赵楼煤矿井下降温系统改造工程可研设计说明书.docx
《赵楼煤矿井下降温系统改造工程可研设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《赵楼煤矿井下降温系统改造工程可研设计说明书.docx（76页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
赵楼煤矿井下降温系统改造工程可研设计说明书
兖煤菏泽能化有限公司
赵楼煤矿井下制冷降温系统改造工程
可行性研究报告（代初步设计）说明书
煤炭工业济南设计研究院有限公司
二〇一八年三月
1项目概况1
1.1实施单位1
1.1.1交通位置1
1.1.2地形地貌1
1.1.3湖泊河流1
1.1.4气象及地震1
1.1.5电源条件2
1.1.6矿井建设过程2
1.1.7煤层开采2
1.2热害概况2
1.3热害治理的必要性3
1.4矿井降温系统现状3
2设计依据、原则及标准5
2.1设计依据5
2.2设计原则5
2.3设计标准5
3矿井制冷负荷计算6
3.1气象资料6
3.2降温负荷计算6
4矿井降温工程工艺设计9
4.1矿井降温系统改造设计9
4.1.1井下降温系统改造方案一9
4.1.2井下降温系统改造方案二10
4.1.3方案比选11
4.2地面冷却泵站选址14
4.2.1冷却泵站选址方案一14
4.2.2冷却泵站选址方案二16
4.2.3冷却泵站选址方案三17
4.2.4方案比选18
4.3制冷硐室降温设计18
4.4冷却水余热利用系统设计18
4.4.1冷却水余热利用方案18
4.4.2降温系统可提供的余热负荷19
4.5主要设备选型20
4.5.1井下设备20
4.5.2地面冷却泵站设备26
4.6主要管道28
5建筑物及构筑物30
6矿建工程31
6.1制冷设备硐室位置选择31
6.2地面管路钻孔31
6.3制冷硐室布置35
6.4制冷硐室及配电硐室断面及支护35
6.5管路通道35
7.给排水工程37
7.1给水37
7.1.1水源选择37
7.1.2用水量37
7.1.3给水系统37
7.1.4输水管道设计38
7.1.5净水工程40
7.2排水46
7.2.1室外排水量46
7.2.2排水系统46
7.3消防46
8.1电气49
8.1.1供电电源49
8.1.2设备容量50
8.1.3计算负荷55
8.1.4主要供配电设备的选型56
8.1.5照明56
8.1.6接地57
8.2集中控制57
8.2.1概述57
8.2.2系统方案58
8.2.3系统功能58
8.2.4系统配置60
9节能专篇62
9.1工艺节能62
9.2电气节能62
9.3地面建筑节能62
10环境保护64
11人员编制及项目实施计划65
11.1管理机构设置及人员配备65
11.2技术管理65
11.3工程建设进度65
12投资概算及社会经济效益分析67
12.1投资概算67
12.1.1投资范围67
12.1.2编制依据67
12.1.3投资概算68
12.2运行费用69
12.3社会经济效益分析70
12.3.1井下降温工程对劳动效率的影响70
12.3.2井下降温工程对工人健康的影响70
12.3.3井下降温工程对矿井安全生产的影响70
13总结72
附图目录73
1项目概况
1.1实施单位
1.1.1交通位置
赵楼井田位于巨野煤田的中部，北距郓城县城约22km，东距巨野县城西约13km，行政区划归郓城县、巨野县管辖。
兖（州）新（乡）铁路及327国道自井田南部经过，自龙固集车站向东102km至兖州过京沪线可直达石臼港，向西约40km经菏泽过京九铁路至新乡与京广线连接；日照至东明的高速公路从郭屯和赵楼井田边界上通过，并与京福高速公路相连，可直达济宁、菏泽、徐州等地；区内县级公路四通八达，井田内有郓城至赵楼的郓赵公路，巨野至鄄城的339省道从井田中部穿过，交通十分方便。
1.1.2地形地貌
赵楼井田地处黄河冲积平原，地形平坦，地势略呈西北高东南低，地面标高+42.12～+45.69m，平均+44.03m，自然地形坡度2‰。
1.1.3湖泊河流
本区水系比较发育，河流沟渠纵横成网，多为人工挖掘的季节性河流，主要有洙赵新河、新赵王河，并以区内各沟渠相贯通，旱季可引水灌溉，雨季可防洪排涝。
潜水面至地表5～9m，平均6m。
井田中部南北向呈条带状地带内潜水面较深为7～9m，其它地段潜水面较浅为5～7m。
1.1.4气象及地震
本区气候温和，四季分明，属温带半湿润季风区海洋～大陆性气候。
具有四季分明，春旱多风，夏热多雨，晚秋又旱，冬长干冷多北风的特点。
年平均气温14.8℃，月平均最低气温-5.2℃（1998年1月），月平均最高气温32.4℃（1998年7月），日最高气温42.4℃（1966年7月19日），日最低气温-18.7℃（1957年1月2日），常年最低气温一般在每年的1月份，平均-1.8℃。
降雨多集中在6～9月，年平均降雨量694.70mm，最小363.9mm（1966年），最大1219.5mm（1964年），日最大降水量223.0mm（1975年9月19日）。
年最大蒸发量1381.3mm（1966年），年最小蒸发量226.4mm（1964年）。
全年主导风向为东南风。
年平均风速3.3m/s。
霜期一般在10月下旬至次年4月上旬。
最大积雪深度0.15m，最大冻土深度0.31m。
根据《建筑设计抗震规范》GB50011-2010，该井田抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g（山东省第一组）。
1.1.5电源条件
本矿井附近现有两座火力发电厂，东有济宁电厂，装机容量300MW。
西有菏泽电厂，装机容量850MW。
两座电厂通过220kV回路与山东电网相连。
本矿井电源可引自巨野县城西北的三里庙220kV区域变电所。
矿井电源落实可靠。
1.1.6矿井建设过程
赵楼煤矿是菏泽能化有限公司在巨野煤田开发建设的第一对矿井，2005年1月开工建设，2009年12月29日竣工投产，2011年12月实现达产达效目标。
井田面积143.3549km2，设计年生产能力3.00Mt，服务年限60.1年，配套建设同等规模的选煤厂。
2014年核定生产能力4.20Mt/a。
1.1.7煤层开采
矿井主采3煤层，综合可利用矿产资源煤炭和天然焦资源储量65023.9万吨，可采储量25244.8万t。
采用立井开拓方式，井底车场采用立式环形车场，现生产水平为-860m水平，井口标高为﹢45m。
计划2019年1月开采七采区7301首采工作面。
1.2热害概况
本煤矿为立井开拓，含煤地层为山西组和太原组，主采3煤层，埋深700～1200m。
煤层属正常地温梯度为背景的高温区，地层年恒温带为50～55m，温度为18.2℃，非煤系地层平均地温梯度1.85℃/100m，煤系地层平均地温梯度2.76℃/100m，全区地温梯度1.51～2.92℃/100m，平均2.20℃/100m，即地热增温率为1℃/45.45m。
采区大部分块段原岩地温为37～45℃，处于二级热害状态。
因此，本井田在开采过程中，对矿井热害工作必须加以重视，采取有效可行的降温措施，实施矿井井下降温，才能保障井下工人的身心健康和正常安全生产。
根据其他高地温矿井的治理经验，在此地质条件下，井下通风降温不能解决根本问题，必须采取机械降温措施。
1.3热害治理的必要性
井下高温对工人劳动效率和人身健康有极大影响，随环境温度的升高，工人生产效率明显下降。
在高温环境中从事劳动时，体温高，心跳加快，常导致工人患心脏病。
另外，在高温环境下致使人体散热困难，工人感到闷热，劳动生产率下降，进而出现大汗不止、体温升高、头昏、虚脱、呕吐等中暑症状，甚至会造成死亡。
除此之外，在高温高湿的环境中还会引起湿疹、烂裆等疾病。
在高温高湿的环境下，井下机电设备的正常运行也受到严重影响，危及矿井安全生产。
为了确保安全生产，根据《矿井降温技术规范》对煤矿井下气象条件要求：
“生产矿井采煤工作面空气温度不应超过28℃，机电设备硐室的空气温度不应超过30℃。
采煤工作面的空气温度等于或超过32℃、机电设备硐室的空气温度等于或超过34℃时，应停止作业。
当采煤工作面的风流温度为28℃~30℃时，作业地点的风流速度应为2.5m/s~3.0m/s；当采煤工作面的风流温度为30℃~32℃时，作业地点的风流速度应为3.0m/s~4.0m/s。
”
因此，对本矿井实施降温工程是很有必要的。
对矿井热害防治工作必须加以重视，进行综合治理，制定有效可行的降温措施。
1.4矿井降温系统现状
为解决井下热害，矿井已安装使用了井下集中式降温系统。
该系统主要由井下制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、空冷器及电控系统等设备组成。
现采用三台KM3000型制冷机组，并联使用，总制冷能力9900kW。
单台制冷机组可提供190m3/h的3℃冷冻水，冷却水的进出口水温度为31℃/40.4℃。
冷却水循环和冷冻水循环回路中所损失的水量，用软化水自动补充。
冷却塔出来的31℃冷却水经冷却水循环泵，通过安装在回风井的冷却水管路输送到井下制冷硐室，接至制冷机组冷凝器的进水侧，冷却水吸收制冷机的冷凝热后温度上升至40.4℃左右，再由安装在回风井中的回水管返回地面冷却塔进行冷却。
制冷机组蒸发器侧流出的3℃冷冻水经输冷管送至末端空冷器，利用热交换器与采、掘工作面的热空气进行交换，其间所吸收的热量将使水温上升至16℃左右，再由冷冻水循环泵使其返回制冷机组再冷却，形成冷冻水循环。
目前，井下共计安装空冷器31台，其中每年6月下旬-9月上旬三个月的时间三台制冷机组全部运行，其余时间二台制冷机组运行。
根据矿井接续采区的开采计划，矿井后期大部分采、掘工作面的降温负荷均位于七采区及五采区。
接续采区的采、掘工作面距现有制冷硐室的距离均大于4km（最远工作面距离大于6km），现有制冷硐室距接续采区工作面距离太远，由制冷机组接至各采区工作面空冷器的冷冻水保温管道敷设长度需大幅度增加，增加了冷冻水管路系统的冷量损失，导致工作面空冷器冷冻水流量不够，水温增高，制冷效果不好。
现有井下制冷系统不能满足矿井接续采区的降温需求，采掘活动受到较大影响，严重制约矿井生产能力的提高。
因此，本设计方案拟对现有井下制冷降温系统进行改造设计，达到降低井下气温，改善工作面制冷效果及工作环境，提升矿井生产安全性和劳动效率的目的。
2设计依据、原则及标准
2.1设计依据
（1）赵楼矿井初步设计说明书；
（2）赵楼煤矿矿井施工图；
（3）业主提供的其他资料。
2.2设计原则
（1）结合矿井现有的井下降温系统，设计适合本矿井的井下降温系统改造方案，充分发挥建设项目的社会和经济效益。
（2）采用先进可靠的技术和设备，保证降温系统可靠、稳定、高效运行。
（3）利用先进的自动化控制技术及监测仪表，提高运行管理水平。
2.3设计标准
（1）《矿井降温技术规范》MT/T1136-2011
（2）《煤矿井下热害防治设计规范》GB50418-2017
（3）《煤炭工业矿井设计规范》GB50215-2015
（4）《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2015
（5）《煤矿安全规程》2016.2.25
（6）《工业金属管道设计规范》（2008版）GB50316-2000
（7）《工业循环水冷却设计规范》GB/T50102-2014
（8）《煤矿采区车场和硐室设计规范》GB50534-2009
（9）《煤矿井下供配电设计规范》GB50417-2007
（10）《煤矿井下排水泵站及排水管道设计规范》GB/T50451-2017
（11）《煤炭工业矿井监测监控系统装备配置标准》GB50581-2010
（12）《矿山电力设计规范》GB50070-2009
3矿井制冷负荷计算
根据矿井接续采区的开采计划，开采区域集中在七采区及五采区，矿井井下降温系统以服务七采区及五采区为主。
制冷负荷按2个综采工作面、10个掘进工作面及1个回撤工作面降温计算。
3.1气象资料
本矿井位于菏泽地区，室外气象参数以菏泽市气象参数为依据。
夏季空气调节室外计算干球温度（℃）34.4
夏季空气调节室外计算湿球温度（℃）27.4
夏季通风室外计算温度（℃）30.6
夏季空气调节室外计算日平均温度（℃）29.9
夏季通风室外计算相对湿度（%）66
夏季室外平均风速（m/s）1.8
夏季室外大气压力（hPa）999.4
3.2降温负荷计算
根据《矿井降温技术规范》对煤矿井下气象条件要求：
生产矿井采煤工作面空气温度不应超过28℃，机电设备硐室的空气温度不应超过30℃。
采煤工作面的空气温度等于或超过32℃、机电设备硐室的空气温度等于或超过34℃时，应停止作业。
当采煤工作面的风流温度为28℃~30℃时，作业地点的风流速度应为2.5m/s~3.0m/s；当采煤工作面的风流温度为30℃~32℃时，作业地点的风流速度应为3.0m/s~4.0m/s。
按照规范要求，综采工作面上隅角和掘进工作面最前端温度按照不高于28℃进行计算。
根据以上数据，矿井采、掘工作面降温冷负荷计算得出：
单个综掘工作面制冷量为400kW，按6个综掘工作面计；单个普掘工作面制冷量为300kW，按4个普掘工作面计；单个采煤工作面制冷量为1900kW，按2个采煤工作面计；单个回撤工作面制冷量为500kW，按1个回撤工作面计。
矿井总需降温冷负荷为7900kW。
表3-1工作面需冷量汇总表
序号
项目
数量
单个工作面
需冷量（kW）
需冷量
合计（kW）
1
采煤工作面
2
1900
3800
2
综掘工作面
6
400
2400
3
普掘工作面
4
300
1200
4
回撤工作面
1
500
500
5
总计
7900
需要降温的硐室主要包括：
井下制冷系统配电硐室、制冷设备硐室。
硐室热源主要为设备散热。
设备散热量按照设备容量的5%进行估算。
制冷系统硐室主要散热设备为两台1000kVA的干式变压器，三台冷水机组和三台冷冻水循环泵，总功率约5300kW。
制冷系统硐室总需冷量为265kW。
表3-2硐室需冷量汇总表
序号
项目
硐室散热
设备容量
硐室
需冷量（kW）
1
井下制冷系统配电硐室
2000kVA
100
2
制冷设备硐室
3300kW
165
3
总计
265
降温系统总需冷量还需考虑载冷剂传输管道的冷量损失量、载冷剂传输水泵对载冷剂的加热量、冷冻水的冷量损失量及其他输冷或换冷环节的冷量损失量。
因此根据《煤矿井下热害防治设计规范》（GB50418-2007）的规定，降温冷负荷取1.2的附加系数，则降温系统总制冷量为9798kW。
表3-3矿井降温系统制冷量
序号
项目
需冷量（kW）
制冷量（kW）
1
工作面
7900
9480
2
硐室
265
318
3
总计
8165
9798
4矿井降温工程工艺设计
4.1矿井降温系统改造设计
矿井现运行的井下集中式降温系统，制冷硐室设置于距井底车场西侧约600m处，硐室内设置三台KM3000型制冷机组。
矿井后期大部分采、掘工作面的降温负荷均位于七采区及五采区，根据矿井降温系统总需冷量计算知，若要满足七采区及五采区制冷降温，需设置三台KM3000型制冷机组，老采区还需保留一台KM3000型制冷机组。
若要满足全矿制冷降温需设置四台KM3000型制冷机组（即还需新增一台KM3000型制冷机组）。
根据矿井接续采区的开采计划，矿井后期大部分采、掘工作面的降温负荷均位于七采区及五采区，距原有制冷硐室的距离均大于4km（最远工作面距离大于6km）。
原有制冷硐室距矿井后期接续采区工作面距离太远，由制冷机组接至各采区工作面空冷器的冷冻水保温管道敷设长度需大幅度增加，冷冻水管路系统的投资较大，也增加了冷冻水管路系统的冷量损失，影响后期采、掘工作面的制冷效果，且原有的井下制冷硐室不具备扩建条件。
需对原有的井下降温系统作改造设计，根据新建制冷硐室的设置位置不同，矿井降温制冷系统改造设计有下述二种方案进行分析比较。
4.1.1井下降温系统改造方案一
结合矿井现已安装使用的井下集中式降温系统的实际情况，井下降温系统改造设计方案如下：
在接续采区工作面降温负荷的中心新建井下制冷硐室，新建制冷硐室内布置三台KM3000型制冷机组及配套设备（预留一台制冷机组的位置）；新建制冷硐室相对应的地面新征土地，用以新建地面冷却泵站及设置井下降温系统专用钻孔，钻孔内敷设冷却水立管，用以排放硐室内制冷机组产生的冷凝热。
矿井现有工业场地缺少供热热源，冬季井下降温系统运行时产生的冷凝热作为热源，可用于现有工业场地的供热系统，降温系统可提供约3000-4000kW的冷凝余热。
冬季冷凝余热利用系统运行时，可有效降低冷却水的回水温度，减少冷却塔设备的运行数量，并降低冷却水水量的蒸发损失，较少降温系统的补水量。
该方案的优点为：
（1）新建制冷硐室位于矿井接续采区工作面降温负荷的中心，由制冷机组接至各采区工作面空冷器的冷冻水保温管道敷设长度较短，冷冻水管路系统的冷量损失较小，后期采、掘工作面的制冷效果较好。
（2）新建制冷硐室相对应的地面新建地面冷却泵站，冷却水管道通过钻孔敷设至井下制冷机组，冷却水管道敷设长度较短，有利于排放制冷机组产生的冷凝热，能有效保证制冷机组的正常运行。
（3）该改造方案，管路系统包含冷冻水循环系统及冷却水循环系统，冷却水系统简单；制冷机组的冷凝器承压为16MPa，系统运行的安全性较高，系统的运行管理及设备检修较为方便。
（4）该改造方案，在降温系统的建设施工期间，不影响矿井原有的降温系统运行，对矿井的正常生产无较大影响。
该方案的缺点为：
（1）新建制冷硐室相对应的地面需新征土地，需落实征地的可行性。
（2）新建井下降温系统的补水取自原工业场地深度处理后的矿井水。
在原工业场地深度处理后的矿井水，需要在地面敷设输水管道，输送至新建冷却泵站场地。
4.1.2井下降温系统改造方案二
结合矿井现已安装使用的井下集中式降温系统的实际情况，井下降温系统改造设计方案如下：
在现有井下制冷硐室附近扩建新的制冷硐室，新建制冷硐室内布置一台KM3000型制冷机组及配套设备；在新建制冷硐室附近，新建井下降温系统专用钻孔，钻孔内敷设冷却水立管，用以排放硐室内新增及部分原有制冷机组产生的冷凝热，对应的地面新建冷却循环水泵站，冷却水立管及冷却循环水泵站规模满足两台制冷机组的需要。
井下大巷内新增布置两趟冷冻水管道，和现有冷冻水干管并联使用。
在矿井工业场地新建矿井水深度处理站，用于降温系统补水。
该方案的优点为：
（1）原有制冷主机位置不改动,，减少了主机设备搬迁。
（2）不需要在现有工广外新征场地，节省征地费用。
（3）不需要在现有工广外敷设管道和线缆。
该方案的缺点为：
（1）原制冷硐室远离矿井接续采区工作面降温负荷中心，至各采区工作面空冷器的保温冷冻水管道敷设较长，冷冻水管路的冷量损失较大，根据经验测算，冷冻水千米温升1~1.4ºC，因而到达末端空冷器的水温度较高（总长6.4km，可至8~10ºC）,供水温度增高造成采、掘工作面的制冷效果较差。
（2）管路温升5ºC温差，沿途约损失30%制冷量，冷冻水管路系统冷量损失较大，还会造成制冷机组进、出冷冻水的温度过高（高出5~10ºC），大大降低制冷机组的运行效率。
（3）井下巷道需要敷设较长的冷冻水管路，单程约需增加6.4km，新增冷冻水管路与原有管路并行安装，安装难度及工作量较大，且运行维护难度增加。
（4）现有制冷硐室远离五采区及七采区工作面的降温负荷中心，冷冻水管道系统长，阻力大，原有冷冻循环水泵需更换大扬程水泵，运行费用较高。
（5）在现有井下制冷硐室附近扩建新的制冷硐室，水泵及管路系统与原有系统连接需重新设计及安装，电气控制及设备联动也需要重新设计及安装。
4.1.3方案比选
方案比选详见表4-1“方案比选汇总表”，经济比较详见表4-2“方案经济比较表”。
综上所述，方案二投资略低于方案一，但由于远离负荷中心，工作面降温效果大大降低，同时管程长、沿程阻力增大，运行费用增高，另外在井下大巷内再敷设两根冷冻水管路的施工周期长、难度大，实施过程存在较大的不确定性。
因此设计推荐方案一，即在接续采区工作面降温负荷的中心新建井下制冷硐室，新建制冷硐室相对应的地面新征土地，用以新建地面冷却泵站及设置井下降温系统专用钻孔，钻孔内敷设冷却水立管，用以排放硐室内制冷机组产生的冷凝热。
表4-1方案比选汇总表
方案一
方案二
优点
（1）新建制冷硐室位于矿井接续采区工作面降温负荷的中心，冷冻水保温管道敷设长度较短，冷冻水管路系统的冷量损失较小，后期采、掘工作面的制冷效果较好。
（2）地面新建地面冷却泵站，冷却水管道通过钻孔敷设至井下制冷机组，冷却水管道敷设长度较短，有利于排放制冷机组产生的冷凝热，能有效保证制冷机组的正常运行。
（3）冷却水系统较为简单；制冷机组的冷凝器承压为16MPa，系统运行的安全性较高，系统的运行管理及设备检修较为方便。
（4）在降温系统的建设施工期间，不影响矿井原有的降温系统运行，对矿井的正常生产无较大影响。
（1）原有制冷主机位置不改动,，减少了主机设备搬迁。
（2）不需要在现有工广外新征场地，节省征地费用。
（3）不需要在现有工广外敷设管道和线缆。
缺点
（1）新建制冷硐室相对应的地面需新征土地，需落实征地的可行性。
（2）新建井下降温系统的补水取自原工业场地深度处理后的矿井水。
在原工业场地深度处理后的矿井水，需要在地面敷设输水管道，输送至新建冷却泵站场地。
（1）原制冷硐室远离矿井接续采区工作面降温负荷中心，至各采区工作面空冷器的保温冷冻水管道敷设较长，冷冻水管路的冷量损失较大，根据经验测算，冷冻水千米温升1~1.4ºC，因而到达末端空冷器的水温度较高（总长6.4km，可至8~10ºC）,供水温度增高造成采、掘工作面的制冷效果较差。
（2）管路温升5ºC温差，沿途约损失30%制冷量，冷冻水管路系统冷量损失较大，还会造成制冷机组进、出冷冻水的温度过高（高出5~10ºC），大大降低制冷机组的运行效率。
（3）井下巷道需要敷设较长的冷冻水管路，单程约需增加6.4km，新增冷冻水管路与原有管路并行安装，安装难度及工作量较大，且运行维护难度增加。
（4）现有制冷硐室远离五采区及七采区工作面的降温负荷中心，冷冻水管道系统长，阻力大，原有冷冻循环水泵需更换大扬程水泵，运行费用较高。
（5）在现有井下制冷硐室附近扩建新的制冷硐室，水泵及管路系统与原有系统连接需重新设计及安装，电气控制及设备联动也需要重新设计及安装。
表4-2方案经济比较表
序号
项目
方案一
方案二
1
井上工程费用
3015.85万元
3254.89万元
2
井下工程费用
4278.68万元
4023.75万元
3
钻孔工程费用
1368.84万元
993.51万元
4
工程建设其他费用
1095.50万元
836万元
5
项目建设总费用
9758.87万元
9108.15万元
备注：
（1）表中“第2项”所列费用为井下工程费用：
包含井下新建制冷硐室、配电硐室及井下冷冻水管道工程建设费用；
（2）表中“第3项”所列费用为钻孔工程费用：
包含钻孔施工及钻孔内管道安装工程建设费
升级会员 