孙村热害治理技术.docx
《孙村热害治理技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《孙村热害治理技术.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
孙村热害治理技术
毕业专题论文
论文题目：
孙村煤矿深部热害治理技术
系别：
资源与土木工程系
专业班级：
采矿工程10-1
撰写人：
邓帅
泰山科技学院
2014年月日
指导教师评阅意见
学生
姓名
邓帅
专业
班级
采矿工程
学号
1041010103
10-1
（论文）题目
孙村煤矿深部热害治理技术
指导教师
蒋金泉
教师职称
教授
指
导
教
师
评
语
论文成绩：
指导教师（签名）：
年月日
摘要
深部矿井热害作为深井开采中常见的自然灾害之一,对煤矿的正常开采工作造成非常严重的影响。
孙村煤矿自20世纪80年代初进入-600m开采水平生产后,高温热害成为矿井生产的主要灾害。
为此本文对孙村煤矿深部矿井热害的发生原因进行分析,并且提出相应的热害治理相关的技术措施。
关键词：
深部矿井；发生条件；矿井热害；防治
前言
针对深矿井热害问题，通过20多年的实测、分析和研究，孙村煤矿建立了地温、井下环境温度和湿度的数字模型，能较准确地预测采掘工作面的地温和湿度，探索了不同通风方式的降温效果，研究了风量与井下气温的相关关系，探讨了通风降温的合理深度，先后试验了井下集中降温、局部制冷、地面水冷式集中降温和冰冷低温辐射降温四种不同的机械降温方式，在深矿井热害治理方面取得了丰富的经验。
一、热害产生原因及分析
（1）井下热源
使井下气温增高的热量来自地热（围岩散热）、运转的大型机电设备散热、空气压缩热、煤岩及支护材料氧化放热和人体散热。
另外，地表季节性的气候变化也对井下气温产生明显影响。
造成孙村煤矿深部高温的主要热源是地热和空气压缩热，该矿是以地热为主要热源的热传导型矿井，围岩和落煤（岩）放热占到50%以上。
随着开采深度增加，围岩放热的比例还要增加。
（2）大气条件
井下新鲜风流由地表大气供给，地面季节性气候变化近似同步影响井下面热源散热气候条件。
孙村煤矿北立井为主要进风井，距新泰气象
站一公里左右，该气象站测定，历年最高气温42.5℃，最低气温-21.6℃，平均12.7℃。
平均相对湿度64.5%,平均大气压为99kPa。
全年七月份最热，月平均温度25.8℃，相对湿度80%，大气压力98kPa。
每日20时测得气温值近似于月平均气温值。
（3）井下气温及季节变化的影响
1978年，-600m水平投产后，个别采掘工作面的气温达到30℃及超过30℃，-800m水平投产后，采掘工作面气温普遍高达34℃。
（4）供风距离对井下气候的影响
地面对井下气候的影响随供风距离的增长而衰减，供风距离愈长，测定值愈趋于稳定。
总的趋势是采掘空间随供风距离增加而增温、增湿和增焓。
经实测，风流沿井巷流动4328m后，温度由25.10℃增至28.8℃，含湿量由16.28g/kg提高到23.01g/kg，焓值由15.9kcal/kg增至20.9kcal/kg。
除了供风距离影响外，井下温升还与巷道开掘时间有关。
1985～1990年间，在-600m水平东区轨道大巷至东区轨道下山之间和孙良石门至五采区之间进行了定点和定时观测，分析观测资料后认为，掘进3年以上的巷道，一般温升为1.2～2.7℃/1000m,平均1.95℃/1000m；掘进1～3年的巷道，一般温升为2.08～4.2℃/1000m，平均3.14℃/1000m。
（5）井下地温
1977年，新汶矿务局地勘队和山东省勘探公司在新汶井田进行了地面勘探钻孔测地温工作，各钻孔测试结果如表1—1,1—2所列。
表1-1地面钻孔测温
深度（m）
温度（℃）
77—3钻孔
77—4钻孔
611钻孔
550钻孔
20
20.0
20.9
7.70
100
21.0
21.3
17.5
200
23.3
24.2
19.1
300
25.6
27.7
21.7
400
27.9
23.7
500
31.1
29.8
26.7
600
34.0
32.2
29.6
700
36.2
37.8
29.0
31.6
800
38.5
36.9
35.5
900
40.8
42.0
1000
43.5
表1-2掘进工作面炮眼钻孔测温
测温地点
标高（m）
温度（℃）
备注
一采区1219切眼
-750
33.3
井田东边界
二采区2220东切眼
-775
35.1
F2断层南
-800m东大巷东头
-800
37.8
F2断层北
-800m东大巷西头
-800
38.6
F2断层北
六采区6213切眼
-500
32.8
邻接良庄煤矿
测温工作，并测试了采掘工作面气候条件，炮眼钻孔深1.5m。
1996年，孙村煤矿与中国矿业大学合作，在井下掘进工作面的炮眼钻孔中进行了
根据长期大量的地温实测与统计，孙村煤矿深部地温值可由（1—1）式计算：
式中tH—埋深为H米处地温值，℃；
t恒—恒温带温度，℃；
H—预测某点地温的地层埋深，m；
h—恒温带深度，m；
Q—地温率（地温梯度倒数），m/℃。
二、通风降温技术
从20世纪70年代后期以来，孙村煤矿为改善井下采掘工作面气候条件，通过改造通风系统、更换大功率通风机，增加进回风井数量、改革采掘工作面通风方式和采煤工艺，实施了通风降温措施。
1.通风系统改造
通风系统改造的目的是降低通风阻力，增加风量，减少漏风，简化通风系统，提高通风能力。
1980年以前，孙村煤矿采用的是中央并列式通风方式，东斜井和西斜井进风，工业场地内的风井回风，矿井的排风量为4654m3/min。
1983年6月，由地面至-400m水平的大洛沟风井开始运行，形成了中央分列式通风方式，该风井采用G4-73-11N028D型离心式通风机，排风量为7600m3/min，增加风量2946m3/min。
采煤工作面的风量由418m3/min增加到494m3/min，气温下降了1～2℃，由原来的28～29℃下降至26～28℃。
1992年，千米北立井、-800m水平东区运输大巷与-600m水平一采区前组煤层下山阶段形成通风系统后，井田内增加了进风井，深部增加了进风量，且进风距离成倍缩短。
1997年开始，通过在2#和4#煤层采空区下方重新开掘专用的回风井巷，扩修部分回风大巷，报废失修原回风井巷，对回风系统进行大规模的改造，新掘和扩修巷道6000多米，报废失修巷道3600多米。
随着通风线路缩短，阻力降低，矿井负压由3200Pa降为2400Pa，工作面风量得到提高，达到了增风降温的目的。
为减少高温机电装备在进风流中的散热量，深部多数大型机电硐室采取了独立通风方式，并尽可能地减少串联通风和缩短进风路线。
-600m水平后组煤层一采区变电所、前组煤层四采区变电所、压风机房和-800m水平扩大区压风机房、后组煤层四采区压风机房全部实现了独立通风，散热直接进入回风道，减少了这些装备散热对采掘工作面进风温度的影响。
2.工作面通风方式改革
把工作面上行通风方式改为工作面下行通风方式，使进风平巷处于温度相对较低的工作面上部，进入工作面的新鲜风流吸收围岩的散热量相对较少，胶带输送机、转载机和泵站布置在工作面下部的回风平巷中，运送中的煤炭散热不再进入工作面。
1219工作面采用下行通风后，工作面气温降低了2.3℃，4220工作面上出口进风温度由31.2℃降低到28.4℃,降低了2.8℃。
两个工作面三条回采巷道布置，形成孙村煤矿应用较多的顺拉工作面布置。
工作面上下平巷进风，中间腰巷回风，形成工作面W型通风方式。
这种方式相应地加大了工作面回风量，降低了通风阻力和风温。
3.采煤工艺改革
孙村煤矿深部采煤工艺由综采代替了普采，采煤工作面的机械化水平和单产水平都得到提高，同采工作面由原来的5～6个减少到现在的3个。
与普采工艺相比，由于使用了自移式液压支架，相应地减少了向采空区的漏风量，进入工作面的有效风量增加，气温也有一定程度降低。
在4421综采工作面实测，气温比采用普采工艺时降低了1.2℃。
另一方面，回采工作面数量减少导致同时掘进的巷道减少，井下围岩总散热量减少，井下气温得到改善。
4.掘进工作面局部扇风机更新
加强掘进工作面通风管理，合理选择局部扇风机安放位置，消除串联风、循环风、局扇群现象。
到2001年，深部掘进工作面全部使用高效低耗的大功率对旋式轴流风机，大直径风筒。
主风机电机功率为2×11kw、2×15kw、或2×30kw及以上，风筒的直径由φ500mm更换为φ600mm。
工作面初掘时只开启第二级风机，在中近距离时，只开启第一级风机，远距离时，两级对旋同时运行。
在-1100m水平管子井掘进工作面，使用电机功率为2×30kw的对旋式轴流风机和直径φ600mm的风筒后，掘进迎头风量由150m3/min增加至396m3/min。
5.千米北立井地面集中制冷降温技术
（1）地面集中降温系统及建立背景
孙村煤矿进入-600m水平下山阶段生产后，高温问题日趋突出，-400m水平井下制冷降温系统已不能满足要求，按当时的矿井热况计算，井下需要冷量由2300kw增加到5300kw，热负荷由2882kw增加到6572kw，采用井下集中制冷系统，无法解决排热问题。
经对德国鲁尔矿区两次实地考察后，孙村煤矿于1992年引进德国成套技术装备，在千米北立井工业场地内建立了地面集中制冷系统。
地面集中制冷站安装德国进口的WRM-1900型机组一台，大连生产的LSLGF-25型机组两台，总制冷量为6300kw。
（2）制冷能力及效果
根据孙村煤矿-800m水平的生产能力，结合集中生产和降低能耗的要求，把地面集中制冷降温系统建设划分为两个时期，前期服务于两个采煤工作面，5个掘进工作面，总需冷量2754.5kw。
后期服务于4个采煤工作面，10个掘进工作面，总需冷量5440kw。
该系统于1994年12月19日安装和调试完毕，1995年6月27日试运转，地面制冷站向井下供水温度为0.4℃，掘进工作面可降温3.4～5.8℃,采煤工作面可降温9.3℃。
（3）影响地面集中降温系统投入运行的原因
地面集中制冷降温系统建成后，由于以下原因，试运转后没有投入运行：
敷设的供冷管道与当时需要降温的采掘工作面不匹配，其间，矿井高温区已集中在-800m水平西部五采区和六采区，而-800m水平东大巷正东西相向掘进，在高温区无法敷设管道供冷。
受供电和能耗制约。
北立井工业场地内35kv降压站尚未运行，供电紧张，开两台机组需供电2100kw，运行能耗大，费用高。
在煤炭市场疲软，煤价低弥的情况下，矿井在经济上难于接受。
地面集中供冷和输冷距离大，管路保冷十分困难,井下用冷量调节困难。
6.采掘工作面局部制冷降温技术
（1）制冷系统
该系统由建在-800m水平的制冷机组、冷却水泵、循环制冷水泵、冷水池和建在-400m水平的冷却水泵、冷却水池组成。
制冷机型号为非标W-LSLGF-500（Ⅱ）型防爆螺杆冷水机组。
该机组以R22为制冷剂，制冷能力500kw，主要由螺杆式压缩机组，壳管式冷凝器和蒸发器等几部分组成，制冷机组设在-800m水平水泵房内。
为充分利用-400m水平的低温水进行排热，在-400m水平水泵房内安装两台冷却水泵，一台工作，一台备用。
运行的水泵吸取-400m水平采空区排出的矿井水，通过冷却水管供给-800m水平制冷机冷凝器作为低温冷水进水，并通过U形管再返回-400m水平。
为防止该水平冷却的水受季节变化水量减少，专门修建了专用的冷却蓄水池。
-400m水平的冷却水经-400m水平贯穿石门、管子道暗斜井、孙良石门、-800m水平人车管子井到-800m水平水泵房。
-800m水平制冷机组附近安装了冷却水泵，该水泵从-800m水平水泵房吸水井吸水，将水泵入制冷机蒸发器冷却，冷却后的低温水进入1#蓄冷水池积蓄，该蓄水池容积为260m3，待水满后，开启循环制冷泵，1#蓄冷水池中的水通过制冷机蒸发器不断循环制冷，水温随之逐渐降低，直到温度降至6～8℃。
打开阀门，6～8℃的低温水通过480m长的DN108×4.5保温管直接被送到2#蓄冷水池，该蓄水池容积为64.8m3。
（2）供冷和传冷系统
供冷系统由供冷管路和供冷泵组成，将2#蓄冷水池中的低温水送入工作面用冷地点。
采用DN150无缝钢管作为低温水主干管，以快速接头连接，用聚乙烯XEP作为保温材料，厚30mm，外加4mm的玻璃钢保护层。
为-800m水平后组煤层四采区采煤工作面降温的供冷泵流量为54m3/min，扬程211m，电机功率55kw。
采煤工作面传冷系统
采煤工作面低温冷水利用方式有三种：
利用喷雾式空冷器，将保温管路供给的冷水在风流中通过大喷头喷射，直接与风流接触而降低风温，称作喷淋散冷。
用冷水直接向新裸露的煤壁表面和采空区喷射，在冷却煤体和围岩的同时降低风温。
在工作面长度方向上均匀布置长开喷雾装置，将其吊挂在各点柱中部，喷雾头分别朝向煤壁和采空区喷雾。
采煤机割煤时喷雾朝向煤壁。
沿采空区边界处还要设置挡风帘，以减少采空区热量向工作空间内散出。
在采煤工作面附近进风平巷内铺设裸管，利用裸管内的低温水直接与空气进行热交换。
掘进工作面传冷系统
掘进工作面低温冷水利用也有三种方式
a在掘进工作面附近区域内进行除尘洒水冷却。
b在迎头和回风段内安设大喷雾装置，进行喷淋冷却。
c将矿用管式喷淋冷却器安设在局部通风机后方5m，对局扇出风流进行冷却。
（3）散热系统
经充分论证，确定利用孙村煤矿-400m水平采空区水散热．
1999～2001年的三年中，-400m水平水仓中的最大、最小平均水量为5.3和2.17m3/min，水温22℃。
利用U形管原理，-400m水平水泵通过无缝钢管把水仓中的采空区水泵入-800m水平制冷机冷凝器，将系统热量带走。
借用-800m水平排水管路再将水返回-400m水平水仓。
为确保冷却水供应，在-800m水平水泵房5#吸水井上同时配备了备用冷却泵，一旦在-400m水平采空区涌水量不正常时，可开动-800m水平备用泵代替。
冷却水回水带走热量后排至-800m水平东区大巷排水沟内。
-800m水平备用泵运行时，由于进入冷凝器的水温较-400m水平高，制冷成本也较高。
局部制冷降温技术评价
优点:
利用-400m水平涌水作为冷却水，提高了排热效率，降低了制冷成本。
利用U形管原理排热和-800m水平排水管路回水，减少了降温管路投入和冷却水循环水泵功率。
采用裸管散冷、大喷头喷淋直接与煤岩体进行热交换，增加了冷水与空气接触交换面积，热交换更加充分，降温效果显著。
把采煤用水、防尘洒水与矿井降温用水进行了充分地结合。
缺点:
井下冷水机组受矿井冷却水量影响，排热量受到限制，不可能大范围制冷，只能对局部范围制冷降温。
7.地面制冷制冰系统
制冷系统
制冷系统由单台液氨冷却型螺杆压缩机组、蒸发冷凝器、液氨器、桶泵机组、空气分离器、集油器、紧急泄氨器组成，该系统与制冷机房内的片冰机形成了封闭循环系统。
单台液氨冷却型螺杆压缩制冷机组由美国约克生产，型号为RWBⅡ856E，包括螺杆压缩机、主电机、油分离器、经济器、储液器用Quantum控制中心组成。
螺杆式压缩机属于容积式制冷机，它利用一对相互啮合的阴阳转子在机体内做回转运动，周期性地改变转子与齿槽间的容积来完成吸气、压缩和排气过程。
地面制冰系统
制冷系统产生的冷源氨液利用架空管道进入片冰机的蒸发器壳体，循环水泵将水喷淋到蒸发器壳体内壁上。
结冰过程中，氨液在壳体内蒸发，吸收内表面上的热量，水立刻被冻结成鳞片冰附在筒内壁上，长形冰刀不断旋转，连续将冰刮落，并沿冰口排出。
制冰系统操作简单，操作人员可以从操作盘上的指示监测制冷全过程，具有冰满、冰堵、缺相、过载和重负荷多重保护。
（3）输冰和融冰系统
输冰分为三段：
一是从制冷机输送到北立井输冰管道内，二是由井口沿输冰管道滑落到-800m水平井底场，三是从井底输入输冷池。
地面输冰。
两台螺旋输冰机将制冰机生产的片冰输送至北立井井口的漏斗内，而后由此处进入北立井内敷设的输冰管道。
副斜井输冰。
北立井内敷设的输冰管较粗，内径为300mm，很容易滑落到井底。
为加大井底管道弯头处的抗冲击和耐磨能力，选用了铸刚弯头，并在弯头处增设了加固支架。
井底输冰。
进入井底弯头处的冰通过倾斜管道滑至融冰池。
融冰系统：
由融冰池和加水管路组成。
融冰池宽3m，高1.2m，长50m，中间用过滤网隔开，一边为融冰室，一边为冷水室，既可满足排水要求，又能防止大块冰进入循环水泵。
为提高融冰效率，在融冰池上部并行10路2寸管道，与6寸水管相接。
在2寸水管下方安设喷头，对冰块喷淋以增大融冰速度。
向井下输冰的能力为20.8t/h，按比例向融冰池加入97.4t/h水，则制冷水的能力至少为118.2m3/h，可根据冷水的温度调节加水量多少。
（4）输冷及散热系统
散冷方式选择
根据孙村煤矿深部需冷量和供水量关系，对采掘工作面两种散冷方式进行了比较。
第一种是只利用裸管和喷淋（包括防尘）散冷降温，第二种是利用裸管、喷淋（包括防尘）和空冷器散冷降温。
第一种散冷方案所需的喷淋水量较大，一个采煤工作面最大为12.6m3/h，一个掘进工作面最大为6.3m3/h，这种散冷方式需增加排水泵和排水管路，并增加了采掘工作面排水量。
另外，由于降温水不回收，降温系统需大量补充水。
第二种散冷方案增加了空冷器的投入，可提高冷量的利用率，经空冷器的回水返回后可用于融冰池融冰，以减少补水量。
考虑融冰需要补充水和采掘工作面的排水问题，经比较，选用了利用裸管、喷淋和空冷器散冷方案。
采煤工作面和下山掘进的工作面除使用了裸管和防尘喷淋散冷外，还增加空冷器散冷，其回水返回后用于融冰。
平巷和向上掘进的工作面使用裸管和喷淋散冷，不使用空冷器，也不回水。
基于2004年的开采部署，井下两个采煤工作面和6个掘进工作面总用水量为113.42m3/h，散冷能力为1270.66kw。
空冷器选择与布置
按照采掘工作面需冷量和散冷量实际情况，每个采煤工作面进风巷内布置空冷器2台，每个下山掘进工作面内布置空冷器1台。
为不影响工作面正常生产，提高冷量利用率，减少搬运工作量，空冷器布置在距工作面下出口50～100m的位置处。
下山掘进工作面的空冷器布置在距迎头200m处。
喷淋喷头选择与布置
选择雾状喷头，喷水量设计为0.5m3/h。
采煤工作面下平巷转载点布置3个喷头，下平巷两处水幕位置共布置4个喷头。
采煤工作面上部100m内每15m布置1个喷头，共布置6个喷头。
在使用空冷器的掘进工作面，风筒口前布置4个喷头，不使用空冷器的掘进工作面布置12个喷头。
输冷管选择与布置
根据管路敷设长度和工作面需冷量选择输冷水管。
与玻璃钢管进行经济技术比较后，供冷水管均选用了无缝钢管，主干管的直径为150mm，采掘工作面管路的直径为100mm。
孙村煤矿井下深部冰冷低温辐射降温系统的输冷管路分为东西两路，主干管路都安装在进风巷内，采用优质快速接头连结。
西路输冷管路由井底融冰硐室到三分岔口，此处又分为两路，一路直接经-800m水平南石门到达11120工作面运输平巷；另一路经过-800m水平前组煤层三采区通道，进入-1100m水平人车管子井，到达前组煤层三采区各掘进工作面。
东路输冷管由-800m水平融冰硐室到-1100m矸石暗斜井开口处，也分两路，一路进入-1100m水平前组煤层二采区，由二采区轨道下山送至2421采煤工作面和各掘进工作面；另一路直接进入-1100m水平矸石井掘进工作面。
（5）制冷降温效果
为验证降温系统制冷效果，对制冷系统及采掘工作面温度进行了长期测试。
采掘工作面降温效果如表2-1所示。
表2-1采煤工作面降温效果
采煤工作面
降温前（℃）
降温后（℃）
降幅（℃）
干温
湿温
干温
湿温
湿温
2421
下面下出口以上10m
31
30
25.2
25
5.8
5
腰巷口以下10m
33
32
27.4
26.4
5.6
5.6
腰巷口以上10m
33.2
32.1
25.5
24.5
7.7
7.6
上面上出口以下10m
34.8
34
27.8
27.4
7
6.6
11120
下出口以上10m
30.3
29.8
25
24.6
5.3
5.2
上出口以下10m
32.4
32
27.8
27.6
4.6
4.4
结束语:
高温热害由多因素共同作用产生的，同样防治热害也要多措并举，这样才能收到良好的效果。
每个矿井的地质条件生产工艺人员素质管理机制等各不相同，只有结合矿井实际，选择使用的可行的多样性的措施方案，才能最终战胜热害。
参考文献：
［1］徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：
中国矿业大学出版社.1999
［2］窦林明,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M],徐州:
中国矿业大学出版社.2001
［3］任勇杰.新汶矿区深部冲击地压防治与管理技术研究[D].山东科技大学.2006
［4］檀远远,李德忠.浅谈煤矿冲击地压研究现状与应用[J].能源技术与管理.2008（01）
［5］刘中桥,煤矿冲击地压产生原因及防治措施[J].煤炭科学技术,2009（02）
［6］宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:
中国矿业大学出版社,1988
升级会员 