张安山徐召栋李新欣

（1. 临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿，山东 郓城 274700；2. 山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250032；3.山东矿通信息科技有限公司，山东 济南 250031）

郭屯煤矿为立井单水平上下山开拓，现生产水平-808 m，矿井主采的3 煤层全部处于一或二级高温区，且大部分处于二级高温区，井下高温、高湿、热害问题严重威胁着井下职工的身体健康和矿井的安全生产。目前郭屯煤矿井下输冷管路复杂，制冷设计的附属设备与匹配方案较多，采掘工作面温度变化与风量、制冷调节难以融合联动。所以开展矿井智能降温及冷冻水自动控制是极有必要的。

1 智能降温及冷冻水自动控制技术的研究意义

为治理矿井热害，改善矿井湿热环境，矿井一般采用井下集中制冷系统、井口降温系统、优化通风制冷系统、井下洒水治理等措施，改善井下作业环境。通过多措并举的进行高温热害治理，采掘作业地点温度可降至24～28 ℃，但部分矿井存在制冷系统运行效果差、能耗高现象。本研究旨在开展采掘作业面局部通风机与空冷器联合运转能耗优化，分析制冷降温系统冷量损失的原因，有针对性地制定调整或改造技术方案，更好地对矿井高地温热害进行防治，同时为矿井制冷降温系统的高效、稳定、可靠运行提供技术保证，更大程度地提高煤矿现有制冷系统的供冷效率，进而降低系统运行能耗[1-5]。

2 智能降温及冷冻水自动控制技术难点及创新点

2.1 主要技术难点

（1）目前煤矿井下输冷管路复杂，精确地进行管路水力平衡是本项目第一个难点。

（2）当前制冷设计的附属设备与匹配方案较多，如何选择最为有效的控制方案，这是本项目第二个难点。

（3）实现采掘工作面温度变化与风量、制冷调节相融合，是本项目第三个难点。

2.2 主要创新点

（1）矿井输冷系统最佳输冷参数确定的研究；建立表冷器物理模型，结合井下现场实际环境条件对仿真模型进行验证，确保所建立模型的科学性和准确性。

（2）矿井动态耗冷量与制冷机组制冷量的动态匹配及智能控制的研究。

（3）应用理论分析和CFD 模拟技术，确定空冷器在矿井实际安装位置的研究。

（4）制冷机组的制冷量与矿井动态需冷量匹配的智能调节研究。

2.3 项目实施目标

（1）保证工作面等井下用冷地点的气温满足《煤矿安全规程》及《煤矿井下热害防治设计规范》的相关要求。

（2）指出现矿井制冷降温系统各环节的耗能，并提出节能改造方案和措施，降低现矿井降温系统的能耗。

（3）掘进工作面制冷降温系统与局部通风机变频控制相结合。

（4）根据采掘工作面温度变化，对空冷器制冷效果进行调配，当温度升高时，自动增加制冷量，温度降低时，减少制冷量。

3 智能降温及冷冻水自动控制技术主要研究内容

经过深入现场调研，根据矿井二采区实际生产作业情况，主要从以下几个方面开展研究工作：

（1）对现有制冷系统工况测试、诊断与分析。冷冻水输送干管与支管冷量损失的测试、保温材料保温性能的测试与分析、供冷系统管路水力平衡的计算与分析。

（2）进行空冷器工况优化方案研究。掘进工作面空冷器热环境分析、采煤工作面空冷器安设位置的确定、空冷器最佳安设位置的理论确定和CFD数值模拟。

（3）开展通风制冷系统控制方案研究。根据采掘工作面温度变化，对空冷器制冷效果进行调配，当温度升高时，自动增加制冷量，温度降低时，减少制冷量，达到节约降耗的目的。实现空冷器供冷量与耗冷地点动态需冷量的实时自动匹配，防止冷量不足引起用冷地点温度升高或冷量供应过多而引起冷量的浪费，需对空冷器的控制方案进行研究。针对掘进工作面控制局部通风机风量，实现智能调节。

影响空冷器制冷量的参数有：冷水的水量、水温、风量；影响工作面或掘进面热环境的参数为：到达工作面（掘进工作面）的有效冷量、风速、工作面的温度、湿度。为了保证空冷器制冷量中到达用冷地点部分的有效冷量，因此选择工作面的温度作为空冷器控制参数，根据工作面温度的高低和空冷器冷水水温的变化控制空冷器的水量。其控制分站的安装位置如图1，控制与检测原理如图2。

图1 风机控制分站及传感器安装位置

图2 风机控制与检测原理示意图

（4）掘进工作面制冷降温系统与局部通风机变频控制相结合，利用局部通风机变频与高温热害治理结合，通风距离增加，单轨吊通过时，增加掘进工作面风量，提高巷道风速，降低环境温度。

（5）进行制冷系统的能效分析与优化研究，对制冷系统诊断与测试及制冷系统的优化研究。

制冷机组制冷系数COP 的提高受制冷机组各运行参数的影响，对于该矿多台制冷机组，制冷机组的型号用途各不相同，并且制冷量的大小应与井下需冷量匹配。因此制冷站的优化和最高制冷系数的实现应考虑以下几个因素：① 两预冷机组之间预冷能力的匹配；② 预冷水水温与制冷能力的匹配；③预冷水用水量的最佳比例；④ 风量与冷量的最佳参数组合；⑤ 各机组之间的优化运行组合与控制，实现制冷量与矿井需冷量的动态实时匹配，并实现机组辅助设备（冷却塔）等随地面气象参数变化的自动控制和运行。其控制系统示意图如图3。

图3 制冷降温系统示意图

4 项目实施过程

该项目通过对现矿井降温系统的测试分析，来查找原因提出方案并解决问题，该降温系统沿冷媒流动方向测试顺序为：各降温分区系统测试→空冷器制冷量测试及分析→确定系统能耗主要环节→诊断原因→提出节能措施与方案。

本项目技术路线与工艺流程如图4，项目具体实施进度见表1。

图4 技术路线与工艺流程图

表1 项目具体实施进度表

5 实际应用效果

临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿位于菏泽市郓城县城南，矿井设主、副、风三个井筒，立井单水平上下山开拓，生产水平-808 m，井口标高为+45 m，中央并列抽出式通风。矿井主采3 煤层，煤种为1/3 焦、气煤，现开采的3 煤层全部处于一或二级高温区，且大部分处于二级高温区，通过智能降温及冷冻水自动控制技术在矿井的研究与实际应用，达到了以下效果：

（1）通过对制冷方案的优化，使2305 采煤工作面作业地点干球温度整体较现状降低3～5 ℃，通风机械装机容量只减不增，降低通风制冷设备能耗5%以上。

（2）通过提高通风制冷机组的效率，提高作业人员热舒适度，从而提高作业效率，煤炭增产6万t，创收6000 余万元。

（3）杜绝由热害导致的安全隐患。

通过项目的现场实施，直接经济效益、间接经济效益和社会效益十分显著，在类似矿井制冷降温方面有较大的推广价值。

6 结论

通过在郭屯煤矿开展智能降温及冷冻水自动控制技术研究与应用，对制冷系统、空冷器运行工况进行优化，提出合理有效的通风制冷系统控制方案。经由上述的多项研究方法，明显降低了矿井井下环境温度，改善了矿井下的作业环境条件，对保障井下职工身体健康和矿井安全生产有较大的促进作用，可在其他有高温热害的矿井进行推广。