摘要：针对长城窝堡煤矿井下热害现状及地面工广用热现状，结合目前国内矿井降温技术及应用现状，分析了适宜于本矿井的降温系统形式，论证了制冷机组及高低压耦合方式的选型及确定，并介绍了降温系统中的余热资源及其利用工艺系统布置。
关键词：矿井热害；集中制冷； 矿井降温；余热利用
abstract: according to the the great wall nest fort coal mine underground thermal harm situation and ground workers wide hot situation, combined with the current domestic mine cooling technology and its application status quo, analysis suitable for the mine cooling system, proved the refrigerating unit and the high voltage coupling mode selection and identification, and introduces the cooling system of the waste heat resources and its utilization process system layout.
key words: mine heat damage; centralized refrigeration; mine cooling; utilization of waste heat
中图分类号：td217文献标识码：a文章编号：2095-2104（2012）
1项目简介
辽宁铁法煤业集团有限责任公司长城窝堡矿井位于康平县张强镇境内，距离县城约35公里，现已探明其工业储量2亿吨。该项目于2006年5月通过国家发改委核准，计划总投资20亿元，项目建成投产后，年生产能力可达300万吨。本项目是根据长城窝堡煤矿井下热害现状和地面用热现状，并结合目前井下降温系统实施的情况，提出的矿井降温及余热利用技术方案。项目主要是由矿井降温和余热利用两部分所组成。
2矿井热害现状
根据长城窝堡煤矿初步设计中矿井地温梯度及恒温带数据，回采面上下口高程处，地温梯度为3.52～3.27℃/100m，属地温异常区（大于3℃/100m为异常）。
地温预测：按垂直深度计算，井底约为31.7℃，回采工作面上口31.1℃，下口34.7℃，掘进工作面输送机巷29℃，轨道大巷31.7℃，顺槽38.3℃。预计回采面进口空气温度为29.3℃，回采面出口温度为33.3℃。
根据长城窝堡煤矿初步设计及现场调研，开采深度在-1100水平至-1300水平，围岩温度平均为42-47℃。冷负荷计算按照夏季最热工况为计算依据。
3工广用热现状
冬季工业广场建筑供暖、井口防冻和全年职工洗浴、工作服烘干等供暖供热由锅炉房供应。锅炉房现有20t/h的热水锅炉2台，10t/h的蒸汽锅炉1台，总锅炉吨位50t/h。冬天供暖季3台锅炉全开，非供暖季运行1台10t/h锅炉。
根据长城窝堡煤矿初步设计，主、副井井塔、井棚及空气加热室采暖热媒为0.3mpa饱和蒸汽；地面生产系统厂房和辅助生产系统建筑物采暖热媒为110－70℃高温水。
工广采暖系统的散热设备均为钢管柱型散热器。
投产后职工洗浴人数1500人/天。主、井副井总进风量达到7000 m3/min。
工业场地内建筑物采暖总热负荷为 10155kw,其中蒸汽采暖热负荷为 1329kw,高温水采暖热负荷为8826kw。
4矿井降温方案
4.1井下热负荷
根据长城窝堡矿井的井下热害现状及相关数据，经计算，单个掘进工作面制冷负荷为756 kw，单个回采工作面制冷负荷为5563kw。
根据矿井规划，深部采区最大开采工作面1个，掘进迎头6个，总的降温需冷负荷为(756×6+5563）=10100kw。
4.2矿井降温系统形式
对于本矿井的热害治理，由于矿井开采深度大，超温工作面数目多，分布较广，需冷量大，宜优先采用集中式机械制冷降温方式。
4.2.1集中式机械制冷降温系统的确定
集中式制冷降温系统，按制冷机的布置和组合方式不同，主要分为两种：地面集中式制冷降温系统与井下集中式制冷降温系统。
其基本原理都是利用制冷机组制备低温冷冻水，在井下利用冷冻水作为冷媒输送至采、掘工作面实现降温除湿之目的。
结合国内矿井降温技术现状及应用情况，特别是考虑到长城窝堡煤矿井下实际岩性条件及软岩支护等问题，本矿井宜优先考虑地面集中式制冷降温系统。
地面集中式制冷降温系统按照高压一、二次侧载冷介质的不同，可分为冷水降温系统和制冰降温系统两种。
冰制冷系统：制冰降温系统目前在国内矿井降温中也有应用，其系统流程为：电制冰机→制冰→输送冰（井筒管路须保温）→井下融冰硐室融冰→末端制冷。
但冰制冷系统存在能耗较大、制冰机组cop值较低、系统制冷效率较低的缺点，且冰输送到井下还需要加水溶解且水消耗量较大，冷量损失较大，造成冷水供水温度较高，降温效果差。此外，由于冰水混合物的粘滞系数较大，容易造成输冰管道的堵塞，并且一旦堵塞较难疏通。故一般不推荐冰制冷，推荐采用地面集中式冷水系统。
冷水系统：冷水系统与制冰系统相比少了两个中间环节，根据能量守恒，从初始的原水到终态的冷水这一过程，减少了中间冷损，其制冷效率必然要高。其系统流程如下图：
4.2.2制冷机组的确定
从系统的设备投资及技术可靠性方面，其核心主要集中在两点：地面制冷机组和井上下的高低压耦合方式。
地面制冷机组：目前在国内有较为成熟应用的均为合资品牌，性能可靠、性价比较高且成功案例较多，其最低出水温度可达到2.5℃，最大供回水温度可实现18/2.5℃。
为进一步降低出水温度，提高制冷效果，可使用乙二醇溶液为载冷剂。两种载冷剂制冷机组比较如下：
通过以上比较，冷水机组虽然降温效率相对稍差，但可通过加大高低压换热器面积和末端空冷器面积来弥补。与乙二醇机组相比，系统运行成本低，安全性高，平时维护方便，更利于实施。
长城窝堡煤矿井下降温需冷负荷为10100kw，系统冷损失1700kw，所需总的需冷量为11800kw，考虑1000kw冷负荷余量，选用离心式冷水机组4台，单台制冷量3200 kw，总制冷量为12800kw。
4.2.3高低压耦合方式的确定
地面集中冷水系统另一重要的环节是井下压力耦合方式。
目前的解决方案主要有：三腔冷媒分配器方式和高低压换热器（管壳式）方式两种。
三腔冷媒分配器：德国西玛格公司的专利产品，该产品通过阀门的开、关，巧妙地将一次供冷循环的高压供水转换为低压，直接送入井下二次供冷循环，同时又将井下二次供冷循环高温回水升压，返回地面一次供冷循环。整个转换过程的温升仅为0.5℃。
高低压换热器：为间接热交换方式，是传统的压力耦合方式，它是通过间接交换的方式将一次供冷循环的冷量传递给井下二次供冷循环的冷水，并将二次供冷循环冷水的热量传递至一次供冷循环。整个转换过程的温升约为3～4℃。