张习军

1瓦斯灾害监控与应用技术国家重点实验室 重庆 400037

2中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

我 国已探明的煤炭资源储量中约有一半埋深超过千米，且我国煤矿每年平均往深部延伸 8～12 m，开采深度超过 800 m 的煤矿有 200 余处，其中超过 1 000 m 的有 47 处，最深的已达到 1 500 m[1]。生产设备散热和深部开采，加重了井下的高温热害。开采深度超过 800 m 时，采掘工作面干球温度将达到或超过 30 ℃[2]，采取机械制冷降温措施是解决高温热害最为有效的手段。

霄云煤矿开采深度已超过 800 m，为解决采掘工作面的高温热害问题，设计了 1 套井下集中制冷降温系统，该系统核心设备为 ZLS-3300 制冷装置。笔者以 ZLS-3300 制冷装置在霄云煤矿井下集中制冷降温系统中的应用为例，分析其应用效果。

1 矿井概况

霄云煤矿于 2008 年底开工建设，2013 年 7 月正式投产，设计年生产能力为 90 万 t。矿井所在地区平均地温梯度为属地温正常区。矿井井口标高 +40 m，井底标高 -790 m，主采水平采掘工作面标高位于 -650～-790 m，原始岩温超过 37 ℃，为二级热害区。夏季生产期间采掘工作面干球温度均超过30 ℃，最高达到 33 ℃，相对湿度最高达到 95%，属于三级热害矿井，必须采取有效的降温措施，否则应停止作业[3]。

2 ZLS-3300 制冷装置

ZLS-3300 制冷装置是模块化结构，核心部件由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。单台制冷功率为 3 300 kW，富裕度不小于 10%，冷凝器水侧能够承受 16 MPa 的高压，蒸发器水侧能承受 6.4 MPa 的高压，模块化的结构和紧凑的布局便于运输与安装。ZLS-3300 制冷装置压缩机采用矿用隔爆型三相异步电动机和矿用隔爆型安全电控设备以满足煤矿井下使用要求。ZLS-3300 制冷装置基本参数如表 1 所列。

表1 ZLS-3300 制冷装置技术参数Tab.1 Technical parameters of ZLS-3300 refrigeration device

3 降温系统工艺设计及设备选型

3.1 需冷量计算

霄云煤矿生产为 -790 m 水平的一采区，二采区是接续采区，布置掘进工作面。正常生产条件下，布置 2 个采煤工作面和 6 个掘进工作面，具体情况如表2 所列。

表2 采掘工作面基本情况Tab.2 Basic situation of working face

取干球温度和相对湿度的最高值作为降温热力参数值，降温后的干球温度和相对湿度的目标值分别取28 ℃、80%，以此计算采掘工作面降温需冷量[5]，冷量损失按总需冷量 20% 考虑，降温系统需冷量如表 3所列。

表3 降温系统需冷量Tab.3 Cooling capacity of cooling system kW

3.2 主要设备选型

根据表 3 计算结果，对制冷装置和空冷器进行选型，如表 4 所列。选择 2 套 ZLS-3300 制冷装置，总制冷量为 6 600 kW，较表 3 计算的总需冷量 6 270 kW有 5% 的富余量，选型满足要求。

3.3 降温系统工艺设计

霄云煤矿井下集中制冷降温系统工艺由冷却水循环系统、冷冻水循环系统和补水系统构成。降温系统工艺如图 1 所示。

冷却水循环系统由冷却水循环泵、冷凝器、冷却塔、冷却水池等构成。地面冷却水循环泵将水池中的水通过冷却水供水管路送往井下制冷装置冷凝器，进水温度约为 32 ℃，在冷凝器中吸热后，出水温度约为 40 ℃，经冷却水回水管路进入地面冷却塔，降温后回到冷却水池。

表4 制冷装置和空冷器选型Tab.4 Model selection of refrigeration device and air cooler

图1 井下集中制冷降温系统工艺流程Fig.1 Process f low of centralized cooling system in underground mine

冷冻水循环系统由蒸发器、空冷器、冷冻水循环泵等构成。从制冷装置蒸发器出来的约 3 ℃ 的冷冻水经冷冻水供水管路送往采掘工作面空冷器，与风流进行对流换热后，冷冻水温度升高至 15 ℃ 左右，再经冷冻水回水管路返回制冷装置蒸发器，蒸发器进水温度升高至 18 ℃ 左右。

补水系统分为地面补水系统和井下补水系统。地面补水系统补水源来自工业用水，通过软化水装置软化处理后，进入冷却水池，补水量为井下补水系统采用定压自动补水原理，在冷却水回水管路和冷冻水供水管路之间安装减压阀组、补水箱和补水泵。由冷却水回水管路取补水点，高压冷却水经减压阀组减压后压力降至 0.6 MPa，低压水进入补水箱，再通过补水泵补入冷冻水供水管路中，根据冷冻水供水管路压力变化，实现定压自动补水。

4 降温效果分析

1308 采煤工作面在轨道顺槽安装 4 台空冷器，相邻 2 台空冷器间距 200 m，离工作面最近的空冷器距进风口 200 m，如图 2 所示。

图2 1308 采煤工作面测点布置Fig.2 Arrangement of testing points on coal-mining face 1308

图3 1308 采煤工作面降温效果Fig.3 Cooling effects of coal-mining face1308

图4 1308 采煤工作面降湿效果Fig.4 Dehumidif ication effects of coal-mining face1308

1308 采煤工作面降温前后降温效果如图 3 所示，降湿效果如图 4 所示。空冷器入风口风流干球温度为 30.5 ℃，经过 4 台空冷器阶梯式冷却，干球温度降低至 16.8 ℃，降温幅度为 13.7 ℃。风流经风筒送至 1308 采煤工作面，风筒出风口干球相对湿度为70%，温度升高至 17.4 ℃；风流从风筒向外射出，至1308 采煤工作面入风口干球相对湿度为 74%，温度升高至 22.5 ℃，回风口干球相对湿度为 78%，温度升高至 27.3 ℃；风流达到工作面回风口 100 m 时，干球相对湿度为 88%，温度达到 29.5 ℃，工作面段基本上处于人体舒适的环境中。

5 结语

ZLS-3300 矿用隔爆型制冷装置适用于大采深矿井的井下集中降温。使用该设备进行高温热害防治，具有制冷量大、承压高、结构紧凑的特点。霄云煤矿井下集中制冷降温系统以 1308 工作面为例设计和配置降温设备。方案实施后，整个工作面工作区处于人体舒适的环境中，降温效果明显，超温问题得到有效解决，实现了回风口干球温度不超过 28 ℃，相对湿度不超过 80% 的目标。