分区段降温技术在回采工作面的应用

王海燕^1，2，冯夕文^1，2，于东业^1，2

（1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590； 2．山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）  

摘 要:针对潘一东井下1221长距离工作面高温热害情况较为严重的问题，计算了工作面需冷量，分析工作面风流温度场分布，提出了一种应用在1221回采面的分区段降温技术。介绍了该降温技术的结构组成、工作原理以及设备选型。将该技术投入到实践领域，现场实测降温后风流热力参数，并进行相似模拟。结果表明，采用分区段降温技术后，现场实测风流参数与模拟值基本吻合，工作面温度平均降低68℃左右，相对湿度也有了明显的下降，降温效果明显。

关键词：高温热害；回采工作面；分区段降温；相似模拟

Application of subsection cooling technology in mining face

Wang Haiyan^1,2,Feng Xiwen^1,2,Yu Dongye^1,2

（1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2.College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China）

Abstract: Aiming at the problem of high temperature and heat damage of 1221 long distance working face in Panyidong well, the cooling capacity of working face is calculated, and the distribution of wind flow temperature field in working face is analyzed. A sub-zone cooling technology applied to 1221 mining face is proposed. The structural composition, working principle and equipment selection of the cooling technology are introduced. The technology was put into the practice field, and the wind flow thermal parameters after cooling were measured on site, and similar simulations were carried out. The results show that after the sub-zone cooling technology, the measured wind flow parameters are basically consistent with the simulated values. The temperature of the working surface is reduced by about 6~8 °C on average, and the relative humidity is also obviously reduced. The cooling effect is obvious.

Key words: high temperature heat damage; long distance working face; subsection cooling; similar simulation

随着我国煤矿开采强度的加大，机械化水平的不断提高，浅层煤炭资源日趋枯竭，深井开采已成为今后开采方向的一种走势。随之而来，矿井热害事故频频发生，已成为继瓦斯、火灾、顶板、粉尘、水害之后的第6大灾害^[1-4]，影响了煤矿的正常生产工作。针对长距离采煤工作面的高温热害问题，目前已经进入到实际工程应用过程并且技术比较成熟的主要有地面集中式水冷降温系统、井下集中式水冷降温系统、冰制冷降温系统、局部移动式降温系统等^[5-10]。在取得了一定降温效果的同时，也出现了诸多需要克服的难题，如：工作面冷量分布不均、换热效率低、冷损严重、成本造价高等。因此，在现有降温技术上，有必要对回采工作面的降温方式进一步优化，为工作面提供一个相对舒适的环境。

1. 1221回采工作面热害概况

潘一东煤矿位于淮南市西北部，距离市中心大约20公里处，井田走向长约8km，倾斜宽约4.5km，设计生产能力为3Mt/a，是一座拥有现代化生产能力的大型矿井。运输、回风大巷采用立井开拓，通风方式为中央并列式。调查资料显示，矿井恒温带深度为35m，恒温带温度为18℃，平均低温梯度为2.6℃/hm，其各水平围岩温度如表1所示。目前开采深度已达1050m，采煤工作面热害问题比较突出，以该矿1221采煤工作面为例，工作面风流平均干球温度高达34℃，回风巷上隅角处温度超过了40℃。严重超出《安全规程》所允许最高温度。

分析工作面风流热力参数，得到工作面热害主要来源于高温围岩放热与机电设备散热，为了缓解1221存在的热害问题，采用传统的井下集中式溴化锂制冷机组对其降温，前期取得了一定的降温效果，但随着工作面的不断推进，暴露围岩面积在不断增加，与风流热湿交换随之也在增加。降温系统后期只能对靠近工作面进风口部分区域降温，而大部分区域还受制于高温热害困扰，降温效果不佳。

表1  潘一东矿水平围岩温度

2  1221工作面需冷量计算及风流温度场分布

2.1 1221工作面需冷量确定

根据1221工作面热力参数，在未采取任何降温之前，工作面出风口处风流干球温度为36℃，相对湿度为100%。根据《煤矿安全规程》的规定，采掘工作面风流干球温度不高于26℃，相对湿度不作具体要求，理论需冷量即为达到安全规程后的需冷量。因此，在满足工作面出风口风流干球温度不高于26℃即可。参考风流焓湿图可知降温前： 降温后：，风流质量流量为。

工作面需冷量为：                      （1）

式中：           —工作面需冷量，kW；

—风流质量流量, kg/s； 

                 —降温前工作面入风流焓值, kJ/kg；

                 —降温后工作面允许风流焓值，kJ/kg。

带入数据后，则工作面需冷量为：

2.2 工作面巷道模型建立

根据矿井地质资料，建立建立1221工作面相似模型，模拟工作面风流热力场分布。为了使模拟结果直观、有说服力，选取风流进风巷道、回风巷道长度值30m，宽3.5m；采煤工作面长160m，宽3.5m，高4m，采煤机长10m，高1.5m，出风口设置在距离工作面进口15m处。工作面巷道模型图如图1所示:

图1  工作面巷道模型图

2.3  工作面风流温度场分布

根据现场实测1221工作面进风口温度，空冷器出风温度为22，回采工作面换热模型煤壁温度、进风口风速。设置边界条件，划分网格，模拟工作面温度热力场分布，截取平行于工作面底面、沿工作面走向垂直工作面地面的平面，模拟结果如图2所示;

 图2  传统降温模式下1221工作面温度场分布

根据图2显示，风流温度随风流相对工作面进口距离的增加而增加，较在靠近工作面进口处，风流平均温度增加幅度较快；远离工作面入口处，风流平均温度增加幅度较慢；接近工作面出口处，风流平均温度增幅趋于平缓。靠近围岩壁面的地方，风温较高；风流远离围岩壁面的地方，风温较低。同时，风流在接近工作面回风口时，风温以达到37℃，热害情况比较严重，传统单一制冷机组降温模式已远远满足不了工作面热环境需求。   

3 分区段降温系统设计

3.1 结构组成

针对1221工作面冷量分布不均，工作面热害比较严重，设计了分区段降温系统。该降温系统由主制冷设备、小型空冷器和雾化喷头组成。主制冷设备布置出风口布置在进风巷距工作面进口20m处，在距工作面进风口35m的位置处，依次布置4台小型空冷器，相邻间距为20m。在距工作面进风口115m位置处至工作面出风口，布置等间距6个雾化喷头。 为了方便区分，从工作面进风口至35m位置处，设为区段一；将35m位置处至115m位置处，设为区段二；将115m位置处至工作面出口，设为区段三。其结构布置方式如图3所示：

                  图3  分区段降温系统结构布置图

3.2  工作原理

在分区段降温系统中，主制冷设备制取低温冷冻水，对工作面区段一降温的同时，通过输冷管路将一部分冷冻水分别输送至组合式小型空冷器和雾化喷头主管。小型空冷器连接局扇小风机，对区段二均匀输送冷风，雾化喷头通过分支管与主管相连，利用喷雾蒸发吸热对区段三降温，由于区段三温度较高，围岩与进风流换热量也比较大，用雾化水作为载冷剂，水的比热容较大，蒸发吸热制冷效果会更好一些。小型空冷器冷冻回水返回到制冷设备，冷凝热通过地面冷却塔排出，然后回到制冷设备重新制冷，形成闭合循环水路。

3.3主要设备选型

（1）制冷机制冷量

                        （2）

式中：为制冷机的制冷量，kW;—工作面需冷量，kW；为管路冷量损失。在制冷、输冷过程中，由于围岩与风流换热非线性变化，冷量损失难以精确估算，一般取需冷量，选用型号为TS-450ZM制冷机组，制冷功率为750kW。

（2）空冷器

小型空冷器选型为，每台小型空冷器送风量20，进水量，额定功率为40kW。

（3）雾化喷头参数

     雾化喷头选型为,单个雾化喷头流量为。

3.4 降温效果分析

将分段式降温系统投入使用后，取得了良好的降温效果。降温前后1221工作面热力参数如表2所示，由表可知，工作面平均干湿球温度下降，相对湿度也有了明显的降低。工作面温度场分布云图如图4所示，由图可知，在平行于工作面底面与沿走向垂直于底面的截面上，靠近围岩周围地方风流温度虽然较高，但受围岩高温影响范围相比之前要小，整体效果明显。

                         表2  降温前后工作面热力参数

                             图4  分区段降温系统1221工作面温度场分布

4  结论

   针对潘一东矿1221工作面热害问题比较严峻，提出一种分区段降温技术，将该技术应用到潘一东煤矿1221工作面，取得了良好的降温效果。工作面整体温度下降℃，相对湿度也有了明显的下降，改善了工作面的热害环境，对地质条件类似热害工作面降温具有一定借鉴作用。

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