王春耀，周 建，簡俊常，鄭興博，駱 偉

（1.山東能源集團魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274700；2.山東李樓煤業(yè)有限公司，山東 菏澤 274700；3.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274700；4.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274700）

為解決長距離通風下的礦井熱害問題[1-2]，國內(nèi)外相關(guān)學者針對深井通風和礦井降溫技術(shù)進行了相關(guān)研究[3-6]。程伯明等[7]針對深井工作區(qū)域風量分配、風量管理和漏風等問題，對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改進；石乃敏等[8]針對金屬礦山的復雜通風系統(tǒng)、風流漏風短路、風量不足且氣溫偏高等問題，提出以通風系統(tǒng)優(yōu)化改造為主、局部制冷為輔的綜合降溫技術(shù)；苗俊德等[9]提出了1 種工作面局部降溫技術(shù)，通過在工作面設置多個冷風口的方式對局部進行降溫，采用數(shù)值模擬對其降溫效果進行驗證；易欣等[10]分析了全風量井口降溫技術(shù)的可行性，并提出了井口大風量空氣處理技術(shù)及井口封閉技術(shù)；Guo 等[11]采用深井回風作為深井冷卻系統(tǒng)的冷卻能量，試驗得到冷卻系統(tǒng)對工作面溫度和濕度分別降低了8～12 ℃和8%～15%；Luo Y 等[12]進行了U 型和Y 型通風系統(tǒng)的降溫試驗研究，Y 型通風系統(tǒng)的巷道風流溫度比U 型通風系統(tǒng)低3～5 ℃，濕度從95%～100%降至92%左右。基于此，以山東巨野礦區(qū)新巨龍、趙樓及李樓礦井為研究對象，通過對高溫熱害礦井通風熱害防治難點的分析，提出井下集中式降溫系統(tǒng)和礦井全風量降溫系統(tǒng)相結(jié)合的降溫方法，并對降溫系統(tǒng)運行前后井口風流和工作面進風的沿程風流狀態(tài)對比，分析系統(tǒng)的降溫效果。

1 高溫熱害礦井通風及熱害防治難點

1.1 高溫礦井通風難點

礦井開采程度提高后，井下采區(qū)和工作面布置范圍更廣，工作面距離進風井口長度增加，通風系統(tǒng)網(wǎng)絡復雜[13-14]。煤礦開采中，工作面設計長度增加后需風量也相應增加，因此礦井通風系統(tǒng)的供風量和風壓均隨礦井開采強度進行相應調(diào)整。礦井進風量增加后，風流在井巷沿程流動過程時的摩擦阻力隨通風路線的延長而相應增加。由于井巷斷面、方向變化以及分叉和匯合點增多，使風流的局部阻力增加，造成風流能量的損失。在礦井通風過程中為了克服通風阻力，除了降低井巷摩擦阻力、減小局部阻力和優(yōu)化調(diào)整風網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎上，還需增加礦井的通風動力來滿足礦井開采通風的安全需求[15]。

在無高溫熱害礦井中，增大通風動力的主要影響在于礦井通風機負荷增加，造成耗電量升高，降低煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟性。然而，對于高溫礦井不僅僅存在增大能耗的問題，因為礦井通風阻力的增加，風流與井巷之間的熱交換作用時間延長，熱量傳遞增加，導致風流在相同流動距離內(nèi)溫升速率更快，進一步加劇礦井熱害。

1.2 高溫礦井熱害防治難點

巨野煤田位于山東省西南部，主采煤層為3#煤層，開采深度大，地溫高，煤層平均采深-1 010 m，平均地溫38 ℃。巨野煤田所屬礦井普遍存在高溫熱害問題，且隨著開采強度的增加熱害問題日趨加劇。新巨龍公司煤層屬正常地溫梯度為背景的高溫區(qū)，地層年恒溫帶為50～55 m，溫度為18.2 ℃，平均地溫梯度2.20 ℃/100 m，非煤系地層平均地溫梯度1.85℃/100 m，煤系地層平均地溫梯度2.76 ℃/100 m，初期采區(qū)大部分塊段原始巖溫為37～45 ℃，處于二級熱害區(qū)域。

礦井主要熱源有地表季節(jié)性氣溫、地溫、空氣壓縮熱、大型機電設備散熱及氧化放熱等，礦井進風流溫度升高的主要原因是地表季節(jié)性氣溫，每年7 月是地表氣溫最高的時間，日最高氣溫可達41.6 ℃，濕度可達80%以上。礦井開采深度增加，造成圍巖溫度升高和通風路線長度增加，其中進風豎井長度增加導致空氣壓縮產(chǎn)熱增加，同時風流與巷道圍巖之間的熱交換長度增加，熱量交換作用加強。通風距離增加后，為滿足礦井通風的要求，需要增大礦井通風量和通風速度，因此造成高溫礦井工作面兩端的壓差增大，同時由于工作面高溫環(huán)境產(chǎn)生的熱風壓，導致工作面兩端的風壓差加劇，造成采空區(qū)的漏風量增加，風流在采空區(qū)內(nèi)與垮落圍巖的熱濕交換作用以及煤氧化產(chǎn)生的熱量導致采空區(qū)風流溫度升高，高溫風流漏出工作面后對工作面熱環(huán)境造成影響。礦井開采機械化程度提高，機械設備使用率增加，機械設備散熱也成為礦井主要熱源之一。

2 高溫熱害礦井分級降溫方法

礦井各熱源影響作用導致工作面風流溫度和濕度增加，井下空氣的溫度、濕度、風速達到一定的狀態(tài)以后，人體出現(xiàn)體溫調(diào)節(jié)功能失調(diào)和熱疲勞，形成礦井熱害[16]?！睹旱V安全規(guī)程》第六百五十五條和第六百五十六條規(guī)定采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃、機電設備硐室不得超過30 ℃，有熱害的井工煤礦應當采取制冷降溫措施[17]。為有效解決礦井熱害問題，以巨野礦區(qū)新巨龍煤礦為例，提出了由進風井口降溫和井下集中式降溫相結(jié)合的分級降溫方法，從進風井筒開始沿風流流動路徑至工作面進行逐級降溫。

2.1 礦井全風量井口降溫系統(tǒng)

風流在豎井中流動時，風流熱量的增加主要包括3 個方面：風流壓縮熱、風流與井壁的摩擦生熱及井筒壁與風流的對流散熱[18]。礦井進口風流溫度降低能有效減小進入礦井的熱量，在進風井口對風流進行降溫除濕，從源頭解決風流的高濕高溫問題，有效達到降溫目的。為解決地表風流溫度對井下環(huán)境的影響，建立了礦井全風量井口降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由水源熱泵機組、冷卻塔、無動力換熱器等組成。

2.1.1 礦井全風量降溫需冷量

對新巨龍礦井地表氣溫進行長時間觀測，以進風溫度20 ℃和相對濕度95%為降溫目標，以現(xiàn)場觀測的實際平均溫度進行降溫冷負荷進行計算。新巨龍礦總進風量30 000 m3/min（主井11 000 m3/min，副井19 000 m3/min），可處理進風空氣所需的冷負荷為：主井9 393 kW；副井16 224 kW。計算公式為：

P=Gρ（h2-h1） （1）

式中：P 為冷負荷；G 為體積流量，m3/s；ρ 為空氣密度，冷卻前空氣密度，干球溫度34.4 ℃、相對濕度72.7%、99.89 kPa 壓力的空氣密度約1.131 kg/m3；h1為冷卻前空氣（34.4 ℃、72.7%相對濕度）比焓，101.3 kJ/kg；h2為冷卻后空氣（20 ℃、95%相對濕度）比焓，56.0 kJ/kg。

2.1.2 制冷機組配置與工藝

考慮到夏季制冷和冬季井口供熱需求，根據(jù)礦井降溫需冷量，設計選用4 臺離心式冷水機組，單臺機組制冷負荷6 000 kW，額定輸入功率1 022 kW，2 臺2 500 kW 的離心機組，地面制冷站總制冷負荷可達到29 000 kW，總制熱負荷達24 000 kW，其中2 臺2 500 kW 離心機組作為全年洗浴用水熱源及夏季礦井全風量降溫補充制冷。制冷機組輔助設備有冷凍水泵4 臺，設計流量為1 760 m3/h。冷卻水泵4 臺，設計流量為2 160 m3/h。冷卻水塔4 組，設計流量為1 575 m3/h，4 組冷卻水塔并聯(lián)使用便于冷卻水流量的分配。

水源熱泵機組冷凍水系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)均采用純凈水，冷凍水系統(tǒng)為閉式循環(huán)，水量基本不損耗，冷卻水系統(tǒng)為開式循環(huán)，存在夏季蒸發(fā)情況，需要補充水量。冬季采暖時冷卻水系統(tǒng)通過板式換熱器與礦井涌水進行熱交換，作為水源熱泵熱源。

2.1.3 井口空氣換熱系統(tǒng)

1）副井口換熱系統(tǒng)。副井口設計進風量為19 000 m3/min，對進風井口的全部風量進行處理（溫度20℃，相對濕度95%）需要的冷負荷為16 224 kW。根據(jù)GB 50019—2015 換熱器選型應預留0.15～0.25 的富裕系數(shù)，換熱器按18 658～20 280 kW 選型，總制冷負荷21 260 kW，處理風量23 776 m3/min，表冷器換熱總面積396 m2。副井口空氣換熱器設計參數(shù)見表1。副井表冷器平面布置圖如圖1。

表1 副井口空氣換熱器設計參數(shù)Table 1 Design parameters of auxiliary wellhead air heat exchanger

圖1 副井表冷器平面布置圖Fig.1 Layout of surface cooler of auxiliary well

2）主井口換熱系統(tǒng)。主井口設計進風量為11 000 m3/min，對進風空氣狀態(tài)全部進行處理（溫度20 ℃，相對濕度95%）需要的冷負荷為9 393 kW。根據(jù)換熱器選型的富裕系數(shù)，選用26 臺功率為450 kW 的無動力空氣換熱器，表冷器額定總制冷量11 700 kW，處理風量13 728 m3/min，表冷器換熱總面積228.8 m2。主井口無動力表冷器裝在井筒側(cè)壁，配備可調(diào)式風葉，通過調(diào)節(jié)風葉開合，調(diào)節(jié)礦井進風量及風壓。主井表冷器平面布置圖如圖2。

圖2 主井表冷器平面布置圖Fig.2 Layout of surface cooler in main well

2.1.4 井口封閉技術(shù)

為確保井口通風降溫效果，增強井口建筑物的密閉性，減少未經(jīng)表冷器處理的高溫風流漏入進風井口，降低對井口全風量通風降溫的影響，井口需要進行封閉減少漏風。副井井口房封閉示意圖如圖3。

圖3 副井井口房封閉示意圖Fig.3 Schematic diagram of sealing of wellhead house of auxiliary well

井筒房四周使用彩鋼板或玻璃窗進行密封，在副井東西兩側(cè)各設置2 道封閉通道，進車側(cè)封閉通道長30 m，出車側(cè)封閉通道長28 m。在井筒房的東西兩側(cè)封閉通道的端頭，設置自動開啟的可視風門。自動風門設置有1 組紅外線感應探頭，當車輛接近電動風門時，紅外線感應探頭檢測到車輛后，對應自動風門開啟，待車輛全部通過后，風門自動關(guān)閉。后側(cè)對應軌道的電動風門開啟，在通過后道門以后，后道門保持關(guān)閉。在電動風門開啟時，其對應的后道電動風門保持關(guān)閉。當電動門失電時，所有電動門處于開啟狀態(tài)。在井口等候室出入口各安設1 道自動門，減少等候室熱風進入副井房。

2.2 井下集中式降溫系統(tǒng)

根據(jù)新巨龍煤礦實際情況及降溫負荷需求，井下采用集中式水冷降溫系統(tǒng)，主要由井下制冷機組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、空冷器及電控系統(tǒng)等設備組成。根據(jù)井下降溫制冷量計算，井下降溫系統(tǒng)需設置3 臺KM3000 的制冷機組，降溫系統(tǒng)總制冷量9 900 kW。

井下降溫系統(tǒng)的冷卻水管道通過制冷硐室的鉆孔直接通至地面，地面的冷卻水管道采用直埋敷設的方式。地面冷卻泵站安裝冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設備、冷卻塔、補水裝置及配套的配電控制系統(tǒng)設備，冷卻水管連接至冷卻泵站，用于排放井下制冷機組產(chǎn)生的冷凝熱。井下集中式降溫系統(tǒng)圖如圖4。

圖4 井下集中式降溫系統(tǒng)圖Fig.4 Diagram of downhole centralized cooling system

1）井下集中式降溫系統(tǒng)設備。新建制冷硐室位于-980 邊界回風下山與井底車場聯(lián)巷，制冷機組及冷凍水循環(huán)系統(tǒng)均設置在制冷硐室內(nèi)，在東副立井場地新建冷卻泵站，冷卻塔設于冷卻泵站的西側(cè)。井下制冷硐室主要有制冷機組3 臺，設計額定功率為3 300 kW。MD280-43×3 型冷凍水循環(huán)水泵4 臺，1套定壓補水裝置，配置容積為1.0 m3的膨脹定壓罐，以及手動清洗過濾器和Y 型過濾器各2 臺。

2）地面冷卻設備。地面冷卻設備主要有3 臺角形橫流式玻璃鋼冷卻塔，冷卻水流量500 m3/h；冷卻水循環(huán)水泵4 臺，額定流量460 m3/h；全自動鈉離子交換器1 臺，全程綜合水處理器2 臺，用于軟化處理冷卻水，并配置有容積300 m3的混凝土冷卻水池。

3）井下制冷硐室及冷凍水管路布置?？紤]井下降溫系統(tǒng)的服務范圍、制冷硐室的規(guī)模以及降溫系統(tǒng)的管道布置，分別在一采區(qū)和二采區(qū)分別布置制冷硐室，主供冷距離不超過1 km，縮短了冷水的流動距離減少沿程能量損失。在制冷硐室對應的地面位置，布設有井下降溫系統(tǒng)專用鉆孔，根據(jù)冷卻水流量和流速，在孔內(nèi)敷設2 趟?480 無縫鋼管作為冷卻水立管，實現(xiàn)地面與井下直接熱交換，形成“井下制冷、地面散熱”。根據(jù)制冷硐室供給的冷凍水流量及流速，冷凍水管路由制冷硐室沿回風大巷敷設，共敷設2 趟?377 無縫鋼管作為冷凍水管路，并接至各綜采工作面及掘進工作面的空冷器。冷凍水管路總長45 000 m，全部采用聚氨酯發(fā)泡保溫無縫鋼管，在管路連接處使用保溫海綿，實現(xiàn)管路的全線保溫覆蓋，管路溫升控制在0.4 ℃/km 以內(nèi)，構(gòu)建高效輸冷管網(wǎng)。主要輸冷管網(wǎng)尺寸見表2。

表2 主要輸冷管網(wǎng)尺寸Table 2 Size of main cooling pipe network

3 高溫熱害礦井降溫效果

3.1 井口全風量降溫效果

井下環(huán)境溫度與地面同步測試，沿著綜放工作面進風路線，對沿途各主要地點進行測試。測試地點為：副井下口、主井下口、南部1#大巷測風站和2#大巷測風站、一集軌道上車場（距副井口900 m）、一集軌道中車場（距副井口1 500 m）、一集軌道下車場（距副井口2 000 m），對比井口全風量降溫系統(tǒng)運行前后各測點的溫度數(shù)據(jù)，分析井口全風量降溫系統(tǒng)的降溫效果。風流溫度數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 全風量降溫前后溫度變化情況Fig.5 Temperature changes before and after cooling with full air volume

采取礦井全風量降溫系統(tǒng)后，相比往年同一時間的風流溫度，降溫系統(tǒng)運行后，進風井口風流溫度出現(xiàn)明顯下降，下降幅達最大為16 ℃，井下環(huán)境得到有效改善，工人在井下工作的體感溫度得到明顯改善。地面進風流濕度不變的情況下，經(jīng)過井口降溫后，副井下井口、一采上車場、下車場的風流溫度和濕度均出現(xiàn)降低，濕度降幅約15%，溫度降幅在4～5 ℃，副井下井口溫度能保持在26 ℃以下，一采下車場溫度保持在28 ℃以下。

3.2 礦井采區(qū)主要通風路線降溫效果

礦井采掘工作面為工人作業(yè)的主要場所，同樣也是礦井降溫的主要目標區(qū)域。對新巨龍礦井一采區(qū)和三采區(qū)主要通風路線上的風流溫度進行觀測，一采區(qū)主要通風路線風流溫度如圖6。三采區(qū)主要通風路線風流溫度如圖7。

圖6 一采區(qū)主要通風路線風流溫度Fig.6 Air flow temperature of main ventilation routes in the first mining area

圖7 三采區(qū)主要通風路線風流溫度Fig.7 Air flow temperature of main ventilation routes in the third mining area

由圖6 可知，副井風流經(jīng)過風量降溫后，進口風流溫度為16.2 ℃，風流經(jīng)過豎井到達井底時溫度為26.4 ℃。風流流經(jīng)井下大巷進入一采區(qū)，在該段過程中風流溫度基本保持不變。一采區(qū)進風巷的風流溫度為26 ℃，一采區(qū)總回風的平均風流溫度為28.6℃，風流經(jīng)過一采區(qū)的溫升范圍相對較小，對比風流流動路線上其他測點的溫度數(shù)據(jù)，風流的整體溫度保持穩(wěn)定基本不變，井下采區(qū)的風流環(huán)境相對穩(wěn)定。

由圖7 可知，三采區(qū)進風的風流溫度為28.5℃，沿三采區(qū)風流進風路線，整體風流溫度上升幅度不大，在回風側(cè)的風流溫度保持在29.5 ℃以下。2304N 工作面進風側(cè)的風流溫度為27.6 ℃，風流經(jīng)過工作面時受熱源影響溫度大約升高為4 ℃。根據(jù)其余監(jiān)測地點的風流溫度數(shù)據(jù)，整體風流溫度變化趨于平穩(wěn)，溫度波動幅度在2 ℃之以內(nèi)。

4 結(jié) 語

1）礦井開采深度增加后，通風路線延長，井巷斷面、方向變化以及分叉或匯合點增多，使風流的沿程阻力和局部阻力增加，風流能量損失增加；礦井通風動力增加后，高溫礦井中空氣壓縮產(chǎn)熱增加，風流與圍巖的熱交換作用加強，加劇高溫礦井的熱害。

2）井口全風量降溫系統(tǒng)用于降低礦井進風口風流溫度，將高溫風流熱量留在地面，解決地面季節(jié)性高溫熱害問題；井下集中式降溫系統(tǒng)布置2 個制冷機組，分別用于解決2 個采區(qū)的工作面降溫，形成井下制冷地面散熱的降溫方式，建立沿風流流動路徑的井口降溫和工作面降溫的分級降溫模式。

3）井口采取全風量降溫后，井筒入口風流溫度均保持在19 ℃以下，風流經(jīng)過豎井后風流溫度升高6～10 ℃，風流進入井底后沿通風路線上溫度相對穩(wěn)定，整體變化幅度在2 ℃以內(nèi)，采用井下集中式降溫系統(tǒng)后，工作面進回風之間的風流溫度差為4 ℃，井口降溫和井下降溫相結(jié)合的分級降溫方法能有效改善井下環(huán)境。