曹秀玲,張 毅,郭東明,楊 清,田 景,宋衍昊

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,河北石家莊 050031)

礦業(yè)縱橫

礦井涌水在深井HEMS降溫技術(shù)中的應(yīng)用研究

曹秀玲1,2,3,張 毅1,2,郭東明1,2,楊 清1,2,田 景1,2,宋衍昊2

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,河北石家莊 050031)

礦井涌水是一種在礦井開(kāi)挖過(guò)程中從巖層中涌出的地下水。以往對(duì)礦井涌水的利用僅限于對(duì)水源本身的使用,深井HEMS降溫系統(tǒng)首次將礦井涌水作為其系統(tǒng)的冷源使用。本文以?shī)A河礦和三河尖礦為例,闡述在深井HEMS降溫系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中礦井涌水的冷卻問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用表明,高差循環(huán)降溫技術(shù)和水平循環(huán)降溫技術(shù)均可將作為冷源的礦井涌水水溫控制在25～30℃,保證了深井HEMS降溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

礦井涌水;深井;HEMS降溫系統(tǒng);高差循環(huán);水平循環(huán)

Abstract:Mine water is a kind of ground water which gushes from the rocks during excavation.In the past,mine water is limited to the use of water sources itself.HEMS cooling system uses mine water as its cold sources for the first time.Taking Jiahe coal mine and Sanhejian coal mine as examples in this paper, the cooling of mine water is illustrated during the running of HEMS cooling system in deep mine.Practical appalication shows that the temperature of mine water which is used as cold sources could be controlled in 25～30℃,with the help of the technology of circulating by difference in level of mine water and the technology of circulating horizontally of mine water.It guarantees the normal operation of HEMS cooling system in deep mine.

Key words:mine water;deep mine;HEMS cooling system;circulating by difference in level;circulating horizontally

礦井涌水是一種在礦井開(kāi)挖過(guò)程中從巖層中涌出的地下水。[1]一般采用在井下設(shè)置水倉(cāng)的方法將不同水平的礦井涌水收集起來(lái),再通過(guò)泵站將其抽到地表,最初采取直接作為廢水排掉的方式,后來(lái)加以資源化利用,對(duì)其進(jìn)行水處理后,作為工農(nóng)業(yè)用水。[2]

1 礦井涌水的用途

我國(guó)是一個(gè)水資源較少的國(guó)家,人均占有水量?jī)H為世界人均占有量的1/4,世界排序第80位。[1]煤炭工業(yè)要發(fā)展,礦井水要排放,工農(nóng)業(yè)的發(fā)展又需要大量的水資源,如何解決排放水和缺水的矛盾,出路就在于使礦井水資源化,把礦坑廢水變成有用的水資源。從另一方面講,充分利用礦井水對(duì)提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益、減輕環(huán)境污染,提高環(huán)境質(zhì)量也有重要意義。[3]

結(jié)合礦井涌水的排、供、生態(tài)環(huán)保發(fā)展歷史,可分為以下三個(gè)階段[4]:

第一階段:礦井涌水粗放型利用,即利用礦井本身的排水和遺留下的報(bào)廢礦井水,作為礦山的供水和農(nóng)業(yè)灌溉水源。第二階段:礦井排水與廢水處理與應(yīng)用。除灌溉農(nóng)業(yè)外,還著手處理凈化解決人畜飲用水,既避免了水資源的白白浪費(fèi),又解決群眾吃水難及灌溉難的問(wèn)題,變水為寶,可謂一舉兩得。第三階段:用水與治水相結(jié)合,降低了巖溶地下水水位與水量。根據(jù)多年用水和治水的經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步充分利用礦井涌水,并隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,創(chuàng)造多渠道既用水又治水的途徑。用水與治水相結(jié)合,既有利于礦井涌水疏放降壓,又為礦井涌水開(kāi)辟新用途,并達(dá)到排供結(jié)合,有利于環(huán)保的要求。

2 深井HEMS降溫技術(shù)的原理

深井HEMS技術(shù)[5]是在礦井涌水排出地表前,從中提取冷能,并運(yùn)用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用,降低工作面的環(huán)境溫度及濕度;同時(shí)將置換出來(lái)的熱能作為地面供熱及洗浴的熱源,形成井下降溫采熱、井上用熱的循環(huán)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。

深井HEMS降溫系統(tǒng)[6]的工作原理是利用礦井各水平現(xiàn)有涌水,通過(guò)制冷工作站(HEMS-I)從中提取冷量,之后將冷量通過(guò)上循環(huán)系統(tǒng)和下循環(huán)系統(tǒng)輸送至降溫工作站(HEMS-II),采取氣液換熱的方式,將冷風(fēng)供給工作面,與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用,降低工作面環(huán)境溫度及濕度,同時(shí)將置換出的熱量作為地面建筑供暖、井口防凍及洗浴供熱的熱源。其工作原理如圖1所示。

圖1 深井HEMS降溫技術(shù)原理

深井HEMS降溫系統(tǒng)是一種以礦井涌水為冷源的深井降溫系統(tǒng),其首次提出利用礦井涌水作為深井降溫系統(tǒng)的冷源。[7,8]但深井HEMS降溫系統(tǒng)要達(dá)到最終的降溫目的,關(guān)鍵在于礦井涌水是否能為制冷工作站(HEMS-I)源源不斷地提供冷量,以保證可以有充足的冷量輸送至降溫工作站(HEMS-II)。因此礦井涌水的冷卻是此系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

下面以?shī)A河礦的高差循環(huán)降溫技術(shù)和三河尖礦的水平循環(huán)降溫技術(shù)為例來(lái)闡述在深井HEMS降溫系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中礦井涌水的冷卻問(wèn)題。

3 高差循環(huán)冷源降溫技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

隨著礦井開(kāi)采不斷向深部延伸,高溫?zé)岷σ苍絹?lái)越嚴(yán)重,當(dāng)冷負(fù)荷需求很大時(shí),要求必須具備足夠的冷源,而礦井涌水的水量畢竟是有限的,往往很難滿足要求。針對(duì)以上情況,提出了高差循環(huán)冷源降溫技術(shù)(見(jiàn)圖2),即,將冷卻水回水經(jīng)由管路和水溝排至礦井淺部巷道(一水平),利用礦井淺部巷道較低的環(huán)境溫度,使得冷卻水回水與巷道內(nèi)的空氣及巖壁進(jìn)行充分的熱交換,降低冷卻水回水溫度,達(dá)到冷卻的目的,冷卻后再排至冷卻水儲(chǔ)水倉(cāng),從而形成不同水平間高差循環(huán)冷卻。

該技術(shù)利用礦井淺部環(huán)境溫度低、風(fēng)量大的特點(diǎn),通過(guò)不同水平間所形成的高差循環(huán),冷卻HEMS-I機(jī)組的冷卻水回水,操作簡(jiǎn)單。

圖2 高差循環(huán)冷源降溫技術(shù)原理

3.2 工程實(shí)例

目前,夾河礦井各水平涌水情況是,-280水平涌水量為40m3/h,水溫25℃;-450水平涌水量為15m3/h,水溫25℃;-600水平涌水量為50m3/h,水溫24℃;-800水平涌水量為30m3/h,水溫29℃。上述四個(gè)水平總涌水量為135m3/h。如果考慮-280水平距離制冷站較遠(yuǎn),不考慮利用該水源,這樣其余三個(gè)水平合計(jì)涌水量為95m3/h。另外,-80水平有較小的涌水量,但水溫低,水質(zhì)好,可作為冷卻補(bǔ)充水源加以利用,增強(qiáng)系統(tǒng)的冷卻效果。

考慮到-600水平涌水量為50m3/h(占總涌水量的37%),以及-600水平西一儲(chǔ)水倉(cāng)的儲(chǔ)水量及其位置,將-450水平和-800水平的涌水引入該儲(chǔ)水倉(cāng),如涌水量不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求,則將HEMS-I冷卻水回水經(jīng)由中央水倉(cāng)用泵排至-280水倉(cāng),冷卻后再用泵將水排至-600西一儲(chǔ)水倉(cāng),使得冷卻水循環(huán)利用,滿足HEMS-I機(jī)組冷卻水水量需求-80水源的水溫低,水質(zhì)好,要充分利用起來(lái),排到-280水倉(cāng),可以改善水質(zhì),增強(qiáng)冷卻效果。

4 水平循環(huán)冷源降溫技術(shù)

(1)技術(shù)原理

該技術(shù)是利用與冷卻水儲(chǔ)水倉(cāng)在同一水平的閑置巷道作為冷卻水倉(cāng),冷卻水回水在水平大巷中經(jīng)過(guò)一定距離的管路排至冷卻水倉(cāng)內(nèi),通過(guò)與巷道空氣及巖壁的熱交換來(lái)達(dá)到冷卻目的,冷卻后的水源作為降溫系統(tǒng)的冷源,進(jìn)行能量的提取、冷量的輸送以及對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的冷卻,完成工作面降溫。技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 水平循環(huán)冷源降溫技術(shù)原理

該技術(shù)的特點(diǎn)是冷卻水在同一個(gè)水平循環(huán)冷卻,所需的循環(huán)動(dòng)力小,耗電低,但當(dāng)同一水平的環(huán)境溫度較高時(shí),對(duì)冷卻效果會(huì)有很顯著的影響,可以根據(jù)冷量需求及冷卻水水量大小,采取合理的增強(qiáng)冷卻措施。

(2)工程實(shí)例

目前,三河尖礦可利用的冷源資源僅為60m3/h的礦井涌水,無(wú)法滿足工作面冷負(fù)荷需要,經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)考察和討論,綜合考慮三河尖礦水源條件、冷負(fù)荷量及其礦井實(shí)際條件,冷源通過(guò)冷卻水循環(huán)方式獲得,HEMS-I機(jī)組出來(lái)的38℃水經(jīng)回風(fēng)巷噴淋及-700水平屯頭系大巷自流冷卻作為主要冷源,流量為600m3/h。另外礦井涌水中有60m3/h水源可以利用,將可利用的礦井涌水與循環(huán)冷卻水混合作為冷卻水水源。

水源供水的操作要求:井下-700水平循環(huán)冷卻水作為冷源,適當(dāng)摻混其他低溫水源。

5 結(jié)論

(1)深井HEMS降溫系統(tǒng)所利用的冷源是礦井涌水,充分利用地層能,保證了資源的可持續(xù)利用和發(fā)展,整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)行閉路循環(huán),無(wú)污染,最大程度地減少了廢氣廢物的排放,有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境,具有顯著的社會(huì)效益。

(2)夾河礦利用在不同水平(-80、-280、-600、-800水平)水倉(cāng)之間的高差循環(huán)來(lái)冷卻礦井涌水,送入HEMS-I工作站的礦井涌水水溫始終保持在25℃～30℃,為深井HEMS降溫系統(tǒng)提供了充足的冷源,實(shí)際降溫工程表明,高差循環(huán)冷源降溫技術(shù)可以解決礦井涌水冷源的冷卻問(wèn)題,為深井高溫工作面提供源源不斷的冷量,保證了深井HEMS降溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(3)三河尖礦利用在同一水平(-700水平)的回風(fēng)巷噴淋及屯頭系大巷自流來(lái)冷卻礦井涌水,送入HEMS-I工作站的礦井涌水水溫始終保持在25℃～30℃,為深井HEMS降溫系統(tǒng)提供了充足的冷源,實(shí)際降溫工程表明,水平循環(huán)冷源降溫技術(shù)可以解決礦井涌水冷源的冷卻問(wèn)題,為深井高溫工作面提供源源不斷的冷量,保證了深井HEMS降溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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Utilization and research on mine water in HEMS cooling technology in deep mine

CAO Xiu-ling1,2,3,ZHANG Yi1,2,GUO Dong-ming1,2,YANG Qing1,2,TIAN Jing1,2,SONG Yan-hao2
(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;
2.School of Mechanics&Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;
3.Shijiazhuang University of Economics,Shijiazhuang 050031,China)

TD727+.2

A

1004-4051(2010)02-0104-03

2009-09-17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2006 CB 202200);國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(50490270);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT0656)

曹秀玲(1964-),女,河北人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀博士研究生,石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院老師,副教授,主要從事地?zé)峁こ獭⒔Y(jié)構(gòu)工程師方面的研究工作。