深井高温工作面降温方案的优选与应用

刘光毅

(平煤神马建工集团有限公司 建井三处,河南 平顶山 467000)

0 引言

现代化煤矿开采伴随的是矿井机械化程度的提高。同时,随着国内矿井采掘深度不断加大,采掘面的地热和各类机电设备所散发热量的聚集速度也不断升高,形成的高温、高湿环境严重影响井下作业人员的健康和生产效率,从而影响井下采掘生产接替进度[1-2]。高温对人体生理会产生较大影响,破坏人体热平衡,导致中暑,降低劳动生产率,增大事故率[3]。这些因素也直接导致工程施工进度慢,形成人工工效低与工程进度慢的恶性循环。因此,采掘工作面实施降温对改善劳动环境、降低事故率、提高劳动效率和工程进度具有重要的现实意义。

平煤股份十三矿东翼通风系统改造新进风井井筒深度为853.3 m,仅有新进风井一个井筒,进风井兼备进、回风作用,未能形成全风压通风系统。随着工程施工进度的不断推进,井下西翼回风斜巷供风距离已达到1 560 m。另外,工作面配备有皮带、耙装机、钻车和喷浆机等机电设备,现有通风系统达不到有效降温的目的[4],造成巷道内最高温度达到35°,风量低和高温问题亟待解决。

1 工程概况

在十三矿东翼通风系统改造新进风井中,井筒上井口标高为+168.3 m,井筒落地标高为-685 m,深度为853.3 m,直径为8.5 m。目前,井下有两个掘进工作面:东翼进风斜巷和西翼回风斜巷。这两条巷道按设计分别与十三矿己三下延轨道下山、己三下延西翼回风下山相向贯通,从井底到贯通点的距离为东翼进风斜巷2 640 m,西翼回风斜巷2 540 m。

现工业广场内仅有新进风井一个井筒,进风井兼备进、回风作用,未能形成全风压通风系统,在地面分别安装2组(一备一用)2×55 kW 和2组(一备一用)2×75 kW 对旋风机,通过井筒内敷设的两趟铁质风筒(直径φ800 mm 和直径φ1 100 mm)压入到井下风库内,在风库内安装4组2×45 kW 对旋风机(东翼进风斜巷2组,西翼回风斜巷2组),通过巷道吊挂的两趟φ1 000 mm胶质阻燃风筒分别向井下2个工作面供风,西翼回风斜巷施工进度靠前,供风距离远,东翼进风斜巷施工进度靠后,供风距离较近,图1为十三矿东翼通风系统改造二期工程通风系统。

图1 十三矿东翼通风系统改造二期工程通风系统

2 降温技术方案

根据工程特性及通风管理规定,结合国内外矿井通风局部制冷技术经验[5-7],拟定4种通风系统调整方案。

2.1 方案一

方案一采用通风系统串并联改造方案[8-9],根据并联增压、串联增流原理[10],对通风系统进行串并联升级改造。

(1)将原地面2组2×55 kW 风机(一备一用)连接φ800 mm 铁质风筒向风库供风(如图2 所示),升级为2组2×55 kW 风机(一备一用)与1组3×75 kW 风机并联,连接φ800 mm 铁质风筒向风库供风(如图3所示)。

(2)将原地面2组2×75 kW 风机(一备一用)连接φ1 100 mm 铁质风筒向风库供风(如图2所示),升级为2组3×75 kW 风机(一备一用)连接φ1 100 mm 铁质风筒向风库供风(如图3所示)。

图2 改造前地面通风设施布置

图3 改造后地面通风设施布置

(3)将井下风库西翼回风斜巷2组2×45 k W风机连接φ1 000 mm 胶质风筒向工作面供风(如图4 所示),升级为2 组2×55 kW 风机连接φ1 000 mm胶质风筒向工作面供风,并单独敷设一趟2×45 kW 风机连接φ800 mm 胶质风筒与2×55 kW 风机连接的φ1 000 mm 胶质风筒并联,对接向工作面供风(如图5所示)。上述风机全部且同时实现风电、瓦斯电闭锁[11]。

图4 改造前井下通风设施布置

图5 改造后井下通风设施布置

2.2 方案二

方案二采用物理降温改造方案[12],从市场采购工业冰块,在工区建立临时储冰库,通过向井下放冰块实现物理降温[13]。

(1)在井下风库风机吸风口处堆放1.5～2.0 t冰块,有效制冷时间为20～24 h,每天8点班循环补充冰块。

(2)工作面出风口处冰块储存:在距工作面不低于50 m 处设置简易储冰装置(如图6所示),与风筒相连通,在其中存放1.0 t左右冰块,有效制冷时间20～24 h,每天8点班循环补充冰块。

图6 井下简易储冰装置

(3)在工作面存放5～10块冰块,有效制冷时间6～8 h,每班循环补充冰块。

通过以上三个关键位置的冰块降温,使巷道温度随风流整体降低。

2.3 方案三

方案三采用安装制冷风机降温[14]改造方案。在地面安装两套ZLF-600 LG 型和一套ZLF-450 LG 型矿用制冷装置闭式系统主机。其中,一套ZLF-600 LG 制冷主机(简称1 号机)及蒸发器布置在地面风机群平台处,与2×55 kW 风机风筒连接(如图7 所示);另外一套ZLF-600LG 型(简称2 号机)和一套ZLF-450 LG 型(简称3号机)制冷主机及蒸发器与2×75 kW 风机风筒连接[15](如图8 所示)。进入1号机蒸发器的风量为770 m3/min,进入2号机和3号机蒸发器的风量为1 130 m3/min,从而达到降温目的。

图7 2×55 kW 局部通风机与蒸发器连接布置

图8 2×75 kW 局部通风机与蒸发器连接布置

2.4 方案四

方案四采用地面与井下接力通风[16]改造方案,见图9所示。将地面延伸至井下的铁质风筒出风口连接至接力风箱装置,接力风箱装置为一个封闭装置,一端与从地面延伸下来的铁质风筒连接,另一端与井下2×45 kW 风机出风口连接,风机机身整体位于接力风箱装置内,实现地面与井下风机的接力通风。该方案降低了漏风率,提高了供风效率,保证了供风量。

图9 地面与井下接力通风

3 降温技术方案比选

4种降温改造方案的成本分析见表1所示。根据拟定的改造方案特点,结合工程实际,对各方案的优缺点进行分析,见表2所示。

表1 降温改造方案成本分析

表2 降温方案优缺点分析

根据4种方案的优缺点及效果的分析,决定选择方案一和方案二联合实施方案为最终方案,即通过通风系统改造增加供风量,并采用工业冰块冷化风源的措施以达到降温效果。该联合方案可实现优势互补,符合施工现场实际,满足成本要求,能够达到综合降温效果。

4 综合降温技术方案的实施

4.1 通风系统改造

4.1.1 地面风机安装流程

在地面风机群处安装1组3×75 kW 风机,与原有2组(一备一用)2×55 kW 风机并联向井下供风,并安装2 节75 kW 风机,分别与原有2组(一备一用)2×75 kW 风机串联升级为2组3×75 kW 风机向井下供风。

地面风机分三步安装:第一步,在备用2×75 kW 风机处安装第一节75 kW 风机;第二步,启动备用风机,在停用的2×75 kW 风机处安装第二节75 kW 风机,安装完成后正常开启常用风机;第三步,在2×55 kW 风机处安装1组3×75 kW 风机,然后暂停2×55 kW 风机,改造铁质风筒,使3×75 kW 风机通过分风器与2×55 kW 风机并联。2×55 kW 风机暂停期间必须保证3×75 k W风机正常运转,并禁止井下从事爆破作业。

4.1.2 井下风机拆除及安装流程

在井下风库拆除1组2×45 kW 风机,并安装2组2×55 kW 风机,形成1组2×55 kW 风机连接φ1 000 mm 胶质风筒和1组2×45 kW 风机连接φ800 mm 风筒联合向工作面供风系统。

井下风机分四步安装:第一步,在井下风库安装2组(一备一用)2×55 kW 风机;第二步,暂停2×45 kW 风机,并将原φ1 000 mm 胶质风筒与2×55 kW 风机连接,由2×55 kW 风机向工作面供风;第三步,拆除1组2×45 kW 风机,然后重新敷设一趟φ800 mm 胶质风筒与2×45 kW 风机连接向工作面供风;第四步,在工作面后50 m处,通过分风器将φ800 mm 胶质风筒与φ1 000 mm 胶质风筒并联向工作面供风。

4.1.3 局部通风安全管理措施

(1)局部通风机安装自动倒台、分风、消音装置,风机实行“三专两闭锁”。

(2)不得使用1台局部通风机同时向2个作业掘进工作面供风。

(3)压入式局部通风机和启动装置必须安装在进风巷道新鲜风流中,距掘进巷道回风出口不得小于10 m;全风压供给风机的风量大于局部通风机的吸入风量;风机前后10 m 内不能堆放杂物。

(4)风机必须派专人看管,实行现场交接班,严禁随意停或开局部通风机。

(5)每班风机工、班组长、瓦斯检查工接班后,应对风机运行状况、风筒吊挂连接、巷道内瓦斯状况等进行检查,然后进行倒台试验;倒台试验时,电工、瓦检工、局部通风机司机必须同时在场;试验倒台时间:每班倒台1次,每次不少于20 min。

(6)风筒吊挂、维护管理:①风筒吊挂做到平、直、紧、稳,必须逢环必挂,风筒之间接口严密,不漏风,无破口;②风筒必须吊挂在用专用铁丝(钢丝拉绳)拉紧的吊绳上,风筒必须高于底板面2 m以上,风筒吊挂要采取由外向里的方式,逐节吊挂并编号;③风筒末端出口距掘进工作面的距离不大于10 m;④需更换风筒时,采取错口对接更换风筒,严禁“一风吹”;⑤巷道内备有完好风筒和至少2节风筒短节(长4 m、6 m)。

4.2 地面冷库及井下简易储冰装置的安装

根据工区地面设备及厂房布置,合理选择距离井口最近,并且不影响井下供电、供风,方便供冰车辆通过的闲置区域作为地面冷库安装位置。地面冷库由专业承包商负责建造,建造完成后由机电人员将冰库电路接入矿区供电系统,保证冷库连续运转。

根据简易储冰装置设计图,由机电人员加工制作储冰装置。铁质风筒短节直接从铁质风筒中截取,临时储冰仓采用厚6 mm 钢板加工,下部安装铁轮,方便井下移动,并设置阻车装置,能随时将滚轮卡死,保证装置有效制动。

4.3 冰块投入及系统运行

采用两种规格冰块。在井下风库内采用600 mm×400 mm×200 mm(长×宽×高)的冰块,每块质量为20 kg,体积小,重量轻,方便装运;在井下工作面及退后50 m 处的储冰装置内采用1 000 mm×600 mm×200 mm(长×宽×高)的冰块,每块质量为30 kg,因为运输距离远,大冰块的融化率低,制冷时效长。采用专用冰钳将冰块从地面冰库装入矿车,用棉被覆盖后送入井下,通过矿车运输到冰库及工作面。冰块投放完成后,通风系统改造完成,根据消耗情况定期补充冰块,保证系统连续运转,以便达到良好的降温效果。

5 结论

平煤股份十三矿东翼通风系统改造西翼回风斜巷施工期间,通过采用测风与测温技术对工作面与巷道的风量、风速及温度进行量测。综合通风系统改造前,工作面风量为216 m3/min,巷道内风速为0.19 m/s,工作面温度为32 ℃,巷道温度为35 ℃;综合通风系统改造后,工作面风量达到405 m3/min,巷道内风速为0.43 m/s,工作面温度为25 ℃,巷道温度为28 ℃。

通过实施综合技术改造后,工作面与巷道降温效果显著,优化了井下作业环境,保证了巷道的快速掘进,平均月度进尺达到115 m,经济效益显著。本改造方案为类似高温矿井工作面降温提供了宝贵经验。