梅花井煤矿地面集中降温系统设计研究

王 曦，陈孜虎

中冶建工集团有限公司 重庆 400084

神 华宁夏煤业集团有限责任公司梅花井煤矿位 于宁东煤田鸳鸯湖矿区中部，南北走向长约为 10.6 km，东西倾向宽约为 6.7 km，属中等偏简单类型。梅花井煤矿主采煤层二煤层结构简单，可采厚度为 4.23～6.00 m，属厚煤层，可采储量约为 1 231.4 Mt。该矿井建设规模为 12.0 Mt/a，一期为 4.0 Mt/a，采用走向长壁、一次采全高采煤法。一期布置 2 个中厚煤层综采工作面，二期增加 1 个大采高综采工作面和 1 个薄煤层刨煤机综采工作面。矿井为瓦斯矿井，各煤层热害区主要分布在工作区深部，均有自燃倾向性。

根据全区 135 个测温孔资料统计，井底温度超过 31 ℃ 以上钻孔有 101 个，占总测温孔的 75%，其中井底温度超过 37 ℃ 以上的钻孔有 54 个，占测温孔数的 40%。经测量，综采工作面最高气温 35 ℃，掘进工作面为 35 ℃，相对湿度为 95%，矿区平均地温梯度为 3.12 ℃/100 m，属地温异常区。

根据我国《煤矿安全规程》的规定[1-2]，生产过程中，工作面的环境气温不得超过 26 ℃，机电设备硐室内的气温不得超过 30 ℃。该矿区的热害情况已经严重影响现场作业人员的身体健康，对安全生产造成严重影响，必须采取机械降温措施。由于井下热害范围涵盖了各个综采面和掘进工作面，并且高温区域分散，无法通过局部制冷降温措施解决井下热害问题。因此，为了解决高温采掘工作面的实际降温需求，建立一套集中制冷降温系统是一种技术、经济可行的方案。

1 降温负荷计算

1.1 基本参数

降温前工作面基本参数如表 1 所列。降温后预计干球温度为 26 ℃，相对湿度为 75%。

表1 降温前工作面基本参数Tab.1 Basic parameters of work face before cooling

1.2 降温负荷

矿井降温所需制冷量

式中：K为系数，一般取 1.2～1.5；∑Qcj为采掘工作面需冷量，kW；∑Qls为系统的冷损失量，kW；G为采掘工作面配风量，kg/s；i1为降温前采掘工作面风流焓值，kJ/kg；i2为降温后采掘工作面风流焓值，kJ/kg。

干球温度 35 ℃，相对湿度 95% 的空气焓值为 124.03 kJ/kg；干球温度 26 ℃，相对湿度 75% 的空气焓值为 66.59 kJ/kg，空气密度取 1.20 kg/m3。

由式 (1)、(2) 计算可得：综采工作面降温负荷为 1 379 kW，接替工作面降温负荷为 827 kW，综掘工作面降温负荷为 689 kW，普通掘进工作面降温负荷为 414 kW。由于 《矿井降温技术规范》 中规定冷量损失不得超过 20%，可得矿井降温总降温负荷Qjc＝1.2×(2×1 379 kW+827 kW+3×689 kW+414 kW)＝7 279 kW。

另外考虑到变电所的降温需求，设计降温负荷取 8 000 kW，能够满足矿井的降温需求。

2 矿井降温方案

2.1 方案概述

针对梅花井煤矿的降温区域分布情况及降温负荷，要解决井下热害严重的现状，必须采取大型机械降温系统。

近年来矿井井下集中降温、地面集中降温、局部降温等技术在我国矿井得到较多的应用，由于地面集中降温系统可以采用多种能源进行降温，越来越受到矿方关注，地面集中制冷降温系统可以综合利用地面已有的各类能源，实现能量的梯级利用，可有效降低运行成本，具有良好的“节能减碳”效果；另外地面集中降温系统可以采用热回收的制冷机组，能够将冷凝热充分利用，解决矿井热水需求；设备全年运行使用率较高，夏季可以解决井下降温和地面热水的需求；冬季可以实现地面采暖和供热的需求。因此，国内降温技术发展趋势是朝着地面集中制冷、各类能源综合利的方向发展。选择地面集中降温系统较为经济合理。

2.2 地面集中降温方案工艺流程

地面集中降温系统工艺流程如图 1 所示[3-4]。地面集中制冷降温系统的制冷站布置在地面，制取的 3～5 ℃ 冷冻水经过保温管道输送至井下换冷硐室，水的静压达到 12 MPa。因此，高压的冷冻水若要被井下空冷器使用，必须经过减压，这里采用高低压转换装置对高压冷冻水进行减压，压力从 12 MPa 降低至 3 MPa，然后冷冻水泵将其输送到采掘工作面空冷器，冷冻水吸收工作面环境空气的热量将其降温；同时将低压侧热水利用高压冷水的势能增压后输送至地面制冷站，形成闭式循环。其中高低压转换装置是系统的核心装备[5-6]。

图1 地面集中降温系统工艺流程Fig.1 Process flow of ground centralized cooling system

地面制冷机组可以选择吸收式热泵机组，可以利用地面余热，包括瓦斯蓄热装置的热量，还可以将冷凝热回收，为澡堂提供热水。

2.3 高低压转换装置工作原理

高低压转换装置的工作原理如图 2 所示[7]。图 2 中 A、B 类阀门为液压控制单向阀 DN300；C、D 类阀门为液压控制压力平衡截止阀 DN32；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 为腔体管道，一般长度为 45 m。其工作过程如下：C1 压力平衡阀开，将腔体Ⅰ中的压力与高压侧的压力平衡；然后阀 A1 开，阀 B1 关，高压侧冷水在循环水泵的驱动下进入管内，将管内的热水推出，进入高压回水管路，输送至地面制冷站，直至腔体内热水排空；D1 压力平衡阀开，将腔体Ⅰ中的压力由高压平衡至低压侧压力，然后主阀 A1 关，B1 开，低压的热水进入腔体，将腔体内的冷水推出，冷水被输送到井下低压冷水管路中的空冷器，将工作面风流温度冷却降温，直至腔体内充满热水；此时 B1 关，A1 开，重复以上过程。由于腔体内的压力平衡需要一定的时间，因此需要配置 3 个腔体，才能实现装置水流的连续。

图2 高低压转换装置原理Fig.2 Principle of high and low pressure conversion device

3 降温系统设计

3.1 地面制冷机组的选型

地面制冷机组可以采用热回收型制冷机组，选择吸收式热泵机组 2 套，型号为 BS600 低温水机组，冷冻水温度最低可以控制在 3 ℃，单台制冷量为 6 700 kW，制取 3～ 4 ℃ 的冷冻水输送至井下制冷硐室的高低压转换装置，降压后输送至空冷器降温。2 套制冷机组可以兼顾地面工业广场的制冷需求，也为井下降温区域的扩大提供储备。

3.2 高低压转换装置的选型

高低压转换装置如图 3 所示，主要由机械单元、电控单元和辅助保护单元 3 部分组成。机械单元包括腔体管、液压控制阀组、压力平衡阀组、单向阀、三通分配器和立式连接管等；电控单元包括液压单元、PLC 控制单元、信号采集系统和工控机等；辅助保护单元包括全自动过滤站、末端流量控制装置、补放水单元和超压保护单元等。该装置型号为 PED-550 LS-P120，承压能力为 12 MPa，冷水设计流量为 550 m3/h，安装长度为 45 m。

图3 高低压转换装置Fig.3 High and low pressure conversion device

3.3 循环水泵选型

地面冷冻水循环总流量为 500 m3/h，扬程为 80 m。水循环水泵型号为 D280-45×2，设置 3 台，2 用 1 备。

井下冷冻水循环流量为 500 m3/h，扬程为 230 m。冷冻水循环水泵型号为 MD300-65×4，设置 3 台，2 用 1 备，满足煤矿井下防爆要求。

3.4 空冷器的选型

空冷器是降温系统的末端换热设备，空冷器的选型需要根据采掘工作面降温所需要的冷负荷来确定。综采工作面可以布置 3 台 400 kW 和 1 台 200 kW 空冷器；综掘工作面布置 1 台 400 kW 和 1 台 300 kW 空冷器；接替工作面布置 1 台 400 kW、1 台 300 kW 和 1 台 200 kW 空冷器；普通掘进工作面布置 1 台 300 kW 空冷器和 1 台 200 kW 空冷器，空冷器技术参数如表 2 所列。

表2 空冷器技术参数Tab.2 Technical parameters of air cooler

空冷器采用紫铜管、光管换热面，有利于提高换热效果，且换热管表面不易于积灰。

3.5 井下降温硐室及配套设计

3.5.1 降温硐室设计

制冷硐室断面如图 4 所示。长度不小于 60 m，拱形断面宽度 ≥5 m，巷道弧顶高度 ≥4 m。

图4 井下制冷硐室断面Fig.4 Section of underground cooling chamber

3.5.2 供配电系统

地面制冷站的供电电压等级为 380 V 和地面循环水泵的电压等级为 1 140/660 V。井下水泵等设备的供电电压均为 1 140/660 V；井下控制系统供电 127 V。

3.5.3 降温系统控制单元

降温系统的控制单元要求对整个降温系统各个环节的温度、压力、流量等相关参数进行监测，对各电气设备进行自动控制，实现整个系统的协调运行和保护功能。井下高低压转换装置的控制系统可以完成对高低压转换装置及相关辅助设备的监控，并与地面制冷站的控制单元联网，实现地面井下的联合控制。

3.6 降温系统末端空冷器的布置方式

为了实现工作面的风温降至 26 ℃ 的目标，空冷器的布置位置必须采用多点连续、分散的设置方式。根据工作面冷负荷，采煤工作面的空冷器采用 3 台 AC-400 和 1 台 AC-200 空冷器，使工作面的总制冷功率达到 1 400 kW。空冷器布置在工作面进风巷道一侧，空冷器的布置位置如图 5 所示。

图5 工作面空冷器布置Fig.5 Layout of air cooler on work face

每个掘进工作面可设置 400、300 kW 的空冷器各 1 台。空冷器与局扇一体化安装，将冷风通过保温风筒输送到掘进面迎头，如图 6 所示。

图6 掘进工作面空冷器布置示意Fig.6 Layout of air cooler on heading work face

4 降温效果

采煤工作面降温前后温差参数对比如表 3 所列。

表3 降温前后工作面风流热力学参数Tab.3 Thermodynamic parameters of air flow on work face before and after cooling

干球温度降低 6.1～7.1 ℃，湿球温度降低 9.1～13.8 ℃，相对湿度降低至 75% 以下，体感较为舒适，达到了预期目标。采用热回收吸收式制冷机组，既解决了煤矿热害问题，又为地面区域提供了生活热水，系统能源的综合利用效率较高。采用高低压转换装置进行势能回收，可显著降低循环水泵的扬程，节能效果显著。

5 结语

地面集中降温系统具有如下特点。

(1) 可以采用地面各种热源，节能减碳效果显著，运行费用低。

(2) 地面制冷机组可以采用热回收机组，能够满足煤矿人员日常热水使用需求，节能效果更好。井下热负荷较低时，制冷机组可以满足地面区域的制冷需求；采用双效机组，在冬季可以解决煤矿地面采暖的需求，增加了设备的使用效益。

(3) 采用高低压转换装置，可以有效将冷热水的势能相互转换，从而降低系统的循环水泵扬程，节能效果较好。

地面集中矿井降温系统极大地改善了采掘工作面的作业环境，提高了作业人员的工作效率，“节能减碳”效果显著，具有良好的经济效益。