李士棟，朱學軍，魏中舉

(1.肥城礦業(yè)集團單縣能源有限責任公司，山東 單縣 274300；2.山東科技大學，山東 泰安 271019)

隨著礦井開采深度的增加和采掘機械化程度的不斷提高，礦井熱害已嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)和井下作業(yè)人員的身心健康，導致煤礦事故率上升、作業(yè)人員勞動率下降，影響煤礦的正常安全生產(chǎn)。因此，如何改善礦井氣候狀況，防治熱害，保障安全生產(chǎn)，是煤礦生產(chǎn)現(xiàn)實所要求的緊迫任務[1-3]。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃；當空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，并給予高溫保健待遇。”井下適宜溫度為15℃～20℃。陳蠻莊礦為立井開拓，井底水平標高為-895m，設計開采煤層深度為-600～1200m，原始巖溫為36℃～40℃，地溫梯度平均2.59℃/100m，即地熱增溫率1℃/38.6m，而3煤底板在-750m以下，屬于37℃以上的二級高溫區(qū)，井下熱害嚴重，采掘工作面溫度超過37℃。高溫的工作環(huán)境影響了工作效率和工人的身心健康，增加了事故發(fā)生率。在此采礦地質條件下，純粹的通風降溫已不能有效解決根本問題。針對這種情況，從安全生產(chǎn)和職工健康角度出發(fā)，積極尋找改善工人工作環(huán)境的方法，對陳蠻莊礦基建與生產(chǎn)期間降溫系統(tǒng)進行了應用實踐。同時，結合國內(nèi)外研究成果[4-5]，從礦井熱害發(fā)展規(guī)律、礦井冷負荷計算方法和不同時期熱害控制技術等方面入手，進行了礦井熱害防治關鍵技術的研究，以建立可靠、有效和經(jīng)濟的降溫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)礦井的安全、高效運轉。

1 深井熱害發(fā)展規(guī)律

對于基建深井，礦井不同建井時期，礦井熱害與礦井需冷量是不同的，需要分析礦井熱害發(fā)展規(guī)律，制定合理可行的降溫方案。

根據(jù)礦井不同階段熱害特點，將基建熱害深井分為三個階段：井筒掘進到形成通風系統(tǒng)之前；通風系統(tǒng)形成至大巷掘進時期；正常生產(chǎn)時期。不同階段礦井需冷量差別較大，通常情況下，生產(chǎn)時期需冷量最大，尤其是礦井開采后期，隨通風線路的延長及工作面布置原因，礦井熱害尤為嚴重。

1.1 井筒掘進至通風系統(tǒng)形成時期

隨著深部煤炭資源的開發(fā)，基建深井越來越多，基建時期，井筒掘進初期屬于淺部井筒掘進，基本不存在熱害問題。隨著井筒深度的增加，地熱影響越來越明顯，當掘進深度大于800m時，井筒掘進或多或少的會遇到熱害問題。

井筒掘進完畢至形成通風系統(tǒng)階段，由于供風不足和地溫的影響，巖溫處于原始巖溫狀態(tài)，對風流加熱較大，熱害問題易突出。通風系統(tǒng)形成之后，礦井通風量加大，圍巖表面溫度降低，熱害程度會得到一定程度的緩解。

1.2 大巷掘進時期

大巷掘進時期，隨著巷道延伸及機械化設備的大量使用，使巷道內(nèi)溫度升高；另一方面，熱量還來源于礦井涌水，礦井涌水一般體現(xiàn)原始巖溫，而且水與空氣的熱交換系數(shù)遠遠大于巖石與空氣的熱交換系數(shù)，從而加劇了礦井熱害。該階段熱害問題常出現(xiàn)在長距離掘進工作面回風流中，降溫需冷量也會隨著巷道長度的增加而不斷增加。

1.3 生產(chǎn)時期

礦井生產(chǎn)時期，礦井熱害出現(xiàn)在回采工作面與長距離掘進巷道?；夭晒ぷ髅娌贾昧溯^大功率的機電設備，受采空區(qū)影響、圍巖散熱等原因，是礦井熱害比較集中的區(qū)域。另一方面，礦井生產(chǎn)后期，隨通風系統(tǒng)的延長，采區(qū)布置越來越遠，礦井熱害問題將日益嚴峻，生產(chǎn)后期同樣是礦井降溫的主要階段。

2 礦井降溫工藝及方法

基建礦井降溫系統(tǒng)應遵循與主體工程同時設計、同時施工、盡快投入使用的原則，設計合理可行的降溫系統(tǒng)。分階段礦井降溫技術，主要指的是設計自建井初期至生產(chǎn)后期礦井不同時期內(nèi)的礦井降溫系統(tǒng)，降低系統(tǒng)投資運行成本，達到投資最大化的目標。

2.1 井筒及井底車場掘進時期

1)井筒掘進時期，主要采取增大通風量的降溫方式。增加風量是一種簡單易行的降溫方法，但是其降溫幅度是有限的，其受進風溫度和圍巖溫度等因素的影響。所以，當圍巖溫度達到一定高度時，增加風量降溫效果將不明顯。

2)井底車場掘進降溫系統(tǒng)未運行前，不宜在巷道內(nèi)進行總體降溫，采用局部降溫措施更有利和有效。根據(jù)基建礦井的建設特點與井下熱環(huán)境的實際測量結果，以及初步的噴淋措施實施的經(jīng)驗，決定實施“蓄冷釋冷移動式礦井降溫空氣調節(jié)機組系統(tǒng)”的降溫措施。

3)“蓄冷釋冷移動式礦井降溫空氣調節(jié)機組系統(tǒng)”主要包括：蓄冷釋冷保溫箱式礦車、冷水供回水加壓輸送泵與管材礦車、礦井降溫專用空氣調節(jié)礦車、冷空氣輸送加壓風機車和冷空氣輸送風筒(柔性風管)等部分。系統(tǒng)主要運行參數(shù)包括：空調器處理進出口空氣狀態(tài)參數(shù)、處理風量、噴淋水量；保溫車蓄冰量、班次耗冰量(車)；一級噴淋泵流量與壓力、二級噴淋泵流量與壓力、回水泵流量及壓力；加壓軸流風扇流量與壓力等。

2.2 通風系統(tǒng)形成大巷掘進時期

該時期礦井降溫技術主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面聯(lián)合集中式、分散式等。國內(nèi)外實踐表明：負荷小于2MW的礦井，以采用分散式最優(yōu)；負荷大于2MW的礦井，才采用集中式。集中式有3種形式，又以井上、井下聯(lián)合集中系統(tǒng)投資費用最高，地面集中式和井下集中式系統(tǒng)基本相同。4種降溫系統(tǒng)比較見表1。

表1 降溫系統(tǒng)比較

通過比較分析，陳蠻莊煤礦降溫系統(tǒng)采用井下集中式降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)布置如圖1所示。降溫系統(tǒng)可分兩個階段：第一階段，通風系統(tǒng)形成之后開拓制冷硐室，布置一臺制冷量2200kW制冷機組，預留第二臺主機位置，鋪設降溫系統(tǒng)保溫管路，對掘進工作面進行機械制冷降溫；第二階段，針對生產(chǎn)時期，增加一臺3300kW制冷主機，管路使用已有管路，增加空冷器，礦井總制冷量5500kW，可以基本滿足礦井降溫要求。

該系統(tǒng)是將制冷機組放置在井下制冷硐室內(nèi)，散熱設備冷卻塔系統(tǒng)布置在地面。制冷硐室內(nèi)的制冷機組制備3℃冷凍水，通過冷凍水循環(huán)水泵經(jīng)絕熱保溫管路送至采煤工作面和掘進工作面的空冷器。在空冷器內(nèi)5℃冷凍水與風流進行換熱，達到冷卻風流的目的，其間所吸收的熱量將使水溫上升至17℃左右，再由冷凍水泵使其返回制冷機組再冷，形成冷凍水循環(huán)。制冷機組冷凝器內(nèi)的冷卻水吸收冷凝熱量后，經(jīng)井筒內(nèi)的管路送至地面冷卻塔內(nèi)，將熱量散發(fā)到地面的大氣中，散熱后的冷卻水通過循環(huán)水泵被送至井下機組冷凝器內(nèi)吸熱，形成冷卻水循環(huán)。

地面主要設備：冷卻塔、冷卻水泵，設備布置在礦井工業(yè)廣場主通風機配電室東側。

井下主要設備：冷水機組、冷凍水循環(huán)水泵、空冷器，設備硐室布置在-900 m井底車場附近。

圖1 陳蠻莊煤礦井下集中制冷系統(tǒng)布置圖

制冷機組冷凝器內(nèi)的冷卻水吸收冷凝熱量后，經(jīng)井筒內(nèi)的管路送至地面冷卻塔內(nèi)，將熱量散發(fā)到地面的大氣中，散熱后的冷卻水通過循環(huán)水泵被送至井下機組冷凝器內(nèi)吸熱，形成冷卻水循環(huán)。

井下降溫系統(tǒng)主要設備為德國飛馬公司生產(chǎn)的井下制冷機組和空冷器，其余設備為國產(chǎn)配套設備，有利于降低初期投資。

2.3 生產(chǎn)時期

對采煤工作面進行機械制冷降溫，當圍巖溫度不太高時(<40℃)，一般在采煤工作面進風平巷集中冷卻風流即可。當圍巖溫度較高(>40℃)，且風流量較低時，若在進風流平巷集中冷卻風流，就可能出現(xiàn)在空冷器處風溫很低(有時低于10℃)，而遠離空冷器的采煤工作面出口處的風溫，有時會高于安全規(guī)程規(guī)定的標準，這就需要分段制冷，使風流得到均勻冷卻。分段冷卻空氣是采煤工作面最優(yōu)冷卻空氣方式，特別適用于回采深度大、原始巖溫高的工作面降溫。

空冷器安設位置主要考慮降溫效果和采面推進速度兩個方面。由于空氣的比熱小，升溫快，因此空冷器越靠近采面進風口，采面的降溫效果越好。但空冷器距工作面太近，會造成設備移動頻繁，影響生產(chǎn)，因此，空冷器布置面前400～600m處，如圖2所示。

圖2 采煤工作面空冷器位置示意圖

3 基建深井各階段需冷量計算

3.1 井筒及井底車場掘進時期

陳蠻莊礦熱害治理區(qū)域主要集中在深部井筒掘進與車場形成階段，包括3個井筒掘進面及其井底車場掘進面，每個需冷量約125.67kW，冷負荷取1.2的附加系數(shù)，則井筒及井底車場掘進時期降溫系統(tǒng)總冷負荷為：Q=125.67kW×3×1.2=452.4kW。

3.2 通風系統(tǒng)形成大巷掘進時期

通風系統(tǒng)形成大巷掘進時期，掘進巷道主要有5條，西翼回風大巷、西翼膠帶大巷、西翼軌道大巷、東翼集中軌道上山、東翼集中膠帶上山等，每條巷道掘進面需冷量為187.776kW，西翼大巷取1.3附加系數(shù)，東翼巷道取1.2附加系數(shù)，則通風系統(tǒng)形成大巷掘進時期降溫系統(tǒng)的總冷負荷為：Q=187.776kW×3×1.3+187.776kW×2×1.2=1183kW。

3.3 生產(chǎn)時期

礦井生產(chǎn)前期：布置四個掘進工作面，一個綜采工作面，每個掘進工作面及綜采工作面制冷量取1.2附加系數(shù)，礦井降溫需冷量為：Q=187.776kW×4×1.2+809.5474kW×1.2=1872.78kW。

礦井生產(chǎn)后期：布置八個掘進工作面，兩個綜采工作面，每個掘進工作面及綜采工作面制冷量取1.3附加系數(shù)，礦井的總降溫需冷量為：Q=187.776kW×8×1.3+809.5474kW×2×1.3=4057.69kW。

4 結語

陳蠻莊礦采取人工制冷降溫后，掘進工作面空氣溫度由原始巖溫降低至26℃～28℃，降溫效果明顯，工作環(huán)境相對舒適，工人體力消耗大大降低，勞動效率大大提高，實現(xiàn)了高溫礦井的高產(chǎn)高效，經(jīng)濟效益和社會效益良好。

礦井分階段高溫熱害防治技術在陳蠻莊礦的實施，促進了相關理論研究和現(xiàn)場測試技術應用，通過對建井期的熱害防治技術的方案論證、系統(tǒng)設計及調試運行、維護管理等多個環(huán)節(jié)進行嘗試，獲得了重要基礎數(shù)據(jù)。實踐證明了現(xiàn)用井下制冷設備性能可靠、經(jīng)濟可行，為后續(xù)生產(chǎn)和科研積累經(jīng)驗，也為同等條件下的深井高溫熱害治理提供借鑒。

[1] 周興旺.礦山建設工程技術新進展——2009全國礦山建設學術會議文集[C].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2009.

[2] 郭平業(yè), 朱艷艷. 深井降溫冷負荷反分析計算方法[J]. 采礦與安全工程學報, 2011, 28(3): 483-487.

[3] 辛嵩.礦井熱害防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[4] 吳亞非. 關于高溫礦井地面集中制冷降溫系統(tǒng)節(jié)能設計分析[J]. 煤炭工程, 2011 (3): 17-20.

[5] 何滿潮, 郭平業(yè), 陳學謙, 等. 三河尖礦深井高溫體特征及其熱害控制方法[J]. 巖石力學與工程學報, 2010, 29(S1): 2593-2597.