一級熱害區(qū)回采工作面移動風(fēng)冷降溫技術(shù)

李文福，宋戰(zhàn)宏，張紅衛(wèi)，吳奉亮

（1.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽713600；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054）

隨著煤炭開采向深部延伸，原始煤巖溫度升高，高溫?zé)岷Τ蔀樯畈棵禾抠Y源開采必須面臨的問題[1]。孟村煤礦位于陜西彬長礦區(qū)中西部，最大開采深度890 m，正在開采的首個回采工作面處于原始煤溫34 ℃的一級熱害區(qū)，回采工作面上隅角風(fēng)溫最高時為32 ℃。盡管通風(fēng)是最方便、經(jīng)濟的降溫方法[2]，但目前孟村煤礦回采工作面配風(fēng)量已達到1 900 m3/min，通過直接增加風(fēng)量不僅不能有效改善回采工作面的熱濕環(huán)境，而且還會加大采空區(qū)漏風(fēng)、增加采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險。因此，急需建立人工機械制冷降溫系統(tǒng)。國內(nèi)外熱害明顯的礦井多采用以水、冰為載冷劑的人工機械制冷系統(tǒng)，研究表明井深超過3 000 m 后，冰冷系統(tǒng)相比于水冷系統(tǒng)才會顯示出更好的經(jīng)濟性[3-4]。另外從制冷系統(tǒng)的不同布置形式來看，國內(nèi)使用井下集中降溫系統(tǒng)的占36%，使用地面集中降溫系統(tǒng)的占24%，使用局部移動降溫系統(tǒng)的占61%[5-6]，且建立集中降溫系統(tǒng)的礦井開采煤層多處于二級熱害區(qū)。由于制冷系統(tǒng)總體上存在設(shè)備昂貴、能耗高等問題[7-8]，因地制宜地構(gòu)建經(jīng)濟、高效的礦井制冷降溫系統(tǒng)受到許多學(xué)者的關(guān)注，如以礦井涌水作為冷源[9]，利用防塵水、乳化液對回采工作面進行均勻供冷[10]，針對季節(jié)性熱害在井口冷卻全風(fēng)量[11]等。綜上，在礦井空調(diào)系統(tǒng)的載冷、排熱工藝上形成因地制宜的措施，是學(xué)者們提高礦井空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性普遍采用的方法。礦用風(fēng)冷機組具有造價低、冷損小的特點，但其排熱困難的缺點限制了它的應(yīng)用范圍。結(jié)合孟村煤礦一級熱害，回采工作面涌水溫度高等特點，提出采用礦井供、排水系統(tǒng)來解決移動風(fēng)冷系統(tǒng)排熱難的問題，將移動風(fēng)冷技術(shù)用于回采工作面熱害防治，并對這一思路的可行性在現(xiàn)場進行試驗。

1 孟村礦采煤面熱害狀況及需冷量

1.1 礦井熱害狀況

孟村井田位于彬長礦區(qū)中西部，恒溫帶深度22～25 m，溫度13.5 ℃，井田平均地溫梯度為3.76℃/hm。經(jīng)現(xiàn)場觀測，礦井掘進工作面無明顯熱害，夏季最高風(fēng)溫26 ℃，礦井主要熱害集中在回采工作面。礦井首個回采的401101 工作面布置圖如圖1，采用后退式開采、“U”形通風(fēng)系統(tǒng)，可采走向長2 090 m、工作面斜長180 m，回采工作面大部分處于一級熱害區(qū)。工作面涌水主要來自頂板，平均涌水量695 m3/h，水溫30～32 ℃，涌水匯入位于工作面進風(fēng)巷中部的回采工作面水倉，水倉水溫基本恒定在30℃?；夭晒ぷ髅婊夭沙跗冢床扇≈评浣禍?，現(xiàn)場測定的冬、夏兩季回采工作面轉(zhuǎn)載機頭到上隅角的風(fēng)流溫度如圖2。

圖1 401101 回采工作面布置圖Fig.1 Layout of 401101 mining face

圖2 制冷降溫前距工作面入風(fēng)口不同距離風(fēng)溫Fig.2 Temperature distribution at different distances from the air inlet of working face before cooling

從圖2 可以看出，冬季工作面上隅角風(fēng)流溫度最高為26 ℃，未出現(xiàn)熱害。夏季，工作面進風(fēng)巷的大部分區(qū)域沒有超過26 ℃，也無熱害現(xiàn)象；但由于回采工作面較長，回采中剝落的高溫煤體量大，回采工作面入口風(fēng)溫超過28 ℃，上隅角處達到32 ℃，可見礦井熱害主要在回采工作面。

1.2 回采工作面需冷量

對于生產(chǎn)礦井，一般采用式（1）的焓差法來計算回采工作面需冷量Q：

式中：Q 為需冷量，kW；G 為風(fēng)流的質(zhì)量流量，kg/s；k 為考慮冷量損失和制冷系統(tǒng)安全性的富裕系數(shù)，取1.2；i 為焓值；i1、i2分別為降溫前后高溫地點空氣的焓值，kJ/kg。

式中：t 為空氣的溫度，℃；d 為空氣的含濕量，kg/kg。

式中：φ 為空氣的相對濕度，%；p 為空氣的壓力，Pa；ps為空氣溫度為t 時對應(yīng)的飽和水蒸氣分壓，Pa。

401101 工作面的通風(fēng)量為1 900 m3/min，取制冷降溫前工作面上隅角風(fēng)溫為32 ℃、相對濕度85%；制冷降溫后工作面上隅角風(fēng)溫26 ℃、相對濕度95%?，F(xiàn)場測得工作面空氣平均絕對靜壓96 635 Pa，平均密度為1.09 kg/m3。根據(jù)式（1）～式（4）求得401101 工作面需冷量Q 為885.3 kW。

2 回采工作面移動風(fēng)冷降溫技術(shù)

2.1 不同制冷降溫系統(tǒng)的適用性

以礦井空調(diào)中主要使用的壓縮式蒸氣制冷機來分析，根據(jù)與制冷機蒸發(fā)器換熱形式的不同，局部移動式制冷降溫系統(tǒng)還分為制取冷凍水與冷凍風(fēng)2種方式。制冷劑通過蒸發(fā)器帶走被冷卻的低溫物體的熱量，并在冷凝器處將這些熱量傳給高溫處的冷卻水。制取冷凍水的方式是指制冷機首先制取冷凍水（與蒸發(fā)器換熱），再將冷凍水送至工作面近處，通過空冷器冷卻風(fēng)流。局部水冷降溫系統(tǒng)布置示意圖如圖3，這種系統(tǒng)的優(yōu)點是制冷機的位置在1 個工作面回采期間相對固定、排熱方便，但需要鋪設(shè)冷凍水管路、存在一定的冷損。冷凍風(fēng)的方式采用蒸發(fā)器直接冷凍風(fēng)流，局部移動風(fēng)冷降溫系統(tǒng)布置示意圖如圖4，制冷機組隨著工作面的回采而不斷移動位置，其優(yōu)點是對風(fēng)流冷卻效果好、不用鋪設(shè)冷凍水管路，缺點是常需要鋪設(shè)冷卻水管路、排熱困難。綜上可見，局部移動風(fēng)冷降溫系統(tǒng)更加簡單，設(shè)備投資小，但由于受排熱條件的限制很難將其應(yīng)用到回采工作面，如能合理解決冷卻水的排熱問題，則可為回采工作面的熱害防治提供新的思路。

圖3 局部水冷降溫系統(tǒng)布置示意圖Fig.3 Diagram of local water cooling system

2.2 回采工作面移動風(fēng)冷降溫技術(shù)

圖4 局部移動風(fēng)冷降溫系統(tǒng)布置示意圖Fig.4 Diagram of local moving air cooling system

經(jīng)現(xiàn)場觀測礦井首個回采工作面平均涌水量為695 m3/h，平均水溫ty約32 ℃。礦井涌水經(jīng)水倉排至地面凈化、自然冷卻后（夏季約23 ℃），再經(jīng)供水系統(tǒng)輸送至井下使用。根據(jù)礦井涌水與供水水溫的情況，建立的回采工作面移動風(fēng)冷降溫系統(tǒng)如圖5。

圖5 回采工作面移動制冷降溫系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of moving cooling system of mining face

該系統(tǒng)使用礦井生產(chǎn)供水作為冷卻水，高溫冷卻水回水直接排入水溝。取制冷系統(tǒng)的能效比為3.5，為達到回采工作面885.3 kW 的需冷量Q，計算得到制冷系統(tǒng)的總排熱量Qp為1 138 kW，設(shè)計冷卻水溫升△T 為10 ℃，水的比熱容Cs取4.2 kJ/（kg·℃）、密度ρs取1.0×103kg/m3，則冷卻水需水量Vs=97.5 m3/h。

式中：Vs為冷卻水需水量，m3；Qp為制冷系統(tǒng)總冷卻量，℃；△T 為設(shè)計冷卻水溫度，℃；Cs為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρs為水的密度，kg/m3。

圖5 中冷卻水回水溫度tc（33 ℃，按溫升10 ℃計算）在水溝與礦井涌水混合后，進入排水系統(tǒng)?？紤]涌水的不均勻性，取工作面進風(fēng)巷水溝中的平均水流量Vy為180 m3/h，計算制冷機冷卻水排水口下游的水溫th=32.4 ℃。

式中：th為制冷機排水口下游水溫，℃；Vy為進風(fēng)巷平均水流量，m3/h；Vs為冷卻水需水量，m3；ty為工作面涌水溫度，℃；tc為冷卻時回水溫度，℃。

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可見水溝內(nèi)水的溫升僅為0.4 ℃。由于水溝與風(fēng)流的換熱面較小，且后期還可通過增加蓋板，或采取減小水溝寬度、加大深度的辦法來降低水溝內(nèi)熱水對風(fēng)流的放熱。因此，即便礦井供水水溫有升高，致使冷卻水回水溫度升高，其對進風(fēng)風(fēng)流的熱污染也不會很明顯。同時，在回采工作面進風(fēng)巷的中部設(shè)有水倉，水溝中水流路線較短，這些都有利于減小水溝對風(fēng)流的散熱。

3 回采工作面移動風(fēng)冷降溫現(xiàn)場試驗

3.1 試驗方案

選用制冷量為450 kW 的ZLF-450 型礦用冷風(fēng)機組在礦井首個回采工作面進行試驗。該機組冷凝器對冷卻水的進入溫度可放寬至32 ℃，排水溫度達40 ℃，機組的其它主要技術(shù)參數(shù)如下：①電機功率：132 kW；②蒸發(fā)器額定冷卻功率：450 kW；③蒸發(fā)器入口空氣溫度：32 ℃；④蒸發(fā)器入口空氣濕度：70%；⑤蒸發(fā)器出口空氣溫度：20 ℃；⑥蒸發(fā)器出口空氣濕度：100%；⑦蒸發(fā)器冷卻風(fēng)量：540～600 m3/min；⑧冷凝器功率：560 kW；⑨冷凝器進水溫度：32℃；10○冷凝器出水溫度：40 ℃；1○冷凝器中循環(huán)水量：75 m3/h。

根據(jù)401101 回采工作面需冷量計算結(jié)果，回采工作面需配置2 臺ZLF-450 型制冷機組。出于試驗考慮，在首個回采工作面暫選用了1 臺機組進行試驗。風(fēng)冷機組放置在距工作面200 m 處，其蒸發(fā)器與主機通過管道連接、分離布置：蒸發(fā)器入口接風(fēng)機、出口接風(fēng)筒，通過支架高置于帶式輸送機之上；主機位于帶式輸送機旁邊。風(fēng)筒將冷風(fēng)送到距工作面50～100 m 位置，冷卻水則直接排至巷道水溝。隨著工作面的回采，制冷機組相應(yīng)移動位置。

3.2 效果考察

制冷降溫系統(tǒng)于2018 年8 月調(diào)試正常后開始運行。由于礦井供水系統(tǒng)設(shè)計時沒有考慮制冷系統(tǒng)的用水，因此存在一定的供水不足，試驗時對冷卻水量分別為30 m3/h 與50 m3/h 時的工況進行了觀測、并與實施制冷降溫前的風(fēng)溫進行了比較，制冷降溫前后工作面風(fēng)流溫度如圖6。

由圖6 可見，在冷卻水供水量為30 m3/h 時，工作面風(fēng)流溫度最大降低1.2 ℃，平均降溫1 ℃，工作面上隅角風(fēng)流平均溫度為31.2 ℃，較局部制冷降溫前風(fēng)流溫度（32 ℃）降低0.8 ℃。在冷卻水供水量為50 m3/h 時，工作面風(fēng)流溫度最大降低3.4 ℃，平均降溫2.8 ℃，工作面上隅角風(fēng)流平均溫度為29.8 ℃，較局部制冷降溫前風(fēng)流溫度（32 ℃）降低2.2 ℃。從試驗結(jié)果可以看出，冷卻水供水量對制冷機的制冷效果有明顯影響。由于當前供水系統(tǒng)只能為制冷系統(tǒng)提供50 m3/h 的穩(wěn)定水量，因此效果并沒有達到設(shè)計狀態(tài)。

圖6 制冷降溫前后工作面風(fēng)流溫度Fig.6 Air temperature of working face before and after cooling

冷卻水供水量為50 m3/h 時系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間不同時刻水溫變化曲線如圖7。

圖7 系統(tǒng)運行溫度曲線Fig.7 Temperature curves of system operating

從圖7 可見，制冷機在運行32 h 后，系統(tǒng)保持在1 個穩(wěn)定的狀態(tài)。來自地面水池的冷卻水溫度穩(wěn)定在23.2 ℃，冷卻水出水溫度穩(wěn)定在32.3 ℃；回采工作面涌水水溫穩(wěn)定在平均值為30.5 ℃，與冷卻水混合后穩(wěn)定在30.9 ℃，溫度上升了0.4 ℃，混合后的水經(jīng)排水系統(tǒng)進入地面水池自然冷卻，再送入井下循環(huán)使用。工作面進風(fēng)巷涌水量180 m3/h，冷卻水循環(huán)水量50 m3/h，冷卻功率531 kW，蒸發(fā)器進口空氣溫度27.4 ℃、相對濕度85%，蒸發(fā)器出口空氣溫度17.2 ℃、相對濕度80%，蒸發(fā)器冷卻風(fēng)量600 m3/min，制冷量400 kW，系統(tǒng)的能效比為3.05。

綜上，通過優(yōu)化礦井供水系統(tǒng)，加大制冷機冷卻水供水量，可以保證制冷機組正常工作；使用2 臺ZLF-450 型機組可達到預(yù)期的降溫要求。

4 結(jié) 論

1）提出了回采工作面局部移動風(fēng)冷降溫技術(shù)。該系統(tǒng)將移動制冷機放置于距工作面200 m 內(nèi)的進風(fēng)巷，采用礦井生產(chǎn)供水作為冷卻水，冷卻水的高溫回水直接排入水溝。系統(tǒng)充分利用了礦井供、排水系統(tǒng)，避免了為制冷系統(tǒng)增設(shè)專用管路，實現(xiàn)了將造價低、易于維護的礦用移動制冷技術(shù)應(yīng)用于高溫回采工作面的熱害防治。

2）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明制冷機組向水溝排入的高溫冷卻水與回采工作面涌水水溫相近，建立的回采工作面局部移動風(fēng)冷系統(tǒng)可以穩(wěn)定高效運行?；夭晒ぷ髅嬗克c冷卻水混合后溫度上升0.4 ℃，工作面風(fēng)流溫度平均降低2.8 ℃，制冷機的能效比達到3.05，2 臺ZLF-450 型機組可滿足回采工作面熱害防治的需要。

3）冷卻水的供水量對制冷效果有明顯影響，礦井供水系統(tǒng)在設(shè)計時往往沒有考慮制冷機組的用水需求，導(dǎo)致制冷機組的供水量不足，增加了設(shè)備故障率。因此，礦井應(yīng)在后期對供、排水系統(tǒng)進行改造，加大生產(chǎn)供水量，保證制冷機組的正常運轉(zhuǎn)。