由高壓平衡至低壓側壓力，然后主閥 A1 關，B1 開，低壓的熱水進入腔體，將腔體內的冷水推出，冷水被輸送到井下低壓冷水管路中的空冷器，將工作面風流溫度冷卻降溫，直至腔體內充滿熱水；此時 B1 關，A1 開，重復以上過程。由于腔體內的壓力平衡需要一定的時間，因此需要配置 3 個腔體，才能實現裝置水流的連續。

圖2 高低壓轉換裝置原理Fig.2 Principle of high and low pressure conversion device

3 降溫系統設計

3.1 地面制冷機組的選型

地面制冷機組可以采用熱回收型制冷機組，選擇吸收式熱泵機組 2 套，型號為 BS600 低溫水機組，冷凍水溫度最低可以控制在 3 ℃，單臺制冷量為 6 700 kW，制取 3～ 4 ℃ 的冷凍水輸送至井下制冷硐室的高低壓轉換裝置，降壓后輸送至空冷器降溫。2 套制冷機組可以兼顧地面工業廣場的制冷需求，也為井下降溫區域的擴大提供儲備。

3.2 高低壓轉換裝置的選型

高低壓轉換裝置如圖 3 所示，主要由機械單元、電控單元和輔助保護單元 3 部分組成。機械單元包括腔體管、液壓控制閥組、壓力平衡閥組、單向閥、三通分配器和立式連接管等；電控單元包括液壓單元、PLC 控制單元、信號采集系統和工控機等；輔助保護單元包括全自動過濾站、末端流量控制裝置、補放水單元和超壓保護單元等。該裝置型號為 PED-550 LS-P120，承壓能力為 12 MPa，冷水設計流量為 550 m3/h，安裝長度為 45 m。

圖3 高低壓轉換裝置Fig.3 High and low pressure conversion device

3.3 循環水泵選型

地面冷凍水循環總流量為 500 m3/h，揚程為 80 m。水循環水泵型號為 D280-45×2，設置 3 臺，2 用 1 備。

井下冷凍水循環流量為 500 m3/h，揚程為 230 m。冷凍水循環水泵型號為 MD300-65×4，設置 3 臺，2 用 1 備，滿足煤礦井下防爆要求。

3.4 空冷器的選型

空冷器是降溫系統的末端換熱設備，空冷器的選型需要根據采掘工作面降溫所需要的冷負荷來確定。綜采工作面可以布置 3 臺 400 kW 和 1 臺 200 kW 空冷器；綜掘工作面布置 1 臺 400 kW 和 1 臺 300 kW 空冷器；接替工作面布置 1 臺 400 kW、1 臺 300 kW 和 1 臺 200 kW 空冷器；普通掘進工作面布置 1 臺 300 kW 空冷器和 1 臺 200 kW 空冷器，空冷器技術參數如表 2 所列。

表2 空冷器技術參數Tab.2 Technical parameters of air cooler

空冷器采用紫銅管、光管換熱面，有利于提高換熱效果，且換熱管表面不易于積灰。

3.5 井下降溫硐室及配套設計

3.5.1 降溫硐室設計

制冷硐室斷面如圖 4 所示。長度不小于 60 m，拱形斷面寬度 ≥5 m，巷道弧頂高度 ≥4 m。

圖4 井下制冷硐室斷面Fig.4 Section of underground cooling chamber

3.5.2 供配電系統

地面制冷站的供電電壓等級為 380 V 和地面循環水泵的電壓等級為 1 140/660 V。井下水泵等設備的供電電壓均為 1 140/660 V；井下控制系統供電 127 V。

3.5.3 降溫系統控制單元

降溫系統的控制單元要求對整個降溫系統各個環節的溫度、壓力、流量等相關參數進行監測，對各電氣設備進行自動控制，實現整個系統的協調運行和保護功能。井下高低壓轉換裝置的控制系統可以完成對高低壓轉換裝置及相關輔助設備的監控，并與地面制冷站的控制單元聯網，實現地面井下的聯合控制。

3.6 降溫系統末端空冷器的布置方式

為了實現工作面的風溫降至 26 ℃ 的目標，空冷器的布置位置必須采用多點連續、分散的設置方式。根據工作面冷負荷，采煤工作面的空冷器采用 3 臺 AC-400 和 1 臺 AC-200 空冷器，使工作面的總制冷功率達到 1 400 kW。空冷器布置在工作面進風巷道一側，空冷器的布置位置如圖 5 所示。

圖5 工作面空冷器布置Fig.5 Layout of air cooler on work face

每個掘進工作面可設置 400、300 kW 的空冷器各 1 臺。空冷器與局扇一體化安裝，將冷風通過保溫風筒輸送到掘進面迎頭，如圖 6 所示。

圖6 掘進工作面空冷器布置示意Fig.6 Layout of air cooler on heading work face

4 降溫效果

采煤工作面降溫前后溫差參數對比如表 3 所列。

表3 降溫前后工作面風流熱力學參數Tab.3 Thermodynamic parameters of air flow on work face before and after cooling

干球溫度降低 6.1～7.1 ℃，濕球溫度降低 9.1～13.8 ℃，相對濕度降低至 75% 以下，體感較為舒適，達到了預期目標。采用熱回收吸收式制冷機組，既解決了煤礦熱害問題，又為地面區域提供了生活熱水，系統能源的綜合利用效率較高。采用高低壓轉換裝置進行勢能回收，可顯著降低循環水泵的揚程，節能效果顯著。

5 結語

地面集中降溫系統具有如下特點。

(1) 可以采用地面各種熱源，節能減碳效果顯著，運行費用低。

(2) 地面制冷機組可以采用熱回收機組，能夠滿足煤礦人員日常熱水使用需求，節能效果更好。井下熱負荷較低時，制冷機組可以滿足地面區域的制冷需求；采用雙效機組，在冬季可以解決煤礦地面采暖的需求，增加了設備的使用效益。

(3) 采用高低壓轉換裝置，可以有效將冷熱水的勢能相互轉換，從而降低系統的循環水泵揚程，節能效果較好。

地面集中礦井降溫系統極大地改善了采掘工作面的作業環境，提高了作業人員的工作效率，“節能減碳”效果顯著，具有良好的經濟效益。