煤矿集中降温系统应用

煤矿集中降温系统应用

乔梦楠

淮北矿业（集团）股份有限公司 涡北煤矿，涡阳 233600

摘  要：为了降低煤矿井下采掘工作面环境温度，采用在地面建设集中降温系统，以制冷机组为中心，辅以地面制冷机组冷却水系统、地面井下冷冻水循环系统、地面反渗透水处理系统、井下热交换系统、井下冷冻水循环系统，向采掘工作面供应温度为5~8℃的冷水，通过采掘工作面的换热器，将产生的冷风供到采掘工作面，从而降低采掘工作面环境温度。结果表明：通过集中降温系统，采掘用作面环境温度可下降6~10℃，验证了集中降温系统的有效性。

关键词：集中降温；采掘工作面环境温度；冷却水循环系统；冷冻水循环系统

0引  言

目前我国部分煤矿进入深部开采范围，随着开采的进一步深入，井下环境温度也会随之进一步升高，井下 高温环境严重危害职工的健康与煤矿开采的安全，怎么解决深井井下高温危害问题成为一个值得思考的问题，针对此问题，提出以在地面建设集中降温系统，向井下提供闭环循环运行的冷水作为热交换，向采掘工作面供应凉风，从而降低工作面环境温度，减少职工的高温危害。

1井下热环境分析

1.1地面大气环境

某煤矿地面大气环境是矿井热环境的重要组成部分。井下风流来自地面大气，地面大气参数的变化直接影响到井下风流参数的变化。

某煤矿地处淮河冲积平原，属北温带季风区海洋～大陆性气候。气候变化明显，四季分明，冬季寒冷多风，夏季炎热多雨，春秋两季温和。据地方1956～2002 年的观测资料，年平均气温14.8℃，极端最高气温 41.2℃，极端最低气温-24℃。年平均降雨量 811.8mm，雨量多集中在 7、8 月份。

1.2地质地热环境

某煤矿煤系地层被厚度介于 378.8～445.4m 之间的松散层所覆盖，属全隐蔽含煤区。由于第三、第四系松散层导热性能差，阻碍了地热向地面大气传散，使得深部热流积聚在煤系地层中，从而导致井田地温梯度较高。矿井恒温带深度为 30m，恒温带温度为17.1℃，地温梯度为 1.88-3.33℃/hm，平均为 2.75℃/hm；-640m 水平地温为 35℃，增温率为 36.3m/℃。

1.3矿井生产环境

矿井开采所形成的生产环境对井下热环境具有直接的影响。如机电设备运转时散热、运输中的煤矸放热、通风风流的压缩热以及采掘面裸露煤岩的氧化散热等，都将与矿井风流发生热交换，使井下风流温度升高。

1)电设备运转时散热：矿井开采强度大，井下采、掘、运等各生产环节机械化程度高，机电设备的装机容量较大。机电设备运转时散热对井下热环境的影响较大。

2)运输中的煤矸放热：从采掘工作面采落下来的煤矸，温度接近围岩的初始温度，将其从采掘工作面运送至地面的过程中，煤矸便将自身热量传递至风流中，引起风流温升。

3)风流压缩热：矿井开采深度大，水平标高-640m，风流自然压缩使风流温升较大。

4)氧化放热：矿井大多数煤层属易自燃煤层，煤和含煤、含硫围岩及支护材料的氧化散热，也是局部气温升高的热源。

综上所述，影响矿井热环境的因素较多，尤其是地温高，机电设备散热量大，高温热害已成为制约矿井安全生产的主要因素。

2降温方式的确定

矿井热害治理的措施很多，分析归纳主要可分为两种类型：一种是非机械制冷降温措施，另一种是采用机械制冷降温措施。两种方式都是在矿井通风的基础上，为使矿井井下作业地点气象条件达到规定标准而采取的降温措施。前者又称开采技术措施，主要包括增大通风量，选择合理的开拓和通风系统，改革通风方式、采煤工艺，以及煤层注水等，但主要是指通风措施；后者是在前者无法达到要求或不经济合理时采取的措施。理论研究和生产实践均充分表明：增大采掘工作面风量来降低气温，改善矿井气候条件是一种比较经济有效的手段，应优先考虑。但是风量增加的程度却受到诸多技术经济条件的约束和其它因素的影响。

2.1受井巷通风断面，最高允许风速的限制

1)该矿井为稀释瓦斯和降温所确定的风量已经很大，基本上按风定断面。在此基础上仍强求增大通风量，井巷风速将严重超限，若要保持井巷风速不超过规程、规范的限定，则须扩大井巷断面或增加井巷数量，其掘进工程量和维护费用随之大幅增大，不仅技术上不合理，而且也很不经济。

2)因受煤层采高和综采液压支架的影响，回采工作面配风量达23m3/s～30m3/s，风速已达到 3.5m/s～3.9m/s，可见，回采工作面风量增加的余地极其有限。

3)掘进工作面（部分工作面除外）已按 2 台大功率局扇配置，供风量达 12m3/s。而掘进工作面：“严禁使用 3 台以上（含 3 台）的局部通风机同时向 1 个掘进工作面供风”。[1-1]

2.2工作面环境影响

工作面气温受地面气温、围岩温度等多种因素的影响。加大风量对降低工作面气温的作用随着风量的增加而逐渐减弱，当风量增加到一定程度，对风温的降低就不明显。

2.3地表温度影响

地面大气入风温度比较高，最高月平均气温达 27.5

℃左右。

综合上述分析，该矿井为厚表土、高地温、高开发强度的大型矿井，且地面大气温度较高。为防治热害,已采取了一些综合防治措施，特别是通风，尽可能加大了采掘工作面的供风量，但由于地温高、机电设备散热量大，采掘工作面的气温仍较高，在此前提下若仍强调增风降温，不仅技术上可行性差，很难达到预期的降温效果， 而且也很不经济。因此，对于本矿井的热害治理，除在充分发挥通风降温作用和其它降温措施的同时，还须采取机械制冷降温方式。

3制冷降温系统的确定

集中式制冷降温系统按照冷媒介质分为冷水降温系统和冰水降温系统两种。

制冰降温系统在国内矿井降温中也有应用，其系统流程为：电制冰机→制冰→输送冰（井筒管路必须保温）→井下融冰硐室融冰→末端制冷。但该系统存在能耗较大、制冰机组的 COP 值较低、制冷机组效率较低、运行成本高，且冰输送到井下还需要加水溶解且水消耗量较大，冷量损失较大，造成末端冷水供水温度较高，很难达到理想的降温效果。另外，由于冰水混合物的粘滞系数较大，容易造成输冰管道的堵塞，并且一旦堵塞较难疏通。而冷水系统与制冰系统相比则少了两个中间环节[电→制冷冻水→末端制冷]，根据能量守恒，从初始的原水到终态的冷水这一过程，减少了中间冷损，必然其制冷效率要高。以亳州涡北煤矿为例，其前期采用制冰系统，由于从井底融冰池出来的冷冻水温即为 6～7℃，经管道输送至末端达到 12℃以上，实际降温效果不甚理想；但井下热害已迫在眉睫，严重影响生产，为治理热害该矿于今年开始使用井下冷水机组，改为采用井下集中式冷水降温系统。故目前国内降温系统设计一般不再推荐此种方式，而推荐采用集中式冷水系统（闭式循环）。

集中式冷水降温系统（闭式循环）按照制冷机组的布置和组合方式不同，主要有地面集中式冷水降温系统和井下集中式冷水降温系统两种。其基本原理都是利用制冷机组制备冷冻水，利用冷冻水做为冷媒输送到井下实现降温的目的。原理如图1所示

图1集中式冷水降温系统原理图

4结  论

1）制冰降温系统虽然能够起到一定的降温效果，但是由于该系统不是闭环系统，照成大量的水资源浪费，另外该系统降温效果差，而且输冰管道容易堵冰，不利于生产使用。

2）现场实践表明：集中式冷水降温系统能够形成闭环系统，不会照成大量的水资源浪费，而且是冷水下井，不会造成管道堵塞，井下换热器效率较高，最低能够连续不断的为工作面稳定提供稳定的5℃左右的冷水，使工作面的温度下降6~10℃。

参考文献：

[1] 《煤矿安全规程》（2016版）.北京:煤炭工业出版社,2016：101-102.

作者简介：乔梦楠(1987—),男,汉族,安徽阜阳人,主管技术员,中级工程师,本科。