矿井高温热害综合治理技术的探索和实践

郭念波

(兖煤荷泽能化公司赵楼煤矿,山东省菏泽市,274705)

矿井高温热害综合治理技术的探索和实践

郭念波

(兖煤荷泽能化公司赵楼煤矿,山东省菏泽市,274705)

针对兖煤荷泽能化公司赵楼煤矿高温热害问题,提出了高温热害矿井综合治理方法途径,并对其综合治理效能进行了综合评价和分析,指出了其中的问题和不足,明确了今后高热害治理的方向。

矿井高温热害 热害治理 赵楼煤矿

1 赵楼煤矿高温热害基本情况

兖煤菏泽能化公司赵楼煤矿位于巨野煤田的中部。井田含煤地层为山西组和太原组,主采3＃煤层。煤层埋深700～1200 m,煤层平均厚度6.19 m,煤层倾角2°～18°,属赋存比较稳定煤层。井口设计标高45 m,井底车场水平标高－860 m。赵楼煤矿煤层属于地温梯度正常的高温煤层,地层年恒温带为50～55 m,温度为18.2℃,平均地温梯度2.20℃/100 m,非煤系地层平均地温梯度1.85℃/100 m,煤系地层平均地温梯度2.76℃/100 m。初期采区大部分块段原始岩温为37～45℃,处于二级热害区域。经相关测定赵楼煤矿一采区1304工作面区域煤体原始温度约为43.5 ±0.1℃;一采区1302工作面煤体原始温度约为40.5±0.1℃。赵楼煤矿采、掘进工作面空气温度一般在32～35℃。赵楼煤矿所在地区气候温和,四季分明,属温带半湿润季风区海洋－大陆性气候。年平均气温14.8℃,月平均最低气温－5.2℃(1998年1月),月平均最高气温32.4℃(1998年7月),日最高气温42.4℃(1966年7月19日),日最低气温－18.7℃(1957年1月2日)。因此,为确保矿井安全生产和职工的健康,必须采取机械制冷降温的方法解决矿井的热害问题。

2 赵楼煤矿降温系统

赵楼煤矿开采深度较深,综采放顶煤工作面末端和掘进工作面的温度较高。特别是在夏季,热害程度较为严重。因此在井下安装了集中制冷装置,在地面井口安装了制冷降温装置,共两套降温系统,以便改善采、掘工作面的工作条件。矿井井下降温系统采用了德国WAT公司的KM3000型井下集中式降温系统;地面降温系统采用了4台上海开利公司生产的制冷量4 50 0 k W离心式冷水机组。

2.1 井下制冷系统

2.1.1 井下降温系统

井下制冷系统采用模块化结构设计,以便于将来的扩充。冷水机组KM3000是生产冷冻水的中央设备。降温系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、空冷器和电控系统等设备组成。选用3台KM3000型制冷机并联运行,具有9.9 MW的制冷能力,单台制冷机可向外提供190 m3/h的3℃冷冻水。使用RWK450型空冷器16台、RWK350型空冷器10台,确定冷却水的进出水温度为31℃/40.4℃。冷却水循环和冷冻水循环回路中所损失的水量用软化水自动补充。

2.1.2 工艺流程

冷却塔出来的31℃的冷却水经冷却水泵,通过安装在回风井的管路输送到井下,接至制冷机组冷凝器的进水侧,冷却水吸收制冷剂的冷凝热后温度将上升至40.4℃左右,再由安装在回风井中的回水管返回地面冷却塔进行冷却,形成冷却水循环。

制冷机组蒸发器侧出来的3℃冷冻水经输冷管送至末端空冷器,利用热交换器与采、掘工作面的热空气进行热交换。期间所吸收的热量将使水温上升至16℃左右,再由冷冻水泵使其返回制冷机组再冷,形成冷冻水循环。

2.2 地面压缩式冷水机组集中降温系统

2.2.1 地面降温系统

地面降温系统由制冷机组、冷冻泵、冷却泵、电控系统及表冷式换热器等设备组成,按照总进风量18000 m3/min计算,系统需要总冷量为17282 k W,设计选用4台离心式冷水机组,单台机组制冷量4500 k W,输入功率780 k W,总制冷量18000 k W。冷冻水泵5台(4用1备),水泵流量772 m3/ h,水泵电功率90 k W,水泵扬程30 m;冷却水泵5台(4用1备),水泵流量922 m3/h,水泵电功率110 k W,水泵扬程20 m;冷却水塔流量为4000 m3/ h,2组冷却水塔并联使用,便于冷却水流量的分配。总配电功率75 k W(7.5 k W×10)。

制冷机组制备低温冷冻水,通过管道将低温冷媒水输送到设置的井口空气冷却系统,将进入矿井的空气降温除湿后再送入井下,最终达到降温目的。此项创新技术在国内首次用于矿井进风流的降温。

2.2.2 制冷机组配置和工艺

由于地面气候随着季节发生变化,不同时段制冷负荷将随着地面空气负荷的变化而变化。根据负荷软件计算,6月上旬和10月下旬冷负荷为4.5 MW左右,只需1台制冷机组运行即可满足要求;6月下旬、10月上旬,冷负荷为9 MW左右, 2台制冷机组运行即可满足要求;9月冷负荷为14 MW左右,3台制冷机组运行即可满足要求;7月、8月冷负荷为18 MW左右,4台制冷机组运行即可满足要求。

设备机房布置在一层,设置4台离心式水源热泵机组、5台冷冻水泵、5台冷却水泵和1个冷却水池(240 m3)。机房布置见图1,冷却塔布置见图2。

图1 机房布置图

2.2.3 井口换热站

换热站设计成无动力换热器。首先,由于矿井通风机运转时在井口产生负压,因此,换热器通风动力源可以利用矿井通风机提供的通风动力。其次,处理好井口的密闭问题,使进入矿井的风流先经过换热器处理后再进入井下,才能确保通风降温的效果。由于副井口是人员、材料的主要通道,井口构筑物的入口和井架处密闭不好,会造成大量漏风进入井筒,影响通风降温的效果。第三,换热器的通风阻力应尽量足够小,以减少对矿井主通风机运行工况的影响。

图2 冷却塔布置图

通过计算机模拟分析和现场实测验证,结果表明,采用无动力换热器是可行的。

(1)主井口换热站设计。主井口设计进风量为300000 m3/h(5000 m3/min),对进风空气状态(温度34.1℃,相对湿度81%)全部进行处理,处理后送风空气温度达到20℃、相对湿度95%时,需要的制冷量为4935 k W。主井口空气换热器参数见表1。

表1 主井口空气换热器参数

(2)副井口换热站设计方案。副井口设计进风量为780000 m3/h(13000 m3/min),对进风空气状态(温度34.1℃,相对湿度81%)全部进行处理,送风空气(温度20℃,相对湿度95%)需要的冷负荷为12832 k W。副井口空气换热器参数见表2。

表2 副井口空气换热器参数

2.2.4 井口封闭

由于井口构筑物是主要运输通道,为确保通风降温效果,需加强井口构筑物密闭和控制,避免风流通过井架和东西两侧的风门进入。

副井口房密闭和控制方案如图3所示,沿着铁轨方向,利用彩钢板将四周密封,副井东侧密封长约50 m,西侧密封长约20 m。东侧原有门处、延伸处和西侧原有门处分别设置2个背带堆积式高速卷门,西侧延伸处设置3个背带堆积式高速卷门。

图3 副井口房密闭和控制方案

每个背带堆积式高速卷门都设置雷达感应系统。当车辆运行接近高速卷门时,感应探头检测到后,其对应卷门快速开启。待车辆全部通过后,卷门自动关闭,其后侧对应轨道的卷门开启,在通过后道门后,后道门保持关闭。

在前道卷门开启时,其对应的后道卷门保持关闭。当电动门失电时,所有电动门处于开启状态。

2.2.5 自控系统

(1)系统原理。对中央空调冷水机组系统的冷冻水泵进行变频控制,实现设备管理和运行节能的目的。控制系统由现场控制器组成,通过采集和控制各类输入输出信号,集中管理冷冻站内冷冻水泵的变频运行。主机、水泵进行启停控制状态监测、连锁控制和故障报警。同时,系统可对每个就地设备对象进行分散控制,使每个设备可单独运行,防止因其他设备故障而影响该设备的运行。并将相关运行参数上传至能源监管平台上,显示并记录变频器、传感器等各相关设备的运行状态和主要运行参数。控制系统结构见图4。

图4 控制系统结构图

(2)控制系统目标。包括:主机、水泵启停控制、状态显示及故障报警;空调侧冷冻水水泵变频运行;冷冻水泵与其他冷冻站内设备的连锁、顺序控制;精确控制冷冻水的供水温度及流量,在冷水机组加减载荷及加减机组时,流量与之配套进行调节,以达到最佳节能效果;实现整个制冷系统的节能、优化。

PLC模块安装在系统控制柜内,控制柜配置电动阀电源回路和相应的传感器直流电源。系统控制柜和上位机均放置于控制室。

3 综合制冷降温效果

2009年6月25日,赵楼煤矿夏季井下制冷系统正式开始运行;2014年5月28日地面降温系统运行。两系统运行后于2014年7月31日对主副井进风空气参数及井下大巷、1307采煤工作面状况进行了分析。

3.1 测试数据

测试数据见表3、4、5。测试时间段的主井下井口的平均风温为27℃,湿度74%;副井下井口的平均风温为25.5℃,湿度84%。

表3 主井井筒房测试数据

表4 副井井筒房测试数据

序号设备编号表冷器进水温度/℃表冷器出水温度/℃表冷器迎风温度/℃表冷器迎风湿度/%表冷器出风温度/℃表冷器出风湿度/%风速/m·s－1风阻/Pa 4 A14 7.5 10.1 30.5 59.4 16.8 86.1 1.5 25 5 A21 7.8 9.9 30.6 59.7 16.7 92.7 1.5 27 6 A22 7.6 10.6 30.4 58.9 16.9 95.4 1.6 29 7 A23 7.8 10.4 30.4 57.9 16.5 93.8 1.5 26 8 A24 7.5 10.2 30.6 59.9 16.7 92.7 1.6 19 9 B 7.4 10.1 29.7 60.2 17.8 91 1.4 21 10 C1 7.6 9.6 29.5 60.4 17.9 92.7 1.6 28 11 C2 7.3 9.8 30.5 59.8 16.9 88.7 1.5 26 12 D 7.5 10.7 29.8 60.8 18.2 86.9 1.7 36 13 F1 7.4 9.8 30.2 60.4 17.6 86.1 1.6 22 14 F2 7.6 10.3 30.4 60.5 18.4 87.4 1.9 38 15 H1 7.4 10.2 29.9 61.2 18.7 83.7 2.0 32 16 H2 7.6 9.7 30.7 60.2 16.7 86.7 1.5 29

表5 主副井口四周温湿度

3.2 漏风量分析

根据表3和表4中风速计算表冷器风量,见表6、表7。

表6 主井井筒房表冷器通风数据

表7 副井井筒房表冷器通风数据

序号设备编号风速/m·s－1通风面积/m2通风面积(加装出风百叶)/m2风量/m3·min－19 B 1.7 9.68 8.23 839.256 10 C1 1.6 6.76 5.75 551.616 11 C2 1.5 6.76 5.75 517.140 12 D 1.7 10.53 8.95 912.951 13 F1 1.6 7.04 5.98 574.464 14 F2 1.9 1.83 1.56 177.327 15 H1 2.0 3.03 2.58 309.060 16 H2 1.5 1.48 1.26 113.220合计11300.784

由表7可知,通过表冷器处理风量,主井总风量为3873 m3/min;副井总进风为11300 m3/min。根据井下巷道实测,主井总进风为4200 m3/min;副井总进风为12500 m3/min。可以计算出主井漏风率为7.8%,副井漏风率为9.6%。

3.3 1307采煤工作面

对1307采煤工作面制冷系统运行前后的风流热力参数进行了监测,监测结果见表8和表9。

表8 1307采煤工作面测点风流热力参数(制冷系统未运行)

表9 1307采煤工作面测点风流热力参数(制冷系统运行后)

3.4 测试结论

由以上测试数据分析可知,井下集中降温制冷系统和地面降温系统运行后,实现了矿井进风和局部工作风流的全处理。

4 结论

(1)对矿井入风实施降温,联合井下集中降温系统,实现了对全矿井从井口、进风大巷、主要硐室到各采掘工作面的全面降温。

(2)井口空气换热站选用表冷式换热器,分别安设于主副井上井口,井口周边连通建筑物实施可靠封闭,充分利用矿井负压作动力,实现入风的热湿交换处理,大大减少了传统的动力消耗。

矿井采用全风量降温及井下集中降温系统技术后,井下降温效果有明显改善,达到治理高温热害的目的,项目实施的效果明显。

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(责任编辑 熊志军)

Exploration and practice of comprehensive treatment technology on coal mine high-temperature heat-harm

Guo Nianbo
(Zhaolou Coal Mine,Yanzhou Coal Mining Heze Energy Chemical Co.,Ltd.,Heze,Shandong 274705,China)

Aim at the problem of high-temperature heat-harm in Zhaolou Coal Mine, Yanzhou Coal Mining Heze Energy Chemical Co.,Ltd.,the author evaluated and analyzed the problem comprehensively,and provided approaches of comprehensive treatment on it,at meanwhile,pointed out some problems and weaknesses,and also defined the direction of the heatharm treatment in future.

coal mine high-temperature heat-harm,heat-harm treatment,Zhaolou Coal Mine

TD727

A

郭念波(1967－),男,山东巨野人,工学博士,高级工程师,现任兖州煤业股份有限公司赵楼煤矿矿长。