高地热深井热环境分析及井下制冷降温系统的研究与实践

商传玉 潘文超,2 周升举,2

1.山东新巨龙能源有限责任公司, 山东 巨野 274918; 2.中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221008

高地热深井热环境分析及井下制冷降温系统的研究与实践

商传玉1潘文超1,2周升举1,2

1.山东新巨龙能源有限责任公司, 山东 巨野 274918; 2.中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221008

随着矿井开采深度的增加，深部矿井热害问题越来越严重。本文针对特大型高地热深井进行了热环境分析，概述了目前国内外高温矿井降温技术的分类。介绍了基于地面排热的井下集中制冷降温系统，该系统制冷降温部分主要由冷却水循环系统、冷冻水循环系统、散冷系统等组成，该系统的显著特点是制冷机组布置在井下，置换出的热量通过水循环排到地面，能够降低井下冷量损失和井下散热量。通过应用井下集中制冷降温技术，矿井降温效果特别明显。

高温深井；热环境分析；井下制冷

新巨龙能源有限责任公司位于鲁西南巨野煤田的中南部，井田面积180平方公里，设计生产能力600万吨/年,主要开采水平为-810m，具有高地热特征。

1 地热概况

根据矿井地质资料，本区恒温带深度50m、温度18.9℃；平均地温梯度2.88℃/100m，其中非煤系地层平均地温梯度2.52℃/100m，煤系地层平均地温梯度3.23℃/100m。矿井主采3煤层底板温度平均41.38℃，3煤层全部处于一或二级高温区。

2 热环境分析

2.1 地面季节性气候

矿井所在地区季节性气候明显，夏季炎热。由于夏季地面入风温度较高，从而导致井下气温较高。同时，地面大气温度的季节性变化，也影响到井下风温的季节性变化，而且变化规律基本上是同步的。经实测，矿井井筒常年为加温过程，这与其他矿井夏季井筒起降温作用有着根本的区别，这是该矿井夏季高温热害较严重的重要原因。

2.2 巷道围岩放热

矿井开采深度大，-810m水平的围岩温度曾高达44.7℃，处在二级热害区。因此，围岩是矿井内风流的主要加热环境。矿井通风系统形成后，巷道围岩放热增加了风流的温度。

2.3 矿井涌水放热

目前矿井总涌水量保持在1000m3/ h～1500m3/h，涌水水温45℃～51℃，涌水水温比岩温高，同水平水温比岩温高4～6.3℃，水的放热量传递给风流的速度快。水温高散热是该矿井高温热害重要特点。[1]

2.4 机电设备运转时放热

该矿井为高度机械化生产的大型现代化矿井，采、掘、运的机电设备容量大，采煤工作面内装机容量为3450kW，掘进工作面内装机容量为403kW，采煤工作面运输顺槽内装机容量为3140kW，采煤工作面辅助顺槽内装机容量为296kW，胶带输送机大巷内装机容量为2520kW等。机电设备运转放热是矿井不可忽视的高温热环境。

2.5 风流压缩热

风流为一可压缩流体，其沿井筒向下流动时，由于自身的压缩使其焓值升高，相反地，向上流动时，由于膨胀使其焓值降低，风流从地面流入井底是一个加温压缩的多变过程，对井底车场的风温起决定性的作用。[2]局部通风机对风流的压缩，也遵循以上规律。风流经过局部通风机高压压缩送入工作面，风筒内的风流比局部通风机前风流的温度升高4～6℃。[3]

3 国内外矿井降温技术概述

防治矿井热害技术自20世纪20年代兴起，至今已有80余年的历史；但是，迅速发展并广泛应用是在20世纪70年代以后。纵观国内外矿井降温技术，可分为非人工制冷降温技术，人工制取冷水降温技术，人工制冰降温技术和空气压缩式制冷技术。[4]从20世纪70年代开始，人工制冷降温技术开始迅速发展，使用越来越广泛、越来越成熟，该种降温技术已经成为矿井降温的主要手段。该种矿井降温技术主要有：井下集中式、地面集中式、井下地面联合集中式、分散式。[5]

4 井下集中制冷降温系统

4.1 井下集中制冷降温系统概述

新巨龙公司井下集中制冷降温系统采用先进的德国WAT降温技术，制冷降温部分主要由冷却水循环系统、冷冻水循环系统和散冷系统等组成。通过打钻孔方式从地面下两趟冷却水管到井下，冷凝热在地面排放，同时在井下设制冷硐室、地面设冷却机房。主要优点有：①制冷机组可尽量靠近负荷中心，冷损小；②机组可模块化组合，根据负荷分布情况分区域集中制冷；③系统简单，无需设高低压转换设备，少一个高压冷冻水循环，系统冷损小；④冷却水管路无需保温，施工、安装方便。

4.2 井下制冷机组

井下制冷机组使用德国WAT公司成熟的产品KM3000机组,单机制冷量可达3300kW，目前安装三台机组。根据《煤矿井下热害防治设计规范》的要求，当采用井下集中式制冷降温方式时，制冷机出水温度不应高于5℃。制冷机组出水温度确定为3℃，另外，供水与回水的大温差对整个系统更有利，国外一般为15℃，从设备运行安全性、稳定性及使用情况等方面考虑，采用3℃/18℃的供回水温差。

4.3 冷却水系统

结合地面冷却机房的布置，选用两台方形横流塔作为冷却塔。与井下制冷机组相配套，选用三台冷却水循环泵。由于冷却塔存在蒸发损失、风吹损失及排污损失且补水要求为软化水，计算出需补水量并安装配套补水设备。利用在地面打钻孔方式下两趟冷却水管，与井下制冷系统相连接，实现冷却并在地面排放冷凝热。

4.4 冷冻水系统

与制冷机组相配套，选用三台冷冻水循环泵，两用一备。冷冻水的补水定压方式采用设补水箱，补水泵，水源引自降温硐室的冷却水回水管，经减压阀减压后接至补水箱。由于制冷机组对水质的要求，井下集中式制冷降温系统需补充软化水，因此应提供满足制冷机组要求的水质。

4.5 散冷系统

输冷管采用无缝钢管，输冷管的隔热保冷结构采用塑套钢预制成型保温管，其内工作管为无缝钢管，中间层为聚氨酯发泡保温层，外护管为双抗高密度聚乙烯管。为确保冷冻水系统通往各采区主干管路的压力平衡，在采区的枝干管处必须设置电动调节阀及流量计，以调节冷冻水流量。

将冷水输送到采掘工作面后，采用空气冷却器散冷方式，对采掘工作面进行散冷降温。[6]根据采掘工作面的散冷量，在采掘工作面的合理位置安设大小不同、多少不等的空气冷却器进行散冷，以降低采掘工作面的风温。新巨龙公司采用了德国先进的RWK-450型空冷器，确保了空冷器的散冷效率。

5 应用效果

新巨龙公司应用井下集中制冷降温系统对2301采煤工作面进行了降温。该工作面走向长平均1950m，倾斜宽254m,为综采放顶煤开采。在工作面进风巷安设了5台空冷器对工作面进风流进行降温，经实测，可使工作面进风流温度平均降低6.5℃，降温效果十分明显。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.024

商传玉，男，现担任山东新巨龙能源有限责任公司副总工程师，从事矿井安全管理工作。山东省巨野县龙古镇新巨龙公司安监处。