严寒地区煤矿地面生产系统采暖方案研究

孙建荣

(国家能源集团神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000)

煤矿地面生产系统电气设备较多，且煤尘极易燃烧，是防火的重点区域，而在北方严寒及酷寒地区，煤矿地面生产系统的消防水系统冬季基本都是放空(无水)状态，主要原因是气候寒冷，地面生产系统室内温度不足以保证消防系统的可靠运行。因此，一旦发生火情，消防系统能否及时启动，能否稳定运行都有很大不确定性，存在较大的火灾防控隐患。地面生产系统电气设备、采暖季存在的消防隐患正符合《2018年全国火灾统计分析报告》中火灾高风险特点[1，2]。

保障北方严寒地区煤矿消防水系统可靠运行是预防火灾的有效手段，而保障消防水系统运行比较有效的措施是解决煤矿地面生产系统的采暖问题。

1 严寒地区煤矿地面生产系统采暖现状

为了充分了解北方严寒地区煤矿地面生产系统冬季消防系统的运行情况，笔者对内蒙古锡林浩特胜利矿区XY矿、白音华矿区YH矿、霍林河NM矿等煤矿进行了调研，所调研煤矿地面生产系统冬季消防水系统全部为放空状态，主要原因就是避免冬季消防水系统发生冻害。

1.1 输煤系统

输煤系统包括地面、地下、栈桥上的带式输送机系统，所调研煤矿输煤系统有采取露天半封闭结构的，也有采取全封闭的输煤廊道结构的。露天半封闭结构自然不会采暖，全封闭的输煤廊道结构设有采暖，但采暖温度不能全面保证，因此冬季消防水系统也处于放空状态。

造成输煤廊道采暖温度不能全面保证的原因主要有：①输煤廊道封闭状况较差，采用保温压型钢板封闭或砖混结构封闭，均存在跑风漏风的状况，同时门窗密封效果也比较差；②采暖热媒温度偏低，一般为70℃/40℃；③散热器安装数量偏少，可能设计时对封闭效果考虑不够全面。

1.2 筛分破碎系统

筛分破碎系统主要是指筛分破碎楼，所调研煤矿筛分破碎楼基本都是封闭的，有设计采暖的，也有不设计采暖的。其中，设计采暖的冬季采暖温度也不能全面保证，因此冬季消防水系统也处于放空状态。

造成筛分破碎楼采暖温度不能全面保证的原因主要有：①受除尘进风、排风的影响，使室内热量随着排风流出，同时室外冷气随着进风流入，造成室内温度难以保证；②与室外半封闭栈桥接口处无法全面封闭，导致冷空气流入量较大；③门窗等密封效果较差；④采暖热媒温度偏低，一般为70℃/40℃；⑤散热器安装数量偏少，可能设计时对室内通风考虑不够全面。

1.3 储煤系统

储煤系统主要是指圆形煤仓或条形煤仓、筒仓及其顶部的配煤间等，所调研煤矿煤仓及其配煤间基本都是封闭的，全部设计采暖。只是有采用热风采暖的，有采用热水采暖的，但冬季采暖温度也都不能全面保证，因此冬季消防水系统也处于放空状态。造成圆形煤仓或条形煤仓、筒仓及其顶部的配煤间采暖温度不能全面保证的原因与筛分破碎系统基本一致。

2 严寒地区煤矿地面生产系统消防系统面临的风险

老版《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006)第8.4.2条第9款规定：“严寒和寒冷地区非采暖的厂房(仓库)及其他建筑的室内消火栓系统，可采用干式系统，但在进水管上应设置快速启闭装置，管道最高处应设置自动排气阀”[3]。新版《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)规定，“7.1.3室内环境温度低于4℃或高于70℃的场所，宜采用干式消火栓系统”[4]。因此严寒地区采用干式消火栓系统是符合规范要求的。但是结合严寒地区地面生产系统的实际情况看，若在-20～-40℃的冬季出现火情时主消防水系统或许能发挥作用，但防火分隔水幕等小管道就不一定能发挥作用，而且从现有消防设施的配置看火灾扑灭后消防水系统可能大部分会报废，原因是灭火后管道中的水很难全部放空，管道会被冻裂，灭火时流动部分的水可能在灭火后能放空一部分，发生火情后充水但未使用部分的管道必然会被冻裂。

鉴于以上消防系统面临的风险，研究如何保障严寒地区地面生产系统的采暖温度有很重要的意义。一方面可以保证消防系统的稳定可靠运行；另一方面避免火灾发生后消防系统损毁，导致后期防火设施失效；同时，还可以保证生产系统冬季可靠运行，并为生产人员创造较为舒适的工作环境。

3 严寒地区煤矿地面生产系统采暖方案

现场调研结果表明，半封闭输煤栈桥的消防系统采用的是地下消火栓，其消防水管道一般敷设在冰冻线以下，消火栓井冬季采取防冻措施，一般不会出现冻害现象，因此无需考虑采暖。封闭输煤栈桥(或廊道)、筛分破碎系统、储煤系统等均设有室内消防水系统，造成这些建(构)筑物室内温度不能保证的原因主要有封闭不严、与室外半封闭栈桥接口处无法全面封闭和除尘外排等引起的热量流失，以及热媒温度偏低和散热器偏少等问题。

3.1 热量流失问题的解决方案

造成建(构)筑物室内热量流失的主要原因是建(构)筑物自身封闭不严导致的冷空气进入、热空气排出，与室外半封闭栈桥接口处无法全面封闭导致的冷空气进入、热空气排出，以及除尘设备进风和排风导致的冷空气进入、热空气排出。

3.1.1 封闭导致热量流失问题的解决方案

对于全封闭的输煤廊道、转载站、输送带拉紧间、筛分破碎楼、装车站、储煤仓及其配煤间等建(构)筑物，采用保温压型钢板封闭的，原则上不做大的改造，只是针对密封状况较差的部位进行改造加固，确保达到密封的效果；对于采取砖混结构封闭的，对局部漏风的部位采取封堵措施；对于门窗密封效果差的，采取更换门窗或更换密封条或加装门斗等措施，确保输煤廊道实现全封闭不漏风。

对于与室外半封闭栈桥接口处无法全面封闭导致冷空气流入的问题，一方面对栈桥入口处加装一段封闭房间，将暴露在外的防火分隔水幕小管道放在封闭房间中，并对输送带入口处采取橡胶软封闭措施，尽可能减少冷空气的流入和热空气的流出；另一方面在带式输送机两个入口处加装热风机，以阻止冷空气流入，同时也可保证防火分隔水幕小管道不受冻害(图1)。热风机热源可直接利用采暖热水进行换热。

图1 输煤系统改造方案

3.1.2 除尘导致热量流失问题的解决方案

一是要用榜样的力量，把优秀的家政服务人员会从台前转去幕后，去做辅导和帮助新的家政人员成长，或者用回家乡创业做老板等案例，选择性地给阿姨们介绍听，引发她们对自己职业生涯的长远考虑和安排。

筛分破碎楼、转载站等建筑物内一般设有布袋除尘，有布袋除尘就会有进风与排风的问题。对于严寒地区，室内如果有采暖，除尘进风一定会带进冷空气，排风一定会带走热空气，这样就导致室内热量的大量流失。为了有效解决热量流失的问题，必须要建立空气的室内循环，就是将除尘器的进风通过其排风来补充，但除尘器的排风仍存在一定的粉尘，如果向室内排风，就需要进一步对排风进行除尘，可采取在排风口再加布袋，或者进行水幕除尘，将除尘达标后的排风排到除尘器的进风楼层。也就是说如果除尘器的进风与排风在同一楼层，直接将除尘后的排风排到本楼层即可，如果除尘器的进风与排风不在同一楼层，还需将排风送到除尘器进风楼层并除尘。除尘进风、排风改造后，就要将建筑物内的通风口及门窗等局部漏风点全部进行封闭，有效解决建筑物内热量流失的问题[5]。

3.2 采暖方案

严寒地区煤矿地面生产系统采暖方案的确定，主要从方案的可靠性与经济性进行考虑，鉴于蒸汽采暖系统的热媒温度高，散热器及采暖管道不仅容易烫伤人，而且容易造成沉积在其上的煤粉发生自燃，因此煤矿地面生产系统不适合采用蒸汽采暖；热风采暖具有热效率低、热损失大的特点，热风管道因截面大不方便布置，且热风容易吹起煤尘等弊端，因此热风采暖使用场所也不多；热水系统作为传统的采暖方法，具有舒适、经济、安全的特点，所以，煤矿地面生产系统应优先选用水暖系统[6]。

不管选用哪种采暖系统，对热源的要求是一致的，离城市较近的矿区，尽可能利用市政热源，在矿区建立热交换站，集中供暖方式可减少空气污染；离城市较远的矿区，热源只能采取自建锅炉房的方案[7]。

3.2.1 输煤系统、筛分破碎楼采暖方案

对于实现了全封闭的输煤廊道、转载站、胶带拉紧间、筛分破碎楼、装车站等建筑物，采暖可以考虑采用90℃/60℃的热水系统。根据《煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准》(GB/T 50466—2018)，输煤廊道采暖室内设计温度为8℃，转载站采暖室内设计温度为10℃，筛分破碎楼采暖室内温度为15℃。为了确保供暖系统稳定运行，在进行采暖设计时，一定要全面考虑这些建筑物的封闭材质及通风的现状，参数选定应实事求是，进行科学计算；同时散热器考虑选用钢排管，以减少系统循环阻力，也方便清扫和维修；另外考虑到一些建筑室内设计温度偏低，为了避免消防系统局部受冻害，消防管道布置要与采暖管道并行布置，并一起保温起到伴热的作用(图2)，消火栓可以布置到散热器上方，对局部冻害风险大的地段可以考虑专设伴热管，使消防水系统得到全面保证[8，9]。

图2 消防管伴热

3.2.2 储煤系统采暖方案

储煤仓的采暖主要在煤仓下部，以及仓顶的配煤间，为了避免配煤间采暖系统漏水造成仓内储煤冻结，储煤仓及其顶部的配煤间采暖建议采用热风采暖，采用50℃左右的热风系统，根据GB/T 50466—2018，储煤仓采暖室内设计温度为10℃。为了确保供暖系统稳定运行，应科学选取采暖参数；为了避免消防系统局部受冻害，消防管布置同样要与采暖热风管并行保温，并在消火栓上方布置热风口。

3.2.3 其他建构筑物的采暖

煤矿地面生产系统除以上建(构)筑物外，还有一些大型检修间，对于一些大门开启频繁的车间，仅靠采暖系统可能难以保证消防水系统不受冻害，还必须采取一些特殊的保护措施，一是要在大门的上侧及两侧加装热风系统，用于阻隔开门期间冷空气的进入，二是要对大门附近的消防水系统管道进行伴热保温，以保证消防水系统的正常运行。

4 保证采暖系统稳定运行的管理措施

一方面要强化机构设置、人员配置，以及责任制、管理制度、操作规程、应急预案等的建立与执行，另一方面要提高系统的自动化程度和稳定性[10]。

为了实现采暖系统自动化，应建立智能供热管理系统，在换热站及供暖系统的各区域安装在线流量计、热量计量表、温度计、电动调节阀等装置，并在各区域、各房间安装在线室内温度检测装置和监控摄像头，将采集数据实时上传到智能供热管理系统中，通过智能管理提高供暖系统的稳定性，进而确保消防系统的稳定运行[11，12]。

4.1 温度调节系统

建立温度自动调节模块，在智能供热管理系统中设置各区域、各房间室内温度上、下限，系统结合从互联网自动读取的当天室外各时段气温，自动调节热交换器的流量，改变供暖给水温度，实现调整各区域、各房间室内温度；根据每天室外各时段气温和供暖给水的实时温度，自动生成“室外温度-系统温度曲线”，按照这一线性关系，结合未来天气预报生成计划温度控制曲线，用以指导热源厂的生产组织[13]。

4.2 故障诊断系统

在智能供热管理系统中建立故障自动诊断模块，当某区域或某房间的温度超出上、下限时，系统会根据各区域流量、温度、热量等数据自动分析超限的原因，并提示可能出现控制故障的区域，可能出现漏水情况的区域或提示热源不足，并通过系统报警提醒[14]。

同时通过监控摄像头对现场进行检查监督，一方面可以及时发现现场消防水、采暖系统的一些“跑冒滴漏”的现象，另一方面可以检查巡检人员的工作情况。

4.3 节能分析系统

建立节能分析模块，在智能供热管理系统中录入各建(构)筑物的单位面积(或体积)耗热概算指标，可将超过耗热指标的定义为红色，低于耗热指标10%的定义为橙色，低于耗热指标20%的定义为黄色，低于耗热指标30%的定义为绿色(百分数可结合实际设定)。系统自动根据各区域、各房间的热量计量数据，计算单位面积(或体积)实际耗热指标，并自动根据各供暖区域(或房间)耗热指标显示相应颜色，工作人员根据颜色状态分析相应建(构)筑物保温隔热或供暖系统存在的问题，有针对性的采取相应改进措施，尤其对于红色状态的建(构)筑物必须采取有效降耗措施[15]。

5 结 语

严寒地区煤矿地面生产系统采暖稳定运行，直接关系到消防系统的可靠运行，是保障煤矿安全生产的基础。为了确保煤矿水消防系统稳定运行，笔者研究了煤矿地面生产系统的采暖方案，提出了初步解决方案，可为我国严寒煤矿地面生产系统采暖系统稳定运行、保障煤矿安全生产提供一定技术参考。