安全工程采矿工程煤矿井降温方案刘店矿井降温方案.docx
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安全工程采矿工程煤矿井降温方案刘店矿井降温方案
刘店矿井降温方案
2012年12月25日
目录
一、矿井概况‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1
二、矿井需冷量计算‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3
三、矿井制冷降温系统‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6
四、主要设备明细及投资表‥‥‥‥‥‥‥‥12
五、其他投资‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
六、制冷系统运行费用‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
七、防尘水水冷、冰冷与局部降温降温系统比较‥‥14
八、两种降温方案对比
一、矿井概况
一、位置与交通
刘店井田位于安徽省涡阳县境内，西南距涡阳县城约15km，行政区划隶属马店镇、龙山镇和新兴乡管辖。
井田的勘查范围由以下11个拐点圈定，面积为110.15km2。
濉阜铁路从井田外东侧经过；井田周围尚有以涡阳县城为中心的公路网直达淮北、永城、亳州、阜阳、蒙城和宿州等地。
交通十分方便。
二、地形与河流
本井田地处淮北平原西南部，地形平坦，地面标高介于+30.16～+31.47m之间，总体趋势为北高南低。
井田内主要河流为涡新河，其支流胜利河、岭孜河、大寨沟、五道沟、白洋沟、洪沟和青龙河等均流入涡新河。
上述沟、河流量均受大气降水的影响而随季节性变化。
三、气候与气象
本井田所在地属大陆与海洋过渡性气候，四季分明，冬冷夏热。
该地区每年夏季多东南风，冬季多西北风，最大风速14.0m/s；年均气温14.0℃左右，最高气温40.0℃，最低气温-17.2℃；年均降雨800mm左右，且雨量在每年的7、8月份最高；全年无霜期在212天左右。
四、地震基本烈度
根据《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》的有关规定，本井田所在地的抗震设防烈度为7度。
五、煤系与煤层
井田内二叠系含煤层段总厚877m，煤层总厚30.30m，含煤系数为3.45%。
其中山西组含煤三组，1～4层，煤层累厚0.24～14.64m，9煤和11煤不发育，不可采，仅10煤层可采，其厚度介于0～7.29m之间，平均2.23m，系主要可采煤层；下石盒子组含煤五组，1～7层，煤层累厚0.34～15.66m，4煤、5煤和6煤极不稳定，不可采，8煤零星可采，仅7煤层可采，其厚度为0～7.37m，平均1.94m，但受岩浆侵入影响，7煤层多质变为天然焦。
本井田的可采煤层为大部可采的中厚煤层，煤层的结构简单～较简单，煤层的稳定性属较稳定型。
六、矿井涌水量
《安徽省涡阳县刘店煤矿勘探地质报告》采用比拟法预计的一水平（-650m）矿井正常涌水量和最大涌水量分别为450m3/h和610m3/h；采用地下水动力学法预计的一水平（-650m）太灰岩溶裂隙含水组的可能突水量为109m3/h。
考虑到在建设和生产过程中可能受井筒淋水、井下洒水和防火灌浆等因素的影响，矿井的正常排水量和最大排水量分别取500m3/h和660m3/h。
七、煤尘爆炸与煤的自燃
本井田可采煤层均有煤尘爆炸危险。
本井田10煤层为不自燃～不易自燃煤层，7煤层为不易自燃煤层。
八、地温
本井田所在地的恒温带深度为自地表向下垂深25m，相应的温度
为17.2℃。
本井田地温梯度为2.35℃/hm，属正常地温区。
预计本井田在510m以下开始进入一级高温区。
九、通风方式
本矿井为高瓦斯矿井，前期采用中央并列式通风方式，主、副井进风，中央回风井回风。
后期增开西风井，通风方式为混合式通风方式。
选用FBCDZ-No32/2*800型轴流式风机2台，1用1备。
二、矿井需冷量计算
采掘面降温标准
目前矿井降温标准有：
1、《矿山安全条例》第53条规定“井下采掘作业地点的空气温度不得超过28℃”。
2、《煤矿安全规定》第102条规定“生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备峒室的空气温度不得超过30℃……,采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备峒室的空气温度超过34℃时，必须停止作业”。
3、《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90）第10.2.1条规定“井巷工程施工时，工作面的相对湿度为90%时，空气温度不得越过28℃，超过时采取以下措施……
三部降温标准有26℃、28℃、30℃三种不同要求。
结合刘店矿目前及下步深水平高温发展状况，本设计按《矿山安全条例》规定，井下回采工作面上隅角由35℃降至28℃，掘进工作面由31℃降至28℃的标准进行计算需冷量。
供冷范围：
按矿方要求，本次降温工程共设计矿井二个综采工作面、四个掘进工作面。
矿井需冷量计算
1.回采工作面需冷量的计算
根据矿提供的工作面热工计算参数及实测温度，风量按766回采工作面1176m3/min，气温35℃，相对湿度96%，大气压力按99.98kPa，计算回采工作面的需冷量为639kW。
⑴计算采煤工作面制冷前的空气状态参数
空气的含湿量
d1=0.622*ψPs1/（P-ψPs1）=0.0338kg/kg干空气
其中：
d1—含湿量
ψ—相对湿度
Ps1—34度时饱和水蒸汽压力
P—大气压力
湿空气的焓
i1=1.005t1+1.85t1d1+2501d1=121.86KJ/kg干空气
其中：
i1—湿空气的焓
t1—空气温度
湿空气的密度
ρ1=0.003484/T1*（P-0.378*ψPs）=1.1092kg/m3
其中：
ρ1–密度
T1–热力学温度，T1=273+35=308K
湿空气的质量流量
M=Q*ρ1=21.74kg/s
干空气的质量流量
Md=M/（1+d1）=21.03kg/s
⑵计算制冷后空气状态参数
饱和湿空气的含湿量
d2=0.622*Ps2/（P-Ps2）=0.02438kg/kg干空气
其中：
Ps2--28度时饱和水蒸汽压力
含水雾空气的焓
i1=1.005t2+1.85t2d2+4.19（d1-d2）t2+2501d2=91.481kJ/kg干空气
制冷前后空气的焓差
Δi1=i1-i2=121.86-91.48=30.38kJ/kg干空气
采煤工作面的需冷量
Q1=G*（i1--i2）=639KW
2.掘进工作面冷量计算
按照1017掘进工作面提供参数：
风量800m3/min，风温31℃，相对湿度96%，大气压99.98kPa，按同样方法计算掘进工作面需冷量为192kW。
3.矿井总需冷量
Q=639×2+192×4=2046kW
根据“煤炭工业矿井设计规范”要求设备备用系数取1.2，“矿井热害防治规范”要求矿井冷量损失系按矿井有效需冷量的1.25计算，因此本矿井下降温需冷量为：
Qc=K*Q=1.2×1.25×2046=3069kW
三、矿井制冷降温系统
矿井制冷降温系统工艺流程：
主要由地面制冷水系统、防尘管输冷系统、井下空冷器散冷系统以及控制配电系统组成。
具体祥见系统流程图。
工艺流程如下：
地面制冷站设置一套冷水机组，制取2℃的低温冷水。
低温冷水通过循环水泵，利用主井中的￠159mm静压防尘水管（保温），将低温冷水输送到井下，通过井底减压阀减压后直接供至各工作面的空气冷却器。
经过空气冷却器换热后，水温升至25℃，升温后的高温水进过工作面或大巷喷雾降尘，消耗下放低温水，然后进入井下大巷排水沟，然后再进入井底水仓，再通过井底主排水泵经主井排水管返回，返回地面的矿井排水经过地面水处理站处理，净化后的水再进入地面制冷机房进行制冷，重复使用。
此降温系统主要借助地面制冷机和保温的矿井防尘水管，不断将地面产生冷水送入井下工作面进行降温，并且工作面安装空气冷却器和喷雾降尘水幕。
（一）工作面降温设备选型
1、回采工作面
回采工作面的需冷量为639KW，空冷器进出水温差需达到20℃，故按照1200KW配空冷器，考虑到工作面运输巷进风，采用4台MK-300空气冷却器，距工作面切眼150-200米放置，可利用软风筒将冷风接至工作面进口。
考虑工作面供风量较小，每台空气冷却器可配备防爆风机FBDNo.5.3/11×2KW，空气冷却器单台名义制冷功率为300KW，作为热交换器，降低工作面进风温度和湿度；另外，工作面各运输设备转载点喷雾、巷道洒水降尘也接自空冷器回水系统，通过正常喷雾等，也起到降低工作面进风温度。
4台空气冷却器的所需冷水量：
42.8m3/h。
2、掘进工作面
总需冷量为192kW，按照400KW配空冷器，采用1台MK-400空气冷却器，单台名义制冷功率为400KW，可满足要求。
所需冷水量：
12.8m3/h。
空气冷却器可安放在距迎头150-200米的地点，与Φ600mm软质风筒串接。
3、矿井需总冷水量：
42.8×2+12.8×4=136.8m3/h
井下工作面空气冷却器的效率直接关系到工作面的降温幅度，若进出水温温差高，则可节省冷水流量，进而采取较细的输冷水管，由地面下放到井下的水量减少，做到节能节电。
（二）防尘管输冷系统
设计立井、井下采用防尘管输冷系统，按照降温范围：
二个回采工作面和四个掘进工作面，需要冷水流量为：
136.8m3/h；另外考虑矿井正常防尘水消耗，综合考虑供冷水量按照：
140m3/h设计。
目前，矿井地面、立井、井下防尘主管路采用Φ159mm无缝钢管，但未进行保温处理。
为保证空气冷却器的散冷效率，保障进水水温在5℃，设计矿井地面、立井、轨道大巷的防尘管路全部进行保温，保温材料选用50mm的聚氨脂保温层，外层采用玻璃丝布乳化沥青涂层处理，作为外防护层。
1、管道冷损计算：
计算公式：
ql=л（t2-t1）÷{ln（D1/D2）÷（2λ）+[1/（aD1）]}
ql-----每米管道的冷量损失，W/m；
t2-----管道外周围空气温度，℃；
t1-----管道内介质温度，℃；
λ-----隔热材料的热导率，W/（m•K）；
a-----隔热层外表面的放热系数，在自然对流的情况下，可取
a=8.141W/（m2•K）；
D1-----隔热管外径，m；
D2-----无隔热层管外径，m；
Q损=ql×m
Q损-----输冷管道的冷损量，W；
m------输冷管道的长度，m；
管道温升计算公式：
⊿t=Q损÷（C×m）
C-----水的比热；
m-----循环冷水流量，m3；
管路按照外径Ф159mm无缝钢管，保温层为50mm厚的聚氨酯保温，环境温度为30℃，供水温度为2℃，回水温度为25℃时，计算766工作面各段管路单位冷损量：
管径
单位冷损
管路长度
Q损（W）
流量（m3/h）
⊿t（℃）
备注
地面防尘水管
Ф159
10.22W/m
50m
511
140
0.00031
保温
立井防尘水管
Ф159
10.22W/m
674m
6888
140
0.04217
保温
-641大巷防尘水管
Ф159
10.22W/m
2795m
28564
70
0.3497
保温
回采工作面防尘水管
Ф78
5.74W/m
1036m
5946
42.8
0.119
保温
∑
41909
0.51
若考虑管路法兰接头、弯头等损失增大20%，则：
Q损（KW）=50.3KW
⊿t（℃）=0.613℃
另外考虑到水流向下流动时，要损失位能，如果这部分能量不对外做功，要全部转化为热能，水温就要升高。
温升公式：
g△H=cp△t
cp--------水的比热容（4.19KJ/（kgK））；
△t-------水的温升，℃；
采用减压阀，可利用3MPa压力，剩余4MPa压力转化为热能，即374米的位能转化为热能，水温升高△t=0.875℃。
故低温冷水总的温升：
⊿t=1.488℃，地面下放2-3℃的冷水，到达回采工作面喷淋式空气冷却器进口，水温为3.488-4.488℃。
2、矿井防尘输冷管路水利阻力计算：
利用矿井防尘水管作为输冷水管，由于目前矿井的防尘水管为Φ159无缝钢管，井下供冷水量为：
140m3/h，而Φ159管路在平巷中最大流速为：
2.45m/s，最大流量为：
154.5m3/h，140m3/h的流量不超过管路最大流量，另外两个工作面分别位于副井两翼，故副井底静压防尘水管分为两路供水。
但考虑立井井筒中存在水位差，井筒管路的静压为6.74MPa。
计算此压力能否克服管路阻力，满足个工作面供冷水量。
计算766工作面输冷管路的阻力损失：
hi=λi×Li×vi2÷（Dgi×2g）
Dgi=159mmλi=0.0364
Dgi=78mmλi=0.0451
管道位置
长度（m）
管径（mm）
流量（m3/h）
流速（m/s）
压力损失（米水柱）
地面防尘水管
50m
Φ159
140
1.96
2.24
立井防尘水管
674m
Φ159
140
1.96
30.2
-641大巷防尘水管
2795m
Φ159
70
0.9798
31.3
回采工作面防尘水管
1036m
Φ78
42.8
2.489
189.3
∑
253.04
防尘供水管路水力阻力为：
253.04米水柱，考虑工作面洒水降尘水压力，井底减压阀出口应调整在4MPa，最远点及工作面供水压力可保持在1.47MPa，能够满足工作面防尘水压力要求。
但通过计算回采工作面运输顺槽内防尘管路水利阻力最大，必要时应采用加压水泵进行加压满足设备防尘水压要求，以及工作面回水要求。
对于其它巷道内的喷雾防尘、或洒水防尘，可根据所需压力确定从防尘水管接。
（三）地面制冷水系统选型
根据井下需冷量为：
2046KW。
设计地面冷水机组最低出水温度为2℃，进水温度为25℃，向井下供冷水量140m3/h，计算地面机房的制冷量为：
3760KW，地面制冷机房制冷机组能够满足要求。
根据“煤炭工业矿井设计规范”要求，制冷设备数量不宜少于2台，本设计选用2台模块式制冷机组，依次对冷水进行降温。
考虑今后矿井降温需冷量增大，机房预留一台机组空间，以及相配套的冷却塔、冷却水泵和配电设备。
制冷机房布置在地面工业广场内，离矿井防尘管路较近。
为减少占地面积，设计将冷水机组的冷却塔放在制冷机房屋顶，机房内安装制冷机组、保温水池、水泵、供配电设备。
设计机房长×宽：
20×10m，高度约5m。
制冷机房内建冷水机组设备基础，安装2级制冷压缩机组和冷冻水泵基础。
地面制冷设备制冷剂采用R-22，由二套螺杆式冷水机组、四台蒸发冷和二台冷冻水泵组成。
1、第一级冷水机组：
进水温度：
25℃，出水温度：
12℃，进、出水温差：
13℃，冷冻水量为140m3/h时，则冷负荷为：
2123KW。
蒸发器采用壳管式，压缩机采用汉钟RC2-1130B二台并联，制冷量为：
1225KW×2，电功率241KW×2，蒸发冷为STC-2300二台，风机电机功率20.5KW×2。
2、第二级冷水机组：
进水温度：
12℃，出水温度：
2℃，进、出水温差：
10℃，冷冻水量为140m3/h时，则冷负荷为：
1633KW。
蒸发器为降幕式，能够防止表面结冰损坏蒸发器，供水水泵11KW，压缩机采用汉钟RC2-1130B二台并联，制冷量880KW×2，电功率223KW×2,蒸发冷为STC-1800一台，风机电机功率11.7KW×2。
（四）控制配电系统
地面制冷机房供电采用6KV，安装一台高压进线开关柜，一台10KV/380V-1000KVA干式变压器，冷水机组、蒸发冷、冷冻水泵供电采用380V。
井下回采工作面空气冷却器的防爆供风风机可取自附近660V供电，掘进工作面原有供风风机，喷淋式空气冷却器直接串入风筒中，不需要另加防爆风机。
四、主要设备明细及投资表
序号
名称
规格型号或图号
技术说明
数量
单位
备注
一、地面设备
1.1
一级压缩机
RC2-1130B
38/6℃,Q=1224.9kW/台
2
台
Hanbell
1.2
二级压缩机
RC2-1130B
38/-3℃,Q=880.1kW/台
2
台
Hanbell
3.1
一级蒸发式冷凝器
STC-2300
额定换热负荷2300kW/台
2
台
Snoweky
3.2
二级蒸发式冷凝器
STC-1800
额定换热负荷1800kW/台
2
台
Snoweky
5.1
一级壳管式蒸发器
25℃~12℃，1200kW/台
2
台
5.2
二级降幕式蒸发器
1500×1800
12℃~2℃，1760kW
48
片
Snoweky
2.1
一级排气管
带管路配件
2
根
Snoweky
2.2
二级排气管
带管路配件
2
根
Snoweky
4.1
一级供液管
带管路配件
2
根
Snoweky
4.2
二级供液管
带管路配件
2
根
Snoweky
5.3
卧式气分
2
台
6.1
一级回气管
带管路配件
2
根
Snoweky
6.2
二级回气管
带管路配件
2
根
Snoweky
10
其它
1
套
7
冷冻油
以现场实际加油量为准
1
项
8
制冷剂
R22
以现场实际加氟量为准
2000
Kg
9
电控系统
各高、低压柜，变压器等
1
套
小计
450万元
二、井下设备
1.2
高压空冷器
AC-300
8
台
240万
1.2
风机
AC300标准配套
8
台
20万
2.1
高压空冷器
AC-400
4
台
152万
2.2
风机
AC400标准配套
4
台
10万
3.1
喷淋空冷器
AC-200
4
台
64万
3.2
风机
AC200标准配套
4
台
10万
小计
496万元
三、合计
946万元
五、其他投资
序号
名称
费用（万元）
备注
1
地面保温水池、厂房（土建）
50
2
地面制冷设备安装
15
3
立井、井下管路保温安装
60
4
设计费
10
5
合计
135
防尘水制冷系统总投资1081万元
六、制冷系统运行费用
制冷系统运行费用主要是电费，其余人工费，由于地面冷水系统自动化程度比较高，每班只需一人进行巡检即可，井下采用减压阀方式，管路冷水正常循环运行，不需要人员，故整个系统简单，需要人员较少。
另外年维修费也较少，地面冷水机组技术比较成熟，属于免维护设备，主要维修量在井下管路漏水，可由矿原来管道维修人员代替，不需要另外增加人员，维修费用也很低。
制冷系统运行电费
制冷系统按每年4个月运行，其它时间设备停止运转，正常运转期，考虑到负荷的调整与变化，负荷调整系数取0.7，当地用电平均价格按0.6元/kWh；系统运行功率为：
996KW。
电费：
996×24×30×4×0.7×0.6=120万元/a
因增加排水量而增加的排水费用：
（矿井吨水百米电耗不超过0.5KWh）
去除正常矿井消防洒水水量，每小时回水仓的循环水量为：
50m3/h，考虑到随着季节变化，下放冷水量会发生变化，调整系数取0.7，则计算年排水电费增加：
0.5×50×（674÷100）×24×30×4×0.6×0.7=20.4万元
3、系统每年运行费用：
120＋20.4=140.4万元
月运行费用：
140.4÷4=35.1万元
七、防尘水水冷、冰冷与局部降温降温系统比较
采用的防尘水水冷降温系统与地面集中冷水系统有一定区别，取消了井下的高低压换热器，利用防尘系统中的减压阀将冷冻水减压到一定压力，满足井下冷水管路的正常循环。
其优点：
减少投资，省掉高低压换热器，井下供冷管路的供水动力取消了供水水泵，依靠管路的静压实现供水。
设备设计在地面，排热方便，设备操作维修方便。
另外，设计一套地面水源热泵，夏季作为井下降温设备，产生冷水供井下使用，冬季可利用矿井水处理厂的水源，进行取热，供地面工业广场的供暖，实现设备综合利用。
缺点：
增加矿井的排水费用，但较冰冷降温的运行费用较低。
举例：
冷水机组制取1000KW的能量，机组功率210KW，冷却塔15KW，水泵按30KW（包括冷却和冷冻水泵），总功率为255KW，冷水量按85.7m3/h（进水、出水温差为10℃），小时电耗为255×0.9×0.8=183.6KWh（0.9为需用系数，0.8为负荷率）。
制冰机组制取1000KW的能量，机组功率450KW，蒸发式冷凝器30KW（风机、冷却塔），供水水泵15KW，片冰机7.5KW（三台），总功率为502.5KW，制冰量为7.5m3/h，小时电耗为502.5×0.9×0.8=361.8KWh（0.9为需用系数，0.8为负荷率），根据以上分析可确定在同样制冷量下，制冰比制冷冷水小时电耗增大一倍。
考虑冷水系统排水费用：
比冰冷系统增加排水量85.7-7.5=78.2m3/h,按照矿井排水百米吨水电耗0.5KWh计算，西风井井筒深度为600米，增加的排水费用为78.2×（600÷100）×0.5=234.6KWh，即水冷系统小时电耗为183.6+234.6=418.2KWh，小时电耗增加：
418.2-361.8=56.4KWh，每度电按0.5元计算,每天增加费用56.4×0.5×24=676.8元，每月多支出2.1万元。
但初期投资相差较大，冷水机组制取1000KW的能量，投资在150万元（地面设备、安装），制冰机组制取1000KW的能量，投资在500万元（地面设备、安装）。
另外，矿井目前排水能力富裕较大，能够满足下放冷水后出现的排水要求，并且不需要新的投入。
通过以上经济比较，选用冰冷降温经济性较差。
采用局部降温机，最大缺点排热困难，象有些矿目前采区有两条巷道，一条进风巷，一条回风巷，回风巷兼作主运输巷，巷道内设有运输设备，操作维修人员每班都要进入，若将进风巷的热量带到回风巷内，会增加运输巷的回风温度，影响到皮带司机和维修人员正常作业，不符合煤矿安全规程要求，“煤矿安全规程”第102条规定，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃，……采掘工作面的空气温度超过30℃，机电设备硐室超过34℃时，必须停止作业。
有些矿利用井下涌水排热，相应增加泵房温度，尤其是排热热量大时，超过2000KW，井下水泵运行困难，事故率增多，对机电设备安全运行不利，另外，井下涌水水质较差时，水质硬度大时，局部降温机冷凝器结垢严重，使用时间不长就不能正常运转。
局部降温机单位制冷量投资额要大于其他方式制冷，单台的制冷量较小，不超过500KW。
矿井降温主要是考虑热量如何转移，一般两种方式，一是地面产生冷源送到井下，平衡井下高温地点热量，实现降温目的；二是井下设置设备，产生冷源，送到高温地点降温，但如何将热量排到地面是技术关键，若排热解决不好，会重新污染进风流，使进风流风温升高，起不到降温目的。
地面制备冷源下放，不会发生上述问题，象地面制冰、制冷水，中途冷损也属于有益损耗，降低进风流风温，效率高。
三种降温方式比较：
防尘水水冷系统
冰冷系统
局部降温
系统排热
设备设置在地面，排出的热量不会进入井下，效果好。
另外采用冷却塔排热，设备简单，介质采用，无制冷剂循环，安全性能高。
设备设置在地面，排出的热量不会进入井下，效果好。
采用蒸发式冷凝器，设备复杂，体积较大，盘管内流动制冷剂，若发生泄漏，对环境
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