利用恒温水源进行矿井降温

利用恒温水源进行矿井冷却
1 矿区概况
淮南矿区位于安徽省北部，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冷却的可行性分析
2.1 空气和水的比热容
什么时候P为106.67kPa，t＝30℃，φ＝95％，d＝0.0244kg/kg 时，
干空气比热容：1.0045kJ/(kg·K)
蒸汽比热容：1.85kJ/(kg·K)
湿空气焓：i=1.0045t+0.001d(2501+1.85t)=30.136kJ/kg
考虑到井下冷却过程的湿度大致相等、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℃，焓的变化是Δi=4.19 kJ/kg。

2.2 恒温水冷却效果分析
在地下压力和湿度近似相等的冷却过程中，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 恒温水源冷却能力分析
淮南矿区恒温水源温度为16.8℃，考虑从地面到地下运输过程中
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 矿井冷却水需求分析
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，然后去除竖井底室和一些不需要冷却的
采煤工作面的空气消耗，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
因为恒温水源的温度全年变化不大，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，井水从井中自从然流出地表，形成涌泉，可见地下水的充沛程度。

2.6 田间试验
利用恒温水源进行矿井冷却的可行性，一般生产矿井在停产检修
期间，都具备实验条件，具体效果可进行田间试验。

3 矿井冷却恒温水源系统组成
矿井冷却恒温水源系统原理图，详见图1。

图1 矿井冷却恒温水源系统原理图
4 恒温水源冷却系统的运行
4.1 连接器原理
恒温水源降温系统可采用连接器原理设置，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从然水压运行，什么时候自从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 经济流量
矿井冷却所需的水取决于管径和流速，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。

一般管道经济流量区间为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量应按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、阀门控制的局部阻力是管道总阻力，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 自从然水压
自从然水压的大小取决于进水和回水之间的温差以及实际冷却位
置的垂直深度。

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自从=(998.2-995.7)×9.81×600＝14 715Pa
4.5 水杆塔高度度
水杆塔高度度取决于管道（系统）总阻力与自从然水压的差值。

h杆塔高度＝（h总－h自从）/9.81×998.2＝11.145m
5 矿井恒温水源冷却系统的实现
5.1 采煤工作面冷却的实施
（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，用于工作面顶板和进风巷两侧的分级喷雾冷却，可考虑喷淋水
搜集，循环使用，也可根据巷道条件，让其自从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，恒温水源直接用于对进气巷道顶板和巷道
两侧进行喷淋和冷却，并根据巷道条件，考虑进行喷淋水搜集，导水
管排至水沟，或让其自从流入井底水仓，经高低压装置排到地面。

5.2 掘进工作面冷却的实施
（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
温度约等于空气温度的换热目的。

降温效果由通过的冷水量进行控制。

（2）采用开式循环时，矿用移动式喷淋空气冷却器用于直接喷淋
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 局部高温点冷却
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，可直接喷洒恒温水冷却。

5.4 辅助冷却
井底车场、大巷的装载喷雾、净化喷雾，高温地区矿区内各种重
印喷涂、净化喷雾、移回喷雾等，一律改为使用恒温水源进行喷雾，
以达到辅助冷却的目的。

5.5 补充冷却
不排除在夏季高温季节，在少数地方用恒温水源冷却后，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冷却系统输入的比较
具有恒温水源的矿井冷却系统类似于地面集中机械制冷冷却系统，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地面集中式机械制冷系统运行成本比较
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，地面集中机械制冷和冷却系统的制冷量应在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回水管道可与防尘喷淋管道共用
恒温水源降温系统的回水管道可与防尘喷淋管道共用，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，应根据不同矿井的具体情况，分析不同矿井能否采用恒温水源进行矿井冷却。