关于煤矿井筒防冻设备无效投入的探讨

李庆林

（山西省临汾市霍州煤电集团，山西临汾031412）

0 引言

通风是采矿中的重要环节，冬季通风中由于矿井地面环境的寒冷气流经过井下通道，致使井上井下与环境温度相差无几。采矿设备与设施不能在低温环境下运行工作，如综采设备的润滑油、输送煤炭出井的橡胶输送带、供给井下工作用的自来水、操控作业人员的工作条件等等。当煤矿井筒筒壁有淋邦水时，环境气温降低会造成结冰，从而影响提升能力。严重时，冰凌脱落易造成井底严重事故。因此，煤矿安全规程规定，对于采暖室外温度等于或低于-4℃地区的进风立井，等于或低于-5℃地区的进风斜井，等于或低于-6℃地区的进风平硐，应设置井筒防冻设施。

为此，井筒防冻设施的选型就显得尤为重要。选小，解决不了问题；选大，无效投入增加。

1 传统井筒保暖做法

1.1 锅炉加热法

采用在主井井口、副井井口处各设空气加热室一座，主副井供热热媒一般为高温蒸汽锅炉提供的蒸汽或常压锅炉提供的蒸汽和热水，末端采用散热器或暖风机，经风机将空气加热室的热风输送到井下。

1.2 空气加热法

在室内建造一燃煤空气加热室，通过室内的盘旋管道内的空气加热，采用风机、管道送到主井井口和副井井口。

2 目前先进的做法

2.1 电加热法

电加热机组加热空气，通风机将加热空气通过输送管道送至井下。

2.2 热泵加热法

采用热泵形式，将井下排出的带有温度的空气，通过二次热交换的方式加热空气，将加热的空气通过风机送到主井井口和副井井口。

2.3 远红外线加热法

远红外线热风输送形式，利用电能通过远红外电热管自动将空气加热到一定温度，用风机将热风送到主井井口和副井井口。

3 电加热井筒防冻设施分析

3.1 对比分析

以山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司紫晟煤矿的井筒防冻设施的运行情况为例，对理论计算数据和实际操作数据进行对比分析。

紫晟煤矿：进风立井，风量48 000 m3/h，最低气温-15℃，通风方式：抽出式，要求冬季井筒温度不低于2℃。

紫晟煤矿井筒防冻设施所需热功率的理论计算：

式中，Q为所需热功率（kW/h）；V为进风量（m3/h）；ρ为20℃时空气的容重，取1.2 kg/m3；t2为冷热风混合后温度，取2℃；t0为最低大气温度，取-15℃；K为富裕系数，取1.1；C为空气比热，取0.24 kcal/（kg·℃）。

通过理论计算可知，紫晟煤矿的井筒防冻设施在保证不结冰的情况下需配备341.4 kW的热功率。

但是，紫晟煤矿实际配备的井筒防冻设备的热功率为150 kW。

3.2 紫晟煤矿电加热井筒防冻设备简要介绍

（1）紫晟煤矿电加热井筒防冻设备主要由带翅片的U型电加热管、轴流式风机、变频控制柜三部分组成。

U型带翅片的电加热管每根热功率5 kW，6根一组，每组热功率30 kW（每套设备的热功率可以根据实际需要无限串联）。紫晟煤矿共使用电加热管5组，总热功率为150 kW。为了方便维修，采用抽出式活动结构，即当电热管发生故障时，随时可以把活动钢架抽出进行更换。

风机为普通轴流式通风机，功率11kW，最大风量50000m3/h，风量的调节，主要通过控制柜中的变频器完成，也可以通过调整风叶角度来调整风量。

控制柜通过两组测温传感器获得的信息传输给PLC，由PLC对电加热管组和风机风量进行控制。每组电加热管都有独立的控制电源，两组测温传感器分别安装在井上和井下，当地面温度低于3℃时，控制柜通过PLC对每组电加热管组进行顺序开启。同样，当井筒内温度高于5℃时，控制柜通过PLC对每组电加热管组进行顺序停止。并适时调整风机频率，使井筒的进风温度及进风量达到最佳。通过上述控制，使得设备在环境温度发生变化时，自动调整热负荷，取得了非常明显的节能效果。

（2）紫晟煤矿电加热井筒防冻设备示意图如图1所示。

图1 电加热井筒防冻设备示意图

通过实践证明，紫晟煤矿采用150 kW的电加热井筒防冻设备，从2017年12月至2018年3月运行期间，既解决了紫晟煤矿的井筒结冰问题，又解决了常规热风炉的井筒防冻带来的环保问题，且节能效果明显，运行平稳。

4 同样的自然条件，理论计算的数据和实际发生的数据出现很大误差的主要原因

4.1 环境温度原因

俗话说：“冰冻三尺，非一日之寒”，晋南地区偏暖，日照时间长，每天09：00，气温开始回升，一直到17：00，气温基本在5℃以上；18：00以后开始降温，一直到21：00才能降到0℃以下，这时，电加热井筒防冻设备开始运行，补充热量，一直到凌晨05：00基本处于0℃左右，凌晨06：00开始达到结冰条件。但是，结冰也需要时间，当达到结冰时间点时，又一个循环开始了。周而复始，循环往复，解决了井筒结冰的问题。

4.2 理论计算原因

理论数据偏大。在理论计算过程中，对于常用系数的选择习惯性取大，当所有的系数均取最大值时，叠加起来的数值是很可观的。所以，理论计算的数据比实际数据要大很多。

4.3 实际运行原因

另一个主要原因是设备投入生产后，对现场的数据采集的少，只求解决问题，哪怕大马拉小车也行，很少考虑节能和适用问题。

5 三废治理及环境保护

5.1 三废治理

（1）废气：本方法无废气产生。

（2）废渣：本方法无废渣产生。

（3）废水：本方法无废水产生。

5.2 噪声

噪声来源于动力设备，而动力设备则主要是电机和风机。电机的噪声极低，具体标准参见风机生产厂家的说明书及认证资料，一般设备运行的噪声低于85 dB（A）。

6 结语

井筒防冻所需的热功率，理论计算和实际使用相差2倍多，说明有1倍多的热功率属于无效投入。那么，在井筒防冻设备选型时就已经注定设备的无效投入要多花费1倍多的价钱，安装费用也会相应增加。更主要的是，设备投入后的运行费用也要增加1倍多。试想，全国煤矿有多少这样的无效投入和无效运行呢？

现在煤矿的井筒防冻设施种类繁多，有燃煤锅炉、电锅炉、红外线加热器、电加热器、空气源热泵、水源热泵等，这么多种类的设备中，哪种设备是最适合自己矿井现状的，即使能确定一种设备适合自己矿井的现状，匹配的热功率多少才能最大限度地降低无效投入。

一点心得权当抛砖引玉，欢迎全国志同道合的业内人士一起学习探讨。