徐廣才 劉京坤 陳炬

（通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

1 項(xiàng)目背景

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司龍固煤礦位于山東省菏澤市巨野縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，核定生產(chǎn)能力為7.5 Mt/a。

本地區(qū)氣候溫和，四季分明，屬北溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候。年平均氣溫14.8 ℃，月平均最高氣溫32.4 ℃，日最高氣溫42.4 ℃，日最低氣溫-18.7 ℃，月平均最低氣溫在每年的1 月份，平均-1.8 ℃。

6 月、7 月、8 月為最熱月份，最高氣溫一般在每年的7 月份。

礦井含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，主采3（3上）煤層，埋深900～1200 m。煤層屬正常地溫梯度為背景的高溫區(qū)；井田非煤系地層平均地溫梯度2.52 ℃/100 m，煤系地層平均地溫梯度3.23 ℃/100 m；全孔地溫梯度1.99～4.24 ℃/100 m，全區(qū)平均地溫梯度2.88 ℃/100 m，即地?zé)嵩鰷芈蕿? ℃/34.72 m。龍固煤礦主采煤層埋藏較深，故3（3上）煤層西部局部賦存區(qū)處于一級(jí)高溫區(qū)，東部大部處于二級(jí)高溫區(qū)，井下高溫?zé)岷^為嚴(yán)重。

2 高溫?zé)岷嵩捶治?/h2>

（1）井下熱源

高溫?zé)岷聼嵩窗ǜ邷貒鷰r、高溫礦井水、機(jī)電設(shè)備、下山風(fēng)流壓縮熱、煤氧化散熱、人體散熱等[1-3]。

由于礦井開(kāi)采深度較大，該礦井下巖溫最高達(dá)44.8 ℃，是最主要的井下熱源。

礦井水涌水量1000～1500 m3/h，水溫高達(dá)51 ℃。高溫的礦井水不僅提高了礦井進(jìn)風(fēng)溫度，而且增加了進(jìn)風(fēng)濕度，進(jìn)一步加重了井下高溫?zé)岷Φ挠绊懀顷P(guān)鍵性熱源。

礦井采、掘、運(yùn)的機(jī)電設(shè)備容量大，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行放熱是不可忽視的高溫?zé)嵩础?/p>

（2）礦井季節(jié)性熱害夏季高溫高濕，最高溫度42.4 ℃。夏季高溫高濕的室外空氣成為典型的礦井季節(jié)性熱源[4]。

3 礦井降溫系統(tǒng)現(xiàn)狀

為解決高溫?zé)岷?wèn)題，龍固煤礦自建井之初就采取了加大通風(fēng)量、利用低溫防塵水進(jìn)行噴淋降溫等措施。投產(chǎn)后，實(shí)施了水源熱泵、EAV300 移動(dòng)式空氣冷卻器等制冷設(shè)備的局部降溫系統(tǒng)和集中冰制冷降溫系統(tǒng)，均取得良好的降溫效果。

隨著產(chǎn)量的增加，原有的制冷方式不能滿足降溫需求。近年來(lái)，該礦不斷完善礦井降溫系統(tǒng)，逐步建成地面降溫和井下降溫相結(jié)合的綜合降溫模式。在井下二采區(qū)及三采區(qū)建立兩期井下集中式制冷降溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在井下集中制冷降溫。一期制冷系統(tǒng)安裝4 臺(tái)制冷機(jī)組，總制冷量13 000 kW；二期制冷系統(tǒng)安裝6 臺(tái)制冷機(jī)組，總制冷量19 600 kW。礦井總制冷量達(dá)32 600 kW，為井下所有回采及掘進(jìn)工作面進(jìn)行降溫。井下制冷降溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采掘工作面空冷器平均出風(fēng)溫度22 ℃，工作面溫度不超過(guò)28 ℃，井下高溫?zé)岷镜玫骄徑?，工作環(huán)境得以改善。

2013 年建設(shè)礦井水熱能綜合利用工程，以實(shí)現(xiàn)冬季供熱和夏季空調(diào)為主，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)部分井口進(jìn)風(fēng)降溫。該工程安裝3 臺(tái)離心制冷機(jī)組，單臺(tái)制冷量為2500 kW，2 臺(tái)螺桿機(jī)組，單臺(tái)制冷量為1944 kW，總制冷量為11 388 kW。井口安裝6 臺(tái)冷風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)處理風(fēng)量為900 m3/min，制冷量680 kW，總制冷量為4080 kW。

4 存在問(wèn)題

現(xiàn)有礦井降溫系統(tǒng)基本能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求，但存在夏季井底車場(chǎng)及大巷溫度超限和現(xiàn)有降溫系統(tǒng)制冷能力不足的問(wèn)題。受夏季高溫天氣影響，地面制冷系統(tǒng)因機(jī)組制冷量小，配套冷風(fēng)機(jī)處理風(fēng)量小，在初夏和夏末能夠?qū)颅h(huán)境溫度起到緩解作用。室外溫度較高時(shí)，井口進(jìn)風(fēng)降溫系統(tǒng)對(duì)井底溫度影響較小，不能起到降低礦井進(jìn)風(fēng)溫度的作用。夏季高溫時(shí)礦井進(jìn)風(fēng)溫度在33 ℃以上，井底進(jìn)風(fēng)溫度在34 ℃以上，極端天氣下井底溫度達(dá)38 ℃，造成井底車場(chǎng)及硐室溫度超溫（井底機(jī)電硐室溫度平均在34 ℃以上，中央泵房溫度達(dá)36 ℃），同時(shí)礦井各主要進(jìn)風(fēng)巷溫度均在32 ℃以上。

由于井下各地點(diǎn)進(jìn)風(fēng)溫度較高，極大地增加了礦井各地點(diǎn)的需冷量。據(jù)計(jì)算，夏季礦井需冷量比其他季節(jié)高6000 kW 以上，造成夏季礦井降溫難度增加，對(duì)設(shè)備運(yùn)行及人員安全造成較大隱患。

5 設(shè)計(jì)方案

5.1 技術(shù)路線

龍固煤礦現(xiàn)有礦井降溫系統(tǒng)春秋季和冬季能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求，但存在夏季井底車場(chǎng)及大巷溫度超限和現(xiàn)有降溫系統(tǒng)制冷能力不足的問(wèn)題，說(shuō)明井下環(huán)境受地面氣候影響顯著。經(jīng)調(diào)研，趙樓煤礦、濟(jì)三煤礦、東灘煤礦已經(jīng)實(shí)施的全風(fēng)量降溫系統(tǒng)[5-7]降溫效果明顯，極大地緩解井下高溫?zé)岷?。以龍固煤礦的進(jìn)風(fēng)為例，降溫前的空氣焓值為101.3 kJ/kg，降溫后的焓值為56 kJ/kg，降溫后空氣的焓值降低45%，有效降低井下進(jìn)風(fēng)的熱量，因此采用全面降低進(jìn)風(fēng)溫濕度的礦井全風(fēng)量降溫方案是可行的。

為創(chuàng)造適宜工作環(huán)境，進(jìn)一步解決高溫?zé)岷?，擬在礦井主、副井口實(shí)施全風(fēng)量降溫項(xiàng)目，新擴(kuò)建一套制冷（熱泵）系統(tǒng)，對(duì)礦井進(jìn)風(fēng)進(jìn)行降溫除濕，降低輸送至井下的空氣的溫度和濕度，以達(dá)到提高井下舒適度，改善井底車場(chǎng)及主要大巷的環(huán)境，降低夏季井下降溫系統(tǒng)負(fù)荷的目的。

同時(shí)對(duì)主副井口進(jìn)行適當(dāng)封閉，并考慮該熱泵系統(tǒng)在冬季時(shí)利用礦井水作為熱源制熱，用于井筒保溫。

5.2 冷熱負(fù)荷計(jì)算

龍固礦井位于山東省巨野礦區(qū)，參考菏澤市氣象參數(shù)，結(jié)合龍固煤礦的具體情況，夏季室外空氣計(jì)算溫度確定為34.4 ℃，相對(duì)濕度72.7%，降溫后的進(jìn)風(fēng)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度95%，冬季井口防凍進(jìn)風(fēng)溫度為2 ℃。總進(jìn)風(fēng)量30 000 m3/min，其中主井2×5500 m3/min，副井19 000 m3/min。

5.3 冷熱源方案

根據(jù)表1 可知，總制冷負(fù)荷27 617 kW，冷熱源機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)6 臺(tái)水源熱泵機(jī)組，總制冷量為27 888 kW。其中新增四臺(tái)離心式熱泵機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組制冷量6000 kW，額定輸入電功率1232 kW，主要負(fù)責(zé)井口全風(fēng)量降溫、井筒防凍和建筑空調(diào)；另外兩臺(tái)原有螺桿式熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量1944 kW，主要負(fù)責(zé)浴室供熱負(fù)荷。主機(jī)系統(tǒng)采用母管制連接方式，提高機(jī)組的備用性、安全性、靈活性。

表1 冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 （單位：kW）

夏季，制冷機(jī)組通過(guò)冷卻塔進(jìn)行散熱。冷卻塔布置在機(jī)房東側(cè)的礦井水池上方，冷卻循環(huán)泵布置在水泵機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)管道連接主機(jī)。

冬季，熱泵機(jī)組利用礦井涌水作為熱源，制備45 ℃及以上的熱水。東側(cè)1000 m3地面水池作為礦井水循環(huán)水池。礦井水取自選煤廠礦井水處理站。

5.4 井口換熱末端方案

在主副井井口房的空氣熱交換室內(nèi)設(shè)置空氣換熱器。夏季由熱泵機(jī)房提供給換熱器7/15 ℃冷凍水，將進(jìn)風(fēng)冷卻除濕到20 ℃。冬季由熱泵機(jī)房提供給換熱器45/40 ℃熱水，進(jìn)行進(jìn)風(fēng)加熱，保證井筒進(jìn)風(fēng)溫度不低于2 ℃。

為充分利用礦井主通風(fēng)機(jī)的動(dòng)力，降低井口房的噪音，提高設(shè)備的安全可靠性，主副井井口采用無(wú)動(dòng)力的表面式換熱器?？紤]表冷器為無(wú)動(dòng)力換熱設(shè)備，風(fēng)流流速越高風(fēng)阻越大，為降低對(duì)礦井通風(fēng)的影響，換熱器風(fēng)阻不大于50 Pa。

副井口設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量為19 000 m3/min，冷負(fù)荷為16 224 kW。換熱器選型預(yù)留0.2 的富裕系數(shù)，共選用36 臺(tái)空氣換熱器，總制冷量20 400 kW。

主井口設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量為2×5500 m3/min，需要的冷負(fù)荷為9393 kW。換熱器選型預(yù)留0.2的富裕系數(shù)，共選用18 臺(tái)空氣換熱器，總制冷量12 000 kW。

空氣換熱器選用無(wú)動(dòng)力的表面式換熱器，利用井口負(fù)壓驅(qū)動(dòng)空氣經(jīng)表面式冷卻器換熱后進(jìn)入井筒。為防止冷風(fēng)滲透，需對(duì)井口房進(jìn)行封閉改造，確保漏風(fēng)率小于10%。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 空氣換熱器參數(shù)表

5.5 運(yùn)行費(fèi)用和運(yùn)行效果

系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行總電功率6253 kW，綜合電價(jià)0.55元/千瓦時(shí)，夏季運(yùn)行天數(shù)為90 d，負(fù)荷系數(shù)0.6，夏季全風(fēng)量降溫系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)為356 萬(wàn)元。

系統(tǒng)運(yùn)行后，室外空氣經(jīng)表面式冷卻器降溫后，井口進(jìn)風(fēng)溫度降至22～24 ℃，井底車場(chǎng)風(fēng)溫為26～28 ℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足規(guī)程及規(guī)范要求，有效改善了井下工作環(huán)境。

6 結(jié)論

隨礦井開(kāi)采深度的增加和范圍的擴(kuò)大，高溫?zé)岷呌趪?yán)重。龍固煤礦已經(jīng)實(shí)施的井下集中式的降溫系統(tǒng)，冬季和春秋季能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求，存在夏季井底車場(chǎng)及大巷溫度超限和現(xiàn)有降溫系統(tǒng)制冷能力不足的問(wèn)題。

實(shí)踐證明，采用礦井全風(fēng)量降溫系統(tǒng)作為井下集中式礦井降溫系統(tǒng)的補(bǔ)充用于治理礦井高溫?zé)岷κ强尚械?，能夠降低季?jié)性熱害對(duì)礦井的影響，起到降低井底車場(chǎng)、主要大巷及沿途主要硐室溫度的作用，切實(shí)改善夏季井下高溫高濕環(huán)境，減少主要硐室設(shè)備故障，維護(hù)職工身體健康。礦井全風(fēng)量降溫系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用低，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)方便，噪音低，安全可靠性高。