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摘 要:随着矿井开采深度的增加,矿井高温热害问题开始凸显,严重影响了煤矿的安全生产。本文简要介绍了梅花井煤矿高温热害的状况,分析了高温原因及介绍了非机械制冷降温技术和机械制冷降温技术相结合在梅花井煤矿的应用,取得良好的降温效果。
关键词:矿井热害 防治技术 机械制冷 非机械制冷
中图分类号:TD74 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0067-01
矿井高温热害已被认为水、火、瓦斯外的第4大矿井灾害,其严重影响了煤矿正常的安全生产,威胁了职工的身体健康。梅花井煤矿21采区上煤组综采工作面最高月平均气温33.2℃,掘进工作面为33.6℃;上煤组综采工作面最高月平均气温35.1℃,掘进工作面为35.4℃。根据《煤矿安全规程》(2010)第一百零二条规定“生产矿井采掘工作面气温不得超过26℃,采掘工作面气温超过30℃,机电设备硐室的空气温度超过34℃时,必须停止作业。……新建改、扩建矿井设计时,必须进行风温预测计算,超温地点必须有制冷降温设计,配齐降温设施”。因此,矿井降温技术在煤矿的应用已非常重要。
1 井田地温状况
根据钻孔资料确定,梅花井井田的恒温带深度为70m,温度为15.06℃,平均地温梯度为3.12℃/100m。从本区地温梯度和热害区的分布范围和变化规律分析,地温场明显受构造的控制。区内构造形态以单斜构造为主,地热沿层面传导较好,煤层露头和地层浅部为地热散失创造了条件,故浅部的地温梯度较小,深部地温梯度偏高,一、二级热害区度主要分布在深部。各主要煤层的+850m水平以浅基本无热害区,一级热害区分布在+850m～+650m水平间,二级热害区分布于各煤层的+65m0水平以深部位。
2 矿井致热因素
本矿热害致热因素按其影响程度的大小分别为岩热、压缩热、氧化热、机电设备散热和人体散热,局部可能存在热水散热。因此,矿井致热因素主要是岩热、压缩热、机电设备散热和氧化散热。热源结果汇总表见表1。
2.1 岩热
井巷围岩散热的主要途径有三:一是借热传导自岩体深处向井巷传热;二是经裂隙水借对流将热传给井巷;三是回采、掘进及运输过程中的煤炭、矸石放热。
2.2 压缩热
空气在地球重力场作用下,沿井巷向下流动时位能减小,体积压缩热转化为热能,使矿井温度升高。同时井筒内的淋水吸收了大部分自身压缩热,仅有部分淋水蒸汽使相对湿度增加。
2.3 机电设备散热
机电设备所消耗的能量除了部分用以做有用功外,其余全部轉换为热能并散发到周围的介质中去。对于采煤面和进风运输巷,由于各种类型机电设备的集中布置,致使风流温度升高变化显著。
2.4 氧化散热
井田内除2-2煤层自燃等级为自燃～易自燃外,其它煤层自燃等级均为自燃,各煤层均有自燃倾向,煤和含煤、含碳、含硫围岩及支护材料的氧化散热,也是局部气温升高热源之一。
3 降温措施
3.1 非机械制冷降温措施
(1)开拓、开采布置措施。本矿采用立井开拓,主要岩层布置或煤层巷道采用锚喷支护减少氧化散热,主要巷道及采区布置避开局部地热异常区和可能的热水涌出点。深部采区采用下山开采或仰倾斜长壁开采,工作面采用后退式开采。
(2)通风降温措施。在一定条件下增加风流量使得矿井进风流温升减小,进风流沿散热小的巷道流动。对有较大散热的机电设备硐室采用独立通风,减少其对进风流的加热,并且控制工作面顺槽的长度及工作面的长度,缩短进风巷道的长度。
3)局部降温措施。根据现场实际情况,对矿井降温系统难以达到或极不经济,而工作人数很少的少量地点,采取局部降温措施或个体防护。如:冰块冷却风流、压缩空气制冷、移动式制冷机等。
(4)其他措施。有条件时,煤巷支护采用锚喷支护,以减少氧化散热;热水管、主要压风管等尽量沿回风巷布置;所有水沟均设盖板;个别热害严重区段的,短时作业人员可采取个体防护措施。
3.2 机械制冷降温措施
(1)地面集中制冷水
在进回风立井井口附近设地面集中制冷站。制冷站利用水源热泵产生热负荷可供井筒加热和风井场地设施采暖,产生冷负荷经二次制冷制取低温冷水,通保温过管道由进风立井井筒至井下高低换热设备硐室,经高低换热设备换热后再回至地面,形成一次冷水闭式循环,二次冷水由高低换热设备出来后直供采掘工作面的空气冷却器,空冷器与风流进行热交换后回至高低压换热器,形成二次冷水闭式循环,少量冷水可根据工作面负荷变化进行喷雾降温。地面低温制冷机产生的冷凝热由冷却塔通过大气排放,形成冷却水循环系统。
(2)采煤工作面降温
针对采煤工作面热源特点,工作面除尘洒水(含采煤、喷雾)可全部采用冷水,同时在采面中部以上布置降温喷雾装置,采面机巷内布置6台HPSCC-200型空气冷却器,同时配置2×18.5kW局部通风机2台。喷淋和除尘洒水总水量为12m3/h。冷冻水供水温度<7℃,闭式水系统回水温度17℃,补给水温度按28℃考虑。
(3)掘进工作面降温
在每个掘进工作面配用1台HPSCC-200型光管空气冷却器,安设在局部通风机后100m处。另外在迎头回风流每隔100m,安设一组喷嘴进行喷雾,喷雾与回风流充分接触,以提高降温效果,并解决掘进工作面防尘问题。
4)管道及保温
根据开拓开采布置,及水系统流量,确定选用热轧无缝钢管,其保温材料选用PVC,即聚氨脂泡沫塑料,为防止保温材料的破坏,采用不燃玻璃钢作为保护层。选用的无缝钢管和保温层厚度如下:D89×4、D108×4、D189×6、D325×10、D377×12(11)冷冻水管路均设厚50mm保温层,井下管路设玻璃钢保护层厚5mm,玻璃钢保护层可现场加工,管路连接采用快速接头。对于管道连接处,阀门、仪表等连接处,保温材料可现场发泡充注。
4 结论
随着煤矿开采深度的不断增加,深部热害将进一步的加剧,采取综合降温措施势在必行。梅花井煤矿根据自身高温热害状况采取了机械制冷降温措施和非机械制冷降温措施,对采掘工作面进行降温,取得良好的效果,为煤矿深部热害防治提供了可借鉴的经验。
参考文献
[1] 张周权,李剑锋.三河尖煤矿高温热害治理技术[J].煤炭工程,2009,(11):57-59.
[2] 李艳军,焦海朋,李明.高温矿井的热害治理[J].能源技术与管理,2007,(6):45～47.
[3] 国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程[M]．北京:煤炭工业出版社,2010.
[4] 余恒昌.矿山地热与热害治理[M].北京:煤炭工业出版社,1991.276-279.
①作者简介:吴兆吉,1979年6月5日,男,籍贯:湖北省枣阳市,现职称:工程师,学历:本科,研究方向:采矿工程。
关键词:矿井热害 防治技术 机械制冷 非机械制冷
中图分类号:TD74 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0067-01
矿井高温热害已被认为水、火、瓦斯外的第4大矿井灾害,其严重影响了煤矿正常的安全生产,威胁了职工的身体健康。梅花井煤矿21采区上煤组综采工作面最高月平均气温33.2℃,掘进工作面为33.6℃;上煤组综采工作面最高月平均气温35.1℃,掘进工作面为35.4℃。根据《煤矿安全规程》(2010)第一百零二条规定“生产矿井采掘工作面气温不得超过26℃,采掘工作面气温超过30℃,机电设备硐室的空气温度超过34℃时,必须停止作业。……新建改、扩建矿井设计时,必须进行风温预测计算,超温地点必须有制冷降温设计,配齐降温设施”。因此,矿井降温技术在煤矿的应用已非常重要。
1 井田地温状况
根据钻孔资料确定,梅花井井田的恒温带深度为70m,温度为15.06℃,平均地温梯度为3.12℃/100m。从本区地温梯度和热害区的分布范围和变化规律分析,地温场明显受构造的控制。区内构造形态以单斜构造为主,地热沿层面传导较好,煤层露头和地层浅部为地热散失创造了条件,故浅部的地温梯度较小,深部地温梯度偏高,一、二级热害区度主要分布在深部。各主要煤层的+850m水平以浅基本无热害区,一级热害区分布在+850m～+650m水平间,二级热害区分布于各煤层的+65m0水平以深部位。
2 矿井致热因素
本矿热害致热因素按其影响程度的大小分别为岩热、压缩热、氧化热、机电设备散热和人体散热,局部可能存在热水散热。因此,矿井致热因素主要是岩热、压缩热、机电设备散热和氧化散热。热源结果汇总表见表1。
2.1 岩热
井巷围岩散热的主要途径有三:一是借热传导自岩体深处向井巷传热;二是经裂隙水借对流将热传给井巷;三是回采、掘进及运输过程中的煤炭、矸石放热。
2.2 压缩热
空气在地球重力场作用下,沿井巷向下流动时位能减小,体积压缩热转化为热能,使矿井温度升高。同时井筒内的淋水吸收了大部分自身压缩热,仅有部分淋水蒸汽使相对湿度增加。
2.3 机电设备散热
机电设备所消耗的能量除了部分用以做有用功外,其余全部轉换为热能并散发到周围的介质中去。对于采煤面和进风运输巷,由于各种类型机电设备的集中布置,致使风流温度升高变化显著。
2.4 氧化散热
井田内除2-2煤层自燃等级为自燃～易自燃外,其它煤层自燃等级均为自燃,各煤层均有自燃倾向,煤和含煤、含碳、含硫围岩及支护材料的氧化散热,也是局部气温升高热源之一。
3 降温措施
3.1 非机械制冷降温措施
(1)开拓、开采布置措施。本矿采用立井开拓,主要岩层布置或煤层巷道采用锚喷支护减少氧化散热,主要巷道及采区布置避开局部地热异常区和可能的热水涌出点。深部采区采用下山开采或仰倾斜长壁开采,工作面采用后退式开采。
(2)通风降温措施。在一定条件下增加风流量使得矿井进风流温升减小,进风流沿散热小的巷道流动。对有较大散热的机电设备硐室采用独立通风,减少其对进风流的加热,并且控制工作面顺槽的长度及工作面的长度,缩短进风巷道的长度。
3)局部降温措施。根据现场实际情况,对矿井降温系统难以达到或极不经济,而工作人数很少的少量地点,采取局部降温措施或个体防护。如:冰块冷却风流、压缩空气制冷、移动式制冷机等。
(4)其他措施。有条件时,煤巷支护采用锚喷支护,以减少氧化散热;热水管、主要压风管等尽量沿回风巷布置;所有水沟均设盖板;个别热害严重区段的,短时作业人员可采取个体防护措施。
3.2 机械制冷降温措施
(1)地面集中制冷水
在进回风立井井口附近设地面集中制冷站。制冷站利用水源热泵产生热负荷可供井筒加热和风井场地设施采暖,产生冷负荷经二次制冷制取低温冷水,通保温过管道由进风立井井筒至井下高低换热设备硐室,经高低换热设备换热后再回至地面,形成一次冷水闭式循环,二次冷水由高低换热设备出来后直供采掘工作面的空气冷却器,空冷器与风流进行热交换后回至高低压换热器,形成二次冷水闭式循环,少量冷水可根据工作面负荷变化进行喷雾降温。地面低温制冷机产生的冷凝热由冷却塔通过大气排放,形成冷却水循环系统。
(2)采煤工作面降温
针对采煤工作面热源特点,工作面除尘洒水(含采煤、喷雾)可全部采用冷水,同时在采面中部以上布置降温喷雾装置,采面机巷内布置6台HPSCC-200型空气冷却器,同时配置2×18.5kW局部通风机2台。喷淋和除尘洒水总水量为12m3/h。冷冻水供水温度<7℃,闭式水系统回水温度17℃,补给水温度按28℃考虑。
(3)掘进工作面降温
在每个掘进工作面配用1台HPSCC-200型光管空气冷却器,安设在局部通风机后100m处。另外在迎头回风流每隔100m,安设一组喷嘴进行喷雾,喷雾与回风流充分接触,以提高降温效果,并解决掘进工作面防尘问题。
4)管道及保温
根据开拓开采布置,及水系统流量,确定选用热轧无缝钢管,其保温材料选用PVC,即聚氨脂泡沫塑料,为防止保温材料的破坏,采用不燃玻璃钢作为保护层。选用的无缝钢管和保温层厚度如下:D89×4、D108×4、D189×6、D325×10、D377×12(11)冷冻水管路均设厚50mm保温层,井下管路设玻璃钢保护层厚5mm,玻璃钢保护层可现场加工,管路连接采用快速接头。对于管道连接处,阀门、仪表等连接处,保温材料可现场发泡充注。
4 结论
随着煤矿开采深度的不断增加,深部热害将进一步的加剧,采取综合降温措施势在必行。梅花井煤矿根据自身高温热害状况采取了机械制冷降温措施和非机械制冷降温措施,对采掘工作面进行降温,取得良好的效果,为煤矿深部热害防治提供了可借鉴的经验。
参考文献
[1] 张周权,李剑锋.三河尖煤矿高温热害治理技术[J].煤炭工程,2009,(11):57-59.
[2] 李艳军,焦海朋,李明.高温矿井的热害治理[J].能源技术与管理,2007,(6):45～47.
[3] 国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程[M]．北京:煤炭工业出版社,2010.
[4] 余恒昌.矿山地热与热害治理[M].北京:煤炭工业出版社,1991.276-279.
①作者简介:吴兆吉,1979年6月5日,男,籍贯:湖北省枣阳市,现职称:工程师,学历:本科,研究方向:采矿工程。