李繼良 陳 軍 杜昌昂

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 濟(jì)寧 273500 2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，礦井地?zé)岷驮O(shè)備散發(fā)的熱量增加，礦井下高溫環(huán)境會(huì)對(duì)煤礦的安全開(kāi)采造成影響，礦井熱害最終將成為制約開(kāi)采深度的決定性因素[1-3]。針對(duì)礦井熱害問(wèn)題，一些學(xué)者認(rèn)為礦井的降溫技術(shù)和礦用設(shè)備的發(fā)展水平將會(huì)決定未來(lái)煤礦的開(kāi)采深度[4-6]。東灘煤礦地面氣溫對(duì)井下氣溫變化影響顯著，因此，為解決礦井熱害問(wèn)題采用全風(fēng)量降溫系統(tǒng)。

1 空氣換熱器進(jìn)風(fēng)參數(shù)變化對(duì)運(yùn)行效果的影響

1.1 全風(fēng)量降溫系統(tǒng)空氣換熱器選型

空氣換熱器按照有無(wú)動(dòng)力可分為兩類(lèi)。有動(dòng)力換熱器相對(duì)來(lái)說(shuō)換熱量比較穩(wěn)定，但風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音會(huì)對(duì)井口安全造成影響，同時(shí)風(fēng)機(jī)需具備防爆的功能。而無(wú)動(dòng)力換熱器則可以解決上述問(wèn)題，但是是否可用仍需要進(jìn)一步研究。（1）由于東灘煤礦采用抽出式通風(fēng)，副井口會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，所以，礦井通風(fēng)機(jī)提供的通風(fēng)動(dòng)力可以被換熱器利用。（2）由于副井口會(huì)承擔(dān)行人運(yùn)料任務(wù)，如果漏風(fēng)嚴(yán)重，通風(fēng)降溫的效果會(huì)受到影響，在使用無(wú)動(dòng)力換熱器時(shí)要解決好副井口的密閉問(wèn)題。（3）為了減小對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的影響，選擇通風(fēng)阻力較小的換熱器。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)可行性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)副井口房采用無(wú)動(dòng)力換熱器。系統(tǒng)冷負(fù)荷為10360kW。根據(jù)井口房實(shí)際情況和斷面尺寸，共設(shè)計(jì)30臺(tái)空氣換熱器，單臺(tái)換熱器的制冷量為600kW，總制冷能力18000kW，風(fēng)量800m3/min，風(fēng)阻力＜ 50Pa，可以實(shí)現(xiàn)空氣熱濕處理的目的?？諝鈸Q熱器安裝于井口房?jī)蓚?cè)，副井口房空氣換熱器布置示意圖如圖1所示。

1.2 空氣換熱器進(jìn)風(fēng)參數(shù)變化對(duì)運(yùn)行效果的影響

空氣換熱器進(jìn)風(fēng)參數(shù)的變化，會(huì)對(duì)降溫系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5種進(jìn)風(fēng)工況（進(jìn)風(fēng)干球溫度分別為35℃、32℃、27℃、24℃、20℃，相對(duì)濕度60%），換熱器表面風(fēng)速分別為1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s，多個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，分析空氣換熱器進(jìn)風(fēng)參數(shù)變化對(duì)運(yùn)行效果的影響。

圖1 副井口房空氣換熱器布置示意圖

1.2.1 空氣換熱器表面風(fēng)速的變化對(duì)運(yùn)行效果的影響

通過(guò)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量改變進(jìn)入空氣換熱器空氣流量，使其表面風(fēng)速1.0～3.0m/s，在進(jìn)風(fēng)空氣溫度為35℃、相對(duì)濕度為60%的情況下，分析了表面風(fēng)速的變化對(duì)出風(fēng)參數(shù)的影響。分析結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 空氣換熱器表面風(fēng)速的變化對(duì)出風(fēng)參數(shù)的影響

圖2 空氣換熱器表面風(fēng)速變化對(duì)出風(fēng)參數(shù)的影響

從圖2中可以看出，空氣換熱器表面風(fēng)增大時(shí)，其出風(fēng)參數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，但上升的幅度逐漸變小?？諝鈧?cè)壓降呈直線上升趨勢(shì)，當(dāng)表面風(fēng)速超過(guò)2.0m/s時(shí)，上升幅度逐漸增大。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要控制換熱器的風(fēng)阻，必須控制換熱器的表面風(fēng)速。東灘煤礦設(shè)計(jì)要求空氣側(cè)壓降小于50Pa，則換熱器表面風(fēng)速需小于1.5m/s，設(shè)計(jì)要求出風(fēng)溫度小于16℃，則換熱器表面風(fēng)速需小于1.3m/s，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，副井口換熱器表面最佳風(fēng)速1.0～1.2m/s。

1.2.2 進(jìn)風(fēng)空氣溫度的變化對(duì)運(yùn)行效果的影響

空氣換熱器進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)參數(shù)的變化也將影響其換熱性能。在不同的試驗(yàn)工況下，分析了空氣換熱器進(jìn)風(fēng)空氣溫度對(duì)運(yùn)行效果的影響，結(jié)果如圖3、圖4所示。分析測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

換熱器風(fēng)阻受溫度影響較小；換熱器表面風(fēng)速增加，其出風(fēng)溫度上升；空氣換熱量與進(jìn)風(fēng)空氣溫度成正比關(guān)系，換熱量也隨著換熱器表面風(fēng)速的增大而增大；當(dāng)表面風(fēng)速上升時(shí)，換熱器的風(fēng)阻也隨之增大。

圖3 換熱器風(fēng)阻與換熱量隨進(jìn)風(fēng)空氣溫度的變化曲線

圖4 出風(fēng)干球溫度隨進(jìn)風(fēng)空氣溫度的變化曲線

2 井口房漏風(fēng)對(duì)運(yùn)行效果的影響分析

2.1 理論分析

空氣冷卻器冷卻空氣時(shí)，井口構(gòu)筑物是主要通道，構(gòu)筑物兩側(cè)的風(fēng)門(mén)有一定的漏風(fēng)，經(jīng)過(guò)空氣換熱器處理后的空氣和通過(guò)風(fēng)門(mén)和井架的漏風(fēng)相混合后空氣的狀態(tài)參數(shù)能否滿足礦井進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的要求，需要經(jīng)過(guò)理論分析。

副井總風(fēng)量為20000m3/min，假設(shè)漏風(fēng)量為2000m3/min，18000m3/min的風(fēng)量進(jìn)入換熱器送風(fēng)口，經(jīng)過(guò)空氣換熱器處理后的空氣（狀態(tài)1：18℃，90%）與漏風(fēng)進(jìn)入的空氣（狀態(tài)2：34.1℃，60%）混合后的空氣狀態(tài)可通過(guò)焓濕圖計(jì)算。從焓濕圖上可以讀出該點(diǎn)的空氣狀態(tài)參數(shù)為：

干球溫度=21.41℃，相對(duì)濕度=95.13%，焓=61.02kJ/kg。通過(guò)計(jì)算混合空氣狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)，空氣的干球溫度上升了3.4℃，可見(jiàn)漏風(fēng)對(duì)礦井降溫產(chǎn)生一定的影響，控制漏風(fēng)是確保系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵技術(shù)。漏風(fēng)率需要控制在10%以下。

2.2 數(shù)值模擬分析

按照東灘副井口構(gòu)筑物實(shí)際情況建模，對(duì)夏季的工況進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

副井構(gòu)筑物墻體側(cè)面共布置30個(gè)空氣換熱器，風(fēng)量18000m3/min，總冷量為18000kW。

夏季井口空氣換熱器全部開(kāi)啟，進(jìn)入每臺(tái)空氣換熱器的送風(fēng)量為600m3/min，送風(fēng)溫度為16℃，漏入井口的風(fēng)量為2000m3/min，溫度為35℃。夏季工況模擬結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)分析以上模擬結(jié)果，夏季經(jīng)過(guò)處理后空氣（18000m3/min）與室外空氣（2000m3/min）相混合，得到混風(fēng)溫度為21℃，空氣溫度上升了3℃?？梢?jiàn)漏風(fēng)對(duì)礦井降溫產(chǎn)生一定的影響，控制漏風(fēng)是確保系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵技術(shù)，漏風(fēng)率需要控制在10%以下。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)東灘煤礦全風(fēng)量降溫系統(tǒng)運(yùn)行效果影響因素分析，得出如下結(jié)論：

全風(fēng)量降溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要控制換熱器的風(fēng)阻，必須控制換熱器的表面風(fēng)速。根據(jù)東灘礦設(shè)計(jì)要求空氣側(cè)壓降小于50Pa，設(shè)計(jì)要求出風(fēng)溫度小于16℃，即在進(jìn)風(fēng)溫度為35℃的情況下，副井口換熱器表面最佳風(fēng)速1.0～1.2m/s，此時(shí)全降溫系統(tǒng)運(yùn)行良好。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果可知，漏風(fēng)對(duì)礦井降溫產(chǎn)生一定的影響，控制漏風(fēng)是確保系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵技術(shù)。為保證全風(fēng)量降溫系統(tǒng)有效運(yùn)行，漏風(fēng)率需要控制在10%以下。

圖5 夏季工況模擬圖