高溫采煤面局部降溫技術優(yōu)化研究與應用

苗德俊，于東業(yè)，宋大川，高 新

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

隨著能源需求的增長，煤礦的開采深度在不斷增加，熱害礦井數(shù)量也越來越多，熱害已嚴重制約了煤礦的發(fā)展。我國地層恒溫帶深度多為50m以內(nèi)，溫度約為15～17℃。據(jù)我國煤田地溫觀測資料統(tǒng)計，地溫梯度為2～4℃/100m。當采掘深度700m時，地溫可達40～45℃。而出現(xiàn)二級熱害礦井[2]。我國煤礦目前開采深度平均每年以10～15m的速度增加，超過1000m深的礦井越來越多，是世界上熱害礦井最多的國家[3]。在深部開采的條件下，隨著開采深度的增加，井下熱害問題變得越來越嚴重。持續(xù)的高溫將對人體的健康和工作能力造成極大的傷害，使勞動生產(chǎn)率大大下降。可見，熱害已成為限制煤炭資源深部開采的主要障礙之一[4-8]。

降溫技術多年的研究，已經(jīng)取得了很大的突破，工作面環(huán)境也取得了一定的改善。但是，各種降溫技術都具有一定的局限性，當前主要存在的問題有：制冷系統(tǒng)冷損大，換熱效率不高；制冷以后，工作面冷熱不均，靠近進風口地方風流溫度較低；靠近出風口地方，風流溫度較高。

1 工作面熱濕源與風流熱濕交換機理

1.1 工作面熱濕源

由于井下作業(yè)環(huán)境特殊，存在著諸多的熱濕源。采煤工作面在開采的過程中，風流會與周圍環(huán)境中的熱濕源發(fā)生熱、濕交換，從而導致風流溫濕度增高，焓值增加，礦井高溫熱害問題日益嚴重[9]。其中，主要熱源包括：圍巖散熱、機電設備散熱、礦物放熱、氧化放熱、人員散熱以及其他熱源等[10-12]。主要濕源包括：地表大氣、圍巖滲水、降塵灑水及排水散濕等。其中，地表大氣的含濕量變化對井下風流濕度影響較為顯著。

1.2 熱濕交換分析

干燥的圍巖壁面與風流只有熱交換，沒有濕交換，而濕潤的圍巖壁面與風流既有熱交換也有濕交換。在采掘過程中，圍巖壁面大多是潮濕的，其與風流換熱由顯熱和潛熱兩部分組成。圍巖放出熱量，使得風流干球溫度升高，即為顯熱；使圍巖壁面水分蒸發(fā)，即為潛熱。計算方法如下：

Qt=Qs+Qr

(1)

式中，Qt為巷道圍巖總放熱量，kW；Qs為巷道圍巖與風流換熱顯熱，kW；Qr為巷道圍巖與風流換熱潛熱，kW。

2 局部降溫系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1 降溫系統(tǒng)基本原理

結合礦井實際情況，將制冷機組布置在井下大巷硐室中，主空冷器布置在井下距工作面進風巷迎頭250m的進風巷內(nèi)。為了使工作面冷量均勻，避免不必要的冷損，利用主空冷器與小型空冷器進行聯(lián)合降溫，在工作面相鄰液壓支架懸掛小型空冷器。在工作面靠近進風口處，小型空冷器布置稀疏一些，在工作面靠近出風口處，小型空冷器布置稠密一些。制冷機組制取低溫冷凍水，一部分通過輸冷管路將其輸送到進風巷主空冷器中，一部分通過輸冷管路輸送到采煤工作面小型空冷器中，與井下工作面風流均勻換熱。冷卻出水通過回水管路輸送到地面冷卻塔冷卻以后，重新返回制冷機制冷。制冷降溫系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 制冷降溫系統(tǒng)結構

2.2 工作面需冷量

為了使工作面達到理想的降溫效果，給工人提供一個相對舒適的環(huán)境，需要確定采煤面需冷量，從而更好地確定系統(tǒng)設備選型。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，采掘工作面風流干球溫度不高于26℃，理論需冷量即為達到安全規(guī)程后的需冷量。工作面需冷量可通過以下公式計算：

Qf=MB(iq-ih)

(2)

式中，Qf為工作面需冷量，kW；MB為風流質(zhì)量流量，kg/s；iq為降溫前工作面入風流焓值，kJ/kg；ih為降溫后工作面允許風流焓值，kJ/kg。

2.3 主要設備選型

通過對照濕空氣焓濕圖，降溫前工作面入風流焓值：tq=33.5℃；φq=94%，iq=114.6kJ/kg；降溫后工作面允許風流焓值：th=26.0℃，φh=75%，ih=66.6kJ/kg，風流的質(zhì)量流量MB=6.5kg/s；將工作面實測風流參數(shù)代入式(2)計算得，工作面需冷量為312kW。在降溫系統(tǒng)投入使用后，會存在著一定的冷量損失，主要發(fā)生在連接主空冷器的風筒與連接小型空冷器的輸冷管路中，冷量損失為Ql=52kW。

(1)制冷機制冷量

QW≥1.2(Qf+Ql)

(3)

式中，QW為制冷機的制冷量，kW;Qf為工作面需冷量，kW；Ql為管路冷量損失，kW。

將數(shù)據(jù)帶入式(3)得：QW=436.8kW。選用型號為TS-450ZM制冷機組，制冷功率為500kW。

(2)空冷器參數(shù)

主空冷器選型為QS-350，送風量320m3/min，進水量為11.5m3/h；額定功率110kW。小型空冷器選型為HSPC-100-2.5，在工作面靠近進風巷迎頭0～80m處，布置2臺小型空冷器；80～150m處，布置3臺小型空冷器；在150～220m處，布置5臺小型空冷器。每臺小型空冷器送風量35m3/min，進水量2.8m3/h，額定功率為25kW。

(3)冷卻水泵選型

冷卻水泵選型MD145-30×D，額定功率為80 kW，抽水量為(65×2)m3/h =130m3/h。

3 現(xiàn)場應用及效果分析

3.1 工作面概況

淮南唐口煤礦位于安徽省淮南市，距市中心25km，井田東西長度12.5km，南北寬度8～10km，面積為110km2,年產(chǎn)量為40Mt。設定服務年限為60a，2002年建成投產(chǎn)。隨著近些年礦井開采規(guī)模的擴大，采深也在不斷增加。目前，最大開采深度已達到-1050m，工作面圍巖溫度達37.5℃，熱害問題較為突出，該礦各水平溫度見表1。

表1 地溫預測

3.2 工作面風流溫度分布場

工作面采取局部降溫措施后，在主空冷器與小型空冷器送風風速一定時，利用FLUENT模擬軟件模擬工作面溫度分布場，在送風溫度為290K的情況下，工作面布置的第2、第5、第10臺空冷器處，風流溫度場分布如圖2所示。

圖2 工作面溫度分布場云圖

通過以上模擬可以看出，在主空冷器與小型空冷器送風風速一定的情況下，當送風溫度為290K，即17℃的情況下，工作面所有小型空冷器開啟以后，整個工作面溫度均能維持在27℃以下，取得了較理想的降溫效果，為采煤工作面工人提供了相對舒適的環(huán)境。

3.3 降溫效果分析

針對井下工作面存在的高溫熱害問題，利用上述局部降溫系統(tǒng)對其降溫，取得了很好的降溫效果，第2、第5、第10臺空冷器出風口實測溫度如圖3所示，干濕球溫度有了明顯的降低。

圖3 不同位置空冷器干濕球溫度

由于小型空冷器體積較小，質(zhì)量較輕，方便在工作面的布置。較傳統(tǒng)意義上工作面進風巷道布置的空冷器相比，不需要開鑿大的硐室，節(jié)約了成本。采取降溫措施后，工作面整體降溫幅度為4～6℃，相對濕度也降到了81%，很好地改善了工作面的作業(yè)環(huán)境，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。降溫前后工作面干濕球溫度、相對濕度如表2所示。

表2 工作面降溫前后對比

4 結 論

針對采煤工作面存在的高溫熱害問題，利用主空冷器與小型空冷器進行聯(lián)合降溫。在采取降溫措施后，工作面降溫幅度為4～6℃，溫度可維持在27℃左右，相對濕度也降低到81%，改善了工作面的作業(yè)環(huán)境，取得了良好的降溫效果，具有一定的推廣價值和實用價值。