矿井涌水在深井HEMS降温技术中的应用研究

曹秀玲,张 毅,郭东明,杨 清,田 景,宋衍昊

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;3.石家庄经济学院,河北石家庄 050031)

矿业纵横

矿井涌水在深井HEMS降温技术中的应用研究

曹秀玲1,2,3,张 毅1,2,郭东明1,2,杨 清1,2,田 景1,2,宋衍昊2

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;3.石家庄经济学院,河北石家庄 050031)

矿井涌水是一种在矿井开挖过程中从岩层中涌出的地下水。以往对矿井涌水的利用仅限于对水源本身的使用,深井HEMS降温系统首次将矿井涌水作为其系统的冷源使用。本文以夹河矿和三河尖矿为例,阐述在深井HEMS降温系统运行过程中矿井涌水的冷却问题。实际应用表明,高差循环降温技术和水平循环降温技术均可将作为冷源的矿井涌水水温控制在25～30℃,保证了深井HEMS降温系统的正常运行。

矿井涌水;深井;HEMS降温系统;高差循环;水平循环

Abstract:Mine water is a kind of ground water which gushes from the rocks during excavation.In the past,mine water is limited to the use of water sources itself.HEMS cooling system uses mine water as its cold sources for the first time.Taking Jiahe coal mine and Sanhejian coal mine as examples in this paper, the cooling of mine water is illustrated during the running of HEMS cooling system in deep mine.Practical appalication shows that the temperature of mine water which is used as cold sources could be controlled in 25～30℃,with the help of the technology of circulating by difference in level of mine water and the technology of circulating horizontally of mine water.It guarantees the normal operation of HEMS cooling system in deep mine.

Key words:mine water;deep mine;HEMS cooling system;circulating by difference in level;circulating horizontally

矿井涌水是一种在矿井开挖过程中从岩层中涌出的地下水。[1]一般采用在井下设置水仓的方法将不同水平的矿井涌水收集起来,再通过泵站将其抽到地表,最初采取直接作为废水排掉的方式,后来加以资源化利用,对其进行水处理后,作为工农业用水。[2]

1 矿井涌水的用途

我国是一个水资源较少的国家,人均占有水量仅为世界人均占有量的1/4,世界排序第80位。[1]煤炭工业要发展,矿井水要排放,工农业的发展又需要大量的水资源,如何解决排放水和缺水的矛盾,出路就在于使矿井水资源化,把矿坑废水变成有用的水资源。从另一方面讲,充分利用矿井水对提高煤炭生产经济效益、减轻环境污染,提高环境质量也有重要意义。[3]

结合矿井涌水的排、供、生态环保发展历史,可分为以下三个阶段[4]:

第一阶段:矿井涌水粗放型利用,即利用矿井本身的排水和遗留下的报废矿井水,作为矿山的供水和农业灌溉水源。第二阶段:矿井排水与废水处理与应用。除灌溉农业外,还着手处理净化解决人畜饮用水,既避免了水资源的白白浪费,又解决群众吃水难及灌溉难的问题,变水为宝,可谓一举两得。第三阶段:用水与治水相结合,降低了岩溶地下水水位与水量。根据多年用水和治水的经验,进一步充分利用矿井涌水,并随着工农业的发展,创造多渠道既用水又治水的途径。用水与治水相结合,既有利于矿井涌水疏放降压,又为矿井涌水开辟新用途,并达到排供结合,有利于环保的要求。

2 深井HEMS降温技术的原理

深井HEMS技术[5]是在矿井涌水排出地表前,从中提取冷能,并运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用,降低工作面的环境温度及湿度;同时将置换出来的热能作为地面供热及洗浴的热源,形成井下降温采热、井上用热的循环生产工艺系统。

深井HEMS降温系统[6]的工作原理是利用矿井各水平现有涌水,通过制冷工作站(HEMS-I)从中提取冷量,之后将冷量通过上循环系统和下循环系统输送至降温工作站(HEMS-II),采取气液换热的方式,将冷风供给工作面,与工作面高温空气进行换热作用,降低工作面环境温度及湿度,同时将置换出的热量作为地面建筑供暖、井口防冻及洗浴供热的热源。其工作原理如图1所示。

图1 深井HEMS降温技术原理

深井HEMS降温系统是一种以矿井涌水为冷源的深井降温系统,其首次提出利用矿井涌水作为深井降温系统的冷源。[7,8]但深井HEMS降温系统要达到最终的降温目的,关键在于矿井涌水是否能为制冷工作站(HEMS-I)源源不断地提供冷量,以保证可以有充足的冷量输送至降温工作站(HEMS-II)。因此矿井涌水的冷却是此系统是否能正常运行的关键技术问题之一。

下面以夹河矿的高差循环降温技术和三河尖矿的水平循环降温技术为例来阐述在深井HEMS降温系统运行过程中矿井涌水的冷却问题。

3 高差循环冷源降温技术

3.1 技术原理

随着矿井开采不断向深部延伸,高温热害也越来越严重,当冷负荷需求很大时,要求必须具备足够的冷源,而矿井涌水的水量毕竟是有限的,往往很难满足要求。针对以上情况,提出了高差循环冷源降温技术(见图2),即,将冷却水回水经由管路和水沟排至矿井浅部巷道(一水平),利用矿井浅部巷道较低的环境温度,使得冷却水回水与巷道内的空气及岩壁进行充分的热交换,降低冷却水回水温度,达到冷却的目的,冷却后再排至冷却水储水仓,从而形成不同水平间高差循环冷却。

该技术利用矿井浅部环境温度低、风量大的特点,通过不同水平间所形成的高差循环,冷却HEMS-I机组的冷却水回水,操作简单。

图2 高差循环冷源降温技术原理

3.2 工程实例

目前,夹河矿井各水平涌水情况是,-280水平涌水量为40m3/h,水温25℃;-450水平涌水量为15m3/h,水温25℃;-600水平涌水量为50m3/h,水温24℃;-800水平涌水量为30m3/h,水温29℃。上述四个水平总涌水量为135m3/h。如果考虑-280水平距离制冷站较远,不考虑利用该水源,这样其余三个水平合计涌水量为95m3/h。另外,-80水平有较小的涌水量,但水温低,水质好,可作为冷却补充水源加以利用,增强系统的冷却效果。

考虑到-600水平涌水量为50m3/h(占总涌水量的37%),以及-600水平西一储水仓的储水量及其位置,将-450水平和-800水平的涌水引入该储水仓,如涌水量不能满足系统运行要求,则将HEMS-I冷却水回水经由中央水仓用泵排至-280水仓,冷却后再用泵将水排至-600西一储水仓,使得冷却水循环利用,满足HEMS-I机组冷却水水量需求-80水源的水温低,水质好,要充分利用起来,排到-280水仓,可以改善水质,增强冷却效果。

4 水平循环冷源降温技术

(1)技术原理

该技术是利用与冷却水储水仓在同一水平的闲置巷道作为冷却水仓,冷却水回水在水平大巷中经过一定距离的管路排至冷却水仓内,通过与巷道空气及岩壁的热交换来达到冷却目的,冷却后的水源作为降温系统的冷源,进行能量的提取、冷量的输送以及对工作面进风风流的冷却,完成工作面降温。技术原理如图3所示。

图3 水平循环冷源降温技术原理

该技术的特点是冷却水在同一个水平循环冷却,所需的循环动力小,耗电低,但当同一水平的环境温度较高时,对冷却效果会有很显著的影响,可以根据冷量需求及冷却水水量大小,采取合理的增强冷却措施。

(2)工程实例

目前,三河尖矿可利用的冷源资源仅为60m3/h的矿井涌水,无法满足工作面冷负荷需要,经过多次现场考察和讨论,综合考虑三河尖矿水源条件、冷负荷量及其矿井实际条件,冷源通过冷却水循环方式获得,HEMS-I机组出来的38℃水经回风巷喷淋及-700水平屯头系大巷自流冷却作为主要冷源,流量为600m3/h。另外矿井涌水中有60m3/h水源可以利用,将可利用的矿井涌水与循环冷却水混合作为冷却水水源。

水源供水的操作要求:井下-700水平循环冷却水作为冷源,适当掺混其他低温水源。

5 结论

(1)深井HEMS降温系统所利用的冷源是矿井涌水,充分利用地层能,保证了资源的可持续利用和发展,整个生产系统实行闭路循环,无污染,最大程度地减少了废气废物的排放,有效地保护了生态环境,具有显著的社会效益。

(2)夹河矿利用在不同水平(-80、-280、-600、-800水平)水仓之间的高差循环来冷却矿井涌水,送入HEMS-I工作站的矿井涌水水温始终保持在25℃～30℃,为深井HEMS降温系统提供了充足的冷源,实际降温工程表明,高差循环冷源降温技术可以解决矿井涌水冷源的冷却问题,为深井高温工作面提供源源不断的冷量,保证了深井HEMS降温系统的正常运行。

(3)三河尖矿利用在同一水平(-700水平)的回风巷喷淋及屯头系大巷自流来冷却矿井涌水,送入HEMS-I工作站的矿井涌水水温始终保持在25℃～30℃,为深井HEMS降温系统提供了充足的冷源,实际降温工程表明,水平循环冷源降温技术可以解决矿井涌水冷源的冷却问题,为深井高温工作面提供源源不断的冷量,保证了深井HEMS降温系统的正常运行。

[1] 赵苏启,郭启文,徐志斌.郑州矿区水害综合治理技术研究[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

[2] 毛艳丽,肖晓存,罗世田,等.平顶山市煤矿矿井涌水的资源化[J].洁净煤技术,2007,13(02),94-96.

[3] 郑连科.永城矿井涌水水资源的综合评价及利用[J].煤炭科学技术,2007,(06),16-19.

[4] 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会,矿井水害防治技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[5] 何满潮,徐敏.HEMS深井降温系统研发及热害控制对策[J].岩石力学与工程学报,2008,27(7):1353-1361.

[6] He Manchao.Rock mechanics and hazard control in deep mining engineering in China.Rock Mechanics in Underground Construction,Rock mechanics in underground construction[J]. Proceedings of ISRM International symposium 2006.The World Scientific Publishing,2006,11:29-46.

[7] 张 毅,郭东明,何满潮.深井热害控制工艺系统应用研究[J].中国矿业,2009,(01),85-87.

[8] 何满潮.HEMS深井降温系统研发及热害控制对策[J].中国基础科学,2008,(02),5-8.

Utilization and research on mine water in HEMS cooling technology in deep mine

CAO Xiu-ling1,2,3,ZHANG Yi1,2,GUO Dong-ming1,2,YANG Qing1,2,TIAN Jing1,2,SONG Yan-hao2
(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;
2.School of Mechanics&Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;
3.Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang 050031,China)

TD727+.2

A

1004-4051(2010)02-0104-03

2009-09-17

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006 CB 202200);国家自然科学基金重大项目(50490270);教育部创新团队发展计划项目(IRT0656)

曹秀玲(1964-),女,河北人,中国矿业大学(北京)在读博士研究生,石家庄经济学院老师,副教授,主要从事地热工程、结构工程师方面的研究工作。