安山礦井防凍設(shè)施優(yōu)化方案

田水豹，陳忠亮

陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西榆林 719407

1 安山礦井自然條件

安山礦井地處陜西省府谷縣城西北38km 處，位于府谷縣廟哈孤礦區(qū)東南部菜溝內(nèi)的山間坡地，礦區(qū)隸屬嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖室外計算溫度：-19℃，極端最低溫度平均值：-25.8℃，冬季平均風(fēng)速：3.5m/s，最大凍土深度：146cm，冬季采暖天數(shù)：148 天。

2 礦井防凍

礦井采用平硐開拓，中央并列式負壓通風(fēng)，主、副平硐承擔(dān)全礦原煤、物料、設(shè)備、矸石和人員的運輸任務(wù)，兼顧通風(fēng)、供排水、束管監(jiān)測、緊急避險通道功能，安全生產(chǎn)需要礦井各系統(tǒng)全天候保持正常運轉(zhuǎn)。為防止井筒結(jié)冰，保證設(shè)備、設(shè)施運轉(zhuǎn)正常，職工生產(chǎn)作業(yè)安全不受嚴(yán)寒影響，工業(yè)場地主、副平硐井口房設(shè)置空氣加熱室，調(diào)適礦井生產(chǎn)環(huán)境氣候條件。

2.1 防凍設(shè)施

空氣加熱室按設(shè)計總進風(fēng)量主、副平硐分別為：52.76m3/s、92.24m3/s 設(shè)置匹配的加熱機組，熱媒采用110/70℃的高溫?zé)崴?，由工業(yè)場地鍋爐房供給。設(shè)備采用高效空氣加熱機組，設(shè)計原則是把部分室外冷空氣加熱到40℃，通過風(fēng)道與進入進口的冷空氣混合，使混合空氣溫度達到2℃以上，再經(jīng)井筒送至井下。主副井空氣加熱機組耗熱量分別為：1 828kW、3 196kW。

工業(yè)場地井筒防凍計算表

井筒名稱參數(shù) 主平硐 副平硐總進風(fēng)量（m3/s） 52.76 92.24室外計算溫度（℃） -22.4 -22.4混合后進風(fēng)溫度（℃） 2 2空氣加熱溫度（℃） 40 40加熱進風(fēng)量（m3/s） 23.48 41.06加熱負荷（kW） 1654 2892耗熱量（kW） 1828 3196空氣加熱機組型號及規(guī)格 KJZ-30 型L=30000m3/h KJZ-50 型L=50000m3/h加熱熱媒 110/70℃高溫?zé)崴?10/70℃高溫?zé)崴諝饧訜釞C組數(shù)量 3 4空氣加熱機組風(fēng)機參數(shù) H=300Pa， N=4.0kW H=503Pa， N=11kW

2.2 空氣加熱設(shè)備配套

機體采用框板結(jié)構(gòu)，骨架為高強度70mm 鋁合金型材，護板為50mm 厚聚氨酯發(fā)泡雙面彩鋼板，箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的保溫性能，熱阻不低于0.85m2.K/W，方便拆卸維修。箱體具備足夠的強度，能在承受±2 000Pa外壓時安全運行，外殼不變形。

加熱器材質(zhì)為無縫鋼管繞鋁片，機組選用排管加熱器串聯(lián)數(shù)量與風(fēng)機的風(fēng)量匹配，把空氣從-22.4℃加熱至40℃～50℃。無論機組處于運行還是停機狀態(tài)，機組內(nèi)的換熱盤管均具備可靠的自動防凍措施。

主平硐暖風(fēng)出口溫度控制在40℃，副平硐暖風(fēng)出口溫度控制在30℃，機組采用變風(fēng)量系統(tǒng)，可根據(jù)室外氣候條件及設(shè)定參數(shù)，通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進口風(fēng)量，實現(xiàn)出風(fēng)口溫度基本穩(wěn)定。機組配置變頻器、采用機電一體化設(shè)計；每臺加熱設(shè)備自配電控箱及溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)獨立控制，任何一臺出現(xiàn)故障時都不影響其他機組的安全運行。

空氣加熱室主要設(shè)備數(shù)量及參數(shù)表：

序號 設(shè)備器材名稱 型號及規(guī)格 單位數(shù)量 備注一、主平硐空氣加熱室1 空氣加熱機組 KJZ-30 Q=727kW 臺 3 Q=30000m3/h，H=300Pa 2 網(wǎng)式過濾風(fēng)口 1300X1300 個 3 機組配套3 送風(fēng)閥 1000X1250 個 3 機組配套二、副平硐空氣加熱室1 空氣加熱機組 KJZ-50 Q=1023.3kW 臺 4 Q=50000m3/h，H=503Pa 2 網(wǎng)式過濾風(fēng)口 1650X1650 個 4 機組配套3 送風(fēng)閥 1600X1250 個 4 機組配套

3 使用效果及致因分析

3.1 防凍設(shè)施使用效果

經(jīng)過設(shè)備調(diào)試和實際運行一個采暖季后發(fā)現(xiàn)，由于主井皮帶通過連廊直接進入篩分車間，主平硐行人極少，進入冬季車間及連廊通道門窗緊閉，井口相對封閉，空氣進入主井的主要渠道是空氣加熱室和原煤篩分車間，因此進風(fēng)量相對較小，經(jīng)實測主井筒內(nèi)總進風(fēng)量為1 348m3/min，溫度16℃～21℃較高；與此相伴生的是副井井口位置較低，主副井口高差24m，副井口聯(lián)建連廊通道開口大，車輛通行密度大，要求副平硐門口全天候敞開，空氣流量受區(qū)位氣壓影響在冬季明顯增大，實測副井筒內(nèi)總進風(fēng)量為3 723m3/min，副井進風(fēng)量大而暖風(fēng)參入量不足，進口風(fēng)流一般溫度在-1℃～+2℃之間。當(dāng)室外溫度達到-26℃時，主井進風(fēng)1 203m3/min，副井進風(fēng)4 016m3/min，加熱機組設(shè)置60℃，出風(fēng)口暖風(fēng)溫度達到設(shè)計控制指標(biāo)30℃，而混合空氣溫度仍達不到-5℃，致使井口段水溝結(jié)冰，流水結(jié)冰堆積蔓延，由井口水溝擴展向聯(lián)合建筑連廊通道，影響行人、行車安全。

實測數(shù)據(jù)顯示，主井空氣加熱室能將空氣加熱至40℃～50℃，由風(fēng)機壓入鋼筋混凝土風(fēng)道送至井筒，熱空氣溫度高、供應(yīng)量相對冷空氣比例較大，冷空氣與被加熱后的空氣在井筒入口處混合后溫度高于16℃；副井空氣加熱室考慮到井口人員活動需要，只將入井空氣加熱至30℃～40℃進入井口連廊，相對副井口冷空氣進入量比例較小，混合空氣溫度低于-5℃，實際不能滿足設(shè)計要求。加之本礦井井筒及大巷均較短、埋藏淺，回風(fēng)路徑較短、阻力小、風(fēng)速大，總回風(fēng)流實測溫度為12.4℃，極冷天氣甚至不足10℃，井下勞動條件仍偏冷，極有必要研究改善礦井防凍設(shè)施。

3.2 經(jīng)對防凍設(shè)施及功能進行系統(tǒng)分析研究，影響效果的主要因素

1）冬季主副井口實際進風(fēng)量與設(shè)計配風(fēng)計劃偏差較大，主井空氣加熱室將空氣加熱至40℃～50℃后直接由鋼筋混凝土風(fēng)道壓入井筒，熱空氣溫度高、供應(yīng)量相對冷空氣比例較大，熱、冷空氣在井筒入口處混合后溫度高于16℃，造成一定能源浪費。副井空氣加熱室考慮井口人員活動需要只將入井空氣加熱至30℃進入井口連廊，暖風(fēng)供應(yīng)量相對副井口冷空氣進入量比例較小，混合空氣溫度-6℃～-4℃，尚不能達到礦井通風(fēng)規(guī)范要求；

2）換熱器設(shè)定指標(biāo)、熱媒溫度、供熱量相對穩(wěn)定的情況下，設(shè)備以室外溫度自主調(diào)整進風(fēng)量，保障經(jīng)過加熱機組后的出口空氣溫度，即機械兩端溫差增大，加熱空氣數(shù)量相應(yīng)減少；如果保持流量不變，則加熱后的空氣溫度會隨著初始溫度的降低而降低；兩者均無助于副井口混合空氣溫度提高，所以說暖風(fēng)機組自動調(diào)節(jié)能力有限；

3）副井口門洞面積大，在反坡斜井引發(fā)自然氣壓差和人工礦井負壓的作用下，冷空氣向井下運移的機制順暢，而熱空氣從加熱室出來受到冷空氣攜帶和礦井負壓吸引的同時，會因流體熱動力作用向上流動，在高于井筒拱頂部的聯(lián)建通道上部聚集，進而通過井口檢身房兩側(cè)的門洞向聯(lián)建走廊更高層擴散移動，削弱礦井供熱效能；另一方面，當(dāng)熱空氣在井口遇到冷空氣，而混合空氣溫度不夠高時，其空氣中的水分就可能凝結(jié)為露珠，不斷加厚井口路面結(jié)冰；

4）副井空氣加熱室通過聯(lián)合建筑一層外壁窗口進風(fēng)，而加熱后的空氣只能經(jīng)加熱機組進入井口，別無連接通道，這兩道關(guān)口在一定程度上限制了預(yù)熱空氣進入井口的流量，即副井口暖風(fēng)摻量等于熱風(fēng)機出口風(fēng)量，未能有效發(fā)揮井口房的預(yù)熱作用，影響了副井空氣加熱效果。

4 優(yōu)化改進方案

為防止北方嚴(yán)寒地區(qū)礦井進風(fēng)井筒結(jié)冰影響生產(chǎn)甚至造成事故，礦井應(yīng)設(shè)空氣加熱設(shè)備，保障進入井筒的混合空氣溫度不低于 2℃。保障混合空氣溫度的前提是準(zhǔn)確核定空氣加熱前后的溫度差、礦井總風(fēng)量及在主副井口的分配情況，需要具體測定各井口標(biāo)高、有效進風(fēng)口面積、溫度、氣壓等現(xiàn)實情況，再有針對性的制定優(yōu)化方案措施，尋求設(shè)備、設(shè)施、功能最佳匹配。

4.1 調(diào)節(jié)井口進風(fēng)量

為阻止過多的冷風(fēng)進入井筒造成凍井，在聯(lián)合建筑下部副平硐入口處加設(shè)石棉保溫板輕鋼結(jié)構(gòu)防火風(fēng)門，保障單車安全通行，通過減小進風(fēng)口面積有效控制冷空氣進入量，調(diào)整進入副井筒的總風(fēng)量和冷、暖風(fēng)流比例，從而提高混合空氣溫度，為井口連廊內(nèi)創(chuàng)造一個良好的工作條件。

4.2 優(yōu)化設(shè)備配置

根據(jù)實際測定的冬季主、副井口進風(fēng)量，主井空氣加熱室供應(yīng)熱空氣溫度高、風(fēng)量大，經(jīng)過試驗兩臺機組運行試驗，能夠滿足井筒供暖要求，有條件調(diào)整一臺暖風(fēng)機補充副井供暖。副井空氣加熱室設(shè)計時考慮有一臺暖風(fēng)機備用位置，通過調(diào)整設(shè)備配置增加熱風(fēng)供應(yīng)量，調(diào)適進入井筒的冷熱空氣比例，從而有效改善了混合空氣溫度狀況。

4.3 合理疏導(dǎo)風(fēng)流

為防止熱空氣上浮，在副井口空氣加熱室每組空氣加熱器出風(fēng)口增設(shè)剛性引風(fēng)道，引導(dǎo)風(fēng)流下行以降低暖風(fēng)出口高度，利用空氣熱動力作用配合礦井通風(fēng)系統(tǒng)的負壓吸引，增強熱、冷空氣在井口連廊內(nèi)縱橫交叉運動，使不同來源的熱、冷空氣充分融合，再由礦井負壓牽引進入井筒。

4.4 改善空氣加熱室采暖

在空氣加熱室內(nèi)布置的空氣加熱器的換熱器依靠其外壁纏繞的散熱翅片與流經(jīng)其周圍的冷空氣進行熱交換，加熱經(jīng)空氣加熱室進入暖風(fēng)機組的空氣；現(xiàn)于空氣加熱室進風(fēng)窗口加設(shè)多組暖氣片，可以提前加熱經(jīng)窗口流入室內(nèi)的空氣，起到預(yù)熱室外進入室內(nèi)空氣的作用；從而提高進入暖風(fēng)機組空氣的初始溫度，保障和強化最終加熱后機組出風(fēng)口空氣溫度效果，整體提高進入副井口的風(fēng)流溫度，以期實現(xiàn)井下風(fēng)流溫度保持在16℃左右，努力創(chuàng)造適宜生產(chǎn)作業(yè)的工作環(huán)境。

4.5 經(jīng)過上述措施的實施已經(jīng)完全保障了安山礦井井下供暖

但在礦井防凍設(shè)施改造的過程中，隨著探索與認(rèn)識的加深，我們還得到了應(yīng)對極端惡劣天氣的備用措施，即在副井井口房大門兩側(cè)設(shè)有4 臺熱空氣幕增加熱風(fēng)供應(yīng)量，遇嚴(yán)寒天氣可隨時開啟，以阻滯室外冷空氣直接進入井口，從而增強應(yīng)對災(zāi)害氣象條件的機動靈活性，提高防凍保障能力，維護礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

安山礦井防凍設(shè)施、設(shè)備選型配置基本合理，但因為井口生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施影響了各井口進風(fēng)量分配，導(dǎo)致主副井口冬季進風(fēng)量與原設(shè)計值發(fā)生偏差，表現(xiàn)為供暖設(shè)備與井口進風(fēng)量不能合理匹配，引發(fā)副井口結(jié)冰現(xiàn)象。經(jīng)過采取調(diào)配設(shè)備、控制風(fēng)流、輔助預(yù)熱等措施，達到優(yōu)化礦井防凍設(shè)施、有效改善生產(chǎn)作業(yè)條件的目標(biāo)，發(fā)揮了科技服務(wù)安全生產(chǎn)的技術(shù)保障作用，為西北嚴(yán)寒地區(qū)井口防凍保障安全生產(chǎn)積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗。

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