高温矿井局部降温系统的设计与应用

【关键词】热害治理；局部制冷；降温系统 0 引言

中国是世界上最大的以煤炭为主要能源的国家，同时也是矿井热害较为严重的国家之一。近些年来，由于煤矿开采深度的不断增加，采掘机械化和自动化程度提高，开采强度的加大，随着煤矿机械化程度的不断提高，矿井逐步加快向深部延伸，高温矿井的数量也在不断增加，矿井热害问题日益严重[1]。

对于距离集中制冷站较远的高温掘进工作面，由于其数量多、公布广、地点变化频繁，往往顾及不到[2]。然而建设集中制冷站投资大，不可能在每个高温采掘工作面建立大型地面集中制冷站。局部制冷降温工程投资少，实施简便、快捷，机动灵活，可随降温地点的变化而移动，恰好能够弥补地面集中制冷站的不足，从而与其形成优势互补[3-4]。 1 矿井热害特点分析

该热害矿井属于高地温类深井地热型矿井，平均地温梯度一般大于3℃/hm，其中地热是导致矿井高温的主要因素。四矿北山三水平皮带下山巷道掘进工作面2009年6月5日实测温度为31℃，7月份温度已达到34℃～36℃，相对湿度达到94%～96%。终掘长度1100m，截止2009年7月23日已掘进350m，200m平巷，150m上山，坡度为10°，地面装有2×55kw局扇，通过风筒送至掘进工作面，工作面风量350 m3/min，温度33℃，湿度94%，掘进断面20.5m2。

井筒淋水量35m3/h，七月份水温29～30℃。

经分析，该矿北山三水平皮带下山热害主要由以下原因引起：（1）采深大，该矿北山竖井垂深1164米；（2）岩温高，2009年7月实测掘进工作面岩温为47℃；（3）该矿井为正在施工矿井，井下通风系统尚未形成，现有通风设备所产生的风流无法有效将巷道内热量带走；（4）井下机电设备在工作时克服摩擦阻力做功所消耗的能量转化为热量，并散发于巷道中。 2 工作面局部降温系统 2.1 局部制冷机的工作原理

局部降温制冷机主要由三部分构成，分别为工作装置、蒸发器、排热冷却器。其工作原理如图1所示。

制冷机中的压缩机将吸收过热负荷的低压气态制冷剂吸入并压缩为高压高温蒸汽，通过工作装置中的冷凝器将热量传递给冷却水，同时制冷剂变为低温高压液体，而后低温高压状态下的制冷剂通过膨胀阀节流，变为低温低压气液两相混合物进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器铜管中蒸发制冷，而安装于蒸发器一端的局扇则不断吸入周围环境中的热空气与蒸发器内铜质盘管间进行冷热交换，从而达到降低温度的目的。吸收热负荷后的制冷剂以低压气态进入压缩机再次进行循环。

吸收过制冷剂热量的冷却水进入冷却水箱，通过水循环泵进入排热冷却器内，通过安装于排热冷却器一侧的局扇将热量排出，而后再次进入工作装置中的冷凝器内吸收制冷剂所带来的热量。

低压气态制冷剂（r407c）被吸入压缩机当中被压缩为高温高压的蒸汽，在制冷机组中的冷凝器中将热量传给冷却水，而后制冷剂变为了低温高压的液体，通过膨胀阀节流，变成了低温低压气液两相混合物进入蒸发器。液态制冷剂在蒸发器中蒸发吸热制冷，外界空气则通过蒸发器上的局扇进入与蒸发器内盘管进行冷热交换，起到降温的效果。吸收完热量的制冷剂又返回压缩机再次进行循环。 2.2 局部制冷降温方案的确定

井下局部制冷降温技术，就是在井下热害较为严重的区域，如高温掘进工作面附近或者采煤工作面安装防爆制冷机组，再采用一些科学、合理的方式将工作面的冷凝热量排出，从而达到降低掘进工作面风流温度的目的。其中科学、合理的排热方式则是影响制冷机组发挥最佳制冷效果的关键。

在煤矿井下供水、供风量紧张的情况下，可考虑利用循环水及乏风排热。但此方案存在一定安全隐患，不能用于瓦斯突出采掘工作面，即使瓦斯浓度极低也应谨慎采用，而且必须设立瓦斯自动监测报警断电装置，以保证安全生产。

经过实地勘察，该矿北山主井井筒有自然淋水（淋水量35m3/h，水温27～29℃），而局部制冷机冷却水需求量为30～36m3/h，水温需≤30℃。因此，该矿北山井筒淋水量及温度均符合制冷机制冷要求。综上所述，在对该矿北山三水平皮带下山掘进工作面降温实施方案中，可充分利用天然水源作为制冷机组的冷却水，即将井底水窝内收集的井筒淋水通过水泵送进制冷装置进行冷热交换，吸收制

冷剂热负荷后的冷却水不再循环使用，而是通过保温管路排至井下临时水仓内，再通过主水泵将带有热负荷的冷却水排往地面。 在本方案中，由于采用一次性水排热作为制冷机组的冷凝热排放方式，因此，不再安装使用局部制冷机组中的排热冷却器。 2.3 掘进工作面需冷量计算 2.4 制冷机安放位置

该矿北山竖井到皮带下山掘进头距离约为350m，局部制冷机组中的工作装置和蒸发器安装于距掘进工作面迎头约150m的位置，其位置可随掘进头的推进而移动。蒸发器接入向掘进工作面送风的风筒中串联使用，工作装置和蒸发器由柔性高压管连接。其降温系统示意图如图2所示。 2.5 系统工艺流程

该矿井局部系统工艺流程主要由制冷、输冷、排热三部分组成（见图3）。

1）排热：压缩机将在蒸发器内吸热后的低压气态制冷剂吸入并压缩为高压高温蒸汽，送入工作装置中的冷凝器将热量传递给冷却水，冷却水由保温管道直接排进风库内的临时水仓，通过主水泵由竖井排往地面。冷却水水源由冷却水泵抽取竖井井底水窝内的井筒淋水。

2）制冷：低温高压状态下的制冷剂（r407c）通过膨胀阀节流进入蒸发器中蒸发吸热（制冷，使流过蒸发器盘管外的风温降低）后，再次进入压缩机并压缩为高压高温蒸汽，进入工作装置中的冷凝器

再次冷凝排热，实现循环制冷。

3）输冷：风筒内的风流在通过蒸发器时放热（吸冷）后，温度降低，并被送到掘进工作面迎头，达到降温的目的。 2.6 冷却水管及冷却泵的选择 3 制冷系统降温效果考察

局部制冷机组于2010年8月13日开始试运行，制冷效果非常理想，掘进工作面降温幅度达6～11℃，如表1所示。

通过上表我们可以看到，局部制冷机组运行后取得了良好的制冷效果，大幅度的降低干球温度。当外界温度达30℃以上时，依旧可以正常工作并发挥作用。而且经过一段时间运行，运行测试完全达到设计要求，工作面热环境得到明显改善，取得预期的降温效果。 4 结论

解决煤矿高温热害问题主要根据矿井本身热害的成因、程度以及矿井周围的地质条件等，确定其适合采用的降温措施。由于该降温工程中利用采用一次性水排热作为制冷机冷凝热排放方式，冷却水水源则利用四矿北山井筒自然淋水，因此可以大大减少成本和提高制冷效果，为该矿井的安全生产提供了保障。对于其它高温矿井热害的治理有一定的参考价值。 【参考文献】

[1]周静，刘锡明，张国华.黑龙江省煤矿高温热害分析及防治措施[j].中国矿业，2009（5）：104-109.

[2]王洪义，陈启永，刘桂平.平顶山矿区热害产生原因及治理对

策[j].煤炭科学技术，2004（9）：19-22.

[3]杨争光，叶平等.高温矿井降温系统的设计[j].工矿自动化，2009（11）：81-83.

[4]李亚民.局部降温机在矿井高温工作面的应用[j].煤矿安全，2008（09）：39-41.

[5]卫修君，胡春胜.矿井降温理论与工程设计[m].北京：煤炭工业出版社，2007.

[6]孔珑.工程流体力学[m].北京：中国电力出版社，2001. [责任编辑：王迎迎]