煤矿井下降温技术的研究述评及应用
来源:用户上传
作者:
【摘要】文章针对日益威胁煤矿安全生产的井下热害：分析产生的原因，提出治理方法，采取相应的降温措施，取得较好的经济效益和社会效益。
【关键词】矿井热害；降温技术；研究述评
防治矿井热害技术自20世纪20年代即已兴起，至今已近90年的历史；但是，迅速发展并广泛应用是在20世纪70年代后。在各国科技工作者的共同努力下，用于防治矿井热害的技术已经取得了巨大成就，并在矿井开采过程中起着重要作用。
1 矿内热源分析
矿内空气温度、湿度、风速和热辐射是矿内微气候的四要素。其中最主要的参数是温度。地面空气进入井下后，由于受到井下各种热源的影响，空气的温度发生了很大的变化。一般来说，对于井深为1000m的矿井，造成空气温升热源的50%来源于井下围岩的放热，25%来源于氧化放热，机械设备散热及其它热源占25%，现对影响曲江矿井气温的主要因素进行分析。
1.1 地面空气温度
地面空气温度直接影响矿内空气温度，地面气温周期性变化，使矿井进风路线上的气温也相应地周期性变化。但是这种变化随着距进风井口的距离增加而衰减；并且在时间上，井下气温的变化要稍微滞后于地面气温的变化。因而在采掘工作面上，一般是觉察不到风温的日变化。然而当地表大气参量如发生持续多天的显著性变化时，在采掘工作面上还是能够测量出这种变化。地表大气参量的季节性变化对井下气候状态的影响要比日变化的影响显著得多，在采掘工作面能测量出这种变化。一般来说，在给定的风量条件下，气候各参量的日与季节性变化的衰减率和其流经的井巷距离成正比，和井巷的横断面面积成反比。曲江井夏季地面风温对井下影响较大。
1.2 矿内空气的压缩放热
矿井深度的变化，使空气受到的压力状态也随之改变，当风流沿井巷向下流动时，空气的压力值增大，空气的压缩会出现放热，从而使矿井温度升高。在绝热情况下，温升的变化值可按下式计算：
△t= ，℃
上式表明：井筒垂深每增加102m，空气由于绝热压缩释放的热量使其温度升高1℃。本矿井井筒垂深887.5m，空气压缩升温8.7℃。但实际上由于矿内空气是湿空气，空气的含湿量也随压力而变化，因此热湿交换的热量有时掩盖了压缩放出的热量，水分的蒸发是要消耗相当数量的热量，从而抵消了部分的风流干球温升，所以实际上温升没有上面计算的那么大。
1.3 围岩散热
矿内空气温度主要受岩石温度的影响。地壳表层的温度是随地面气温的变化而变化。随着深度增加，地温随气温变化的幅度逐渐减少。当达到一定深度时，地温不再变化，一般将地表下某深处地温常年保持恒定的地带称为恒温带。本矿井恒温带深度距地表40m左右。恒温带以上称为变温带，变温带的温度随地面温度而变化。恒温带以下称为增温带，增温带的岩石温度随深度的增加而增加。本矿井-850m水平原始岩温达38～40℃，-660m回风水平达36.6℃，煤的导热系数：0.35kcal/m.h.℃，比热0.258kcal/kg.℃。因此，煤岩壁以及采落的煤岩将与风流进行大量的热交换，使风流温升，围岩与井下风流的热交换是一个复杂的不稳定换热过程。在采掘过程中，当岩体新暴露出来时，新露面的围岩以很快的速度向空气传递热量，随着岩壁逐渐被风流冷却，岩壁内空气的传热就逐渐减少，最后岩壁的温度趋近于空气的温度。
由于巷道壁内的热流动不是稳定的，岩体内部温度场的分布和空气的温度也在不断变化，岩石的热物理性质参数又受到许多因素的影响，加之不规则的巷道形状，空气与围岩交界面的复杂性，以及在围岩与井下风流的热交换过程中时常伴随产生的质交换，因此要精确地计算出围岩传递给井下空气的热量是不可能的。目前只能作出一些简化的假设条件后，进行近似的计算。围岩传递给井下空气的热量可按下式计算：
Qw=αFL （kW）
式中：α―巷道壁面向风流的放热系数，kW/m2.℃
FL―巷道壁面积，m2
tb―巷道壁面平均温度（巷道始末两端平均原始岩温）℃
t1、t2―巷道的起点、终点风流温度，℃
1.4 机电设备的散热
大量的机电设备在井下使用时，克服摩擦阻力作功所消耗的这部分能量就会转化为热能向风流释放，使风温升高。机电设备的散热量可按下式计算：
Q=
式中：Ni―电机额定功率，kW
n―机电设备台数
1.5 氧化热
矿井内裸露的煤岩及支护材料等都能氧化放热，使矿内气温升高，其中以煤的氧化放热量最为显著。煤氧化过程的散热量取决于：风流与煤的接触面积；散状煤块的粒度和堆积状态；煤的含湿量。由于煤的氧化放热是一个非常复杂的过程，而且氧化的面积也甚巨大，一般很难，甚至是无法将煤的氧化放热量同井巷围巷的散热量区分开来。氧化散热量可按下式计算：
Q=q0FV0.8（kW）
式中：q0―当量氧化散热系数，kW/m2
F―氧化散热面积，m2
V―巷道平均风速，m/s
对于开采高瓦斯煤层，当煤氧化放热时，煤层中的吸附瓦斯吸热，因此氧化过程的放热量比低瓦斯煤层要减少近50%。
2 矿井降温技术
2.1 非人工制冷降温技术
采用通风的方法进行降温:将进风流布置在低温岩层；采区或采煤工作面局部下行风或整个通风系统风流倒流。
2.2 人工制冷水降温技术
从20世纪70年代，人工制冷降温技术开始迅速发展，使用越来越广泛，该种矿井降温技术采用冷冻水送至工作面附近的空冷器种与新鲜风流进行冷热交换，主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面联合集中式、分散式。
2.3 人工制冰降温技术
人工制冰降温技术是采用冰冷冻系统利用冰的溶解热，通过冰的溶解把水冷却到0℃，然后把冷冻水送到各个工作面进行降温。
3 井下降温技术的应用
曲江井是江南第一大井，也是江南第一座现代化矿井，井田位于江西省丰城市曲江镇境内。矿井于1997年9月开始建设，2003年5月建成投产，建设规模900kt/a，服务年限51.1a。
矿井为深井高温矿井，恒温带深度距地表一般为40m，温度为20℃，平均温度梯度为2.54℃/100m，其中煤系地层为3.43℃/100m，非煤系地层为2.10℃/100m，B4及C8煤层底板一级高温区（>31℃）分布在-530m～-750m，矿井二级高温区（>37℃）分布在-750m水平以下，向斜轴部附近地温可达52℃（-1250m左右），-850m地温在40℃左右，温度随深度增加而升高。
每年6~9月井下采掘工作面在配足风量的情况下温度高达35℃，副井井底温度约30℃，东、西进风大巷温度约31℃，回风巷温度达36℃，总回风巷温度达37℃，送风距离在450m以上掘进工作面温度高达36℃以上。
曲江井降温采用制冰系统，在副井井口地面设集中制冰站，由4套制冷压缩机配套13台P60t片冰机，总制冰量为780t/d，制冷系统排热由4台蒸发式冷凝器冷却，制取的片冰由螺旋输冰机送至副井井口，通过在副井井筒内敷设的输冰立管至井底融冰池，与融冰池的水混合成3℃～5℃低温冷水经冷水泵将低温冷水送至采掘工作面，通过布置在采掘工作面的空冷器和喷淋方式对井下采掘工作面的风流进行降温。井下集中制冷降温系统对209工作面、108西工作面及掘进头进行了降温，降温幅度较大，热害治理效果明显，工作环境的改善使人员出勤率和劳动生产效率明显上升，生产效率大幅提高，经济效益和社会效益显著。
参考文献
[1]胡春胜等真空冰降温工艺技术分析 《矿业安全与环保 2007年2月》
[2]石建中 刘堂文深井冰冷冻系统 《工业安全与防尘 2001年第27卷第12期》
作者简介：
危江兰（1980-）女，江西萍乡人，大学本科学历，现在江西省煤矿设计院从事暖通、给排水专业设计工作。
黄崴（1981-）男，江西南昌人，大学硕士学历，现在同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司南昌分院从事暖通专业设计工作。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-655054.htm
