倪少軍，趙新宇

國家能源集團寧夏煤業(yè)公司麥垛山煤礦 寧夏靈武 751400

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭作為我國能源支柱仍占有重要地位。煤炭資源的不斷開發(fā)，礦井的深度開采成為必然趨勢，由此加劇了礦井熱害的嚴重程度。礦井熱害是指煤礦井下的大氣環(huán)境溫度和相對濕度超過一定限度時，影響井下作業(yè)的正常進行和礦工身體健康的現(xiàn)象。

造成礦井熱害的原因主要有井巷圍巖放熱、機電設(shè)備放熱、煤巖氧化放熱、運輸中煤炭及矸石放熱、井下熱水放熱等。長期在高溫環(huán)境下工作，不僅降低礦工的勞動效率，還會對礦工的生命健康造成威脅[1-5]。資料顯示，以目前《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的溫度為基準，礦內(nèi)環(huán)境溫度每增加 1 ℃，礦工的生產(chǎn)效率就會下降 6%～ 8%。礦井熱害已經(jīng)成為危害礦井深度開采的重大災(zāi)害之一[6]。

礦井降溫方式歸納起來主要有兩類[7-10]：一為非人工制冷措施，如改變礦井通風路線、增大風量、改革采煤方法及管理頂板以減少熱源散熱、井下熱水治理等；二為人工制冷降溫，也稱為礦井空氣調(diào)節(jié)，即在地面或井下安裝制冷機組，并將制取的冷量輸送到采掘工作面等需冷地點。一般在地溫為 31～ 37℃時，熱害不太嚴重情況下，采用非人工制冷方法可以解決熱害問題，也有采用冷卻服等個體保護方式[11]，但目前仍在探索階段，尚未得到廣泛應(yīng)用。在地溫達到 37 ℃ 以上時，單靠非人工制冷措施不能解決熱害問題時，應(yīng)采用人工制冷降溫措施。

從制冷機組服務(wù)的范圍來看，人工制冷降溫方法分為集中制冷與局部制冷兩大類。其中，集中制冷降溫又分為地面集中制冷、井下集中制冷和井上下聯(lián)合制冷 3 類。無論哪一種集中制冷方法，均需采用大型制冷設(shè)備制取冷水，通過長距離輸冷管道將冷水輸送到采掘工作面，并與風流進行熱交換來降低工作面空氣的溫度。集中制冷降溫設(shè)備投資和工程費用都非常巨大，長距離輸冷和多個換熱環(huán)節(jié)造成冷量損失巨大、效率低下、運營費用高。

因此，在需要制冷降溫工作面數(shù)量少、需冷量小、井下排熱條件好的礦井，采用簡單可靠、易于移動的局部降溫系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。

筆者對麥垛山礦井高溫區(qū)的分布情況和機電設(shè)備的散熱情況進行了采集和分析，確定了采掘工作面的需冷量，采用 ZLF-450 制冷機組組成井下局部降溫系統(tǒng)，通過具體實施考察了該局部降溫系統(tǒng)的應(yīng)用效果。研究結(jié)果可為深井熱害的治理提供新思路。

1 地溫及熱源分析

1.1 礦井概況

麥垛山井田位于寧夏回族自治區(qū)中東部地區(qū)，距銀川市約 70 km。整個井田呈北西—南東向條帶狀展布，南北長約 14.0 km，東西寬約 4.5 km，勘探區(qū)面積約為 65 km2。2015 年 8 月，麥垛山煤礦 130606 首采工作面投入試生產(chǎn)。該工作面在掘進和設(shè)備安裝過程中都出現(xiàn)了高溫熱害現(xiàn)象，結(jié)合鄰近礦井的降溫經(jīng)驗，采取了加大工作面風量的措施，但效果并不明顯，采煤工作面最高溫度仍然高達 33 ℃。井下高溫熱害已經(jīng)成為制約礦井安全生產(chǎn)的突出問題。

1.2 地溫分布

圍巖放熱是導(dǎo)致礦井高溫產(chǎn)生的主要原因之一。礦山地溫的具體分布受埋深、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動和局部熱源等多種因素影響。分析統(tǒng)計不同位置和深度條件下礦區(qū)的高溫區(qū)的分布，對于礦井熱害治理具有重要的指導(dǎo)意義[12-13]。依據(jù)《煤炭資源勘探地溫測量的若干規(guī)定》中的要求，礦井熱害分為 2 類：一級熱害區(qū)，巖體的初始巖石溫度為 31～ 37 ℃；二級熱害區(qū)，巖體的初始溫度 ≥ 37 ℃。麥垛山井田屬地溫異常區(qū)。根據(jù)全井田 49 個測溫孔資料統(tǒng)計，孔底溫度達 31 ℃ 以上的鉆孔有 44 個，一級和二級熱害區(qū)占總測溫孔的 89%，其中，孔底溫度達 37 ℃ 以上為 19個，二級熱害區(qū)占測溫孔數(shù)的 38%。因此，麥垛山井田熱害區(qū)占比較高，對其采取降溫措施勢在必行。

受太陽輻射和地熱的綜合作用，地殼沿垂直方向形成 3 個溫度變化帶：變溫帶、恒溫帶和增溫帶。地層淺部為變溫帶，受太陽輻射和地表氣流影響，呈現(xiàn)年周期變化；變溫帶下部為恒溫帶，深度一般在 10 m以上，受地表氣流的影響較弱，溫度基本不隨時間變化；增溫帶溫度隨深度呈近似線性增加。麥垛山井田開采深度較深，目前已達到 730 m。根據(jù) 44 個有一級熱害區(qū)的鉆孔統(tǒng)計，地溫值為 31 ℃ 最淺的點孔垂深為 500.14 m (相當于標高 954.50 m)，最深的點孔垂深為 848.78 m (相當于標高 552.05 m)；地溫值為 37 ℃最淺的點孔垂深為 637.70 m (相當于標高 816.94 m)，最深的點孔垂深為 931.64 m (相當于標高 448.91 m)。鉆孔孔深與孔底溫度之間關(guān)系如圖 1 所示。由圖 1 可知，僅在孔深為 760 m 處孔底溫度為 28.9 ℃，其余位置均高于 31 ℃，最高甚至超過了 40 ℃，由此也說明了采取降溫措施的必要性。

圖1 鉆孔孔深與孔底溫度之間的關(guān)系Fig.1 Relationship of drilling depth and bottom temperature

1.3 礦井機電設(shè)備

目前，煤礦開采的機械化程度越來越高，裝機功率越來越大，大功率的機電設(shè)備向周圍環(huán)境放熱，對進入采煤工作面的風流形成加熱作用，成為主要熱源之一。麥垛山煤礦實現(xiàn)了高度機械化采煤法，綜采工作面機電設(shè)備裝機容量達到 6 285 kW，主要機電設(shè)備功率如表 1 所列。由于通風能力有限，局部機電設(shè)備發(fā)熱嚴重。

表1 主要機電設(shè)備功率Tab.1 Power of main electromechanical equipments

1.4 采掘工作面需冷量

根據(jù) GB 50418—2017《煤礦井下熱害防治設(shè)計規(guī)范》，采掘工作面需冷量[14]

式中：Q為采掘工作面的需冷量，kW；G為采掘工作面的通風質(zhì)量流量，kg/s；i1、i2分別為處理前、后采掘工作面風流的焓，kJ/kg。

麥垛山煤礦 130606 采煤工作面夏季 8 月份工作面回風口實測最高干球溫度為 33 ℃，相對濕度接近95%。降溫前后采煤工作面氣象參數(shù)如表 2 所列。

表2 降溫前后采煤工作面氣象參數(shù)Tab.2 Meterological parameters on mining face before and after cooling

經(jīng)計算，該采煤工作面的需冷量為 1 216.95 kW?？紤]到輸冷過程中的冷量損失，附加系數(shù)按 1.1倍，則制冷站冷負荷應(yīng)不小于 1 339 kW。

2 麥垛山煤礦井下降溫技術(shù)實施

礦井降溫系統(tǒng)有不同的安裝方式和運行方式。目前常用的礦井降溫系統(tǒng)主要有 4 類：地面集中式、井下集中式、井上井下聯(lián)合式、井下局部分散式[15]。地面集中式適用于全礦井制冷降溫，但需在井底進行高低壓轉(zhuǎn)換，輸冷管道長，冷量損失大，且需安裝大直徑管道；井下集中式適用于全礦井或采區(qū)的多個采掘工作面制冷降溫，但需要在井下建設(shè)大面積的硐室，且對設(shè)備有防爆要求，設(shè)備的安裝和維護比較困難；井上井下聯(lián)合式適用于全礦井制冷降溫，但其系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備分散而不便于管理；井下局部分散式具有安裝靈活、管程較短、冷量損失小、容易搬遷重復(fù)使用等特點[16]，在高溫礦井中逐漸得到較為廣泛的應(yīng)用。

井下局部機械制冷降溫是將整體制冷機組布置在采區(qū)內(nèi)部或采區(qū)附近，對 1 個或多個采掘工作面進行降溫的方式。已有文獻[17-19]分別對不同型號的井下可移動式局部制冷機組的應(yīng)用進行了分析。在采煤工作面，可以在進風順槽內(nèi)安設(shè)局部制冷機組，直接制冷降低進入工作面的風流溫度，進而改善采煤工作面作業(yè)環(huán)境。

井下局部降溫制冷設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、投資小、建設(shè)周期短，可設(shè)于平板車上，安裝、移動、拆卸方便，無需鑿掘?qū)ｉT硐室。根據(jù)礦井實際情況，該礦熱害防治采用 3 用 1 備機組串聯(lián)組合方式進行局部降溫。

2.1 系統(tǒng)工藝

一般情況下，局部移動式制冷機組的制冷系統(tǒng)主要由制冷主機 (包括電動機、壓縮機、冷凝器、膨脹節(jié)流閥、控制箱) 及蒸發(fā)器、局部風機、膠質(zhì)風筒、柔性波紋管等組成 (見圖 2)，冷凝熱的排放主要由冷凝器、冷卻器、冷卻水泵、冷卻水管及冷卻水箱等完成。

圖2 制冷系統(tǒng)Fig.2 Cooling system

壓縮機將吸收過熱負荷的低壓氣態(tài)制冷劑吸入并壓縮為高壓高溫蒸汽，通過冷凝器將熱量傳遞給冷卻水，同時制冷劑變?yōu)榈蜏馗邏阂后w，通過膨脹閥節(jié)流，變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嗷旌衔镞M入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷 (吸熱)，而安裝于蒸發(fā)器進風端的風機則不斷吸入周圍環(huán)境中的熱空氣與蒸發(fā)器進行熱量交換，通過與蒸發(fā)器連接的膠質(zhì)風筒將冷風送到采煤工作面，從而達到降低環(huán)境溫度的目的。在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱后的制冷劑以低壓氣態(tài)進入壓縮機再次進行循環(huán)。吸熱后的冷卻水被送到冷卻站，通過冷卻器把熱負荷傳給采區(qū)回風，由礦井回風系統(tǒng)排往地面大氣。其中，冷凝器中冷凝熱的排放是影響制冷降溫效果的關(guān)鍵。

局部制冷機組工作主要由 2 個循環(huán)構(gòu)成。

(1) 制冷劑循環(huán) 液態(tài)制冷劑 (R407C) 經(jīng)節(jié)流閥減壓后在蒸發(fā)器中吸收冷凍水的熱量，由液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮，形成高溫高壓 (1.6 MPa，85 ℃) 的過熱氣體排至冷凝器，與冷卻水換熱后再形成高壓液態(tài)制冷劑，完成 1 個循環(huán)。

(2) 冷卻水循環(huán) 冷卻水通過主機冷凝器側(cè)吸收制冷劑中的熱量升溫至約 40 ℃，用冷卻水管道輸送至冷卻器與回風流進行換熱，冷卻水溫降至約 30 ℃再返回制冷機組冷凝器側(cè)，完成 1 個循環(huán) (見圖 3)。經(jīng)過冷卻器的回風流被加熱后，通過 130606 回風巷經(jīng)由回風井排至地面。

圖3 冷卻水循環(huán)Fig.3 Circulation of cooling water

冷卻器采用 2 級冷卻方式：1 級冷卻采用風冷，依靠風通過傳導(dǎo)方式帶走冷卻器盤管內(nèi)流體的熱量；2 級冷卻采用風冷和噴淋冷卻，風與噴淋水接觸，在風冷的同時，通過與冷卻器表面上的噴淋水蒸發(fā)換熱和對流換熱帶走傳熱管內(nèi)流體的熱量，顯著增強了冷卻器的熱交換效果。

冷卻器的出風口處設(shè)有 S 形擋水板，濕熱空氣經(jīng)脫水后排出機外。冷卻器運行中，噴淋循環(huán)水的水溫會略有上升，但通過補充一定的水量，水溫會穩(wěn)定在接近進風溫度。噴淋水的消耗量僅為單位流量的0.01%～ 0.02%。

2.2 制冷機組及配套風機選型

2.2.1 制冷機組選型

根據(jù)計算的冷負荷，選用 4 臺 ZLF-450 型移動式局部制冷機組組成制冷站，3 用 1 備，對 130606 采煤工作面進行制冷降溫。制冷機組主要由 1 臺制冷主機、1 臺蒸發(fā)器及 1 臺冷卻器 3 部分組成，主要技術(shù)參數(shù)如表 3 所列。

表3 制冷機組主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of cooling engine set

2.2.2 配套風機的選型

蒸發(fā)器型號為 ZLF-450F，3 用 1 備，與制冷主機運行方式一致。蒸發(fā)器的通風阻力為 1 150 Pa，所選風機風量為 800 m3/min，功率為 2×30 kW，電壓為 1 140/660 V，全壓大于 1 250 Pa。

冷卻器型號為 LQ-600，3 用 1 備，與制冷主機運行方式一致。冷卻器的通風阻力為 1 000 Pa，所選風機風量為 815～563 m3/min，功率為 2×37 kW，全壓為 1 364～6 161 Pa。在風量為 840 m3/min 時，風機全壓大于 1 100 Pa。

2.3 實施方案

局部降溫系統(tǒng)安裝布置如圖 4 所示。制冷站設(shè)在 130606 輔助運輸巷距離工作面約 500 m 處，靠近措施巷。制冷站有 4 臺 ZLF-450 型制冷主機、4 臺蒸發(fā)器及配套的 4 臺風機，均落地安裝。與蒸發(fā)器連接的 2 趟輸送低溫冷風的風筒出口距離工作面分別為50 m 和 150 m (見圖 5)。制冷站采用 3 用 1 備的運行方式，也可根據(jù)實際的需冷量，采用 4 用或 2 用 2 備等多種靈活的運行方式。隨著工作面的回采進度，制冷站可根據(jù)現(xiàn)場條件定期 (2～4 個月) 回撤 1 次，既能保證工作面的降溫效果，又可減少制冷設(shè)備移動次數(shù)，不影響安全生產(chǎn)。

圖4 采煤工作面降溫系統(tǒng)布置示意Fig.4 Layout of cooling system on mining face

圖5 工作面制冷機組布置方式Fig.5 Layout mode of cooling engine set on mining face

冷卻站主要有 4 臺 LQ-600 型排熱冷卻器及與之相配套的風機、水泵和水箱等設(shè)備，集中設(shè)在 130606工作面輔助運輸巷跨巷段與主水平回風大巷西側(cè)交叉位置。該處巷道空間大，場地平整，可直接放置冷卻站設(shè)備，無需掘進專門硐室，且距總回風巷較近，排熱方便。據(jù)現(xiàn)場實測，該處回風風量達 1 800 m3/min，風溫為 26～28 ℃，滿足冷卻站排熱要求。

制冷主機距冷卻器 3 000 m，需鋪設(shè) 2 趟長度為3 000 m 的冷卻水管，合計為 6 000 m。冷卻水循環(huán)管路鋪設(shè)在 130606 工作面輔助運輸進風巷道內(nèi)，由于從冷凝器出來的冷卻水溫度約為 40 ℃、從冷卻器返回的水溫約為 30 ℃，因此 2 趟冷卻水管均需做保溫隔熱處理。保溫管 (見圖 6) 采用一次性整體澆注成型工藝，工作管、保溫層、外保護管三者緊密結(jié)合在一起，保溫隔熱效果好，且具有良好的防水、防潮綜合性能。保溫層采用導(dǎo)熱系數(shù)小的聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，厚度為 40 mm；外保護管為“雙抗”高強 PVC塑料管，壁厚為 8 mm。保溫管每根長為 6 m，質(zhì)量輕，便于井下運輸與安裝。

圖6 保溫管結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural sketch of insulation pipe

130606 采煤工作面局部降溫設(shè)備 (冷卻站) 660 V電源取自 130604 工作面機巷繞道新設(shè)移變 KBSGZY-630/10/0.69 630 kVA 低壓側(cè)，高壓電力電纜接至 13采區(qū)變電所高爆 5203 號 PBG50-10Y。高壓電力電纜采用 MYPTJ-10 kV 3×50+3×25/3+3×2.5 mm2型礦用屏蔽監(jiān)視型橡套軟電纜，低壓電力電纜采用MYP 型礦用移動屏蔽橡套軟電纜。井下電壓等級為10 kV 及 660 V。

3 實施效果分析

采用 ZLF-450 局部降溫機組后，綜采工作面的中部降溫效果如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，當需冷量為 1 MW 時，采用 3 用 1 備方案運行，工作面空氣的溫、濕度都會降到最低，降溫效果最好；當需冷量為 1.8 MW 時，4 臺制冷機組同時運行，環(huán)境空氣的溫、濕度也能達到設(shè)計要求，但此時 4 臺機組達到最大運行負荷。

圖7 局部降溫效果Fig.7 Local cooling effects

ZLF-450 型局部制冷機組安裝前和運行 3 個月后，分別對采煤工作面溫、濕度進行了測量。測量位置如表 4 所列，測量結(jié)果如圖 8 所示。當蒸發(fā)器出風溫度為 17.0 ℃ 時，風筒出口溫度分別為 21.0 ℃和 22.5 ℃，采煤工作面上部最高溫度由 32.5 ℃ 降低到 31.0 ℃，相對濕度降低了 9%；采煤工作面平均干球溫度由 31.0 ℃ 降低到 27.5 ℃，平均降低 3.5 ℃，相對濕度平均降低了 10% 以上。雖然沒有達到《煤礦安全規(guī)程》第 655 條規(guī)定的生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過 26 ℃，但井下降溫是為工作人員創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境為目的，因此筆者認為應(yīng)采用等效溫度作為井下工作環(huán)境的衡量標準。GB 50418—2017《煤礦井下熱害防治設(shè)計規(guī)范》附錄中推薦了等效溫度計算方法，國外的井下降溫設(shè)計也是以等效溫度作為評價標準。

圖8 工作面局部降溫系統(tǒng)使用前后溫度及相對濕度Fig.8 Comparison of temperature and relative humidity on mining face before and after application of local cooling system

表4 溫、濕度測量點位置Tab.4 Location of temperature and humidity test points

等效溫度teff是人體對環(huán)境溫度的感覺指標，與空氣的干球溫度ta、濕球溫度tf、風速v相關(guān)。當干濕球溫差不大于 5 ℃、濕球溫度為 25～35 ℃、風速為 0.5～3.5 m/s 時，可通過下式計算：

以人體對井下 -800 m 處靜風狀態(tài)、28 ℃ 飽和空氣的感覺為例，當風速為 1.5 m/s、相對濕度為 90%、干球溫度為 30.2 ℃ 時，以及當風速為 2.5 m/s、相對濕度為 90%、干球溫度為 30.9 ℃ 時，人體感覺與上述舉例氣象條件相當。德國等國在井下降溫設(shè)計中取最高等效溫度不超過 32 ℃，淮南礦業(yè)集團所屬高溫礦亦采用此種評價方法作為井下降溫設(shè)計依據(jù)，設(shè)計回采工作面上隅角等效溫度不大于 32 ℃，下隅角等效溫度約為 23 ℃，在實際運行中取得滿意的效果。

麥垛山礦局部降溫系統(tǒng)實施后，工作面平均等效溫度降低至 26 ℃ 以下，明顯改善了工作面工作條件，保護了職工身心健康，推動了礦井的安全高效生產(chǎn)。職工出勤率及工作效率明顯提升，經(jīng)濟效益也明顯提升。

4 結(jié)語

通過對麥垛山煤礦地溫及設(shè)備運行散熱情況進行綜合分析，在對工作面需冷量進行計算的基礎(chǔ)上，提出了采用 ZLF-450 型局部制冷機組對采煤工作面進行降溫的方案，制冷機組采用 3 用 1 備并聯(lián)運行模式。冷凝熱通過冷卻器采用風冷加噴淋水蒸發(fā) 2 級排熱方式，顯著提高了熱交換效率。多臺機組聯(lián)合運行，可根據(jù)工作面需冷量變化，實時對機組進行組合運行調(diào)節(jié)，使采煤工作面達到了良好降溫效果，有效解決了采煤工作面熱害問題。該降溫系統(tǒng)可直接作用于采煤工作面，安裝靈活，送冷距離短，冷量損失小，易于移動，可重復(fù)使用，大大降低了投資成本，可為大埋深礦井消除熱害問題提供借鑒。