羊場灣煤礦二號井井下局部降溫技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉 喜

（寧夏寶豐能源股份有限公司紅四煤業(yè)，寧夏 靈武 751400）

羊場灣煤礦屬于神華寧夏煤業(yè)集團公司首個使用大采高綜采技術(shù)的礦井。該礦井二號井目前已經(jīng)開采至埋深740m位置，該水平有明顯地下熱害現(xiàn)象，各采掘工作面中有多處溫度超過30℃，其中溫度最高的一處平均高達32℃。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定：“生產(chǎn)礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過 26℃；采掘工作面的空氣溫度超過30℃，必須采取降溫措施逐步解決”。所以當(dāng)前情況下，礦井井下熱害對礦井的開拓、工作面的延伸以及正常的生產(chǎn)秩序都造成了極大的影響，地溫升高問題已經(jīng)成為阻礙礦井正常生產(chǎn)的一個重大隱患。

本文通過對現(xiàn)采煤層2#煤層中的熱害現(xiàn)狀進行分析，查找熱源，根據(jù)熱源特點與地溫現(xiàn)狀制定專項治理方案，選取局部降溫技術(shù)進行井下工作面環(huán)境改善工作。

1 礦井地?zé)岈F(xiàn)狀

羊場灣煤礦井田面積約58.52km2，含多層可采煤層，其中南北走向9.9km，東西12.8km，走向沿東西方向傾斜。井田現(xiàn)主采煤層為2#煤層，煤層賦存條件良好，煤層厚度平均達到14m，采用大采高綜采工藝進行煤炭回采，礦井屬于低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險，且煤層存在自燃傾向。

1.1 地溫狀況

羊場灣煤礦對所在煤田進行井溫測定，通過測溫鉆孔對不同的煤層進行溫度監(jiān)控。測溫鉆孔沿勘探線布置在不同構(gòu)造位置，各測溫鉆孔位置沿剖面線布置會利于后期分析，測溫孔主要布置在垂深260m、460m、600m三個水平，并少量設(shè)置在火區(qū)內(nèi)外。測溫孔選擇簡易測溫孔、近穩(wěn)態(tài)測溫孔和長期穩(wěn)態(tài)測溫孔三類，再利用原有地質(zhì)詳查的9個測溫孔和井田深部邊緣的1個近穩(wěn)態(tài)測溫孔（1912號孔）外，再額外施工56個測溫鉆孔，配合火區(qū)測溫孔等不同測溫孔共計76個測孔。測溫設(shè)備為JJW-1型井溫儀和TYW-2型晶體管井溫儀兩種。溫度測量結(jié)果表明井田隨著埋深溫度逐漸升高，其中垂深260m處測得最高溫度為24.1℃，而垂深600m處的最高溫度為36.l6℃。不同垂深溫測孔溫度測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同垂深溫測孔溫度測量數(shù)據(jù)

1.2 熱害現(xiàn)狀

通過對工作面內(nèi)各處的溫度進行測定，工作面下隅角處為溫度最高點，測得溫度最高值為32℃。工作面內(nèi)的熱害除巖層的地溫影響，還包括工作面內(nèi)機械設(shè)備和通風(fēng)方式等的影響。

（1）機電設(shè)備因素。以II020207工作面為例，該工作面為綜采工作面，存在采掘、轉(zhuǎn)載、轉(zhuǎn)運等各型設(shè)備以及各大功率配套機電設(shè)備，導(dǎo)致回采期間下隅角存在溫升4～5℃，可見機電設(shè)備是除巖層地?zé)嶂庾畲鬁囟仍鲩L原因。

（2）通風(fēng)方式。工作平面內(nèi)回風(fēng)流方向與運煤方向相反，導(dǎo)致煤炭通過運輸皮帶轉(zhuǎn)運過程中，自身熱量沒有被回風(fēng)流帶離，而是散入巷道內(nèi)部，從而影響工作面內(nèi)巷道溫度上升。

根據(jù)分析，當(dāng)前羊場灣煤礦采煤工作面的主要熱害為機電設(shè)備，其次才是巖層地溫和原煤熱量散失，而相對人員散熱影響較小。當(dāng)隨著采深不斷增加，巖層的穩(wěn)增效應(yīng)加大，煤巖壁蘊含的熱量大幅度增加，并通過輻射和對流等方式傳遞至工作面內(nèi)部，即采深增加后，地?zé)嵊绊憣⒆顬橥怀觥?/p>

2 井下降溫冷負荷計算

采掘工作面需冷量：

式中：

Q-采、掘工作面的需冷量，kW；

G-采、掘工作面的質(zhì)量風(fēng)量，kg/s；

I1-處理前采、掘工作面的風(fēng)流焓值，kJ/kg；

I2-處理后采、掘工作面的風(fēng)流焓值，kJ/kg；

q-工作面內(nèi)局部通風(fēng)風(fēng)量，m3/s；

ρ-空氣密度，kg/m3。

根據(jù)GB50418-2017《煤礦井下熱害防治設(shè)計規(guī)范》第七章相關(guān)要求，以及二號井020602綜放工作面各項指標情況，其中處理前采、掘工作面的風(fēng)流焓值為106.3kJ/kg，處理后采、掘工作面的風(fēng)流焓值為84.5 kJ/kg，工作面內(nèi)的供風(fēng)量為16.6m3/s，空氣密度為1.22 kg/m3，通過公式（2）計算：

將020602綜放工作面各冷負荷參數(shù)匯總后，見表2所示。

表2 采煤工作面冷負荷計算表

3 制冷方案選擇

由于造成羊場灣煤礦工作面內(nèi)溫度超限的原因主要為機電設(shè)備散熱，該類情況特點在于熱源主要影響設(shè)備所在局部區(qū)域，而且采用全礦井降溫系統(tǒng)經(jīng)濟投入較大，且需要較長的建設(shè)周期，不利于快速解決井下熱害問題?？紤]到羊場灣煤礦工作面熱害特點，計劃采用直冷式局部降溫制冷裝置來控制采掘工作面的局部高溫。該類系統(tǒng)通常由制冷主機、蒸發(fā)器、空冷器三大主要部分以及各類管路和控制閥組成。

3.1 降溫設(shè)備選型

根據(jù)020602綜采工作面實際需冷量為529.8kW，計劃選取450型局部移動式制冷主機，并根據(jù)冷量需求，選擇3套制冷設(shè)備，實現(xiàn)兩開一備的運行方式，維持900kW的總的制冷量。由于工作面內(nèi)風(fēng)量應(yīng)滿足800m3/min的風(fēng)量需求，制冷主機蒸發(fā)器空氣壓降＞1150Pa，全風(fēng)壓＞1250Pa，與制冷主機對應(yīng)選型應(yīng)兩開一備；冷卻器氣壓降＞1000Pa，全風(fēng)壓＞1100Pa，同樣兩開一備；冷卻水泵選型為MD100型冷卻水泵，經(jīng)濟流速為1.5m/s，主路選取D108×7無縫鋼管，管線長度為6500m，冷卻水路管路鋪設(shè)路為：1號制冷站-020602工作面機巷-2號制冷站-0206021#聯(lián)絡(luò)巷-020602工作面風(fēng)巷-冷卻站。所有冷卻水管需做隔熱處理。噴淋水管路中噴淋水泵選型為MD25型單臺冷卻器，需水量為25m3/h，采用1用1備。

3.2 設(shè)備布置方式

020602工作面內(nèi)共計3套局部降溫制冷設(shè)備，考慮到冷卻站尺寸和不影響工作面正常運輸和通行秩序，冷卻站設(shè)置在空間較大的020602風(fēng)巷內(nèi)，也避免了單獨開鑿專用硐室。經(jīng)過測試，回風(fēng)巷內(nèi)整體回風(fēng)量為1000m3/min，巷道內(nèi)部溫度約為30℃，滿足冷卻站散熱要求。兩套局部制冷裝置設(shè)置在回采工作面切眼500m處，稱為1號制冷站；在巷道中部單獨設(shè)置1套局部制冷裝置，稱為2號制冷站。各套制冷裝置包含有450型制冷主機、450型蒸發(fā)器及配套對旋風(fēng)機，冷風(fēng)通過膠質(zhì)風(fēng)筒輸送到工作面內(nèi)部，各冷卻器設(shè)置在冷卻站內(nèi)，為3臺LQ-600的排熱型冷卻器、排熱風(fēng)機、水泵及配套水箱。各套制冷裝置使用過程中實行2開1備。為了避免受到工作面前端爆破作業(yè)和回采割煤作業(yè)的影響，制冷機應(yīng)前移過程中應(yīng)和工作面前端保持合適的安全距離，并以工作面每推進200m進行一次前移，確保工作面至制冷機范圍內(nèi)部溫降可達5～6℃以上。

4 制冷效果分析

020602綜采工作面的局部制冷裝置設(shè)置完成后，進行了一個月的試運行。通過對工作面內(nèi)部各處設(shè)置的溫、濕度傳感器的反饋數(shù)據(jù)進行匯總，并對比局部制冷裝置使用前后工作面內(nèi)部的溫濕度變化（見表3），數(shù)據(jù)充分說明局部制冷裝置的使用改善了工作面內(nèi)部濕熱的工作環(huán)境，起到良好的降溫效果，為井下作業(yè)人員創(chuàng)造了良好的作業(yè)條件。

表3 020602綜采工作面局部制冷裝置效果數(shù)據(jù)匯總表

礦井熱害是多種因素造成的，使用局部制冷降溫裝置等單一措施效果是有限的。結(jié)合調(diào)整局部通風(fēng)方式、工作面局部通風(fēng)能力以及減少機電設(shè)備散熱等綜合措施，才是工作面內(nèi)環(huán)境溫度控制合理范圍的最佳方式，也能降低局部制冷降溫裝置工作負荷，做到降低能耗。