渦北煤礦1.8 Mt-a新井設(shè)計(jì)-機(jī)械制冷在煤礦井下熱害防治中的應(yīng)用

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)：采礦工程專業(yè)設(shè)計(jì)題目：渦北煤礦1.8Mt/a新井設(shè)計(jì)專題：機(jī)械制冷在煤礦井下熱害防治中的應(yīng)用摘要本設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：一般部分、專題部分和翻譯部分。一般部分為渦北煤礦1.80Mt/a新井設(shè)計(jì)。渦北煤礦位于安徽省亳州市境內(nèi)，東有京九鐵路，西有濉阜鐵路，交通便利。井田走向長(zhǎng)度約6km，傾向長(zhǎng)度約3.2km，面積約15km2。主采煤層為8號(hào)煤層，平均傾角為23°，平均厚度為10.1m。井田工業(yè)儲(chǔ)量為212.6Mt，可采儲(chǔ)量為127.6Mt，礦井服務(wù)年限為54.5a。礦井正常涌水量為250m3/h，最大涌水量為280m3/h。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為21.33m3/min，屬于低瓦斯礦井。根據(jù)井田地質(zhì)條件，提出四個(gè)技術(shù)上可行的開拓方案。方案一：立井兩水平開拓上下山開采，一對(duì)立井直接延深；方案二：立井兩水平開拓上下山開采，一對(duì)暗斜井延深；方案三：立井兩水平開拓上下山開采，兩對(duì)暗斜井延深；方案四：立井兩水平開拓上下山開采，一對(duì)立井、一對(duì)暗斜井延深。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定方案四為最優(yōu)方案。一水平標(biāo)高-700m，二水平標(biāo)高-1000m。設(shè)計(jì)首采區(qū)采用采區(qū)準(zhǔn)備方式，工作面長(zhǎng)度210m，采用綜采放頂煤采煤法，礦井年工作日為330d，工作制度為“三八制”。大巷采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)煤，輔助運(yùn)輸采用礦車運(yùn)輸。礦井通風(fēng)方式前期為中央并列式，后期為兩翼對(duì)角式。專題部分題目是淺談機(jī)械制冷在煤礦熱害防治中的應(yīng)用，主要從礦井產(chǎn)生高溫的原因，礦井地溫的分布規(guī)律以及機(jī)械預(yù)冷風(fēng)降溫和冰輸降溫兩種機(jī)械降溫的系統(tǒng)，并通過實(shí)例來說明了機(jī)械降溫系統(tǒng)在煤礦熱害治理中的應(yīng)用以及它的廣闊前景和研究必要性。翻譯部分題目是關(guān)于地下開采中斷層附近地下水突出的數(shù)值研究。關(guān)鍵詞：渦北煤礦；立井；暗斜井；采區(qū)布置；放頂煤采煤法；兩翼對(duì)角式；機(jī)械制冷；煤礦熱害

ABSTRACTThisdesigncanbedividedintothreesections:generaldesign,monographicstudyandtranslationofanacademicpaper.Thegeneraldesignisabouta1.80Mt/anewundergroundminedesignofGobeicoalmine.WobeicoalmineliesinBozhouCity,Anhuiprovince.AsJingjiurailwayrunsinthewestoftheminefieldandSuifurailwayrunsintheeastoftheminefield,thetrafficisconvenient.It’sabout6kmonthestrikeand3.2kmonthedip,withthe14.85km2totalhorizontalarea.Theminablecoalseamis8withanaveragethicknessof10.1mandanaveragedipof23°.Theprovedreservesofthiscoalmineare212.6Mtandtheminablereservesare127.6Mt,withaminelifeof54.5a.Thenormalmineinflowis250m3/handthemaximummineinflowis280m3/h.Theminegasemissionrateis21.33m3/minwhichbelongstolowgasmine.Basedonthegeologicalconditionsofthemine,Ibringforwardfouravailableprojectsintechnology.Thefirstisverticalshaftdevelopmentwithtwomininglevelsandtheextensionofblindinclinedshaft;thesecondisverticalshaftdevelopmentwithtwomininglevelsandtheextensionofverticalshaft;thethirdisverticalshaftdevelopmentwiththreemininglevelsandtheextensionofblindinclinedshaft;thelastisverticalshaftdevelopmentwiththreemininglevelsandtheextensionofverticalshaft.Thefirstprojectisthebestcomparingwithotherthreeprojectsintechnologyandeconomy.Thefirstlevelisat-700m.Thesecondlevelisat-1000m.Designedfirstminingdistrictmakesuseofthemethodoftheminingdistrictpreparation.Thelengthofworkingfaceis210m,whichusesfully-mechanizedcoalcavingminingmethod.Theworkingsystemis“three-eight”whichproduces330d/a.Mainroadwaymakesuseofbeltconveyortotransportcoalresource,andminecartobeassistanttransport.Thetypeofmineventilationsystemistwowingsdiagonalventilation.Themonographicstudyisthetopicofmechanicalrefrigerationinthecoalthermaldamagecontrol,thereasonsofhightemperaturefromthemine,minegroundtemperaturedistributionlaw,coldandmechanicalpre-coolingandicelostcoolingbothmechanicalcoolingsystem,andexamplesillustratestheapplicationofthemechanicalcoolingsysteminthegovernanceofcoalheatdamageaswellasitsbroadprospectsandresearchnecessity.ThetranslatedacademicpaperisFiniteelementanalysisofthree-wayroadwayjunctionsinlongwallmining.Keywords:Guobeicoal;verticalshaft;blindinclinedshaft;miningdistrictpreparation;coalcavingmining;twowingsdiagonalventilation;gob-sideentry；mechanicalrefrigeration；coalthermaldamage第頁(yè)時(shí)期（通常在達(dá)產(chǎn)初期）和較大的時(shí)期（通常在生產(chǎn)后期）。本設(shè)計(jì)礦井采用兩翼對(duì)角式通風(fēng)，在礦井服務(wù)年限內(nèi)，分別在兩翼上部邊界開鑿兩個(gè)風(fēng)井。9.4.2礦井通風(fēng)容易時(shí)期和困難時(shí)期的最大阻力路線1）通風(fēng)容易時(shí)期地面→副井→井底車場(chǎng)→軌道石門→軌道大巷→采區(qū)下部車場(chǎng)→采區(qū)軌道上山→采區(qū)中部車場(chǎng)→區(qū)段運(yùn)輸平巷→工作面→區(qū)段回風(fēng)平巷→采區(qū)上部車場(chǎng)→采區(qū)運(yùn)輸上山→回風(fēng)石門→邊界風(fēng)井。2）通風(fēng)困難時(shí)期地面→副井→井底車場(chǎng)→一水平軌道石門→一水平軌道大巷→采區(qū)下部車場(chǎng)→采區(qū)軌道上山→暗斜井上部車場(chǎng)→副暗斜井→二水平軌道大巷→區(qū)段運(yùn)輸平巷→工作面→區(qū)段回風(fēng)平巷→采區(qū)中部車場(chǎng)→西六采區(qū)運(yùn)輸上山→南四采區(qū)運(yùn)輸上山→回風(fēng)石門→邊界風(fēng)井。對(duì)應(yīng)于通風(fēng)容易時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)立體圖如圖9.4.1，對(duì)應(yīng)于通風(fēng)困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)立體圖如圖9.4.2。通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖9.4.3。圖9.4.3通風(fēng)容易時(shí)期與困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖9.4.3礦井通風(fēng)阻力計(jì)算根據(jù)已經(jīng)確定的通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期，按這兩個(gè)時(shí)期的通風(fēng)阻力最大的風(fēng)路分別計(jì)算出各段井巷的通風(fēng)阻力，然后累加得出兩個(gè)時(shí)期的總阻力。據(jù)此，所選用的風(fēng)機(jī)既能滿足困難時(shí)期又能滿足容易時(shí)期的要求，則其它時(shí)期就無須再計(jì)算。表9.4.1通風(fēng)容易時(shí)期礦井通風(fēng)阻力計(jì)算表巷道名稱巷道標(biāo)號(hào)支護(hù)方式a×104LUSQhfrv/N·s2·m-4/m/m/m-2/m3·s-1/Pa/m·s-1副井1-2混凝土350.073122.640.766.537.91.6井底車場(chǎng)2-2錨噴80.0100013.812.466.5255.75.4軌道石門2-3錨噴70.057314.815.056.055.23.7軌道大巷3-4錨噴70.0177214.815.056.0170.63.7軌道上山4-5錨噴90.029813.612.856.054.54.45-6錨噴90.010313.612.854.417.84.3運(yùn)輸平巷6-7錨網(wǎng)150.0115117.017.541.493.82.4工作面7-8液壓支架320.021018.015.236.044.62.4軌道平巷8-9錨網(wǎng)150.0115117.017.541.493.82.4回風(fēng)石門9-10錨噴70.010413.612.866.520.85.2風(fēng)井10-13混凝土350.042818.828.366.554.92.3合計(jì)/Pa899.6表9.4.2通風(fēng)困難時(shí)期礦井通風(fēng)阻力計(jì)算表巷道名稱巷道標(biāo)號(hào)支護(hù)方式a×104LUSQhfrv/N·s2·m-4/m/m/m-2/m3·s-1/Pa/m·s-1副井1-2混凝土350.073122.640.7井底車場(chǎng)2-2錨噴70.0100013.812.479.2363.26.4副暗立井2-4混凝土350.030022.640.7主暗立井7-8混凝土350.030020.40.4軌道石門2-3錨噴70.097014.815.057.498.13.8一水平軌道大巷3-9錨噴70.0131114.815.057.4132.33.8副暗斜井9-10錨噴150.067814.614.755.9146.13.8二水平軌道大巷10-11錨噴70.03414.815運(yùn)輸平巷11-12錨網(wǎng)150.0158217.017.541,4129.02.4工作面12-13液壓支架320.021018.015.236.044.62.4軌道平巷13-17錨網(wǎng)150.0158217.017.541.4129.02.4運(yùn)輸上山15-17錨噴90.018613.612.817-18錨噴90.04213.612.818-19錨噴90.035913.612.855.965.54.4二水平回風(fēng)石門19-20錨噴70.06313.612.8南四采區(qū)上山20-21錨噴9057813.612.868.9160.15.4一水平回風(fēng)石門21-22錨噴7093113.612.879.3265.86.2風(fēng)井22-23混凝土350.040018.828.379.373.02.8合計(jì)/Pa1682.4通風(fēng)容易與通風(fēng)困難時(shí)期的礦井通風(fēng)阻力計(jì)算分別見表9.4.1、表9.4.2。9.4.4礦井通風(fēng)總阻力容易時(shí)期通風(fēng)總阻力：Hfrmin=1.2×∑hfrmin（9.4.2）困難時(shí)期通風(fēng)總阻力：Hfrmax=1.2×∑hfrmax（9.4.3）式中：1.2為考慮風(fēng)路上有局部阻力的系數(shù)；∑hfrmin、∑hfrmax分別是礦井通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期的礦井總阻力。則有：Hfrmin=1.2×899.6=1079.52（Pa）Hfrmax=1.2×1402.8=2018.88（Pa）礦井容易時(shí)期和困難時(shí)期的總風(fēng)阻見表9.4.3。表9.4.3礦井通風(fēng)總阻力項(xiàng)目容易時(shí)期困難時(shí)期阻力/Pa1079.522018.889.4.5礦井總風(fēng)阻及總等積孔礦井通風(fēng)總風(fēng)阻計(jì)算公式：R=hr/Qf2（9.4.4）礦井通風(fēng)等積孔計(jì)算公式：A=1.1917/R0.5（9.4.5）式中：R——礦井風(fēng)阻，N·s2/m8；hr——礦井總阻力，Pa；Qf——礦井總風(fēng)量，m3/s；A——礦井等積孔，m2。帶入上面數(shù)據(jù)即可求出：容易時(shí)期：總風(fēng)阻為：R=Hfrmin/Qfmin2=0.244（N·s2/m8）總等積孔：Armin=1.1917/R0.5=2.41（m2）困難時(shí)期：總風(fēng)阻為：R=Hfrmin/Qfmax2=0.322（N·s2/m8）總等積孔：Armax=1.1917/R0.5=2.10（m2）由以上計(jì)算并對(duì)照表9.4.4可以看出，本礦井通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期總等積孔均大于2m2，屬于通風(fēng)容易礦井，計(jì)算結(jié)果匯總表見表9.4.5。表9.4.4礦井通風(fēng)難易程度與等積孔對(duì)照表通風(fēng)阻力等級(jí)通風(fēng)難易程度等積孔A大阻力礦困難<1m2中阻力礦中等1~2m2小阻力礦容易>2m2

表9.4.5礦井風(fēng)阻和等積孔項(xiàng)目風(fēng)量/m3·s-1總風(fēng)阻/N·s2·m-8等積孔/m2難易程度容易時(shí)期66.50.2442.41容易困難時(shí)期79.20.3222.10容易9.5礦井通風(fēng)設(shè)備選型9.5.1通風(fēng)機(jī)選擇的基本原則所用的通風(fēng)機(jī)除應(yīng)具有安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)外，還應(yīng)符合下列要求：（1）選擇通風(fēng)機(jī)一般應(yīng)滿足第一水平各個(gè)時(shí)期的阻力變化要求，并適當(dāng)照顧下一水平通風(fēng)機(jī)的需要。當(dāng)阻力變化較大時(shí)，可考慮分期選擇電動(dòng)機(jī)，但初裝電動(dòng)機(jī)的使用年限不宜小于10a；（2）留有一定的余量，軸流式通風(fēng)機(jī)在最大設(shè)計(jì)風(fēng)量和風(fēng)壓時(shí)，葉片安裝角度一般比最大允許使用值小5°，離心式通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)一般不大于允許值的90%；（3）通風(fēng)機(jī)的服務(wù)年限內(nèi)，其礦井最大和最小阻力的工作點(diǎn)均應(yīng)在合理工作范圍內(nèi)；（4）慮風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)盡量避免采用風(fēng)硐閘門調(diào)節(jié)。9.5.2通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的確定1）自然風(fēng)壓通風(fēng)機(jī)的壓力與自然風(fēng)壓有很大關(guān)系。風(fēng)機(jī)選型時(shí)計(jì)算風(fēng)機(jī)壓力須計(jì)算出礦井自然風(fēng)壓。礦井自然風(fēng)壓的大小，最要取決于礦井風(fēng)井的深度及內(nèi)部的風(fēng)流的密度。（1）靜壓礦井進(jìn)、出風(fēng)井的空氣柱的容重差以及高度差和其它自然因素所形成的壓力成為自然風(fēng)壓，它對(duì)礦井風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮自然風(fēng)壓對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。H=ΔρgH（9.5.1）式中：Δρ——進(jìn)風(fēng)井筒與出風(fēng)井筒空氣平均密度差，kg/m3，見表9.5.1示；H——井筒深度，m。表9.5.1空氣平均密度季節(jié)進(jìn)風(fēng)井筒（kg/m3）出風(fēng)井筒（kg/m3）冬1.281.24夏1.221.26副井深度：Z副井=731m風(fēng)井深度：Z風(fēng)井=400m高差：Z高差=691-428=331m冬季空氣密度?。害堰M(jìn)=1.28kg/m3，ρ出=1.24kg/m3，Ρ平均=1/2×（ρ進(jìn)+ρ出）=1.26kg/m3冬季自然風(fēng)壓：hna=ρ進(jìn)gZ副井-ρ平均gZ高差-ρ出gZ風(fēng)井=1.28×9.8×731-1.26×9.8×331-1.24×9.8×400=221.676（Pa）夏季空氣密度取：ρ進(jìn)=1.22kg/m3，ρ出=1.26kg/m3，ρ平均=1/2×（ρ進(jìn)+ρ出）=1.24kg/m3夏季自然風(fēng)壓：hna=ρ進(jìn)gZ副井-ρ平均gZ高差-ρ出gZ風(fēng)井=1.22×9.8×731-1.24×9.8×331-1.26×9.8×400=-221.676Pa冬季自然風(fēng)壓有利于礦井通風(fēng)，壓力為221.676Pa，夏季自然風(fēng)壓阻礙礦井通風(fēng)，壓力為221.676Pa。2）通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（1）礦井采用抽出式通風(fēng)，通風(fēng)容易時(shí)期通風(fēng)機(jī)靜風(fēng)壓為：Hrsmin=Hfrmin-hn+h損失（9.5.2）式中：Hfrmin——通風(fēng)容易時(shí)期礦井通風(fēng)總阻力，Pa；hn——通風(fēng)容易時(shí)期幫助通風(fēng)的自然風(fēng)壓，hn=221.676Pa；h損失——通風(fēng)機(jī)附屬裝置和擴(kuò)散器出口的風(fēng)壓損失，通常為20~50，取50Pa。則有hrsmin=1079.52-221.676+50=910.22（Pa）（2）通風(fēng)困難時(shí)期，考慮自然風(fēng)壓阻礙通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，通風(fēng)機(jī)靜風(fēng)壓為：Hrsmax=Hfrmax-hn+h損失（9.5.3）式中：Hfrmax——通風(fēng)困難時(shí)期礦井通風(fēng)總阻力，Pa；hn——通風(fēng)困難時(shí)期阻礙通風(fēng)的自然風(fēng)壓，hn=-221.676Pa；h損失——通風(fēng)機(jī)附屬裝置和擴(kuò)散器出口的風(fēng)壓損失，通常為20~50，取50Pa。則有hrsmax=22018.88+221.677+50=2290.566（Pa）3）通風(fēng)機(jī)實(shí)際通過風(fēng)量Qf因有外部漏風(fēng)（防爆門和通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐漏風(fēng)），通過主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Qf必大于礦井總風(fēng)量，對(duì)于抽出式用下式計(jì)算：Qf=k×Q（9.5.4）式中：Qf——通過風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量，m3/s；Q——風(fēng)井總風(fēng)量，m3/s；k——漏風(fēng)損失系數(shù)。風(fēng)井無提升任務(wù)時(shí)取1.1；箕斗井兼作回風(fēng)井時(shí)取1.15；回風(fēng)井兼做升降人員時(shí)取1.2。容易時(shí)期：Qrmin=1.1×66.5=73.15（m3/s）困難時(shí)期：Qrmax=1.1×79.2=87.12（m3/s）4）通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)工況點(diǎn)為主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻曲線與通風(fēng)機(jī)特性曲線的交點(diǎn)。主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻曲線由風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系方程h=R×Q2確定；通風(fēng)機(jī)特性曲線由選擇的主要通風(fēng)機(jī)確定。容易時(shí)期：Rrsmin=hrsmin/Qrmin2=910.22/73.152=0.17（N·s2/m8）困難時(shí)期：Rrsmax=hrsmax/Qrmax2=2290.566/7.122=0.302（N·s2/m8）風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系：容易時(shí)期：hrsmin=Rrsmin×Qf2=0.189Qf2困難時(shí)期：hfsmax=Rfsmax×Qf2=0.218Qf2主要通風(fēng)機(jī)在兩個(gè)時(shí)期分別應(yīng)滿足的風(fēng)量、風(fēng)壓見表9.5.2。表9.5.2主要通風(fēng)機(jī)工作參數(shù)表容易時(shí)期困難時(shí)期風(fēng)量/m3·s-1風(fēng)壓/Pa風(fēng)量/m3·s-1風(fēng)壓/Pa73.151012.785.51592.66根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在主要通風(fēng)機(jī)個(gè)體特性圖表上選定風(fēng)機(jī)，該礦井風(fēng)機(jī)型號(hào)選定為FBCDZ-10-No.24C型軸流式通風(fēng)機(jī)。該型通風(fēng)機(jī)特性曲線如圖9.5.1所示，在圖上繪制風(fēng)阻線，風(fēng)阻曲線與風(fēng)機(jī)特性曲線的交點(diǎn)、為理論工況點(diǎn)，M1、M2點(diǎn)為根據(jù)理論工況點(diǎn)求得的實(shí)際工況點(diǎn)。FBCDZ-10-No.24C型軸流式主要通風(fēng)機(jī)實(shí)際工況點(diǎn)參數(shù)見表9.5.3。表9.5.3主要通風(fēng)機(jī)實(shí)際工況點(diǎn)參數(shù)性能參數(shù)型號(hào)通風(fēng)時(shí)期葉片安裝角/（°）轉(zhuǎn)速/r·min風(fēng)壓/Pa風(fēng)量/m3·s效率/（%）輸入功率kWFBCDZ-10-No.24C容易49°/41°5801120770.73138困難55°/47°580171087.50.78192圖9.5.1FBCDZ-10-No.24C型軸流式通風(fēng)機(jī)特性曲線9.5.3電動(dòng)機(jī)選型主要通風(fēng)機(jī)選定后，根據(jù)各時(shí)期的主要通風(fēng)機(jī)輸入功率計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的輸出功率，選出電動(dòng)機(jī)。由于Nfmin/Nfmax=138/192=0.72>0.6，即只需選一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其功率為：Ne=Nfmax×ke/ηe/ηc（9.5.5）式中：Ne——電動(dòng)機(jī)的輸出功率，kW；Nfmax——通風(fēng)機(jī)困難時(shí)期主要通風(fēng)機(jī)的輸入功率，kW；ke——電動(dòng)機(jī)容量備用系數(shù)，ke=1.1～1.2,取1.15；ηe——電動(dòng)機(jī)效率，ηe=0.92～0.94,取0.93；ηc——傳動(dòng)效率，電動(dòng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)直聯(lián)時(shí)η傳=1。則：Ne=192×1.15/0.93=237.4（kW）根據(jù)以上計(jì)算出的功率以及主要通風(fēng)機(jī)要求的轉(zhuǎn)速，選擇型號(hào)為Y450-50-10的異步電動(dòng)機(jī)，其詳細(xì)參數(shù)見表9.5.4。表9.5.4Y450-50-10型異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)特征項(xiàng)目單位參數(shù)額定功率kW250轉(zhuǎn)速r/min591功率因數(shù)-0.798效率%93.28定子電流A礦井主要通風(fēng)設(shè)備的要求礦井不得采用局部通風(fēng)機(jī)群作為主要通風(fēng)機(jī)用。在特殊條件下，作臨時(shí)使用時(shí)，必須報(bào)主要通風(fēng)機(jī)管理，制定措施，報(bào)省煤炭局批準(zhǔn)。（1）主要通風(fēng)機(jī)必須安裝在地面，裝有通風(fēng)機(jī)的井口必須封閉嚴(yán)密，其外部漏風(fēng)率在無提升設(shè)備時(shí)不得超過5%，有提升設(shè)備時(shí)不得超過15%；（2）主要通風(fēng)機(jī)必須保證經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)；（3）主要通風(fēng)機(jī)必須裝置兩套同等能力的通風(fēng)機(jī)，其中一套作備用。在建井期間可裝置一套通風(fēng)機(jī)和一部備用電動(dòng)機(jī)。備用通風(fēng)機(jī)或備用電動(dòng)機(jī)和配套通風(fēng)機(jī)，必須能在10min內(nèi)開動(dòng)。（4）裝有主要通風(fēng)機(jī)的出風(fēng)井口，應(yīng)安裝防爆門；（5）主要通風(fēng)機(jī)至少每月由礦井機(jī)電部門檢查1次。改變通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)或風(fēng)葉角度時(shí)，必須報(bào)礦總工程師批準(zhǔn)；（6）進(jìn)風(fēng)井口必須布置在不受粉塵、灰土、有害和高溫氣體侵入的地方；進(jìn)風(fēng)井筒冬季結(jié)冰，對(duì)工人健康和提升設(shè)施有一定的危害，必須設(shè)暖風(fēng)設(shè)備；（7）回采工作面和掘進(jìn)工作面都應(yīng)獨(dú)立通風(fēng)，特殊情況下串聯(lián)通風(fēng)必須符合《煤礦安全規(guī)程》第117條有關(guān)規(guī)定；（8）完善礦井通風(fēng)系統(tǒng)，合理分配風(fēng)量，降低并控制負(fù)壓，以減少漏風(fēng)，每個(gè)面回采結(jié)束，要將其兩順槽就近連通并及時(shí)加以密閉，使采空區(qū)處于均壓狀態(tài)；9.5.5對(duì)反風(fēng)裝置及風(fēng)硐的要求為使進(jìn)風(fēng)井筒附近和井底車場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)或瓦斯煤塵爆炸時(shí)的有害氣體不進(jìn)入工作面，危及井下工人的生命安全，我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》（2006年版）規(guī)定要求在10min內(nèi)能把礦井風(fēng)流反轉(zhuǎn)過來，而且要求風(fēng)量不小于正常風(fēng)量的60％。本設(shè)計(jì)采用反風(fēng)道反風(fēng)，即在出風(fēng)井另開反風(fēng)道，安裝反風(fēng)裝置。能夠保證安全可靠，滿足反風(fēng)的時(shí)間和風(fēng)量要求。9.6特殊災(zāi)害的預(yù)防措施9.6.1預(yù)防瓦斯和煤塵爆炸的措施1）回采和掘進(jìn)工作面以及回風(fēng)巷中，必須按規(guī)定定期檢查瓦斯，如發(fā)現(xiàn)異常，必須按規(guī)定處理。2）盲巷、盲硐、片幫及冒頂處等容易積驟瓦斯的地點(diǎn)，必須及時(shí)處理。3）掘進(jìn)應(yīng)采用雙風(fēng)機(jī)，雙電源和風(fēng)電閉鎖裝置。4）掘進(jìn)與回采工作面應(yīng)安設(shè)瓦斯自動(dòng)報(bào)警裝置。5）大巷及裝煤站應(yīng)安設(shè)瓦斯自動(dòng)報(bào)警斷電儀。瓦斯超限后應(yīng)自動(dòng)切斷供電及架線電源。6）所有易產(chǎn)生煤塵的地點(diǎn)。必須采取灑水滅塵等防塵設(shè)備及除塵設(shè)施。7）井下風(fēng)速必須嚴(yán)格控制，防止煤塵飛揚(yáng)。井下所有煤倉(cāng)和溜煤眼均應(yīng)保持一定存煤，不得放空，不得兼作通風(fēng)眼。8）綜采工作面應(yīng)采取煤塵注水。按照保安規(guī)程設(shè)計(jì)懸掛巖粉棚和防水棚。9）煤塵應(yīng)定期清掃。巷道應(yīng)定期沖刷，各個(gè)裝煤站應(yīng)進(jìn)行噴霧灑水。9.6.2預(yù)防井下火災(zāi)的措施1）井下中央水泵房和中央變電所設(shè)置密閉門、防火門。并設(shè)區(qū)域返風(fēng)系統(tǒng)。2）井下機(jī)電設(shè)備選用防爆型為原則。應(yīng)加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的安裝質(zhì)量。并加強(qiáng)維修及管理。防止漏電及短路產(chǎn)生高溫和火花。3）對(duì)自然發(fā)火的煤層，應(yīng)加強(qiáng)煤炭與坑木的加收；加強(qiáng)密閉，及時(shí)密閉采空區(qū)；對(duì)停采線進(jìn)行黃泥灌漿或噴灑阻化劑；分層開采還應(yīng)在采區(qū)隨采隨注。4）二阻化劑防火。9.6.3防水措施1）井巷出水點(diǎn)的位置及其水量，前采空區(qū)積水范圍、標(biāo)高和積水量，都必須繪出采掘工程圖上。2）主要水倉(cāng)必須有主倉(cāng)和副倉(cāng)，當(dāng)一個(gè)水倉(cāng)清理時(shí)，另一個(gè)水倉(cāng)能正常使用。3）采掘工作面遇到下列情況之一時(shí)，必須確定探水線，進(jìn)行探水，確認(rèn)無突水危險(xiǎn)后，方可前進(jìn)。（1）接近水淹或可能積水的井巷、老空或小煤礦時(shí)；（2）接近水文地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域，并有出水征兆時(shí)；（3）接近含水層、導(dǎo)水?dāng)鄬印⑷芏春拖萋渲鶗r(shí)；（4）打開隔離煤柱放水時(shí)；（5）接近有出水可能的鉆孔時(shí)；（6）接近有水或稀泥的灌泥區(qū)時(shí)；（7）底板原始導(dǎo)水裂隙有透水危險(xiǎn)時(shí)；（8）接近其它可能出水地區(qū)時(shí).10設(shè)計(jì)礦井基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表10.1.1設(shè)計(jì)礦井基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)序號(hào)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)項(xiàng)目單位數(shù)量或內(nèi)容1煤層牌號(hào)-J(31)2可采煤層數(shù)目層33主采煤層厚度m10.14煤層傾角(°)11～255礦井工業(yè)儲(chǔ)量Mt212.6礦井可采儲(chǔ)量Mt127.66礦井年工作日數(shù)d330日采煤班數(shù)班27礦井年生產(chǎn)能力Mt/a1.80礦井日生產(chǎn)能力t/d6057.5768礦井服務(wù)年限a54.59礦井第一水平服務(wù)年限a33.310井田走向長(zhǎng)度km5.62～6.53井田傾斜長(zhǎng)度km2.33～3.7111瓦斯等級(jí)-低瓦斯相對(duì)涌出量m3/t6.7712通風(fēng)方式前期-中央并列式13礦井正常涌水量m3/h250礦井最大涌水量m3/h28014開拓方式-立井兩水平,一對(duì)立井、一對(duì)暗斜井延深15第一水平標(biāo)高m-700最終水平標(biāo)高m-100016生產(chǎn)的工作面數(shù)目個(gè)1備用的工作面數(shù)目個(gè)017采煤工作面年進(jìn)度m79218移交時(shí)井巷工程量m4238達(dá)產(chǎn)時(shí)井巷工程量m806519開拓掘進(jìn)隊(duì)數(shù)個(gè)420大巷運(yùn)輸方式-膠帶輸送機(jī)21礦車類型-1.0t固定箱式礦車22電機(jī)車類型-蓄電池式電機(jī)車23設(shè)計(jì)煤層采煤方法-走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法24工作面長(zhǎng)度m210工作面推進(jìn)度m/月72工作面坑木消耗量m3/kt1工作面效率t/工57.8工作面成本元/t104.55參考文獻(xiàn)[1]徐永圻.《采礦學(xué)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003[2]杜計(jì)平.《采礦學(xué)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009[3]林在康、左秀峰.《礦業(yè)信息技術(shù)基礎(chǔ)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2002[4]鄒喜正、劉長(zhǎng)友.《安全高效礦井開采技術(shù)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007[5]張寶明、陳炎光.《中國(guó)煤炭高產(chǎn)高效技術(shù)》，徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001[6]錢鳴高、石平五.《礦山壓力及巖層控制》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003[7]于海勇.《綜采開采的基礎(chǔ)理論》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1995[8]王省身.《礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1989[9].中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005[10]岑傳鴻、竇林名.《采場(chǎng)頂板控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004[11]蔣國(guó)安、呂家立.《采礦工程英語(yǔ)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998[12]李位民.《特大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)與工程實(shí)踐》.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001[13]綜采設(shè)備管理手冊(cè)編委會(huì).《綜采設(shè)備管理手冊(cè)》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1994[14]中國(guó)煤礦安全監(jiān)察局.《煤礦安全規(guī)程》.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006[15]朱真才、韓振鐸.《采掘機(jī)械與液壓傳動(dòng)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005[16]洪曉華.《礦井運(yùn)輸提升》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005[17]中國(guó)統(tǒng)配煤礦總公司物資供應(yīng)局.《煤炭工業(yè)設(shè)備手冊(cè)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992[18]章玉華.《技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995[19]鄭西貴、李學(xué)華.《采礦AutoCAD2006入門與提高》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005[20]王德明.《礦井通風(fēng)與安全》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007[21]楊孟達(dá).《煤礦地質(zhì)學(xué)》.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000[22]劉剛.《井巷工程》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005[23]中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).《煤炭建設(shè)井巷工程概算定額》（2007基價(jià)）.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008[24]林在康、李希海.《采礦工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)》.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008專題部分機(jī)械制冷在煤礦熱害防治中的應(yīng)用摘要：隨著采深的增加，熱害對(duì)于礦工的健康和煤礦的安全生產(chǎn)的影響也越來越顯著。在目前采用的治理方法中，機(jī)械制冷是主要方式，包括預(yù)冷風(fēng)降溫和冰輸冷卻降溫。布置方式又分為井下空調(diào)系統(tǒng)，地面集中式空調(diào)系統(tǒng)，井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng)，井下分散局部空調(diào)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：煤礦，熱害防治，機(jī)械制冷，預(yù)冷風(fēng)，冰輸冷卻1問題的提出1.1背景隨著我國(guó)煤礦開采年限的增加，淺部資源逐步減少和枯竭，我國(guó)煤礦開采平均以8~12m/a的速度向深部延伸，尤其是近年來煤礦采用更先進(jìn)的開采技術(shù)和采掘機(jī)械，開采延伸速度呈現(xiàn)加大趨勢(shì)，東部礦區(qū)以10~25m/a的速度發(fā)展[1～2]。目前一些礦井開采深度已達(dá)1000m以下，如新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村礦開采深度達(dá)到了1300m，華豐礦開采深度為1070m，徐州礦務(wù)集團(tuán)的旗山礦開采深度為1032m，夾河煤礦開采深度達(dá)1100m，張小樓井開采深度己超過1100m?？梢灶A(yù)計(jì)，我國(guó)有大批礦井尤其是中東部地區(qū)礦井，將進(jìn)入1000m以下的深度。二十世紀(jì)初國(guó)外許多國(guó)家逐漸出現(xiàn)了礦井熱害問題，世界上礦井熱害最嚴(yán)重的是南非金礦，德國(guó)煤礦和前蘇聯(lián)煤礦[3]。南非是當(dāng)今世界開采深度最大的國(guó)家，南非的威特沃特斯蘭德盆地極深含金礦礁埋深達(dá)3500m~5000m[4]，斯太總統(tǒng)金礦的工作面深度超過3000m，原始巖溫高達(dá)63℃；德國(guó)的伊本比倫煤礦開采深度達(dá)1530m，巖溫高達(dá)60℃；前蘇聯(lián)的彼得羅夫煤礦工作面深達(dá)1200m，原始巖溫達(dá)到52℃[5~7]。據(jù)我國(guó)煤田地溫觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，百米地溫梯度為2～4℃/100m，隨著開采深度的逐步增加，深部礦井熱害問題已經(jīng)逐步凸顯。近年來的文獻(xiàn)資料和統(tǒng)計(jì)資料表明[8~21]，我國(guó)已有140余個(gè)礦井出現(xiàn)了不同程度的高溫?zé)岷栴}。1.2熱害防治研究意義1）利于礦井工人健康礦井高溫環(huán)境對(duì)井下作業(yè)人員的健康帶來了極大的危害。研究表明，人長(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境中生理調(diào)節(jié)機(jī)能將發(fā)生嚴(yán)重障礙。表現(xiàn)在：（1）體溫升高，參與人體代謝的各種酶隨著體溫升高其活性減弱，破壞體內(nèi)熱平衡，造成代謝紊亂。（2）溫度過高，引起體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)障礙，中樞系統(tǒng)特別是大腦皮層的負(fù)擔(dān)加大，降低其興奮性，同時(shí)引起條件反射活動(dòng)的紊亂，加深抑制過程，甚至發(fā)生高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的病理變化。（3）高溫作業(yè)使體表血管擴(kuò)張，輸送皮下血管的血量增多，相應(yīng)輸向內(nèi)臟的血量減少，返回心臟的血量減少，血壓降低，脈搏加快，再加上大量出汗，體內(nèi)缺水，血液的粘滯度增大，從而影響心臟的功能。（4）在高溫環(huán)境從事重體力勞動(dòng)，呼吸淺而急促，氧氣供應(yīng)不足，肺功能的負(fù)擔(dān)增加。如果長(zhǎng)期處于這種環(huán)境，會(huì)引起肺功能職業(yè)病。人長(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境中可能使人產(chǎn)生一系列生理功能的改變，嚴(yán)重影響礦工的身心健康，因此適當(dāng)?shù)牡V內(nèi)溫度濕度環(huán)境可以保障工人的健康。2）提高生產(chǎn)效率長(zhǎng)期在井下高溫高濕環(huán)境中作業(yè)，容易破壞體內(nèi)熱平衡，造成代謝紊亂，引起體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)障礙，中樞神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)，出現(xiàn)精神恍惚、疲勞、渾身無力、昏昏沉沉等狀況，這是礦山勞動(dòng)生產(chǎn)率低下的主要原因。據(jù)大量的高溫礦井統(tǒng)計(jì)：采掘工作面氣溫每超過標(biāo)準(zhǔn)（26℃）1℃時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率將下降6~8%；氣溫升至32℃時(shí)生產(chǎn)率降低5%左右，升至34℃將會(huì)降低50%。許多高溫礦井夏季工人的出勤率明顯降低，勞動(dòng)生產(chǎn)率顯著下降，有的甚至被迫停產(chǎn)。我國(guó)高溫礦井的勞動(dòng)生產(chǎn)率都較低，有的甚至僅為30%~40%。礦內(nèi)溫度降低可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。3）減少安全事故長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高濕的作業(yè)環(huán)境中，會(huì)使作業(yè)人員對(duì)周圍的注意力、判斷力及反應(yīng)能力逐漸減退，疲憊乏力、精神煩躁、精力不集中，從而增加了事故的發(fā)生率。因此良好的礦內(nèi)環(huán)境可以提高工人的注意力、反應(yīng)能力，減少礦井安全事故。表1.1南非礦井下溫度與事故率的關(guān)系作業(yè)地點(diǎn)氣溫(℃)27293132工傷頻次(人/千人)01503004504）社會(huì)意義中國(guó)煤由地質(zhì)總局第三次全國(guó)煤炭資源預(yù)測(cè)[30]，在全國(guó)5個(gè)賦煤區(qū)、85個(gè)含煤區(qū)、542個(gè)煤田/煤產(chǎn)地中，共圈定了2554個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)，預(yù)測(cè)總面積39.3×104km2，垂深2000m以淺的預(yù)測(cè)資源量為4.55×1012t，垂深1000m以淺的預(yù)測(cè)資源量為1.84×1012t，垂深600m以淺的預(yù)測(cè)資源量為0.94×1012t。埋深大于1000m的占全國(guó)預(yù)測(cè)總量的59.5%。河北、山西、內(nèi)蒙古、江蘇、安徽、山東、河南、陜西等重要產(chǎn)煤?。▍^(qū)），埋深1000m以下的預(yù)測(cè)資源分別占該?。▍^(qū)）預(yù)測(cè)總量的65.5%~92.4%，說明這些產(chǎn)煤地區(qū)埋藏較淺的煤炭資源潛力已經(jīng)有限，深部煤炭資源所占的比例非常高。深部資源的開采，可以解決東部沿海省份煤炭資源的缺口?？梢哉f，深部高溫礦井開采技術(shù)，在一定程度上決定著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全戰(zhàn)略的實(shí)施。5）行業(yè)的相關(guān)規(guī)定為保障礦工的身心健康和生產(chǎn)的安全進(jìn)行,我國(guó)礦山安全條例規(guī)定:井下工人作業(yè)地點(diǎn)的空氣溫度不得超過28℃,超過時(shí)應(yīng)采取降溫和保護(hù)措施。同時(shí)煤礦安全規(guī)程規(guī)定:采掘工作面的空氣溫度不得超過26℃,機(jī)電硐室的空氣溫度不得超過30℃,采掘工作面的空氣溫度超過30℃,機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過34℃時(shí),必須停止作業(yè)。各國(guó)礦井氣溫的允許限度:西德從1965年開始，規(guī)定感覺溫度32℃為正常工作氣溫上限。荷蘭禁止在干球溫度為35℃以上的環(huán)境中勞動(dòng)，在30℃以上的環(huán)境中，規(guī)定勞動(dòng)時(shí)間不超過6小時(shí)。新西蘭規(guī)定濕球溫度為74OF(23.3℃)時(shí)，勞動(dòng)7個(gè)小時(shí)，75“F以上時(shí)由勞資雙方協(xié)商勞動(dòng)條件。蘇聯(lián)規(guī)定以26℃為標(biāo)準(zhǔn)。比利時(shí)禁止在有效溫度(B.E.T)為31℃以上的條件下勞動(dòng)。捷克規(guī)定以濕度為90%、氣溫為28℃，濕度為88%，氣溫為30℃作為標(biāo)準(zhǔn)。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r礦井空調(diào)降溫是空調(diào)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。人工制冷降溫是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的降溫措施。從世界上第一臺(tái)制冷機(jī)的產(chǎn)生到現(xiàn)在,己有近200年的歷(我國(guó)從20世紀(jì)50年代末開始制造制冷機(jī)),但礦井空調(diào)只有80余年的歷史,其迅速發(fā)展和較廣泛地應(yīng)用僅是近三十幾年的事。Rodboel礦最早于1924年安裝了第一臺(tái)地面冷凍機(jī);世界上第一個(gè)井下大型制冷站于1929年在MorioAelho礦安裝;1976年,南非環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室提供了向井下輸冰供冷方式;20世紀(jì)80年代中期,南非一些金礦采用冰冷卻系統(tǒng)進(jìn)行井下降溫;1985年11月,南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水,該系統(tǒng)的制冷能力達(dá)628MW。目前,德國(guó)也在積極開展此項(xiàng)研究。20世紀(jì)70年代,我國(guó)曾研制過壓氣引射器和渦流管制冷裝置;1964-1975年,淮南九龍崗礦設(shè)計(jì)了我國(guó)第一個(gè)礦井局部制冷降溫系統(tǒng);1982-1987年,山東新墳礦務(wù)局設(shè)計(jì)了我國(guó)第一個(gè)井下集中制冷降溫系統(tǒng);1986-1991年,承擔(dān)了國(guó)家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目,在平頂山八礦設(shè)計(jì)了我國(guó)第二個(gè)井下集中制冷降溫系統(tǒng);1992-1995年,在山東新墳務(wù)局設(shè)計(jì)了我國(guó)第一個(gè)礦井地面集中制冷降溫系統(tǒng),設(shè)計(jì)制冷能力為7400kW,為亞洲最大的礦井制冷降溫系統(tǒng);1993年7月,平頂山礦務(wù)局科研所和原中國(guó)航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合研制成KKL101礦用無氟空氣制冷機(jī);1995年,山東礦業(yè)學(xué)院陳平等提出用壓氣引射器和制冷機(jī)結(jié)合進(jìn)行礦井空調(diào);2002年,新漢孫村礦-1100m水平降溫工程初步設(shè)計(jì),并于2004年該冰冷低溫輻射降溫礦井空調(diào)系統(tǒng)完成[2,7-8]。井下空氣環(huán)境復(fù)雜,制冷劑必須無毒、不可燃和無爆炸危險(xiǎn),由于氟里昂使用的局限性,在有高溫蒸汽、高溫水等余熱的地方可采用吸收式制冷機(jī)。獨(dú)聯(lián)體國(guó)家采用溴化鋰吸收式制冷機(jī),利用礦井瓦斯燃燒作為熱源,此外氨制冷機(jī)也被采用。新近發(fā)展的分離氨系統(tǒng)輸冷方式是特制冷循環(huán)中的冷凝過程與蒸發(fā)過程分別設(shè)在地面和井下的一種制冷方式德國(guó)煤礦因開采深度不斷增加、工作面生產(chǎn)日益集中以及井下設(shè)備功率增加等因素,使井下氣溫不斷增高。從1962年一1990年,平均開采深度由650m增加到930m平均原始巖溫由31℃增大到41℃目前開采最大深度已達(dá)1500m,最高原始巖溫已超過60℃。幾乎所有礦井在不同程度上都采取了空調(diào)降溫措施,以滿足有關(guān)法規(guī)的要求。。1990年德國(guó)產(chǎn)硬商品煤約7000多萬t,礦井降溫總制冷能力約285MW,其中約有180臺(tái)平均額定能力為1200kW的冷水機(jī)、280臺(tái)平均額定能力為的260kW冷風(fēng)機(jī)。使用的空冷器約600臺(tái)。煤礦集中制冷站能力超過3.7MW的有18個(gè),制冷能力合計(jì)為126.9MW,其中采用井下集中制冷系統(tǒng)的有8個(gè),制冷能力計(jì)48MW采用地面集中制冷系統(tǒng)的有6個(gè),制冷能力計(jì)53.4MW采用井上下聯(lián)合制冷系統(tǒng)的有4個(gè),制冷能力計(jì)25.5MW。

2礦井中高溫高濕產(chǎn)生的原因2.1礦井中高溫產(chǎn)生的原因造成礦井氣溫升高的熱源很多,主要有相對(duì)熱源和絕對(duì)熱源。相對(duì)熱源的散熱量與其周圍氣溫差值有關(guān),如高溫巖層和熱水散熱;絕對(duì)絕源的散熱量受氣溫影響較小,如機(jī)電設(shè)備、化學(xué)反應(yīng)和空氣壓縮等熱源散熱。高溫巖層散熱是影響礦井空氣溫度升高的重要原因,它主要通過井巷巖壁和冒落、運(yùn)輸中的礦巖與空氣進(jìn)行熱交換而造成礦井空氣溫度升高;另外當(dāng)?shù)V井中有高溫?zé)崴砍鰰r(shí),也將影響整個(gè)礦井的微氣候,而使礦井空氣溫度略有升高。從總體上來看,造成礦井高溫?zé)岷Φ闹饕蛩赜械責(zé)?、采掘機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)放熱、運(yùn)輸中礦物和矸石放熱和風(fēng)流下流時(shí)自壓縮放熱等4大熱源。就個(gè)別礦山而言,礦井內(nèi)高溫水涌出、礦物強(qiáng)烈氧化等也可能形成高溫?zé)岷ΑＡ硗庠斐傻V井高溫還有以下幾個(gè)因素:其一是礦井開采深度大,巖石溫度高。在我國(guó)中、北部地區(qū),大部分高溫礦井都是由于此類原因所致。其二是地下熱水涌出。地下熱水由于易于流動(dòng),且熱容量大,是良好的載體,地下熱水主要是通過兩個(gè)途徑把熱傳遞給風(fēng)流:①巖層中的熱水通過對(duì)流作用,加熱了井巷圍巖,圍巖再將熱量傳遞給風(fēng)流;②熱水涌入礦井巷道中,直接加熱了風(fēng)流;③采掘工作面風(fēng)量偏低。通風(fēng)不良風(fēng)量偏低,是我國(guó)目前造成采掘工作面氣溫較高的普遍性因素。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤礦長(zhǎng)壁工作面供風(fēng)量80%以上在200～800m3/min之間[2],而按降溫要求,高溫回采工作面供風(fēng)量至少應(yīng)為800m3/min以上。2.2礦井中高濕產(chǎn)生的原因礦井的濕度通常采用相對(duì)濕度表示,礦井最適宜的相對(duì)濕度為50%～60%[3]。而礦井下空氣的相對(duì)濕度大多為80%～90%左右,總回風(fēng)道和回風(fēng)井內(nèi)空氣的相對(duì)濕度接近100%。造成礦井下空氣濕度過大的主要原因是井巷壁面的散濕和礦井水的蒸發(fā);另外礦井開采過程的生產(chǎn)用水也是造成礦井下空氣濕度過大的一個(gè)不可忽視的重要因素。礦井熱害產(chǎn)生的主要原因,可簡(jiǎn)明地用圖2.1表示。其他因素礦物氧化放熱礦井內(nèi)高溫水流出風(fēng)流下流時(shí)自壓縮放熱礦井高濕圖2.1礦井熱害產(chǎn)生的主要原因其他因素礦物氧化放熱礦井內(nèi)高溫水流出風(fēng)流下流時(shí)自壓縮放熱礦井高濕2.3礦井地溫分布規(guī)律利用插值法可推出該礦地溫梯度值及任意深度的巖溫計(jì)算式：式中：G—該礦區(qū)地溫梯度，℃/100m?！畈磕滁c(diǎn)的地溫，℃；—某點(diǎn)的已知溫度，℃；H—礦區(qū)某點(diǎn)的深度，m；溫度所對(duì)應(yīng)的深度，m；2.4導(dǎo)熱偏微分方程建立在平面上建立一個(gè)x-y坐標(biāo)系，如圖1所示。圖1微元體在dt時(shí)間內(nèi)流進(jìn)和流出的熱量，首先考慮巖體上一個(gè)薄的微元體，邊長(zhǎng)為Δx和Δy。根據(jù)傅里葉定律，可推出巖體二維熱傳導(dǎo)方程為：考慮巖體的熱固耦合作用，上式可以改寫為：式中：λ—導(dǎo)熱系數(shù)；d—巖體的厚度；G—為溫度T的函數(shù)；—溫度載荷；—應(yīng)力張量。該方程即為巖石內(nèi)部溫度分布。3機(jī)械制冷降溫采用大電網(wǎng)電力即外購(gòu)電制冷的礦井空調(diào)系統(tǒng),不僅本身電耗大,費(fèi)用高,且加重礦區(qū)電力緊張、電費(fèi)昂貴的局面,由此引起的煤炭成本升高將導(dǎo)致煤礦經(jīng)濟(jì)效益下降。這是我國(guó)煤礦高溫礦井使用空調(diào)降溫技術(shù)所面臨的一個(gè)突出問題。煤礦生產(chǎn)伴有大量的煤矸石等劣質(zhì)燃料,既占地又污染環(huán)境,且外運(yùn)極不經(jīng)濟(jì)。利用豐富的劣質(zhì)煤源,建設(shè)小型坑口自備熱電站,除滿足煤礦所需的熱電能量外,可以配置以熱電站為熱源的吸收式制冷機(jī),生產(chǎn)高溫礦井和地面建筑所需的冷量,將大大提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益,且能改善礦區(qū)環(huán)境,推動(dòng)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于坑口熱電站建于地面,利用電站熱量的制冷機(jī)房若設(shè)在井底車場(chǎng)附近,需將熱沿保溫管道由地面輸送到井底,熱損較大,這是極不經(jīng)濟(jì)的。故制冷機(jī)房只能設(shè)于地面,這時(shí),礦井降溫空調(diào)系統(tǒng)需要制取1℃的冷水,而采用溴化鋰制冷機(jī)顯然滿足不了這一要求?？稍阡寤囍评錂C(jī)之后再串聯(lián)一級(jí)壓縮式制冷機(jī)組,最終制出1℃冷水送往井下的降溫系統(tǒng)。壓縮式制冷機(jī)組用電也取自熱電站所發(fā)電力。按折合有用能等價(jià)法計(jì)算出的聯(lián)產(chǎn)電價(jià)非常便宜,為0.095～0.110元?kW·h,因而制出的低溫冷凍水價(jià)格較低。采用氨吸收式制冷機(jī)(制冷機(jī)房只能設(shè)于地面),則可以直接制取1℃冷水供井下降溫系統(tǒng)使用。這種方案較串聯(lián)制冷更能體現(xiàn)出熱電冷聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)越性。因?yàn)樗a(chǎn)的冷水所消耗的全是較低品質(zhì)的煤氣,而節(jié)省出的高品位電能供煤炭開采使用,減少或不用外購(gòu)電,以提高整個(gè)煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。盡管氨吸收式制冷機(jī)的當(dāng)量熱力系數(shù)較低(與電動(dòng)蒸氣壓縮式制冷相比),但綜合考慮制冷的全過程,兩者的能耗大體相當(dāng)。然而兩者最大的區(qū)別是,聯(lián)產(chǎn)制冷的最初燃料是作為廢物的劣質(zhì)煤炭,而外購(gòu)電制冷的一次能源是供發(fā)電的優(yōu)質(zhì)煤,價(jià)格差距很大。因此,只要有條件搞熱電冷聯(lián)產(chǎn)的煤礦,應(yīng)盡量選用這一礦井降溫冷源方案。但是聯(lián)產(chǎn)制冷需要建設(shè)小型坑口熱電站,初始投資比較大。蒸氣壓縮式循環(huán)制冷空調(diào)、熱電站為熱源的吸收式制冷機(jī)組都是利用制冷機(jī)制備的冷凍水作為供冷媒質(zhì),通過空冷器冷卻風(fēng)流,從而向采掘工作面供冷,其基本結(jié)構(gòu)模式如圖1所示。這種空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)制冷站的安裝位置、冷卻礦內(nèi)風(fēng)流的地點(diǎn)、載冷劑的循環(huán)方式等,可分為井下集中空調(diào)系統(tǒng)、地面集中空調(diào)系統(tǒng)、井上下聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)和井下分散局部空調(diào)系統(tǒng)。礦井采用制冷空調(diào)降溫是空調(diào)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。當(dāng)采用非空調(diào)降溫措施仍無法達(dá)到所要求的作業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)溫度或不經(jīng)濟(jì)時(shí),應(yīng)考慮使用制冷空調(diào)降溫技術(shù)。人工制冷降溫是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的降溫措施,其技術(shù)關(guān)鍵是制冷、輸冷、傳冷與排熱,以及降溫系統(tǒng)及其控制。礦井制冷主要采用制冷機(jī),制冷機(jī)所用的制冷劑必須符合無毒、不可燃和無爆炸危險(xiǎn)的要求。在大范圍的礦井降溫中,制冷站制取的冷量大都采用管道用水作為載冷劑進(jìn)行輸冷;在礦井深度較大時(shí),可采用冰塊輸冷,礦井越深,這種優(yōu)點(diǎn)越突出。傳冷是礦井降溫中的重要環(huán)節(jié),目前國(guó)內(nèi)外在傳冷方式上主要有表面式空氣冷卻器傳冷、噴淋式空冷器傳冷、吸收式制冷器傳冷和其他傳冷方式傳冷。如何有效地排除制冷機(jī)的冷凝熱,是維持制冷機(jī)正常運(yùn)行,提高礦井降溫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵之一。目前世界上許多礦井利用回風(fēng)流排熱,普遍認(rèn)為利用回風(fēng)流排熱是一種經(jīng)濟(jì)有效的排熱方法。3.1空調(diào)系統(tǒng)的分類3.1.1.井下集中式空調(diào)系統(tǒng)該系統(tǒng)的制冷機(jī)設(shè)在井下,通過管道集中向各工作而供冷水,系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單供水冷管道短,沒有高低壓換熱器,僅有冷水循環(huán)管路。但必須在井下開鑿大斷面峒室,它給施工和維護(hù)帶來困難,并且電機(jī)和控制設(shè)備都需防爆,難度大、造價(jià)高。隨著開采深度的增加,井下集中空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱排放則成為突出的問題。這種布置形式只適用于需冷量不太大的礦井。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)按冷凝熱排系統(tǒng)的敷設(shè)方式的不同來分類,又可分成四種不同的布置形式:回風(fēng)流排熱、地面冷卻塔排熱、地下水源排熱、幾種排熱方式混合排熱。根據(jù)不同的實(shí)際情況采用不同的敷設(shè)方式。圖.2地面集中式空調(diào)系統(tǒng)制冷站設(shè)在地面且在地面冷卻總進(jìn)風(fēng)的系統(tǒng)形式通常采用圖所示工藝流程。圖3.1.2工藝流程圖該系統(tǒng)將制冷站設(shè)置在地面,冷凝熱也在地面排放,在井下設(shè)置高低壓換熱器將一次高壓冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水,最后在用風(fēng)地點(diǎn)上用空冷器冷卻風(fēng)流。這種空調(diào)系統(tǒng)有另兩種形式,一種是集中冷卻礦井總進(jìn)風(fēng),這種形式,在用風(fēng)地點(diǎn)上空調(diào)效果不好,而且經(jīng)濟(jì)較差;另一種是在用風(fēng)地點(diǎn)上采用高壓空冷器,這種形式安全性較差。實(shí)際上后兩種形式在井中都不可采用。井下冷卻風(fēng)流系統(tǒng),載冷劑輸送管道中的靜壓很大,所以必須在井下增設(shè)個(gè)中間換熱裝置(高低壓換熱器)。其中,高壓側(cè)的載冷劑循環(huán)管道承壓大,易被腐蝕損壞,且冷損較大。這種系統(tǒng)比較于井下集中式空調(diào)系統(tǒng),制冷機(jī)不需要采取防爆措施,排熱方便,冷損失小,水頭壓力小,易安裝,便于運(yùn)行管理。但此系統(tǒng)形式年運(yùn)行時(shí)間不短、供冷距離短、要求水量大、凍水溫差小,這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了其在深井的應(yīng)用。當(dāng)?shù)V井非預(yù)期的繼續(xù)向下開采的時(shí)候,該系統(tǒng)能夠很方便的拓展成井下地面聯(lián)合的礦井空調(diào)系統(tǒng)。此系統(tǒng)在1995年6月27日在孫村礦試運(yùn)轉(zhuǎn),試運(yùn)行后,因各方面原因一直未在運(yùn)行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),應(yīng)該是設(shè)備管道本身的110質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量上出現(xiàn)問題。圖.3井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng)這種布置形式是在地面、井下同時(shí)設(shè)置制冷站,冷凝熱在地面集中排放。它實(shí)際上相當(dāng)于兩級(jí)制冷,井下制冷機(jī)的冷凝熱是借助于地面制冷機(jī)冷水系統(tǒng)冷卻。因井下的最大限度的制冷容量受制于相應(yīng)的空氣和水流的回流排熱能力,所以通常需要在地表安裝附加的制冷機(jī)組。這就使得混合系統(tǒng)成為深井冷卻降溫的必要。地下5000m處不同采深的礦井采用的礦井冷卻空調(diào)系統(tǒng)和礦井設(shè)計(jì)的成本可以被專家確定,這些被確定的成本數(shù)據(jù)及實(shí)踐表明深井降溫最經(jīng)濟(jì)的深井冷卻系統(tǒng)是地表制冷機(jī)組和地面制冷機(jī)組聯(lián)合的混合冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)備布置分散,冷媒循環(huán)管路復(fù)雜,操作管理不便。但是它可提高一次載冷劑回水溫度,減少冷損;可利用一次載冷劑將井下制冷機(jī)的冷凝熱帶到地面排放,這樣就決定了此系統(tǒng)能承擔(dān)大負(fù)荷,這些是井下集中式和地面集中式所缺少的品質(zhì)。3.1.4井下分散局部空調(diào)系統(tǒng)從一定意義上講:當(dāng)實(shí)際礦井工程中只需要在幾個(gè)點(diǎn)并且點(diǎn)點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)時(shí),如某幾個(gè)單獨(dú)的工作面需要降溫,這時(shí)分散局部空調(diào)系統(tǒng)是一種高效經(jīng)濟(jì)的降溫措施。局部空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用得比較廣泛,在平頂山礦區(qū),五礦己二采面采用一臺(tái)制冷量為300kW的防爆制冷機(jī)組向己15-23071采而供冷,利用井下回風(fēng)排放冷凝熱,效果明顯,平均降溫幅度4℃;四礦戊九采而空調(diào)系統(tǒng),采用一臺(tái)制冷量為500kW的制冷機(jī)組向戊九采區(qū)的戊s-19140采而供冷,很好地滿足了降溫需求。新集一礦210807工作面降溫,都是采用的此系統(tǒng)形式并取得良好的效果。圖機(jī)械預(yù)冷風(fēng)降溫3.2.1風(fēng)溫變化過程概述在礦井通風(fēng)過程中,進(jìn)入井下的空氣流,由于受到扇風(fēng)機(jī)外力的作用,風(fēng)道中的空氣產(chǎn)生了流動(dòng),此種流動(dòng)被稱之為受迫流動(dòng)。流入井下的空氣流,不但產(chǎn)生在風(fēng)流內(nèi)部的導(dǎo)熱現(xiàn)象,而且入風(fēng)流還將與巖壁產(chǎn)生熱交換,這一過程是包括了對(duì)流與導(dǎo)熱的聯(lián)合作用。因此,在這一過程中,入風(fēng)流與巖壁之間的換熱可稱之為對(duì)流換熱。經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)巷道后,由于巖體與風(fēng)流之間存在著溫度差,就將使巖體與空氣之間產(chǎn)生熱交換。由于夏季礦山的地表氣溫較高,如湘西金礦在7、8、9三個(gè)月份的氣溫可達(dá)到36~42℃。高溫空氣進(jìn)入礦井后,開始形成高溫入風(fēng)流。隨著高溫入風(fēng)流在井下的流動(dòng),即產(chǎn)生了空氣與巖壁的熱交換過程。在這一過程的開始階段,入風(fēng)流的氣溫較高,而上部巖層的巖石溫度相對(duì)較低,入風(fēng)流開始向巖壁放熱。隨著開采深度的增加,巖層的溫度逐漸降低。當(dāng)入風(fēng)流到達(dá)恒溫層時(shí),巖石的溫度降到最低。高溫入風(fēng)流的放熱過程也達(dá)到了最強(qiáng)烈的階段。從恒溫層開始,風(fēng)流繼續(xù)下行,巖石溫度隨著標(biāo)高的下降而開始升高,入風(fēng)流的放熱過程逐漸減緩。當(dāng)入風(fēng)流的溫度與巖壁的溫度相等時(shí),入風(fēng)流的放熱過程結(jié)束。此后,隨著巖石溫度的增高,入風(fēng)流的吸熱過程開始,并依開采深度的增加,入風(fēng)流的吸熱過程逐漸增強(qiáng),使風(fēng)流溫度不斷升高。為了更好地發(fā)揮通風(fēng)降溫的作用,應(yīng)當(dāng)充分利用低溫巖層的降溫作用,合理利用恒溫層的巖石溫度最低的特點(diǎn),將入井的新鮮風(fēng)流進(jìn)行降溫預(yù)處理,然后再把降溫后的風(fēng)流直接送往井下深部用風(fēng)點(diǎn),從而起到更加顯著的通風(fēng)降溫的技術(shù)效果。3.2.2巖層預(yù)冷風(fēng)溫在工程中的計(jì)算在工程計(jì)算中,時(shí)間的影響因素甚小,可以忽略不計(jì),并將巷道軸向的溫度視為不變化,而溫度僅沿半徑方向變化,這樣就將非穩(wěn)態(tài)過程簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)態(tài)過程。我們可以依據(jù)東北大學(xué)王英敏教授的研究成果,即:式中：L——預(yù)冷巷道的長(zhǎng)度,m;G——預(yù)冷風(fēng)量,kg/s;——空氣的定壓比熱,J/kg·℃;K——為巖體與空氣的熱交換系數(shù),W/m2·℃;P——預(yù)冷巷道的周界,m;t0為地表的氣溫,℃;——預(yù)冷巖層巖體的溫度,℃;——與入風(fēng)口相距L米處的巷道氣溫,℃。根據(jù)(1)式整理后,得下式:與入風(fēng)口相距L米處的巷道氣溫可由上式求的3.2.3常見的空氣制冷方法（1）蒸汽壓縮式制冷蒸汽壓縮式制冷是利用液體氣化時(shí)的吸熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)制冷的。在一定壓力下液體氣化時(shí),需要吸收熱量,該熱量稱為液體的氣化潛熱。液體所吸收的熱量來自被冷卻對(duì)象,使被冷卻對(duì)象溫度降低,或者使它維持低于環(huán)境溫度的某一溫度。在液體氣化制冷中,可分為機(jī)械壓縮式、吸收式、噴射式、吸附式制冷,而在煤礦井下制冷系統(tǒng)應(yīng)用中,以機(jī)械壓縮式制冷為主。機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成,用管道將其連成一個(gè)封閉的系統(tǒng)。工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)與巷道空氣發(fā)生熱量交換,吸收被冷卻對(duì)象的熱量并氣化,產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸人,壓縮機(jī)消耗能量(通常是電能),將低壓蒸汽壓縮到需要的高壓后排出。壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)被常溫冷卻介質(zhì)(水或空氣)冷卻,凝結(jié)成高壓液體。高壓液體流經(jīng)膨脹閥時(shí)節(jié)流,變成低壓、低溫濕蒸汽,進(jìn)入蒸發(fā)器,其中的低壓液體在蒸發(fā)器中再次氣化制冷。(2)空氣壓縮式制冷礦井空調(diào)系統(tǒng)空氣壓縮式制冷為理想氣體的逆向循環(huán)系統(tǒng),高壓氣體絕熱膨脹時(shí),對(duì)膨脹機(jī)作功,同時(shí)氣體的溫度降低。其循環(huán)型式主要有:定壓循環(huán),有回?zé)岬亩▔貉h(huán)和定容循環(huán)。與液體氣化式制冷相比,空氣膨脹制冷是一種沒有相變的制冷方式,所采用的工質(zhì)主要是空氣。由于空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)、單位質(zhì)量制冷工質(zhì)的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng),在產(chǎn)生相同制冷量的情況下,空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要較龐大的裝置,并且單位制冷量的投資和年運(yùn)行費(fèi)用均高于蒸汽壓縮式系統(tǒng)。因此,空氣壓縮式制冷在礦井降溫中很少應(yīng)用,因此只介紹蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用?？諝庵评淇照{(diào)有渦輪式空氣制冷、變?nèi)菔娇諝庵评?、渦流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式;由于后三種形式使用的局限性,使得渦輪式空氣制冷是目前最常用的礦井空調(diào)統(tǒng)?？諝鈮嚎s制冷循環(huán)的制冷系數(shù)、單位質(zhì)量制冷工質(zhì)的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng),產(chǎn)生相同制冷量的情況下,空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要較龐大的裝置,并且單位制冷量的投資年運(yùn)行費(fèi)用均高于蒸汽壓縮式系統(tǒng)。因此,全礦井采用空氣壓縮式制冷系統(tǒng)降溫的礦井降溫礦井很少。渦輪式空氣制冷利用壓縮空氣經(jīng)過渦輪絕熱膨脹做功,從而使空氣制冷。1993年7月,平頂山礦務(wù)局科研所和609研究所大膽借鑒空氣制冷技術(shù)在航空、制氧、石油等工業(yè)上的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),聯(lián)合研制成KKL-101無氟空氣制冷機(jī),為我國(guó)礦井空調(diào)開辟了一條新的途徑。KKL101無氟空氣制冷機(jī)主要由渦輪膨脹機(jī)、水冷卻器、水分離器、消音隔熱風(fēng)筒、閥門和壓力表組成。從井下壓縮空氣主管來的壓縮空氣經(jīng)過限流環(huán)將壓力減小到0.22MPa以下,然后進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)的壓氣機(jī)端增壓。壓氣機(jī)的動(dòng)力來自渦輪中空氣膨脹時(shí)的輸出功,空氣在壓氣機(jī)中增壓的同時(shí),溫度也隨著升高;接著進(jìn)入水冷卻器與冷卻水進(jìn)行熱交換冷卻,使空氣的溫度降到接近壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣溫度。為防止空氣中游離水進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)的渦輪端,在水冷卻器出口處安裝了水分離器,除去水的空氣進(jìn)入渦輪膨脹降溫后流入隔熱風(fēng)筒,與風(fēng)筒內(nèi)的空氣混合后輸往工作面降溫。渦輪膨脹機(jī)為二輪升壓式結(jié)構(gòu),渦輪與壓氣機(jī)裝在同一軸上,轉(zhuǎn)速達(dá)50000r/min。壓氣機(jī)葉輪為離心式,渦輪葉輪為向心徑流式。采用滾動(dòng)軸承支承,油芯式潤(rùn)滑。水冷卻器為單程叉流式,其換熱芯片是由高密度波紋板、邊條、隔板和端板在高真空度的真空爐中釬焊而成。連接端蓋、接頭等是由手工氬氣保護(hù)焊焊成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積內(nèi)傳熱面積大、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。渦輪式空氣制冷機(jī)系統(tǒng)用空氣制冷機(jī)作為高溫礦井空調(diào)終端,如圖2所示,它相當(dāng)于冷水機(jī)組系統(tǒng)中的空冷器,具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單,沒有高低壓換熱器和空冷器,輸冷管道少,承壓小,材質(zhì)要求低,施工技術(shù)難度低等特點(diǎn)。空氣制冷機(jī)本身無需電力驅(qū)動(dòng),無防爆問題,空氣既是制冷劑又是載冷劑,取之不盡,用之不竭,又無環(huán)境污染問題,在高溫、高沼氣煤礦具有很好的應(yīng)用前景。但該系統(tǒng)需要礦井具有充足的壓縮氣源,通過經(jīng)濟(jì)分析比較,與蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比,每千瓦制冷量的投資和年運(yùn)行費(fèi)用較高。渦輪式空氣制冷機(jī)系統(tǒng)用空氣制冷機(jī)作為高溫礦井空調(diào)終端,它相當(dāng)于冷水機(jī)組系統(tǒng)中的空冷器,其優(yōu)點(diǎn)如下:系統(tǒng)簡(jiǎn)單,沒有高低壓換熱器和空冷器,輸冷管道少,承壓小,材質(zhì)要求低,施工技術(shù)難度低等;空氣制冷機(jī)本身無需電力驅(qū)動(dòng),無防爆問題,空氣既是制冷劑又是載冷劑,取之不盡,用之不竭,又無環(huán)境污染問題,在高溫、高沼氣煤礦具有很好的應(yīng)用前景。但也有其缺點(diǎn):該系統(tǒng)需要礦井具有充足的壓縮氣源,與蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比投資和年運(yùn)行費(fèi)用較高。隨著空氣壓縮制冷的發(fā)展,1989年南非一金礦建成了壓縮空氣制冷系統(tǒng),這作為一種新型礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的礦井空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來礦井空調(diào)系統(tǒng),其基本原理是利用壓氣作為供冷媒質(zhì),直接向采掘工作面噴射制冷。礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)在技術(shù)上具有顯著的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理,能夠有效地解決我國(guó)當(dāng)前礦井集中降溫中存在的實(shí)際問題,使工作面上的冷量分布合理,降溫效果好,而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單,應(yīng)用靈活,可應(yīng)用于需冷量小太大的小型礦井降溫系統(tǒng),尤其對(duì)我國(guó)民壁開采工作面具有很強(qiáng)的適用性。礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)可作為我國(guó)今后礦井降溫中一條可供選擇的新途徑。新汶礦業(yè)集團(tuán)公司孫村煤礦位于山東省新泰市境內(nèi),開采歷史近百年,東臨張莊煤礦,西與良莊煤礦相鄰,現(xiàn)綜合采煤能力為120萬t/a,地面標(biāo)高+175~+205m,開采上限為+50m,開采下限暫定為-1050m。該礦于20世紀(jì)80年代初在-400m水平實(shí)施井下集中降溫,當(dāng)時(shí)裝機(jī)容量為4臺(tái)Ⅱ-JBF50×0型離心冷水機(jī)組,3臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)1臺(tái)備用,正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)制冷站總產(chǎn)冷量為1500kW,系統(tǒng)總電功率為1546kW,服務(wù)于4個(gè)回采工作面和4個(gè)掘進(jìn)面,降溫標(biāo)準(zhǔn)為26℃,降溫幅度為3℃,采用回風(fēng)排熱。90年代初由于礦井開拓深度下延至-800m,掘進(jìn)面溫度高達(dá)33℃,為了解決高溫問題,孫村礦在原煤炭部的支持下,建立了北風(fēng)井井口集中、井下設(shè)殼管式換熱器的制冷系統(tǒng),地面制冷站裝機(jī)容量為6300kW(1臺(tái)德國(guó)WM公司生產(chǎn)的1900kW冷水機(jī)組、2臺(tái)大冷產(chǎn)2200kW螺桿冷水機(jī)組),井下設(shè)8臺(tái)WM公司產(chǎn)殼管式換熱器;由于多種原因,該系統(tǒng)安裝完成后,一直沒有投入正常使用。從上述降溫史可以看出,孫村礦在全國(guó)煤礦首次實(shí)施井下和地面集中降溫,但目前急需要的是切實(shí)的降溫方案。2002年6月,對(duì)孫村礦井下熱環(huán)境狀況和降溫方式分別進(jìn)行了認(rèn)真測(cè)定、分析和研究,先后提出了9個(gè)方案,經(jīng)過多次交流,剔除了其余7個(gè)方案。同時(shí)完成了孫村礦深部5采區(qū)降溫方案設(shè)計(jì),實(shí)施后截至2004年12月整個(gè)礦井降溫系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)9000h達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。3.3冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng)冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)就是利用地面制冰場(chǎng)制取的粒狀冰或泥狀冰,通過風(fēng)力或水力輸送至井下的融冰裝置,與井下空調(diào)的回水進(jìn)行直接熱交換,使空調(diào)回水的溫度降低。與普通礦井空調(diào)系統(tǒng)相比,冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)由于利用冰的融解潛熱進(jìn)行降溫,所以在同樣冷負(fù)荷的條件下,向井下的輸冰量?jī)H為輸水量的1?4～1?5。由于輸冷管道和輸送流量減少,管道投資費(fèi)用和運(yùn)行能耗降低,由管道溫升而產(chǎn)生的冷損降低,所以系統(tǒng)的裝機(jī)容量和投資費(fèi)用都大大降低。它不存在普通礦井空調(diào)所難以克服的過高靜水壓力和冷凝熱排放困難等問題,主要電動(dòng)設(shè)備均在井上,不需要防爆,能較好地適應(yīng)礦井的安全要求。冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用主要應(yīng)考慮:冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)的具體方式、冰的制備、冰的輸送和冰的溶解等問題。由于機(jī)械制冷水系統(tǒng)的水路系統(tǒng)的大壓力的局限性,近年來國(guó)內(nèi)外使用了新型的冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng)。所謂冰冷卻空調(diào)系統(tǒng),就是利用地面制冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰,通過風(fēng)或水力輸送至井下的融冰裝置,在融冰裝置內(nèi),冰與井下空調(diào)回水直接換熱,使空調(diào)回水的溫度降低。冰冷卻降溫系統(tǒng)由制冰、輸冰和融冰三個(gè)環(huán)節(jié)組成。該系統(tǒng)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先,從井下用泵打回的水量只是水冷卻系統(tǒng)水量的1/4,這大大節(jié)約成本;其次,輸送到空氣冷卻器的水和冰直接熱交換,具有很高的熱交換效率,能產(chǎn)生1℃的冷水,這樣輸送到空氣冷卻器的水量需求明顯減少,從而減少了冷凍水泵的輸送能耗;最后,能夠很順利的克服常用礦井空調(diào)系統(tǒng)的高靜水壓力和冷凝熱排放困難等問題。實(shí)際冷卻系統(tǒng)的對(duì)比評(píng)價(jià)證明:目前3000m以下的礦井降溫系統(tǒng),即使在地制冰費(fèi)用不扉,其最經(jīng)濟(jì)的選擇方案是在地表安裝機(jī)組制取冰供井下用。這些都表明冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。南非Harmony金礦在1986年第一個(gè)采用冰冷卻系統(tǒng)進(jìn)行礦井降溫?，F(xiàn)在因?yàn)榈V井的關(guān)閉,降溫系統(tǒng)不再運(yùn)行。最成功的礦井冰冷卻降溫系統(tǒng)是已經(jīng)成功運(yùn)行10年的ERPM礦井系統(tǒng)。ERPM系統(tǒng)的運(yùn)行提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和信息,它適合于任何其他礦井冰輸送系統(tǒng)。任何冰冷卻系統(tǒng)的一個(gè)重要問題是管道的機(jī)械設(shè)計(jì)。專家發(fā)現(xiàn)冰塞延著管道形成并在管道末端激烈釋放。冰塞的這種運(yùn)動(dòng)引起管道激烈的振動(dòng),從而導(dǎo)致對(duì)管道支撐的嚴(yán)重沖擊,特別是當(dāng)管道和支撐有足夠的空間時(shí)沖擊更具有破壞力。當(dāng)使用低壓塑料管時(shí),通過精密的支撐設(shè)計(jì)使得沖擊力降到最小是非常重要的。另外一個(gè)重要的問題是管道堵塞,主要發(fā)生在管道的末端,它可以通過適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控措施來避免。作為一項(xiàng)礦井空調(diào)的新技術(shù),冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行管理和控制方而有較高的要求。冰輸冷卻系統(tǒng)在我國(guó)還處于試應(yīng)用階段。為在我國(guó)真正推廣應(yīng)用冰冷卻空調(diào)系統(tǒng),尚需開展許多工作,如適合不同冰制備方式的制冰設(shè)備的開發(fā)和研制,輸冰系統(tǒng)和輸冰設(shè)各的研究與開發(fā),適合低溫水和泥狀冰傳熱要求的井下空冷器的研究與開發(fā)。2004年孫村煤礦采用了冰冷卻輻射降溫空調(diào)系統(tǒng)獲得了巨大的成功,并把這項(xiàng)工程的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)成功地推向市場(chǎng)。3.3.1冰輸冷降溫系統(tǒng)的基本原理(1)冰的吸熱能力分析小于0℃冰的比熱為2.09KJ/(kg/℃)，即單位質(zhì)量的冰溫度每升高1℃能吸收2.09KJ/(kg/℃)的熱量；冰的溶解潛熱為335KJ/(kg/℃)，即從0℃的冰溶解為0℃的水時(shí)，能吸收335KJ的熱量；水的比熱為4.187KJ/(kg/℃).即單位質(zhì)量0℃的水溫度每升高1℃，所吸收的熱量為4.187KJ。則低于0℃的冰融解為高于0℃的水，單位質(zhì)量的冰輸冷能力為：式中：——冰的比熱，?！嘧儩摕幔?。——水的比熱，?！南嘧儨囟龋?℃。——冰晶的平均溫度，取制冰末期溫度范圍上下限的平均值，末期溫度一般在-3℃~-9℃；——冷水吸熱后的出水溫度，℃。用冷水輸冷時(shí)，要去掉式中涉及相變潛熱和冰的顯熱部分，即：0℃冷水吸熱后最終水溫升至5℃時(shí)，1℃的冰，相當(dāng)于99.7KW·h。因此理論上，在水和冰兩種輸冷介質(zhì)同樣體積下，并輸冷能力約為水輸冷能力的17倍。冰輸冷降溫系統(tǒng)的主要原理是利用冰融解需要吸收大量的熱通過冰水直接接觸換熱，理想狀態(tài)下可以直接將水冷卻到接近0℃，然后把換熱所得冷水送到各工作面進(jìn)行降溫。冰輸冷降溫系統(tǒng)主要由制冷制冰、冷凝散熱、輸冰融冰和輸冷散冷四個(gè)有機(jī)部分組成，地面制冰站制冰，通過管道輸送，最終將冰晶送至井下的融冰裝置。在融冰裝置內(nèi)，冰與井下降溫系統(tǒng)的回水進(jìn)行充分熱交換，產(chǎn)生接近0℃的冷水，再被輸送到需要降溫的工作地點(diǎn)。并輸冷降溫系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖如下：制冰系統(tǒng)散熱系統(tǒng)制冷系統(tǒng)輸冰系統(tǒng)融冰系統(tǒng)制冰系統(tǒng)散熱系統(tǒng)制冷系統(tǒng)輸冰系統(tǒng)融冰系統(tǒng)輸冷系統(tǒng)輸冷系統(tǒng)散冷系統(tǒng)散冷系統(tǒng)

冰輸冷降溫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如下圖所示：圖3.3.1冰輸冷降溫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型(2)冰的載冷能力通過冰作為載冷介質(zhì)，載冷能力主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：其一、冰融化前的顯冷（即：通過冰的溫升吸收的熱量）；其二、冰相變的潛冷（即：通過冰的相變吸收的熱量）；其三、冰融化成水后的顯冷（即：通過水的溫升吸收的熱量）。則單位質(zhì)量冰的載冷能力為：而采用冷水載冷時(shí)，冷水的載冷只有顯冷部分（即：通過冷水的溫升吸收的熱量），則式中，——單位質(zhì)量冰的載冷量；——冰的比熱2.1Kj/Kg·K——冰水混合物的溫度；——冰的溫度——冰的潛熱335Kj/Kg；——水的比熱4.2Kj/Kg·K——冷水吸熱后的出水溫度——單位質(zhì)量冷水的載冷量由式（1）和（2）可以看出，在出水溫度相同的情況下，單位質(zhì)量冰的載冷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冷水的載冷能力。也就是說，當(dāng)熱負(fù)荷相同時(shí)，冰輸冷系統(tǒng)的冷媒介質(zhì)質(zhì)量流量遠(yuǎn)小于冷水輸冷系統(tǒng)的冷媒介質(zhì)質(zhì)量流量。例：制冰溫度=-2℃、冷水溫度=0℃、出口水溫=5℃，單位質(zhì)量的冰的載冷能力為單位質(zhì)量冷水載冷能力的17倍，即：=17.2。(3)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，一般用能量法來分析。能量法是建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的能量數(shù)量分析方法。通過能量分析，可以揭示系統(tǒng)或過程在數(shù)量上的轉(zhuǎn)換和利用情況，從而確定用能效率η，即收益與代價(jià)的比值。冰輸冷礦井空調(diào)系統(tǒng)的收益為有用冷量：系統(tǒng)的代價(jià)為耗功：系統(tǒng)的用能效率為：式中，——系統(tǒng)有用冷量；——空氣冷卻器釋放冷量——噴淋設(shè)備釋放冷量——制冰機(jī)、輸冰機(jī)、供冷水泵、風(fēng)機(jī)消耗的電功率(4)冰輸冷系統(tǒng)冷量損失分析由上式可以看出，系統(tǒng)用能效率的高低在輸入電功率不變的情況下，與系統(tǒng)有用冷量有關(guān)。而系統(tǒng)有用冷量又與系統(tǒng)運(yùn)行過程中冷量損失大小有直接關(guān)系。所以，為了提高系統(tǒng)的用能效率，就要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的冷量損失進(jìn)行分析，找出各環(huán)節(jié)引起損失的原因，從而采取相應(yīng)措施，以提高系統(tǒng)的用能效率。對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)冷量損失計(jì)算，也是建立在能量守恒定律的基礎(chǔ)上，即：系統(tǒng)冷量損失=輸入系統(tǒng)的冷量-輸出系統(tǒng)的冷量。冰輸冷礦井空調(diào)各系統(tǒng)冷量損失計(jì)算見下表：系統(tǒng)冷量損失符號(hào)意義輸冰系統(tǒng)：輸冰系統(tǒng)冷量損失：冰的質(zhì)量流量、：冰進(jìn)、出系統(tǒng)焓值井下融冰輸水系統(tǒng)融冰池：融冰池冷量損失、：供、