井下局部降温技术的实践应用

吴晋怀

(大同煤矿集团白洞矿业公司，山西 大同 037003)

0 引言

同煤集团某矿二号井目前已开采至埋深740 m的位置，该水平有明显地下热害现象，各采掘工作面中有多处温度超过30 ℃，其中最高的一处平均温度高达32 ℃，必须采取降温措施逐步解决[1-3]。当前情况下，矿井井下热害对矿井的开拓、工作面的延伸以及正常的生产秩序都造成了极大的影响，地温升高问题已经成为阻碍矿井正常生产的一个重大隐患[4-6]。为此，通过对现采煤层2号煤层中的热害现状进行分析，查找热源，根据热源特点与地温现状制定专项治理方案，选取局部降温技术开展井下工作面环境改善工作。

1 矿井地热现状

1.1 工程概况

该矿井设计产量1 500万t/a，所在井田整体面积约58.52 km2，含有多层可采煤层，其中南北走向9.9 km，东西12.8 km，走向沿东西方向倾斜。矿井分有1号井和2号井两套独立的生产系统，主井均采用斜井开拓，井田现主采煤层为2号煤层，煤层赋存条件良好，煤层厚度平均达到14 m，采用大采高综采工艺进行煤炭回采，矿井属于低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险，且煤层存在自燃倾向。

1.2 地温状况

矿井不同埋藏深度受到环境温度和地层地温综合影响，可以分为气候影响区、温度稳定区、地热影响区三层，通常井下地热现象主要存在于埋深较大的地热影响区内，该煤岩层受到地温梯增影响[7-9]。对所在煤田进行井温测定，通过测温钻孔对不同煤层进行温度监控，测温钻孔沿勘探线布置在不同构造位置，各测温钻孔位置延剖面线布置会利于后期分析。测温孔主要布置在垂深260 m、460 m、600 m这3个水平，并少量设置在火区内外；测温孔选择简易测温孔、近稳态测温孔和长期稳态测温孔三类，利用原有地质详查的9个测温孔和井田深部边缘的1个近稳态测温孔(1912号孔)外，再额外施工56个测温钻孔，配合火区测温孔等不同测温孔共计76个测孔；测温设备为JJW-1型井温仪和TYW-2型晶体管井温仪两种。温度测量结果表明井田随着埋深温度逐渐升高，其中垂深260 m处测得最高温度为24．1 ℃，而垂深600 m处的最高温度为36.16 ℃，不同垂深温测孔温度测量数据见表1。

表1 不同垂深温测孔温度测量数据

1.3 热害现状

通过对工作面内各处的温度进行测定，工作面下隅角处为温度最高点，测得温度最高值为32 ℃，工作面内的热害除去岩层的地温影响，还包括工作面内机械设备和通风方式等方面的影响[11-14]。

机电设备因素：以Ⅱ020207工作面为例，该工作面为综采工作平面，存在采掘、转载、转运等各型设备以及各大功率配套机电设备，导致回采期间下隅角存在温升4～5 ℃，可见机电设备是除去岩层地热之外的最大温度增长原因。

通风方式：工作平面内回风流方向与运煤方向相反，导致煤炭通过运输皮带转运过程中，自身热量没有被回风流带离，而是散入巷道内部，从而影响工作面内巷道温度上升。

主要热害因素：根据分析，当前采煤工作面的主要热害为机电设备，其次才是岩层地温和原煤热量散失，而相对人员散热影响较小。当随之采深不断增加，岩层的稳增效应加大，煤岩壁蕴含的热量大幅度增加，并通过辐射和对流等方式传递至工作面内部，即采深增加后，地热影响将更为突出。

2 制冷方案选择及效果分析

2.1 井下降温冷负荷计算

采掘工作面需冷量：采掘工作面需冷量的计算参照式(1)

Q3=q·ρ·(I1-I2)

(1)

式中：Q3—采、掘工作面的需冷量，kW；I1—处理前采、掘工作面的风流焓值，取106.3 kJ/kg；I2—处理后采、掘工作面的风流焓值，取84.5 kJ/kg;q—工作面内局部通风风量，取16.6 m3/s；ρ—空气密度，取1.22 kg/m3。计算得Q3为441.5 kW。

冷负荷参数汇总：将020602综放工作面各冷负荷参数汇总后，见表2。

表2 采煤工作面冷负荷计算表

2.2 制冷方案

局部降温技术确定：由于造成工作面内温度超限的原因主要为机电设备散热造成的，该类情况特点在于热源主要影响设备所在的局部区域，而且采用全矿井降温系统经济投入较大，且需要较长的建设周期，不利于快速解决井下热害问题。考虑到工作面热害特点，计划采用直冷式局部降温制冷装置用来控制采掘工作面的局部高温。该类系统的构成通常由制冷主机、蒸发器、空冷器3大主要部分以及各类管路和控制阀组成。

局部制冷降温原理：局部制冷机主要由主机、蒸发器和冷却器3部分组成，而主机中又含有压缩机、冷凝器、膨胀阀及各类控制阀构造。局部制冷机压缩机带动制冷剂进行循环，制冷剂吸收完热量后会以低压气态存在，通过压缩机加压转化为高压高温状态；通过主机中冷凝器对热量的吸收，热量被传递至冷却水中；制冷剂再次转化为低温高压液体状态，该状态下制冷剂通过膨胀阀，膨胀阀起到节流作用，使制冷剂改变为气固两相状态后进入蒸发器，制冷剂在蒸发器内与环境中空气进行换热，吸收热量进行制冷工作，而蒸发器与局部通风机相连，通过局部通风机将环境中的空气不断带入蒸发器内，环境中的热量通过与制冷剂的交换逐步降低。蒸发器内的制冷剂换热膨胀后再次改变为低压高温气体状态进入压缩机形成新的制冷循环，如此形成稳定的局部制冷降温效果。

降温设备选型：根据020602工作面综采工作面实际需冷量为529.8 kW，计划选取450型局部移动式制冷主机，并根据冷量需求，选择3套制冷设备，实现两开一备的运行方式，维持900 kW的总的制冷量。由于工作面内风量应满足800 m3/min的风量需求，制冷主机蒸发器空气压降>1 150 Pa，全风压>1 250 Pa，与制冷主机对应选型应两开一备；冷却器气压降>1 000 Pa，全风压>1 100 Pa，同样两开一备；冷却水泵选型为MD100型冷却水泵，经济流速为1.5 m/s，主路选取D108 mm×7 mm无缝钢管，管线长度为6 500 m。冷却水路管路铺设路为：1号制冷站→020602工作面机巷→2号制冷站→020602工作面1号联络巷→020602工作面风巷→冷却站。所有冷却水管需做隔热处理，喷淋水管路中喷淋水泵选型为MD25型单台冷却器，需水量为25 m3/h，采用1用1备。

设备布置方式：020602工作面内共计3套局部降温制冷设备，考虑到冷却站尺寸和不影响工作面正常运输和通行秩序，冷却站设置在空间较大的020602风巷内，也避免了单独开凿专用硐室。并且经过测试，回风巷内整体回风量为1 000 m3/min，巷道内部温度约为30 ℃，满足冷却站散热要求。而其中两套局部制冷装置设置在回采工作面切眼500 m处，称为1号制冷站；在巷道中部单独设置 1套局部制冷装置，称为2号制冷站。各套制冷装置包含有450型制冷主机、450型蒸发器及配套对旋风机，冷风通过胶质风筒输送到工作面内部，各冷却器设置在冷却站内，为3台LQ-600的排热型冷却器、排热风机、水泵及配套水箱。各套制冷装置使用过程中实行2开1备。为避免受到工作面前端爆破作业和回采割煤作业的影响，制冷机前移过程中应和工作面前端保持合适的安全距离，并以工作面每推进200 m进行一次前移，确保工作面至制冷机范围内部温降可达5～6 ℃以上。

2.3 制冷效果分析

020602综采工作面的局部制冷装置设置完成后，进行了一个月的试运行，通过在工作面内部各处设置的温、湿度传感器的反馈数据进行汇总，并对比局部制冷装置使用前后工作面内部的温湿度变化，见表3。由表可知，局部制冷装置的使用改善了工作面内部湿热的工作环境，起到良好的降温效果，为井下作业人员创造了良好的作业条件。

表3 020602综采工作面局部制冷装置效果数据

3 结语

综上，矿井热害是多种因素造成的，使用局部制冷降温装置等单一措施效果是有限的。结合调整局部通风方式、工作面局部通风能力以及减少机电设备散热等综合措施，才是工作面内环境温度控制合理范围的最佳方式，也能降低局部制冷降温装置工作负荷，做到降低能耗。