目前河南许昌新龙矿业有限责任公司梁北煤矿受到热害的困扰, 矿内高温严重地影响着井下作业人员的身体健康和劳动生产率的提高, 尤其是随着开采深度和日产量的增加, 矿井热害问题日益突出, 已经成为制约该矿井安全生产和提高企业经济效益的一大障碍[1,2]。因此, 为了创造一个适宜的工作环境, 保护矿工的身体健康, 提高矿井的生产水平, 就必须有一套合理的降温措施予以控制[3]。结合当前国内外高温矿井热害防治的方法, 本文针对梁北煤矿的实际情况提出了自己的降温工程设计。
1 矿井概况与矿山热害分析
1.1 矿井简介
梁北矿设计生产能力90万t/年, 服务年限53年, 属煤与瓦斯突出矿井。矿井开采二叠纪山西组底部二1煤层, 赋存标高为-300m～800m, 地质储量2.56亿t, 工业储量1.85亿t, 可采储量0.67亿t, 煤层走向196°, 倾角12.5°。煤层瓦斯含量4.9～13.97m3/t, 煤尘具有爆炸危险性, 属Ⅲ类不易自燃煤层。
矿井采用立井单水平上、下山开拓方式, 现有主井、副井、风井3个井筒, 其中主、副井井口标高+130m, 落底标高-550m, 为进风井;风井井口标高+112m, 落底标高-287m, 为回风井;首采区为11采区, 采区巷道均布置在煤层底板岩层中, 煤巷沿煤层顶板掘进, 机巷断面11.83m2、风巷断面11.04m2。回采工作面采用走向长壁综合机械化采煤工艺。
采煤工作面均采用全风压通风;掘进工作面采用压入式通风, 现有通风系统能够保证各作业地点稳定可靠供风, 且满足需风量要求。
1.2 热害情况
2001年6、7、8月平煤集团地测处、武汉平汉矿业制冷空调工程有限公司分别对井下原始岩温、气温、水温进行了测定, 通过分析表明, -550m水平以上属Ⅰ级热害区、以下属Ⅱ级热害区。从提供资料和实测地温数值看, 井田地温随深度增加而升高, 断裂构造对地温的分布有明显影响, 地下热水涌出扰动了整个井田的地温场, 存在一级热害和二级热害区。该地区恒温带深25m, 温度17.2℃, 地温梯度0.0287°/m, 与平顶山相一致。
目前, 受21031采面底板突水影响21采区已被淹, 涌水量800m3/h左右;11151采面涌水量200m3/h左右。采区涌水经大巷水沟自流入井下水仓, 由1#、2#、3#泵房排水泵排到地面。由于排水泵运行产生热量多, 受泵房通风条件限制, 泵房风量较小, 散热条件差, 2009年8月份当1#、2#泵房内各开2台泵时硐室回风流温度达到38℃, 硐室内运行泵附近的局部区域温度有时高达40℃, 环境极差。同时由于1#、3#泵房属于串联通风, 2010年2月份当1#泵房运行2台泵, 3#泵房运行2台泵时, 1#泵房内温度达29℃, 2#泵房内温度达35℃, 2#泵房内温度超过《煤矿安全规程》规定[4]。
1.3 热害特点
梁北矿井是典型的深热矿井, 岩热和压缩热是主要热源;受水害影响, 水的散热、散湿作用明显。基于矿井地温、水害的影响, 及夏季高温的作用, 在2005年5～9月份, 井下普遍存在高温现象, 尤其是2005年7～9月采掘工作面、设备硐室的环境温度一般超过都30℃, 局部作业地点最高环境温度40℃, 均超过《煤矿安全规程》的规定[4]。见井下各地点环境温度统计表1。
2 降温设计方案选择
2.1 设计思路
根据梁北矿的实际情况及目前矿井热源情况及热害的严重性, 建议采用综合降温措施, 针对该矿的不同热源及其散热量的大小采取“分源治理”和“综合治理”相结合的方针, 做到局部机械降温和集中制冷相结合[5]。
2.2 设计方案
方案一:针对采掘工作面 (一个采面三个掘进头) 热害采取井下集中降温、1#、2#、3#泵房机电设备峒室热害局部降温方案。井下集中降温采用模块式空气冷却器, 模块式空冷器结构为铜管光管, 其水路为闭式系统, 水不易受外界污染。制冷站设在采区联合车场附近, 冷冻水管沿轨道下山、采掘巷道敷设, 实现采掘工作面风流降温。井下局部降温方案采用空气制冷机, 利用压风作为动力, 将空气制冷机安设在泵房附近的进风巷道中, 通过冷冻水管和制冷器来实现1#、2#、3#泵房机电设备峒室热害降温。
方案二:针对采掘工作面 (一个采面三个掘进头) 热害采取井下集中降温、1#、2#、3#泵房机电设备峒室热害采取专用回风井风排降温方案。井下集中降温采用模块式空气冷却器, 模块式空冷器结构为铜管光管, 其水路为闭式系统, 水不易受外界污染。制冷站设在采区联合车场附近, 冷冻水管沿轨道下山、采掘巷道敷设, 实现采掘工作面风流降温。专用回风井风排降温即在工业广场合适位置新打一回风立井, 专为井下1#、2#、3#泵房机电设备峒室回风, 通过通风系统调整增加硐室风量, 在解决泵房高温问题的同时, 其回风流直接引入回风井, 使高温风流不再进入采区, 从而减少对采区风流的影响。
方案三:针对采掘工作面 (一个采面三个掘进头) 热害采取冰冷低温辐射降温、1#、2#、3#泵房机电设备峒室热害采取专用回风井风排降温方案。冰冷低温辐射降温方案由山东新雪矿井降温科技有限责任公司设计, 该方案是通过在矿井井口附近地面制冷机组制冰, 经专用输冰管路将冰送至井下, 然后通过融冰系统将冰融化, 冰跟水融合后的低温冷水输送到需要降温的采掘工作面等作业地点来实现矿井降温。专用回风井风排降温即在工业广场合适位置新打一回风立井, 专为井下1#、2#、3#泵房机电设备峒室回风, 通过通风系统调整增加硐室风量, 在解决泵房高温问题的同时, 其回风流直接引入回风井, 使高温风流不再进入采区, 从而减少对采区风流的影响。
方案四:针对采掘工作面 (前期仅考虑一个采面) 及1#、2#、3#泵房机电设备峒室热害采取冰冷低温辐射降温方案。该方案是通过在矿井井口附近地面制冷机组制冰, 经专用输冰管路将冰送至井下, 然后通过融冰系统将冰融化, 冰跟水融合后的低温冷水输送到需要降温的1#、2#、3#泵房机电设备峒室及11151工作面等作业地点来实现矿井降温。
2.3 降温方案选择
结合梁北矿井的具体采掘条件和矿方的有关要求, 该矿的降温方案推荐采用冰冷低温辐射降温系统。
3 降温工程系统设计
3.1 需冷量计算
根据实际该矿情况要求回采工作面、掘进工作面及井底3个中央泵房风温均降至30℃以下。对于回采工作面, 取采面上出口以下15m巷道中间为温度测量点, 降温范围为工作面入风口至面上出口以下15m;对于掘进工作面, 取迎头风筒出风口为温度测量点, 降温范围为距离掘进迎头工作面30m范围内[6]。
(1) 回采工作面需冷量。经根据矿方实际情况分析, 以降温前采面温度34℃为计算依据[7]。工作地点降温前风温按34℃计算, 回采工作面风量为1500m3/min, 11151回采工作面需冷量为1293kW, 考虑冷损则为1725kW。
(2) 掘进工作面需冷量。工作地点降温前风温按33℃计算, 掘进工作面风量按5 0 0 m3/m i n, 1个掘进工作面需冷量为383kW, 考虑冷损则为511.1kW。
(3) 井底泵房。矿井总排水量按1300m3/h计算, 1#、2#、3#泵房峒室内风温降至30℃大型排水泵电机散热即需冷量合计为780kW, 考虑冷损则为858kW。以排水量1800m3/h计算, 1#、2#、3#泵房峒室内风温降至30℃, 大型排水泵电机散热即需冷量合计为1080kW, 考虑冷损则为1188kW。
(4) 矿井总需冷量及制冰量。以当前矿井涌水量 (1300m3/h) 情况下, 对一面两头及井底泵房进行降温。
综上所述:总需冷量为1725+511.1×2+858=3605.2kW;需制冰量731t/d。另外考虑矿井φ377输冰管道输冰量及制冰机型号系列, 制冰中心取720t/d, 共4套制冰系统, 每套制冰量180t/d。根据矿井生产及排水情况, 并考虑矿方投资, 本设计以投运三套制冰系统方案为准, 制冰量为540t/日可基本对目前涌水量情况下的三个泵房及11151采面进行降温;也可解决矿井1800m3/h排水量时的泵房, 并将11151采面降至31℃～32.5℃。同时, 按照投运四套制冰系统预留地面厂房、立井输冰及井下融冰池空间, 并要求将泵房管路、立排管路、及井下其他排水管路给予特殊保温处理及水沟隔离。
3.2 降温系统工艺流程
根据矿方提供的相关资料和现场勘查, 经过认真研究分析, 制定该降温系统工艺流程为在地面建立制冰中心, 生产的片冰通过主井井筒一趟φ377下冰保温管路, 靠自重被送至融冰池融化后, 供冷泵将池中0～2℃的冰水通过管道输送至采掘工作面, 采用多元方式进行散冷, 降低工作面温度;对于输送至采掘工作面的剩余水再返回融冰池用于融冰[8]。
(1) 地面制冰系统。本工程在地面建制冰中心, 安装3套片冰机成套设备;每套由一套制冷系统、三台X60T型片冰机及一套散热系统组成, 日产片冰180t。该片冰机是一个连续产冰装置, 主要由蒸发器双层圆筒壳体、片冰机主轴及冰刀、循环水泵、接水盘组成。制冷系统将氟利昂液体送入片冰机的蒸发器壳体, 循环水泵将水喷淋到蒸发器壳体内壁上。结冰过程中氟利昂液体在壳体内蒸发, 吸收内表面上水的热量, 水立刻被冻结成鳞片冰附在筒内壁上, 长形冰刀不断旋转, 连续将冰刮落, 并沿出冰口排出。
(2) 输冰及融冰系统。 (1) 输冰系统。按送冰能力720/24=30t/h选择地面螺旋送冰系统。电机总功率为30.7kW。根据矿井实际情况, 借助现有一趟Ф377×10管道作为下冰管路, 并进行保温。下冰管路直接下入主井井底上部3#泵房斜管子道, 直至-550m水平配风巷融冰池。 (2) 融冰系统。直接利用-550m水平配风巷平段作为井底制冷峒室布置, 又作为配电峒室, 在制冷峒室内制作融冰池 (按720t冰/日) , 融冰池需要进行保温处理, 硐室初步设计长度为90m, 目前宽度满足要求;融冰池长60m, 宽2.5m, 高度1.5m;机电峒室30m, 高度4m;并做排水沟。
(3) 输冷散冷系统。设计井下输冷散冷系统为开式系统, 即回水流回融冰池, 采区的防尘用水由于属于少量用水, 可从供冷水管路接出, 用于工作面防尘和喷淋降温。根据矿方提供的开拓布置图和工作面制冷要求, 供井底中央泵房和11151工作面降温时, 可选定安设三台供冷水泵, 泵房单独采用一台水泵;回采面、掘进工作面共用一台, 一台备用。
3.3 运行费用测算
(1) 地面总装机功率。
(1) 制冷站实际负荷按3套制冰系统
制冷机组3台 (6kV) ;
采用国产机组:560×3=1680kW;
采用进口机组:450×3=1350kW;
制冷机辅机3套 (380V) :35×3=105kW;
制冰机9台 (380V) :3.3×9=29.7kW;
送冰系统电机功率:30.7kW;
地面制冷站用国产机组时:1710.7kW;
用进口机组时:1380.7kW;
(2) 制冷站预留负荷按4套制冰系统。
地面制冷站, 用国产机组时:2450.3kW;
用进口机组时:2010.3kW。
(2) 井下总装机功率。
总装机功率=供冷水泵电机功率+其他=132+55+30=217KW
(3) 投资概算及工期。
降温工程主要设备材料投入概算:采用国产设备需投资2300万元;采用进口设备需投资2600万元[9]。降温工程安装工期安排:国产降温主要设备的加工制造工期需4个月, 安装调试工期需2个月, 共需6个月进口降温主要设备的加工制造工期需5个月, 安装调试工期需2个月, 共需7个月。
3.4 降温自动集控简介
为更好的节能和更方便本系统管理人员宏观控制[10], 本设计方案采用中央计算机远程监控系统, 主要可实现三种功能:各个井下工作面的温度监控, 片冰机出冰量控制及制冷机制冷量自动控制。整个系统目前皆由有线系统组成。也可将中央控制电脑接入网络, 这样无论您在何处, 只要接通网络既可将此制冷系统全面的运行情况显示到你的PC上, 可以控制和了解整个制冷系统运行。
3.5 降温电气控制系统
制冰自控系统采用分布式集散控制系统即分散控制, 集中管理。自控系统由Profibus现场控总线连接。在中心控制室能集中对全厂各设备和生产运行进行监视和控制, 工艺参数和设备运行状态在上位机上显示。Profibus连接了3个PLC分站, 各PLC监控分站相对独立, 控制功能分散, 负荷分散, 提高系统的可靠性。
中心控制管理层, 中心控制设有监控计算机和打印机。它是操作人员对全厂生产情况进行监视和操作的人机接口。各分站和中控室上位机通过Profibus进行数据交换和传输。全厂采用计算机控制, 主要设备的开、停均有就地操作, PLC自动控制, 计算机键盘操作。值班人员只需在中控室就可以掌握全厂生产设备运行情况, 并可在键盘上开停设备和修改工艺参数。打印机可随时或随机打印生产报表及事故报表和各种记录曲线。通过对自控系统的管理系统实施, 使生产过程控制平稳, 各设备运行合理, 节省能耗, 实行科学管理。该系统框图如图1所示。
4 结语
冰冷低温辐射降温系统为解决梁北煤矿日益严峻的热害问题提供了一个很好的方案, 可为该煤矿节省大量的投资和以后的设备维护费用。该工艺流程简单, 制冷降温效果明显, 是一种新的、先进降温方法, 在新汶矿务局孙村矿目前正在使用, 并且效果较好。目前国内煤矿井下温度超高的有很多, 急需要经济实用的制冷设备的投入, 因此该降温系统推广应用前景广阔, 是目前国内很有前途的一种矿井降温方法。
摘要：通过对梁北煤矿采掘条件的分析, 指出导致该矿热害的热源主要是地温和水害。基于该矿井地温、水害的影响, 及不同热源及其散热量的大小采取, 结合矿方的有关要求, 经技术、经济比较, 采取“分源治理”和“综合治理”相结合的方针, 做到局部机械降温和集中制冷相结合, 提出了冰冷低温辐射降温系统, 并详细介绍了该方案的实施过程及进行了运行费用测算。
关键词：煤矿,矿井高温,热害防治,冰冷低温辐射降温
参考文献
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