井下移动式局部降温系统设计
王玉麟
（煤炭工业合肥设计研究院，230041）
1 矿井概况
1.1 位置
任楼井田位于安徽省宿州市西南约30km的濉溪、蒙城二县交界处。
1.2 矿井瓦斯
本矿井原为高瓦斯矿井；2004年矿井瓦斯等级鉴定矿井瓦斯绝对涌出量为41.88m3/min，相对涌出量为9.17m3/t。改扩建后最大绝对瓦斯涌出量为88.36 m3/t。2008年该矿井瓦斯等级鉴定为双突矿井。
1.3 设计生产能力及服务年限
矿井改扩建后设计生产能力3.00Mt/a，矿井计算服务年限为32年。
1.4 井田开拓方式
本井田煤层回采上限约为-350m，开采下限为-800m，划分为两个水平开采，其中第一水平标高为-520m，二水平标高确定为-720m，-720～-800m采用下山开采。本矿井一水平采用立井、主要石门、分组大巷开拓方式。二水平采用延深副立井与暗主斜井相结合、主要大巷、分区石门开拓方式。
1.5 矿井热害现状
本井田平均地温梯度介于2.23～4.22℃/hm之间，局部地段因地温梯度偏高而出现地温异常，随着矿井采深的加大，地温将会不断上升，局部地段已出现热害。其中中五采区7257集中回风巷和7257集中运输巷这两个掘进头热害较为突出。任楼矿工作面温度达30～37℃。[1]根据《煤矿安全规程》规定: “生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃”; “采掘工作面的空气温度超过30℃, 必须采取降温措施逐步解决”。
2 井下降温冷负荷分析
2.1 矿井热环境分析
影响本矿井的热环境因素，分析归纳主要有以下三个方面：
2.1.1 矿井地面大气环境
矿井风流是由地面流入井下的，地面大气环境对井下风流气象条件的影响较大。本矿井地处淮河冲积平原，属季风温暖带半湿润气候，季节性明显，夏季炎热。矿井所在地宿州市的年平均气温为14.4℃，7、8月份的月平均气温在27℃以上，历史最高气温40.3℃。由于夏季地面入风温度较高，且温、湿度变化较大，因而导致井下入风流温度较高，温、湿度变化也较大。
2.1.2 地质地热因素
本矿井煤系地层被厚度为190.00～321.92m的新生界松散层所覆盖，属全隐蔽含煤区。由于新生界松散层导热性能差，阻碍了地热向地面大气传散，使得深部热流积聚在煤系地层中，从而导致井田地温梯度较高（平均3.00℃/hm）。
同时，由于受到构造、地层结构和新生界松散层厚度变化的影响，井田不同地温带温度场分布存在一定的差异。根据《皖北矿务局任楼井田建井地质报告》（1996年10月）提供的地质资料，本井田在勘探阶段共完成简易测温孔35个，稳态测温孔2个测温深度10～883m。单孔平均地温梯度≤3℃/hm的孔为24个，占70.5％；单孔平均地温梯度>3℃/hm的孔为10个，占29.5％。可见本井田除局部地段地温梯度偏高出现地温异常外，其大部分范围仍属地温正常区；其异常区一般集中分布在童亭背斜东南部位的转折端处及深部的次一级隆起附近。但是，随着矿井开采深度的增加，地温也会不断上升，甚至在局部区段可能会有热害出现。
2.1.3 矿井生产环境
矿井开采所形成的生产环境对井下热环境具有直接的影响。如机电设备运转时散热、运输中的煤矸放热、通风风流的压缩热以及采掘裸露煤岩的氧化散热等，都将与矿井风流发生热交换，使井下风流温度升高。
2.1.3.1 机电设备运转时散热
本矿井井下采、掘、运等各生产环节机械化程度较高。因此，机电设备运转时散热对井下热环境有一定的影响。
2.1.3.2 运输中的煤矸放热
从采掘工作面采落下来的煤矸，温度接近围岩的初始温度，将其从采掘工作面运送至地面的过程中，煤矸便将自身热量传递至风流中，引起风流温升。
2.1.3.3 风流压缩热
矿井一水平标高-520m，二水平标高-720m。风流在向下流动时的自身压缩热，也是导致矿井热害的一个因素。
2.1.3.4 氧化放热
本矿井大多数煤层属易自燃煤层，煤和含煤、含硫围岩及支护材料的氧化散热，也是局部气温升高的热源。
综上所述，影响本矿井热环境的因素较多，本矿井为开采多年的老矿井，开采水平深，地温较高，通风线路长，技术改造及扩建工程实施后，采、掘工作面技术装备水平提高，机电设备散热量大，热害将成为制约矿井安全生产的主要因素之一。
3 确立井下移动式局部降温系统
根据目前采、掘工作面气温实测情况及气温预测，改扩建初期采掘工作面气温超限范围不大，热害程度不是很严重，对个别气温超限地点，可采取局部机械制冷降温措施来改善工作面的气象条件。鉴于本矿井采至-800m处尚有一段时日，降温系统应在全面分析技术方案和经济合理性，并结合二水平的具体层位条件、施工时的气温状况来准确预计气温的基础上方可确定。
由于本矿井采区分散、通风线路长，矿井需风量大，集中降温系统制冷效果较差，设计建立井下局部降温系统。
4 矿井气温预测计算
预测计算井下风流的气象参数是高温矿井热害防治设计的前提。采取的降温措施是否合理、经济、有效，在很大程度上取决于矿井气温预测计算是否准确。因此，比较准确地预测出井下风流的气象参数是矿井热害防治设计的关键。
根据目前国内矿井气温预测的现状，针对本矿井通风线路较长、影响气温变化的因素较多而且多变的具体特点，设计采用《矿井气温预测计算软件》对综采工作面气象参数进行预测计算。对一些关键性参数的选取尽量参照邻近生产矿井的观测分析值，以尽可能与实际相吻合。
《矿井气温预测计算软件》采用的是风量、温度和湿度联合解算的方法，对采掘工作面的气象参数进行单风路预计，并按照井筒、巷道、回采工作面和掘进工作面，分别建立不同的计算模型。主要计算公式如下：
1. 井筒
井筒内风流的压缩热、淋水大小对井底车场温度的影响较大。计算模型：
tB= 
(273+tA)+
(273+tA)+ +
-273
-273式中：FH、Yc—决定于井筒深度的函数；
Hc—换热因子；
E、M1、M2—计算系数；
tA、tB—井筒始、末端温度，℃;
ZD—井筒氧化放热量，kW；
G—井筒质量风量，kg/h。
2. 巷道
影响巷道风流温度变化的主要因素是围岩的散热，并考虑到水分蒸发对壁面温度的影响，引用了无因次系数Kt。
计算模型：
干壁温度：Td=T+(Ty-T）/(1+αd/kt）
湿壁温度：Ts= 
壁面温度：Twb=（1-Fo)Td+FoTs
巷道末端温度：TB=TA+
含湿度：dB=d1+
式中：Kt—无限岩体与巷道壁面间的不稳定热交换系数。
W/（m·k）；
αd·αs—干燥、潮湿壁面的放热系数，W/（m·K）；
Fo—巷道壁面潮湿系数。
3. 回采工作面
回采工作面热交换因数比较多，且很复杂，其末端气温按照下式确定：
TB=
式中：Ct·Fj—工作面温度系数；
Zm—煤体运输时的放热量，kW；
G—工作面质量风量，kg/h。
4. 掘进工作面(压入式通风)
掘进工作面为独头通风巷道，风筒出口风流与新掘露的围岩面强烈地进行热交换；掘进巷道中有进风流和返回风流，风筒也参与热交换。计算模型：
局扇出口风流气温：TF+=TA+
风筒出口风流气温：Tc=
掘进工作面迎头气温：
TB=
式中：Ck、Nn、M—计算系数；
Pf—局扇工作压力，mmH2O；
kt—工作面近区壁面不稳定换热系数，W/(m·K)；
F3—工作面近区表面面积，m2。
计算过程借助计算机进行迭代解算，精度要求小于0.1℃。
5 工作面需、配冷量计算
5.1 井下气象标准的确定
《煤矿安全规程》（2010）第一百零二条规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。
国务院1982年2月13日颁布实施的《矿山安全条列》第五十三条规定：井下工人作业地点的空气温度不得超过28℃，超过时应当采取降温或其它防护措施。
中华人民共和国卫生部1989年2月24日发布的《煤矿井下采掘作业地点气象条件卫生标准》规定：井下采掘作业地点在风速为0.5～1.0m/s时，干球温度不高于28℃；风速为0.3～0.5m/s时，干球温度不高于26℃。
经测算，设计温度每提高1℃，可以减少约6％的能耗。工作面设计温度提高，还可以在送出同等冷量的情况下加大送风温差，减少送风量，从而使降温设备体积变小，给在狭窄的巷道中布置设备带来便利。
基于上述理由，本设计掘进工作面降温设计温度为28℃。
5.2 工作面需冷量计算
根据《热害防治规范》中采掘工作面需冷量计算公式：
Q＝G×（i1－i2）
式中Q——采掘面需冷量；kW
G——采掘面的质量风量；kg/s
i1——处理前采掘面的进风流焓值；kJ/kg
i2——处理后采掘面的进风流焓值；kJ/kg
以任楼矿7257集中运输巷掘进头工作面为例计算如下：
G＝掘进头工作面风量（14m3/s）×风流密度（取1.2kg/m3）＝16.8kg/s
Δi = 焓差 （102－78.5）kJ/kg = 23.5kJ/kg （从空气焓湿图中读取）
Q＝16.8×23.5＝395kW
任楼矿7257集中运输巷掘进头工作面需冷量为395kW，考虑10％左右的备用系数，设计配冷量为434kW。
6 移动式局部降温系统
6.1 系统概述
本局部降温系统是由制冷系统、冷却系统和供配电系统等组成。其中制冷系统由井下制冷主机（DV400）、蒸发器、蒸发器风机等设备组成；冷却系统由回冷机、回冷机风机、喷雾泵、软水器、软水箱及冷却水循环泵等设备组成，详见图1。根据任楼煤矿通风系统图，09年局部降温系统将分别服务中五采区 7257集中回风巷和7257集中运输巷这两个掘进头；两套设备分别独立运行。
图1 局部降温系统流程示意图
6.1.1 制冷系统
井下制冷主机（DV400）蒸发器侧的低温冷媒（R407C）经不锈钢保护的波纹软管接至蒸发器，与掘进工作面的热空气进行热交换后，将使冷媒（R407C）的温度上升，风流的温度降低；依靠压缩机动力使冷媒其返回制冷主机（DV400）进行再冷，利用蒸发器风机动力将降温后的冷风吹至需降温区域，形成制冷系统。
6.1.2 冷却系统
吸收了冷媒（R407C）的热量后，井下制冷主机（DV400）冷凝器侧的高温冷却水经水管送至回冷机；回冷机内换热管与风流进行热交换后，将使冷却水温度降低，风流温度上升；低温冷却水经冷却水循环泵使其返回制冷主机（DV400）冷凝器侧再循环，升温后的热风流则经回冷机风机排入中五回风巷带出地面，形成冷却系统。
冷却系统中的冷却水在循环中所损失的水量，将由软水箱补充。为使制冷机的工作保持在一个较好的工况，对所提供的水质必须符合井下制冷机的要求，在设计中设置了软水器。
6.1.3 供配电系统
根据《煤炭工业矿井设计规范》中将“有热害矿井的制冷站设备”的电力负荷归为二级负荷，故要求本方案的供配电电源须采用双回路供电。
本工程的供配电系统是根据制冷系统和冷却系统两个系统的不同位置分布而为为两部分。其中制冷系统布置在靠近掘进头的位置，其动力及控制电源采用就近供电，动力电功率约为：206kW、电压：660V,控制电源为127V; 而冷却系统布置较远，靠近中五采区变电所，其动力电源由中五采区变电所供电，动力电功率约为：156kW、电压：660V。由于本工程的设备分布较为分散，设备较少，故其控制、维护及检修为人工控制，定期巡检。
6.2 系统布置
移动式局部降温系统的特点是：① 利用回风流将制冷系统的冷凝热带走；② 井下制冷主机（DV400）、蒸发器及蒸发器风机可随着掘进头的推动而移动。故系统布置如下：
6.2.1 制冷系统的布置
将制冷系统靠近需降温掘进头布置，但这种移动只是相对一段时间而言，因为依靠蒸发器风机提供的动力，可通过接风筒引至需降温区域。该系统的布置综合考虑了系统内井下制冷主机（DV400）、蒸发器、蒸发器风机、磁力起动器等设备间的安装、检修、接管、接线等因素，需要尺寸(长×宽×高)约为：18×2.3×3.0m；若掘进巷道宽度不够时，每隔300米左右设一壁龛，在项目实施过程中可由矿方结合现场实际灵活处理。
6.2.2 冷却系统的布置
由于该系统最终的热风流须排至中五回风巷，且任楼矿为瓦斯突出矿井，机电设备硐室要求为平巷，故本着安全第一的原则，选择新建硐室，布置在中五回风上山上口的平巷内。并且此位置可相对固定，无需随掘进头推进而频繁移动，只需延长或缩短冷却水管，该系统的布置综合考虑了系统内回冷机、回冷机风机、喷雾泵、软水器、软水箱及冷却水循环泵、磁力起动器、控制开关等设备间的安装、检修、接管、接线等因素，需要的尺寸(长×宽×拱高)约为：24×4.6×3.7m。该硐室位于中五回风巷和中五运输巷之间的平巷部分，在靠近回风巷处设调节风门，具体详见图2。
图2 7257集中运输巷降温设备及管道平面布置示意图
此布置的优点：
① 由于是新鲜风流，温度较低且较干净，对回冷机换热管换热及寿命有利。② 将机电设备布置在进风侧，回冷机风机吸入的为新鲜风流，低温冷却水有利于提高井下制冷主机（DV400）的COP值，提高机组制冷效率，对冷却水的降温更为有利。③ 完全满足《煤矿安全规程》的要求。
7 体会
井下降温是门交叉学科，本工程更牵涉到机电、采矿、通风与安全等多个外专业工种, 因此设计中不仅要熟悉本专业的工艺, 同时对其他工种工艺也要有较深入的了解。只有在各个专业合理分工，密切协助下才能得出合理的工程设计。这就要求设计人员要有团队意识、钻研精神、严谨的科学态度和实事求是的工程作风。
移动式局部降温系统有其自身特点，设计过程中应结合矿井的具体条件，满足相关规范、规程的前提下，通过详细的科学计算论证、经济分析比较来确定。