利用恒温水源进行矿井降温

　     1 矿区概况

    　　淮南矿区地处安徽省北部，淮河中游两岸，东起郯芦断裂，西至阜阳市，东西走向180km，南抵八公山、舜耕山，北止明龙山、上窑一带，南北宽约30km，矿区总面积约3 600km2。目前淮南矿区共有9对矿井，均为煤与瓦斯突出矿井，矿区核定年生产能力3 000万t。地面年平均气温15.3℃、相对湿度74％、大气压力101.3kPa，恒温带距地表深度20～30m，恒温带温度16.8℃，夏季（6～8月）气温较高，7月份平均气温为30℃。

    　　2 利用恒温水源进行矿井降温的可行性分析

    　　2.1 空气和水的比热容

    　　当P为106.67kPa，t＝30℃，φ＝95％，d＝0.0244kg/kg时，

    　　干空气比热容：1.0045kJ/(kg·K)

    　　水蒸气比热容：1.85kJ/(kg·K)

    　　湿空气的焓：i=1.0045t+0.001d(2501+1.85t)=30.136kJ/kg

    　　考虑井下降温的过程近似为等湿、减焓、降温过程，30℃的湿空气温度变化1℃，其焓的变化量：Δi=1.0785kJ/kg。

    　　水的比热容：4.19kJ/(kg·K)；

    　　20℃水的焓：83.8 kJ/kg。

    　　30℃水的焓：125.7 kJ/kg；

    　　20℃～30℃的水温度变化1℃，其焓的变化量为Δi=4.19 kJ/kg。

    　　2.2 恒温水降温效果分析

    　　在井下近似等压等湿的降温过程中，1kg的水温度每升高1℃，就可使1kg的湿空气温度降低3.895℃；m3的水温度每升高1℃，就可以使3 237.5 m3的湿空气温度降低1℃。

    　　2.3 恒温水源降温能力分析

    　　淮南矿区恒温水源温度为16.8℃，考虑从地面往井下输送过程中的温升（视管道的绝热程度而定），假定井下降温时水源温度为20℃，降温后的回水温度为26℃；井下降温前的空气温度为32℃，降温后的空气温度为26℃。那么1 m3的恒温水源水就可使3 237.5 m3的井下空气温度由32℃降低到26℃。

    　　2.4 矿井降温需水量分析

    　　根据淮南矿区的实际情况，年产300万t高瓦斯突出矿井，如二级热害矿井潘一、潘三矿，其矿井需风量应在20 000 m3/min以上。按有效风量利用率85％考虑，再除去井底峒室和一些不需要降温的采掘工作面的用风量，实际需要降温的风量可占到矿井风量的60％，即需要降温的风量为12 000 m3/min。那么，矿井降温所需恒温水量为：3.71 m3/min，222.4 m3/h。

    　　2.5恒温水源的可靠性分析

    　　由于恒温水水源温度常年变化甚微，因此恒温层水源可用于常年降温。此外恒温水水源丰富，淮南矿区煤系地层覆箅着145～564m的新生界地层，流沙层特别厚，地下水位又为地表以下1～2m。2003年7～9月份期间，潘三矿附近农民的机灌井，井水从井中自然流出地表，形成涌泉，可见地下水的充沛程度。

    　　2.6 现场实验

    　　利用恒温水源进行矿井降温的可行性，一般生产矿井在停产检修期间，都具备实验条件，具体效果可进行现场实验。

    　　3 恒温水源进行矿井降温的系统构成

    　　恒温水源进行矿井降温的系统原理图，详见图1。

       图1 恒温水源进行矿井降温的系统原理图

    　　4 恒温水源降温系统的运行

    　　4.1 连通器原理

    　　恒温水源降温系统可采用连通器原理设置，即进水口和出水口均设置在地面，依靠进回水温差形成的自然水压运行，当自然水压能形成需要水量的流速时，可考虑提高进水口高度，来提高压差，用以保证系统正常运行。若井下降温系统采用开式循环时，可在井底进行高低压转换。

    　　4.2 经济流速

    　　矿井降温所需水量取决于管径和流速，流速取决于水和系统（管道）的总阻力。管径过大增加初期投资，流速过大则需要添加动力。一般管道经济流速区间为2～4m/s，要实现尽量不用或少用动力运行，恒温水源降温系统的经济流速应按4m/s进行设计。若需水量为4 m3/min时，则管道内径d≥146mm.

    　　4.3 管道总阻力

    　　管道阻力取决于管径、管道流速和管道流程，加上管道拐弯、阀门控制等的局部阻力就是管道总阻力，也即系统阻力。试取管道内径为Φ152mm，管道总长度为10 000m局部阻力为总阻力的20％进行计算：管道的总阻力为110 608Pa。

    　　4.4 自然水压

    　　自然水压的大小取决于进回水温差和实际降温地点的垂深。取进水温度为18℃，回水温度为30℃，降温点垂深为600m，进行模拟计算：

    　　h自=(998.2-995.7)×9.81×600＝14 715Pa

    　　4.5 水塔高度

    　　水塔高度取决于管道（系统）总阻力与自然水压的差值。

    　　h塔高＝（h总－h自）/9.81×998.2＝11.145m

    　　5 恒温水源矿井降温系统的实施

    　　5.1 采煤工作面降温的实施

    　　（1）采用闭式循环时，采煤工作面降温采用套管换热，换热后的冷水，用来进行工作面进风巷巷顶及巷道两侧迈步喷淋降温，可考虑喷淋水搜集，循环使用，也可根据巷道条件，让其自流入采区或井底水仓，从采区域井底水仓取水使用。需配高压水泵2台，1台使用，1台备用。

    　　（2）采用开式循环时，直接使用恒温水源对工作面的进风巷巷顶及巷道两侧迈步喷淋降温，并根据巷道条件，考虑进行喷淋水搜集，导水管排至水沟，或让其自流入井底水仓，经高低压装置排到地面。

    　　5.2 掘进工作面降温的实施

    　　（1）采用闭式循环时，掘进工作面降温直接利用恒温水源冷水。用小管径钢管直接设置在风筒内部，靠钢筒内的风流与钢管直接换热，如通风距离较短，换热不够充分，可考虑钢管多次往返，以达到出水温度与风温近似相等的换热目的。降温效果由通过的冷水量进行控制。

    　　（2）采用开式循环时，采用矿用移动式喷淋空冷器直接喷淋恒温水源冷水，喷淋水由集水管排出。降温效果由喷淋水量进行控制。

    　　5.3 局部高温点降温

    　　对局部热温源地点，如刚揭露的围岩、煤壁、采空区老塘口、上隅角老塘口，可直接喷洒恒温水源冷水降温。

    　　5.4 辅助降温

    　　井底车场、大巷的装载喷雾、净化喷雾，高温区域采区内部的各类转载喷雾、净化喷雾、移回喷雾等，一律改为使用恒温水源进行喷雾，以达到辅助降温的目的。

    　　5.5 补充降温

    　　不排除在夏季高温季节，少数地点利用恒温水源降温后，空气温度依然超标的可能。此时，可对恒温水源进行加冰制冷，以满足矿井降温需要。

    　　6 经济技术比较

    　　6.1与地面集中机械制冷降温系统投入比较

    　　恒温水源矿井降温系统与地面集中机械制冷降温系统有相似一面，即井下降温管路基本相同。但省却了昂贵的机械制冷设备——冷水机组和地面厂房，以及降温系统的末端设备、排热系统和巷道工程。初步估算，建立恒温水源降温系统的总费用，仅为建立地面集中机械制冷降温系统的30％。

    　　6.2与地面集中机械制冷降温系统运行费用比较

    　　若以年产量300万t矿井计算，需降温风量为12 000 m3/min，降温温差7℃为例，地面集中机械制冷降温系统的制冷量应在2 000kW以上，装机总功率要在1 000kW以上（包括：冷水机组、泠水泵、冷却泵、空冷器局部通风机）；而恒温水源降温系统，仅需要4 m3/min的排水能力即能满足，总功率100kW上下。可见在电耗这项上，能节约90％，而且恒温水源降温系统无须设备备件、原材料消耗，维护费用几乎为零。在经济运行方面具有无可比拟的优势。

    　　6.3回水管路可与防尘洒水管路共用

    　　恒温水源降温系统的回水管路可与防尘洒水管路共用，而防尘洒水管路是现有的，而且是必须要有的，用作恒温水源降温系统回水管路时，只需要对其局部管径进行更换，即可满足需要，这样又省去了恒温水源降温系统的近一半建设费用。

    　　机械制冷降温供水温度一般为5～7℃，而恒温水源供水温度为18～22℃，在相同的需冷量情况下，其终端设备要大得多或需水量很大，因此不同的矿井是否能采取恒温水源进行矿井降温要根据其具体情况来具体分析。