張習(xí)軍

1瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室 重慶 400037

2中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

我 國已探明的煤炭資源儲量中約有一半埋深超過千米，且我國煤礦每年平均往深部延伸 8～12 m，開采深度超過 800 m 的煤礦有 200 余處，其中超過 1 000 m 的有 47 處，最深的已達(dá)到 1 500 m[1]。生產(chǎn)設(shè)備散熱和深部開采，加重了井下的高溫?zé)岷?。開采深度超過 800 m 時，采掘工作面干球溫度將達(dá)到或超過 30 ℃[2]，采取機械制冷降溫措施是解決高溫?zé)岷ψ顬橛行У氖侄巍?/p>

霄云煤礦開采深度已超過 800 m，為解決采掘工作面的高溫?zé)岷栴}，設(shè)計了 1 套井下集中制冷降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心設(shè)備為 ZLS-3300 制冷裝置。筆者以 ZLS-3300 制冷裝置在霄云煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，分析其應(yīng)用效果。

1 礦井概況

霄云煤礦于 2008 年底開工建設(shè)，2013 年 7 月正式投產(chǎn)，設(shè)計年生產(chǎn)能力為 90 萬 t。礦井所在地區(qū)平均地溫梯度為屬地溫正常區(qū)。礦井井口標(biāo)高 +40 m，井底標(biāo)高 -790 m，主采水平采掘工作面標(biāo)高位于 -650～-790 m，原始巖溫超過 37 ℃，為二級熱害區(qū)。夏季生產(chǎn)期間采掘工作面干球溫度均超過30 ℃，最高達(dá)到 33 ℃，相對濕度最高達(dá)到 95%，屬于三級熱害礦井，必須采取有效的降溫措施，否則應(yīng)停止作業(yè)[3]。

2 ZLS-3300 制冷裝置

ZLS-3300 制冷裝置是模塊化結(jié)構(gòu)，核心部件由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。單臺制冷功率為 3 300 kW，富裕度不小于 10%，冷凝器水側(cè)能夠承受 16 MPa 的高壓，蒸發(fā)器水側(cè)能承受 6.4 MPa 的高壓，模塊化的結(jié)構(gòu)和緊湊的布局便于運輸與安裝。ZLS-3300 制冷裝置壓縮機采用礦用隔爆型三相異步電動機和礦用隔爆型安全電控設(shè)備以滿足煤礦井下使用要求。ZLS-3300 制冷裝置基本參數(shù)如表 1 所列。

表1 ZLS-3300 制冷裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of ZLS-3300 refrigeration device

3 降溫系統(tǒng)工藝設(shè)計及設(shè)備選型

3.1 需冷量計算

霄云煤礦生產(chǎn)為 -790 m 水平的一采區(qū)，二采區(qū)是接續(xù)采區(qū)，布置掘進(jìn)工作面。正常生產(chǎn)條件下，布置 2 個采煤工作面和 6 個掘進(jìn)工作面，具體情況如表2 所列。

表2 采掘工作面基本情況Tab.2 Basic situation of working face

取干球溫度和相對濕度的最高值作為降溫?zé)崃?shù)值，降溫后的干球溫度和相對濕度的目標(biāo)值分別取28 ℃、80%，以此計算采掘工作面降溫需冷量[5]，冷量損失按總需冷量 20% 考慮，降溫系統(tǒng)需冷量如表 3所列。

表3 降溫系統(tǒng)需冷量Tab.3 Cooling capacity of cooling system kW

3.2 主要設(shè)備選型

根據(jù)表 3 計算結(jié)果，對制冷裝置和空冷器進(jìn)行選型，如表 4 所列。選擇 2 套 ZLS-3300 制冷裝置，總制冷量為 6 600 kW，較表 3 計算的總需冷量 6 270 kW有 5% 的富余量，選型滿足要求。

3.3 降溫系統(tǒng)工藝設(shè)計

霄云煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)工藝由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和補水系統(tǒng)構(gòu)成。降溫系統(tǒng)工藝如圖 1 所示。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水循環(huán)泵、冷凝器、冷卻塔、冷卻水池等構(gòu)成。地面冷卻水循環(huán)泵將水池中的水通過冷卻水供水管路送往井下制冷裝置冷凝器，進(jìn)水溫度約為 32 ℃，在冷凝器中吸熱后，出水溫度約為 40 ℃，經(jīng)冷卻水回水管路進(jìn)入地面冷卻塔，降溫后回到冷卻水池。

表4 制冷裝置和空冷器選型Tab.4 Model selection of refrigeration device and air cooler

圖1 井下集中制冷降溫系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process f low of centralized cooling system in underground mine

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由蒸發(fā)器、空冷器、冷凍水循環(huán)泵等構(gòu)成。從制冷裝置蒸發(fā)器出來的約 3 ℃ 的冷凍水經(jīng)冷凍水供水管路送往采掘工作面空冷器，與風(fēng)流進(jìn)行對流換熱后，冷凍水溫度升高至 15 ℃ 左右，再經(jīng)冷凍水回水管路返回制冷裝置蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度升高至 18 ℃ 左右。

補水系統(tǒng)分為地面補水系統(tǒng)和井下補水系統(tǒng)。地面補水系統(tǒng)補水源來自工業(yè)用水，通過軟化水裝置軟化處理后，進(jìn)入冷卻水池，補水量為井下補水系統(tǒng)采用定壓自動補水原理，在冷卻水回水管路和冷凍水供水管路之間安裝減壓閥組、補水箱和補水泵。由冷卻水回水管路取補水點，高壓冷卻水經(jīng)減壓閥組減壓后壓力降至 0.6 MPa，低壓水進(jìn)入補水箱，再通過補水泵補入冷凍水供水管路中，根據(jù)冷凍水供水管路壓力變化，實現(xiàn)定壓自動補水。

4 降溫效果分析

1308 采煤工作面在軌道順槽安裝 4 臺空冷器，相鄰 2 臺空冷器間距 200 m，離工作面最近的空冷器距進(jìn)風(fēng)口 200 m，如圖 2 所示。

圖2 1308 采煤工作面測點布置Fig.2 Arrangement of testing points on coal-mining face 1308

圖3 1308 采煤工作面降溫效果Fig.3 Cooling effects of coal-mining face1308

圖4 1308 采煤工作面降濕效果Fig.4 Dehumidif ication effects of coal-mining face1308

1308 采煤工作面降溫前后降溫效果如圖 3 所示，降濕效果如圖 4 所示。空冷器入風(fēng)口風(fēng)流干球溫度為 30.5 ℃，經(jīng)過 4 臺空冷器階梯式冷卻，干球溫度降低至 16.8 ℃，降溫幅度為 13.7 ℃。風(fēng)流經(jīng)風(fēng)筒送至 1308 采煤工作面，風(fēng)筒出風(fēng)口干球相對濕度為70%，溫度升高至 17.4 ℃；風(fēng)流從風(fēng)筒向外射出，至1308 采煤工作面入風(fēng)口干球相對濕度為 74%，溫度升高至 22.5 ℃，回風(fēng)口干球相對濕度為 78%，溫度升高至 27.3 ℃；風(fēng)流達(dá)到工作面回風(fēng)口 100 m 時，干球相對濕度為 88%，溫度達(dá)到 29.5 ℃，工作面段基本上處于人體舒適的環(huán)境中。

5 結(jié)語

ZLS-3300 礦用隔爆型制冷裝置適用于大采深礦井的井下集中降溫。使用該設(shè)備進(jìn)行高溫?zé)岷Ψ乐危哂兄评淞看?、承壓高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。霄云煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)以 1308 工作面為例設(shè)計和配置降溫設(shè)備。方案實施后，整個工作面工作區(qū)處于人體舒適的環(huán)境中，降溫效果明顯，超溫問題得到有效解決，實現(xiàn)了回風(fēng)口干球溫度不超過 28 ℃，相對濕度不超過 80% 的目標(biāo)。