一级热害区回采工作面移动风冷降温技术

李文福，宋战宏，张红卫，吴奉亮

（1.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳713600；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054）

随着煤炭开采向深部延伸，原始煤岩温度升高，高温热害成为深部煤炭资源开采必须面临的问题[1]。孟村煤矿位于陕西彬长矿区中西部，最大开采深度890 m，正在开采的首个回采工作面处于原始煤温34 ℃的一级热害区，回采工作面上隅角风温最高时为32 ℃。尽管通风是最方便、经济的降温方法[2]，但目前孟村煤矿回采工作面配风量已达到1 900 m3/min，通过直接增加风量不仅不能有效改善回采工作面的热湿环境，而且还会加大采空区漏风、增加采空区遗煤自燃风险。因此，急需建立人工机械制冷降温系统。国内外热害明显的矿井多采用以水、冰为载冷剂的人工机械制冷系统，研究表明井深超过3 000 m 后，冰冷系统相比于水冷系统才会显示出更好的经济性[3-4]。另外从制冷系统的不同布置形式来看，国内使用井下集中降温系统的占36%，使用地面集中降温系统的占24%，使用局部移动降温系统的占61%[5-6]，且建立集中降温系统的矿井开采煤层多处于二级热害区。由于制冷系统总体上存在设备昂贵、能耗高等问题[7-8]，因地制宜地构建经济、高效的矿井制冷降温系统受到许多学者的关注，如以矿井涌水作为冷源[9]，利用防尘水、乳化液对回采工作面进行均匀供冷[10]，针对季节性热害在井口冷却全风量[11]等。综上，在矿井空调系统的载冷、排热工艺上形成因地制宜的措施，是学者们提高矿井空调系统的经济性普遍采用的方法。矿用风冷机组具有造价低、冷损小的特点，但其排热困难的缺点限制了它的应用范围。结合孟村煤矿一级热害，回采工作面涌水温度高等特点，提出采用矿井供、排水系统来解决移动风冷系统排热难的问题，将移动风冷技术用于回采工作面热害防治，并对这一思路的可行性在现场进行试验。

1 孟村矿采煤面热害状况及需冷量

1.1 矿井热害状况

孟村井田位于彬长矿区中西部，恒温带深度22～25 m，温度13.5 ℃，井田平均地温梯度为3.76℃/hm。经现场观测，矿井掘进工作面无明显热害，夏季最高风温26 ℃，矿井主要热害集中在回采工作面。矿井首个回采的401101 工作面布置图如图1，采用后退式开采、“U”形通风系统，可采走向长2 090 m、工作面斜长180 m，回采工作面大部分处于一级热害区。工作面涌水主要来自顶板，平均涌水量695 m3/h，水温30～32 ℃，涌水汇入位于工作面进风巷中部的回采工作面水仓，水仓水温基本恒定在30℃。回采工作面回采初期，未采取制冷降温，现场测定的冬、夏两季回采工作面转载机头到上隅角的风流温度如图2。

图1 401101 回采工作面布置图Fig.1 Layout of 401101 mining face

图2 制冷降温前距工作面入风口不同距离风温Fig.2 Temperature distribution at different distances from the air inlet of working face before cooling

从图2 可以看出，冬季工作面上隅角风流温度最高为26 ℃，未出现热害。夏季，工作面进风巷的大部分区域没有超过26 ℃，也无热害现象；但由于回采工作面较长，回采中剥落的高温煤体量大，回采工作面入口风温超过28 ℃，上隅角处达到32 ℃，可见矿井热害主要在回采工作面。

1.2 回采工作面需冷量

对于生产矿井，一般采用式（1）的焓差法来计算回采工作面需冷量Q：

式中：Q 为需冷量，kW；G 为风流的质量流量，kg/s；k 为考虑冷量损失和制冷系统安全性的富裕系数，取1.2；i 为焓值；i1、i2分别为降温前后高温地点空气的焓值，kJ/kg。

式中：t 为空气的温度，℃；d 为空气的含湿量，kg/kg。

式中：φ 为空气的相对湿度，%；p 为空气的压力，Pa；ps为空气温度为t 时对应的饱和水蒸气分压，Pa。

401101 工作面的通风量为1 900 m3/min，取制冷降温前工作面上隅角风温为32 ℃、相对湿度85%；制冷降温后工作面上隅角风温26 ℃、相对湿度95%。现场测得工作面空气平均绝对静压96 635 Pa，平均密度为1.09 kg/m3。根据式（1）～式（4）求得401101 工作面需冷量Q 为885.3 kW。

2 回采工作面移动风冷降温技术

2.1 不同制冷降温系统的适用性

以矿井空调中主要使用的压缩式蒸气制冷机来分析，根据与制冷机蒸发器换热形式的不同，局部移动式制冷降温系统还分为制取冷冻水与冷冻风2种方式。制冷剂通过蒸发器带走被冷却的低温物体的热量，并在冷凝器处将这些热量传给高温处的冷却水。制取冷冻水的方式是指制冷机首先制取冷冻水（与蒸发器换热），再将冷冻水送至工作面近处，通过空冷器冷却风流。局部水冷降温系统布置示意图如图3，这种系统的优点是制冷机的位置在1 个工作面回采期间相对固定、排热方便，但需要铺设冷冻水管路、存在一定的冷损。冷冻风的方式采用蒸发器直接冷冻风流，局部移动风冷降温系统布置示意图如图4，制冷机组随着工作面的回采而不断移动位置，其优点是对风流冷却效果好、不用铺设冷冻水管路，缺点是常需要铺设冷却水管路、排热困难。综上可见，局部移动风冷降温系统更加简单，设备投资小，但由于受排热条件的限制很难将其应用到回采工作面，如能合理解决冷却水的排热问题，则可为回采工作面的热害防治提供新的思路。

图3 局部水冷降温系统布置示意图Fig.3 Diagram of local water cooling system

2.2 回采工作面移动风冷降温技术

图4 局部移动风冷降温系统布置示意图Fig.4 Diagram of local moving air cooling system

经现场观测矿井首个回采工作面平均涌水量为695 m3/h，平均水温ty约32 ℃。矿井涌水经水仓排至地面净化、自然冷却后（夏季约23 ℃），再经供水系统输送至井下使用。根据矿井涌水与供水水温的情况，建立的回采工作面移动风冷降温系统如图5。

图5 回采工作面移动制冷降温系统示意图Fig.5 Diagram of moving cooling system of mining face

该系统使用矿井生产供水作为冷却水，高温冷却水回水直接排入水沟。取制冷系统的能效比为3.5，为达到回采工作面885.3 kW 的需冷量Q，计算得到制冷系统的总排热量Qp为1 138 kW，设计冷却水温升△T 为10 ℃，水的比热容Cs取4.2 kJ/（kg·℃）、密度ρs取1.0×103kg/m3，则冷却水需水量Vs=97.5 m3/h。

式中：Vs为冷却水需水量，m3；Qp为制冷系统总冷却量，℃；△T 为设计冷却水温度，℃；Cs为水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρs为水的密度，kg/m3。

图5 中冷却水回水温度tc（33 ℃，按温升10 ℃计算）在水沟与矿井涌水混合后，进入排水系统。考虑涌水的不均匀性，取工作面进风巷水沟中的平均水流量Vy为180 m3/h，计算制冷机冷却水排水口下游的水温th=32.4 ℃。

式中：th为制冷机排水口下游水温，℃；Vy为进风巷平均水流量，m3/h；Vs为冷却水需水量，m3；ty为工作面涌水温度，℃；tc为冷却时回水温度，℃。

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可见水沟内水的温升仅为0.4 ℃。由于水沟与风流的换热面较小，且后期还可通过增加盖板，或采取减小水沟宽度、加大深度的办法来降低水沟内热水对风流的放热。因此，即便矿井供水水温有升高，致使冷却水回水温度升高，其对进风风流的热污染也不会很明显。同时，在回采工作面进风巷的中部设有水仓，水沟中水流路线较短，这些都有利于减小水沟对风流的散热。

3 回采工作面移动风冷降温现场试验

3.1 试验方案

选用制冷量为450 kW 的ZLF-450 型矿用冷风机组在矿井首个回采工作面进行试验。该机组冷凝器对冷却水的进入温度可放宽至32 ℃，排水温度达40 ℃，机组的其它主要技术参数如下：①电机功率：132 kW；②蒸发器额定冷却功率：450 kW；③蒸发器入口空气温度：32 ℃；④蒸发器入口空气湿度：70%；⑤蒸发器出口空气温度：20 ℃；⑥蒸发器出口空气湿度：100%；⑦蒸发器冷却风量：540～600 m3/min；⑧冷凝器功率：560 kW；⑨冷凝器进水温度：32℃；10○冷凝器出水温度：40 ℃；1○冷凝器中循环水量：75 m3/h。

根据401101 回采工作面需冷量计算结果，回采工作面需配置2 台ZLF-450 型制冷机组。出于试验考虑，在首个回采工作面暂选用了1 台机组进行试验。风冷机组放置在距工作面200 m 处，其蒸发器与主机通过管道连接、分离布置：蒸发器入口接风机、出口接风筒，通过支架高置于带式输送机之上；主机位于带式输送机旁边。风筒将冷风送到距工作面50～100 m 位置，冷却水则直接排至巷道水沟。随着工作面的回采，制冷机组相应移动位置。

3.2 效果考察

制冷降温系统于2018 年8 月调试正常后开始运行。由于矿井供水系统设计时没有考虑制冷系统的用水，因此存在一定的供水不足，试验时对冷却水量分别为30 m3/h 与50 m3/h 时的工况进行了观测、并与实施制冷降温前的风温进行了比较，制冷降温前后工作面风流温度如图6。

由图6 可见，在冷却水供水量为30 m3/h 时，工作面风流温度最大降低1.2 ℃，平均降温1 ℃，工作面上隅角风流平均温度为31.2 ℃，较局部制冷降温前风流温度（32 ℃）降低0.8 ℃。在冷却水供水量为50 m3/h 时，工作面风流温度最大降低3.4 ℃，平均降温2.8 ℃，工作面上隅角风流平均温度为29.8 ℃，较局部制冷降温前风流温度（32 ℃）降低2.2 ℃。从试验结果可以看出，冷却水供水量对制冷机的制冷效果有明显影响。由于当前供水系统只能为制冷系统提供50 m3/h 的稳定水量，因此效果并没有达到设计状态。

图6 制冷降温前后工作面风流温度Fig.6 Air temperature of working face before and after cooling

冷却水供水量为50 m3/h 时系统运转期间不同时刻水温变化曲线如图7。

图7 系统运行温度曲线Fig.7 Temperature curves of system operating

从图7 可见，制冷机在运行32 h 后，系统保持在1 个稳定的状态。来自地面水池的冷却水温度稳定在23.2 ℃，冷却水出水温度稳定在32.3 ℃；回采工作面涌水水温稳定在平均值为30.5 ℃，与冷却水混合后稳定在30.9 ℃，温度上升了0.4 ℃，混合后的水经排水系统进入地面水池自然冷却，再送入井下循环使用。工作面进风巷涌水量180 m3/h，冷却水循环水量50 m3/h，冷却功率531 kW，蒸发器进口空气温度27.4 ℃、相对湿度85%，蒸发器出口空气温度17.2 ℃、相对湿度80%，蒸发器冷却风量600 m3/min，制冷量400 kW，系统的能效比为3.05。

综上，通过优化矿井供水系统，加大制冷机冷却水供水量，可以保证制冷机组正常工作；使用2 台ZLF-450 型机组可达到预期的降温要求。

4 结 论

1）提出了回采工作面局部移动风冷降温技术。该系统将移动制冷机放置于距工作面200 m 内的进风巷，采用矿井生产供水作为冷却水，冷却水的高温回水直接排入水沟。系统充分利用了矿井供、排水系统，避免了为制冷系统增设专用管路，实现了将造价低、易于维护的矿用移动制冷技术应用于高温回采工作面的热害防治。

2）现场试验结果表明制冷机组向水沟排入的高温冷却水与回采工作面涌水水温相近，建立的回采工作面局部移动风冷系统可以稳定高效运行。回采工作面涌水与冷却水混合后温度上升0.4 ℃，工作面风流温度平均降低2.8 ℃，制冷机的能效比达到3.05，2 台ZLF-450 型机组可满足回采工作面热害防治的需要。

3）冷却水的供水量对制冷效果有明显影响，矿井供水系统在设计时往往没有考虑制冷机组的用水需求，导致制冷机组的供水量不足，增加了设备故障率。因此，矿井应在后期对供、排水系统进行改造，加大生产供水量，保证制冷机组的正常运转。