李文福，宋戰(zhàn)宏，張紅衛(wèi)，吳奉亮

（1.陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng)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(kāi)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(kāi)采必須面臨的問(wèn)題[1]。孟村煤礦位于陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，最大開(kāi)采深度890 m，正在開(kāi)采的首個(gè)回采工作面處于原始煤溫34 ℃的一級(jí)熱害區(qū)，回采工作面上隅角風(fēng)溫最高時(shí)為32 ℃。盡管通風(fēng)是最方便、經(jīng)濟(jì)的降溫方法[2]，但目前孟村煤礦回采工作面配風(fēng)量已達(dá)到1 900 m3/min，通過(guò)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(huì)加大采空區(qū)漏風(fēng)、增加采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。因此，急需建立人工機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外熱害明顯的礦井多采用以水、冰為載冷劑的人工機(jī)械制冷系統(tǒng)，研究表明井深超過(guò)3 000 m 后，冰冷系統(tǒng)相比于水冷系統(tǒng)才會(huì)顯示出更好的經(jīng)濟(jì)性[3-4]。另外從制冷系統(tǒng)的不同布置形式來(lái)看，國(guó)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(dòng)降溫系統(tǒng)的占61%[5-6]，且建立集中降溫系統(tǒng)的礦井開(kāi)采煤層多處于二級(jí)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(wèn)題[7-8]，因地制宜地構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、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(duì)回采工作面進(jìn)行均勻供冷[10]，針對(duì)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(jì)性普遍采用的方法。礦用風(fēng)冷機(jī)組具有造價(jià)低、冷損小的特點(diǎn)，但其排熱困難的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。結(jié)合孟村煤礦一級(jí)熱害，回采工作面涌水溫度高等特點(diǎn)，提出采用礦井供、排水系統(tǒng)來(lái)解決移動(dòng)風(fēng)冷系統(tǒng)排熱難的問(wèn)題，將移動(dòng)風(fēng)冷技術(shù)用于回采工作面熱害防治，并對(duì)這一思路的可行性在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。

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(zhǎng)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(chǎng)觀測(cè)，礦井掘進(jìn)工作面無(wú)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(gè)回采的401101 工作面布置圖如圖1，采用后退式開(kāi)采、“U”形通風(fēng)系統(tǒng)，可采走向長(zhǎng)2 090 m、工作面斜長(zhǎng)180 m，回采工作面大部分處于一級(jí)熱害區(qū)。工作面涌水主要來(lái)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(jìn)風(fēng)巷中部的回采工作面水倉(cāng)，水倉(cāng)水溫基本恒定在30℃?；夭晒ぷ髅婊夭沙跗?，未采取制冷降溫，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的冬、夏兩季回采工作面轉(zhuǎn)載機(jī)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(jìn)風(fēng)巷的大部分區(qū)域沒(méi)有超過(guò)26 ℃，也無(wú)熱害現(xiàn)象；但由于回采工作面較長(zhǎng)，回采中剝落的高溫煤體量大，回采工作面入口風(fēng)溫超過(guò)28 ℃，上隅角處達(dá)到32 ℃，可見(jiàn)礦井熱害主要在回采工作面。

1.2 回采工作面需冷量

對(duì)于生產(chǎn)礦井，一般采用式（1）的焓差法來(lái)計(jì)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(diǎn)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(duì)濕度，%；p 為空氣的壓力，Pa；ps為空氣溫度為t 時(shí)對(duì)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(duì)濕度85%；制冷降溫后工作面上隅角風(fēng)溫26 ℃、相對(duì)濕度95%?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得工作面空氣平均絕對(duì)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(dòng)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(jī)來(lái)分析，根據(jù)與制冷機(jī)蒸發(fā)器換熱形式的不同，局部移動(dòng)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(guò)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(jī)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(guò)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(diǎn)是制冷機(jī)的位置在1 個(gè)工作面回采期間相對(duì)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(dòng)風(fēng)冷降溫系統(tǒng)布置示意圖如圖4，制冷機(jī)組隨著工作面的回采而不斷移動(dòng)位置，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)風(fēng)流冷卻效果好、不用鋪設(shè)冷凍水管路，缺點(diǎn)是常需要鋪設(shè)冷卻水管路、排熱困難。綜上可見(jiàn)，局部移動(dòng)風(fēng)冷降溫系統(tǒng)更加簡(jiǎn)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(wèn)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(dòng)風(fēng)冷降溫技術(shù)

圖4 局部移動(dòng)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(chǎng)觀測(cè)礦井首個(gè)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(cāng)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(dòng)風(fēng)冷降溫系統(tǒng)如圖5。

圖5 回采工作面移動(dòng)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(dá)到回采工作面885.3 kW 的需冷量Q，計(jì)算得到制冷系統(tǒng)的總排熱量Qp為1 138 kW，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算）在水溝與礦井涌水混合后，進(jìn)入排水系統(tǒng)?？紤]涌水的不均勻性，取工作面進(jìn)風(fēng)巷水溝中的平均水流量Vy為180 m3/h，計(jì)算制冷機(jī)冷卻水排水口下游的水溫th=32.4 ℃。

式中：th為制冷機(jī)排水口下游水溫，℃；Vy為進(jìn)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(shí)回水溫度，℃。

語(yǔ)文學(xué)科是滋養(yǎng)人文精神的沃野。教學(xué)中要堅(jiān)持用課文中飽含的真善美，幫助學(xué)生提高人生境界，豐富美好心靈，塑造健全人格。使學(xué)生擁有“天生我材必有用”的自信，展現(xiàn)“仰天大笑出門去”的豪情，樹(shù)立“咬定青山不放松，任爾東西南北風(fēng)”的信念，獲得“悟已往之不諫，知來(lái)者之可追”的感悟，確立“吾不能變心以從俗兮，固愁苦而終窮”的高尚人格……讓語(yǔ)文教學(xué)成為鑄造學(xué)生靈魂的主要手段。

可見(jiàn)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(guò)增加蓋板，或采取減小水溝寬度、加大深度的辦法來(lái)降低水溝內(nèi)熱水對(duì)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(duì)進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的熱污染也不會(huì)很明顯。同時(shí)，在回采工作面進(jìn)風(fēng)巷的中部設(shè)有水倉(cāng)，水溝中水流路線較短，這些都有利于減小水溝對(duì)風(fēng)流的散熱。

3 回采工作面移動(dòng)風(fēng)冷降溫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

選用制冷量為450 kW 的ZLF-450 型礦用冷風(fēng)機(jī)組在礦井首個(gè)回采工作面進(jìn)行試驗(yàn)。該機(jī)組冷凝器對(duì)冷卻水的進(jìn)入溫度可放寬至32 ℃，排水溫度達(dá)40 ℃，機(jī)組的其它主要技術(shù)參數(shù)如下：①電機(jī)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(jìn)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(jì)算結(jié)果，回采工作面需配置2 臺(tái)ZLF-450 型制冷機(jī)組。出于試驗(yàn)考慮，在首個(gè)回采工作面暫選用了1 臺(tái)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)冷機(jī)組放置在距工作面200 m 處，其蒸發(fā)器與主機(jī)通過(guò)管道連接、分離布置：蒸發(fā)器入口接風(fēng)機(jī)、出口接風(fēng)筒，通過(guò)支架高置于帶式輸送機(jī)之上；主機(jī)位于帶式輸送機(jī)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(jī)組相應(yīng)移動(dòng)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(kāi)始運(yùn)行。由于礦井供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮制冷系統(tǒng)的用水，因此存在一定的供水不足，試驗(yàn)時(shí)對(duì)冷卻水量分別為30 m3/h 與50 m3/h 時(shí)的工況進(jìn)行了觀測(cè)、并與實(shí)施制冷降溫前的風(fēng)溫進(jìn)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(jiàn)，在冷卻水供水量為30 m3/h 時(shí)，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(shí)，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(yàn)結(jié)果可以看出，冷卻水供水量對(duì)制冷機(jī)的制冷效果有明顯影響。由于當(dāng)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(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間不同時(shí)刻水溫變化曲線如圖7。

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

從圖7 可見(jiàn)，制冷機(jī)在運(yùn)行32 h 后，系統(tǒng)保持在1 個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。來(lái)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(jìn)入地面水池自然冷卻，再送入井下循環(huán)使用。工作面進(jìn)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(jìn)口空氣溫度27.4 ℃、相對(duì)濕度85%，蒸發(fā)器出口空氣溫度17.2 ℃、相對(duì)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(guò)優(yōu)化礦井供水系統(tǒng)，加大制冷機(jī)冷卻水供水量，可以保證制冷機(jī)組正常工作；使用2 臺(tái)ZLF-450 型機(jī)組可達(dá)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(dòng)風(fēng)冷降溫技術(shù)。該系統(tǒng)將移動(dòng)制冷機(jī)放置于距工作面200 m 內(nèi)的進(jìn)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(shí)現(xiàn)了將造價(jià)低、易于維護(hù)的礦用移動(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明制冷機(jī)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(dòng)風(fēng)冷系統(tǒng)可以穩(wěn)定高效運(yùn)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(jī)的能效比達(dá)到3.05，2 臺(tái)ZLF-450 型機(jī)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(duì)制冷效果有明顯影響，礦井供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)往往沒(méi)有考慮制冷機(jī)組的用水需求，導(dǎo)致制冷機(jī)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(duì)供、排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，加大生產(chǎn)供水量，保證制冷機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。