高温采煤面局部降温技术优化研究与应用

苗德俊，于东业，宋大川，高 新

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

随着能源需求的增长，煤矿的开采深度在不断增加，热害矿井数量也越来越多，热害已严重制约了煤矿的发展。我国地层恒温带深度多为50m以内，温度约为15～17℃。据我国煤田地温观测资料统计，地温梯度为2～4℃/100m。当采掘深度700m时，地温可达40～45℃。而出现二级热害矿井[2]。我国煤矿目前开采深度平均每年以10～15m的速度增加，超过1000m深的矿井越来越多，是世界上热害矿井最多的国家[3]。在深部开采的条件下，随着开采深度的增加，井下热害问题变得越来越严重。持续的高温将对人体的健康和工作能力造成极大的伤害，使劳动生产率大大下降。可见，热害已成为限制煤炭资源深部开采的主要障碍之一[4-8]。

降温技术多年的研究，已经取得了很大的突破，工作面环境也取得了一定的改善。但是，各种降温技术都具有一定的局限性，当前主要存在的问题有：制冷系统冷损大，换热效率不高；制冷以后，工作面冷热不均，靠近进风口地方风流温度较低；靠近出风口地方，风流温度较高。

1 工作面热湿源与风流热湿交换机理

1.1 工作面热湿源

由于井下作业环境特殊，存在着诸多的热湿源。采煤工作面在开采的过程中，风流会与周围环境中的热湿源发生热、湿交换，从而导致风流温湿度增高，焓值增加，矿井高温热害问题日益严重[9]。其中，主要热源包括：围岩散热、机电设备散热、矿物放热、氧化放热、人员散热以及其他热源等[10-12]。主要湿源包括：地表大气、围岩渗水、降尘洒水及排水散湿等。其中，地表大气的含湿量变化对井下风流湿度影响较为显著。

1.2 热湿交换分析

干燥的围岩壁面与风流只有热交换，没有湿交换，而湿润的围岩壁面与风流既有热交换也有湿交换。在采掘过程中，围岩壁面大多是潮湿的，其与风流换热由显热和潜热两部分组成。围岩放出热量，使得风流干球温度升高，即为显热；使围岩壁面水分蒸发，即为潜热。计算方法如下：

Qt=Qs+Qr

(1)

式中，Qt为巷道围岩总放热量，kW；Qs为巷道围岩与风流换热显热，kW；Qr为巷道围岩与风流换热潜热，kW。

2 局部降温系统优化设计

2.1 降温系统基本原理

结合矿井实际情况，将制冷机组布置在井下大巷硐室中，主空冷器布置在井下距工作面进风巷迎头250m的进风巷内。为了使工作面冷量均匀，避免不必要的冷损，利用主空冷器与小型空冷器进行联合降温，在工作面相邻液压支架悬挂小型空冷器。在工作面靠近进风口处，小型空冷器布置稀疏一些，在工作面靠近出风口处，小型空冷器布置稠密一些。制冷机组制取低温冷冻水，一部分通过输冷管路将其输送到进风巷主空冷器中，一部分通过输冷管路输送到采煤工作面小型空冷器中，与井下工作面风流均匀换热。冷却出水通过回水管路输送到地面冷却塔冷却以后，重新返回制冷机制冷。制冷降温系统如图1所示。

图1 制冷降温系统结构

2.2 工作面需冷量

为了使工作面达到理想的降温效果，给工人提供一个相对舒适的环境，需要确定采煤面需冷量，从而更好地确定系统设备选型。根据《煤矿安全规程》的规定，采掘工作面风流干球温度不高于26℃，理论需冷量即为达到安全规程后的需冷量。工作面需冷量可通过以下公式计算：

Qf=MB(iq-ih)

(2)

式中，Qf为工作面需冷量，kW；MB为风流质量流量，kg/s；iq为降温前工作面入风流焓值，kJ/kg；ih为降温后工作面允许风流焓值，kJ/kg。

2.3 主要设备选型

通过对照湿空气焓湿图，降温前工作面入风流焓值：tq=33.5℃；φq=94%，iq=114.6kJ/kg；降温后工作面允许风流焓值：th=26.0℃，φh=75%，ih=66.6kJ/kg，风流的质量流量MB=6.5kg/s；将工作面实测风流参数代入式(2)计算得，工作面需冷量为312kW。在降温系统投入使用后，会存在着一定的冷量损失，主要发生在连接主空冷器的风筒与连接小型空冷器的输冷管路中，冷量损失为Ql=52kW。

(1)制冷机制冷量

QW≥1.2(Qf+Ql)

(3)

式中，QW为制冷机的制冷量，kW;Qf为工作面需冷量，kW；Ql为管路冷量损失，kW。

将数据带入式(3)得：QW=436.8kW。选用型号为TS-450ZM制冷机组，制冷功率为500kW。

(2)空冷器参数

主空冷器选型为QS-350，送风量320m3/min，进水量为11.5m3/h；额定功率110kW。小型空冷器选型为HSPC-100-2.5，在工作面靠近进风巷迎头0～80m处，布置2台小型空冷器；80～150m处，布置3台小型空冷器；在150～220m处，布置5台小型空冷器。每台小型空冷器送风量35m3/min，进水量2.8m3/h，额定功率为25kW。

(3)冷却水泵选型

冷却水泵选型MD145-30×D，额定功率为80 kW，抽水量为(65×2)m3/h =130m3/h。

3 现场应用及效果分析

3.1 工作面概况

淮南唐口煤矿位于安徽省淮南市，距市中心25km，井田东西长度12.5km，南北宽度8～10km，面积为110km2,年产量为40Mt。设定服务年限为60a，2002年建成投产。随着近些年矿井开采规模的扩大，采深也在不断增加。目前，最大开采深度已达到-1050m，工作面围岩温度达37.5℃，热害问题较为突出，该矿各水平温度见表1。

表1 地温预测

3.2 工作面风流温度分布场

工作面采取局部降温措施后，在主空冷器与小型空冷器送风风速一定时，利用FLUENT模拟软件模拟工作面温度分布场，在送风温度为290K的情况下，工作面布置的第2、第5、第10台空冷器处，风流温度场分布如图2所示。

图2 工作面温度分布场云图

通过以上模拟可以看出，在主空冷器与小型空冷器送风风速一定的情况下，当送风温度为290K，即17℃的情况下，工作面所有小型空冷器开启以后，整个工作面温度均能维持在27℃以下，取得了较理想的降温效果，为采煤工作面工人提供了相对舒适的环境。

3.3 降温效果分析

针对井下工作面存在的高温热害问题，利用上述局部降温系统对其降温，取得了很好的降温效果，第2、第5、第10台空冷器出风口实测温度如图3所示，干湿球温度有了明显的降低。

图3 不同位置空冷器干湿球温度

由于小型空冷器体积较小，质量较轻，方便在工作面的布置。较传统意义上工作面进风巷道布置的空冷器相比，不需要开凿大的硐室，节约了成本。采取降温措施后，工作面整体降温幅度为4～6℃，相对湿度也降到了81%，很好地改善了工作面的作业环境，保证了工作面安全高效生产。降温前后工作面干湿球温度、相对湿度如表2所示。

表2 工作面降温前后对比

4 结 论

针对采煤工作面存在的高温热害问题，利用主空冷器与小型空冷器进行联合降温。在采取降温措施后，工作面降温幅度为4～6℃，温度可维持在27℃左右，相对湿度也降低到81%，改善了工作面的作业环境，取得了良好的降温效果，具有一定的推广价值和实用价值。