嚴寒地區煤礦地面生產系統采暖方案研究

孫建榮

(國家能源集團神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000)

煤礦地面生產系統電氣設備較多，且煤塵極易燃燒，是防火的重點區域，而在北方嚴寒及酷寒地區，煤礦地面生產系統的消防水系統冬季基本都是放空(無水)狀態，主要原因是氣候寒冷，地面生產系統室內溫度不足以保證消防系統的可靠運行。因此，一旦發生火情，消防系統能否及時啟動，能否穩定運行都有很大不確定性，存在較大的火災防控隱患。地面生產系統電氣設備、采暖季存在的消防隱患正符合《2018年全國火災統計分析報告》中火災高風險特點[1，2]。

保障北方嚴寒地區煤礦消防水系統可靠運行是預防火災的有效手段，而保障消防水系統運行比較有效的措施是解決煤礦地面生產系統的采暖問題。

1 嚴寒地區煤礦地面生產系統采暖現狀

為了充分了解北方嚴寒地區煤礦地面生產系統冬季消防系統的運行情況，筆者對內蒙古錫林浩特勝利礦區XY礦、白音華礦區YH礦、霍林河NM礦等煤礦進行了調研，所調研煤礦地面生產系統冬季消防水系統全部為放空狀態，主要原因就是避免冬季消防水系統發生凍害。

1.1 輸煤系統

輸煤系統包括地面、地下、棧橋上的帶式輸送機系統，所調研煤礦輸煤系統有采取露天半封閉結構的，也有采取全封閉的輸煤廊道結構的。露天半封閉結構自然不會采暖，全封閉的輸煤廊道結構設有采暖，但采暖溫度不能全面保證，因此冬季消防水系統也處于放空狀態。

造成輸煤廊道采暖溫度不能全面保證的原因主要有：①輸煤廊道封閉狀況較差，采用保溫壓型鋼板封閉或磚混結構封閉，均存在跑風漏風的狀況，同時門窗密封效果也比較差；②采暖熱媒溫度偏低，一般為70℃/40℃；③散熱器安裝數量偏少，可能設計時對封閉效果考慮不夠全面。

1.2 篩分破碎系統

篩分破碎系統主要是指篩分破碎樓，所調研煤礦篩分破碎樓基本都是封閉的，有設計采暖的，也有不設計采暖的。其中，設計采暖的冬季采暖溫度也不能全面保證，因此冬季消防水系統也處于放空狀態。

造成篩分破碎樓采暖溫度不能全面保證的原因主要有：①受除塵進風、排風的影響，使室內熱量隨著排風流出，同時室外冷氣隨著進風流入，造成室內溫度難以保證；②與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉，導致冷空氣流入量較大；③門窗等密封效果較差；④采暖熱媒溫度偏低，一般為70℃/40℃；⑤散熱器安裝數量偏少，可能設計時對室內通風考慮不夠全面。

1.3 儲煤系統

儲煤系統主要是指圓形煤倉或條形煤倉、筒倉及其頂部的配煤間等，所調研煤礦煤倉及其配煤間基本都是封閉的，全部設計采暖。只是有采用熱風采暖的，有采用熱水采暖的，但冬季采暖溫度也都不能全面保證，因此冬季消防水系統也處于放空狀態。造成圓形煤倉或條形煤倉、筒倉及其頂部的配煤間采暖溫度不能全面保證的原因與篩分破碎系統基本一致。

2 嚴寒地區煤礦地面生產系統消防系統面臨的風險

老版《建筑設計防火規范》(GB 50016—2006)第8.4.2條第9款規定：“嚴寒和寒冷地區非采暖的廠房(倉庫)及其他建筑的室內消火栓系統，可采用干式系統，但在進水管上應設置快速啟閉裝置，管道最高處應設置自動排氣閥”[3]。新版《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974—2014)規定，“7.1.3室內環境溫度低于4℃或高于70℃的場所，宜采用干式消火栓系統”[4]。因此嚴寒地區采用干式消火栓系統是符合規范要求的。但是結合嚴寒地區地面生產系統的實際情況看，若在-20～-40℃的冬季出現火情時主消防水系統或許能發揮作用，但防火分隔水幕等小管道就不一定能發揮作用，而且從現有消防設施的配置看火災撲滅后消防水系統可能大部分會報廢，原因是滅火后管道中的水很難全部放空，管道會被凍裂，滅火時流動部分的水可能在滅火后能放空一部分，發生火情后充水但未使用部分的管道必然會被凍裂。

鑒于以上消防系統面臨的風險，研究如何保障嚴寒地區地面生產系統的采暖溫度有很重要的意義。一方面可以保證消防系統的穩定可靠運行；另一方面避免火災發生后消防系統損毀，導致后期防火設施失效；同時，還可以保證生產系統冬季可靠運行，并為生產人員創造較為舒適的工作環境。

3 嚴寒地區煤礦地面生產系統采暖方案

現場調研結果表明，半封閉輸煤棧橋的消防系統采用的是地下消火栓，其消防水管道一般敷設在冰凍線以下，消火栓井冬季采取防凍措施，一般不會出現凍害現象，因此無需考慮采暖。封閉輸煤棧橋(或廊道)、篩分破碎系統、儲煤系統等均設有室內消防水系統，造成這些建(構)筑物室內溫度不能保證的原因主要有封閉不嚴、與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉和除塵外排等引起的熱量流失，以及熱媒溫度偏低和散熱器偏少等問題。

3.1 熱量流失問題的解決方案

造成建(構)筑物室內熱量流失的主要原因是建(構)筑物自身封閉不嚴導致的冷空氣進入、熱空氣排出，與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉導致的冷空氣進入、熱空氣排出，以及除塵設備進風和排風導致的冷空氣進入、熱空氣排出。

3.1.1 封閉導致熱量流失問題的解決方案

對于全封閉的輸煤廊道、轉載站、輸送帶拉緊間、篩分破碎樓、裝車站、儲煤倉及其配煤間等建(構)筑物，采用保溫壓型鋼板封閉的，原則上不做大的改造，只是針對密封狀況較差的部位進行改造加固，確保達到密封的效果；對于采取磚混結構封閉的，對局部漏風的部位采取封堵措施；對于門窗密封效果差的，采取更換門窗或更換密封條或加裝門斗等措施，確保輸煤廊道實現全封閉不漏風。

對于與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉導致冷空氣流入的問題，一方面對棧橋入口處加裝一段封閉房間，將暴露在外的防火分隔水幕小管道放在封閉房間中，并對輸送帶入口處采取橡膠軟封閉措施，盡可能減少冷空氣的流入和熱空氣的流出；另一方面在帶式輸送機兩個入口處加裝熱風機，以阻止冷空氣流入，同時也可保證防火分隔水幕小管道不受凍害(圖1)。熱風機熱源可直接利用采暖熱水進行換熱。

圖1 輸煤系統改造方案

3.1.2 除塵導致熱量流失問題的解決方案

一是要用榜樣的力量，把優秀的家政服務人員會從臺前轉去幕后，去做輔導和幫助新的家政人員成長，或者用回家鄉創業做老板等案例，選擇性地給阿姨們介紹聽，引發她們對自己職業生涯的長遠考慮和安排。

篩分破碎樓、轉載站等建筑物內一般設有布袋除塵，有布袋除塵就會有進風與排風的問題。對于嚴寒地區，室內如果有采暖，除塵進風一定會帶進冷空氣，排風一定會帶走熱空氣，這樣就導致室內熱量的大量流失。為了有效解決熱量流失的問題，必須要建立空氣的室內循環，就是將除塵器的進風通過其排風來補充，但除塵器的排風仍存在一定的粉塵，如果向室內排風，就需要進一步對排風進行除塵，可采取在排風口再加布袋，或者進行水幕除塵，將除塵達標后的排風排到除塵器的進風樓層。也就是說如果除塵器的進風與排風在同一樓層，直接將除塵后的排風排到本樓層即可，如果除塵器的進風與排風不在同一樓層，還需將排風送到除塵器進風樓層并除塵。除塵進風、排風改造后，就要將建筑物內的通風口及門窗等局部漏風點全部進行封閉，有效解決建筑物內熱量流失的問題[5]。

3.2 采暖方案

嚴寒地區煤礦地面生產系統采暖方案的確定，主要從方案的可靠性與經濟性進行考慮，鑒于蒸汽采暖系統的熱媒溫度高，散熱器及采暖管道不僅容易燙傷人，而且容易造成沉積在其上的煤粉發生自燃，因此煤礦地面生產系統不適合采用蒸汽采暖；熱風采暖具有熱效率低、熱損失大的特點，熱風管道因截面大不方便布置，且熱風容易吹起煤塵等弊端，因此熱風采暖使用場所也不多；熱水系統作為傳統的采暖方法，具有舒適、經濟、安全的特點，所以，煤礦地面生產系統應優先選用水暖系統[6]。

不管選用哪種采暖系統，對熱源的要求是一致的，離城市較近的礦區，盡可能利用市政熱源，在礦區建立熱交換站，集中供暖方式可減少空氣污染；離城市較遠的礦區，熱源只能采取自建鍋爐房的方案[7]。

3.2.1 輸煤系統、篩分破碎樓采暖方案

對于實現了全封閉的輸煤廊道、轉載站、膠帶拉緊間、篩分破碎樓、裝車站等建筑物，采暖可以考慮采用90℃/60℃的熱水系統。根據《煤炭工業供暖通風與空氣調節設計標準》(GB/T 50466—2018)，輸煤廊道采暖室內設計溫度為8℃，轉載站采暖室內設計溫度為10℃，篩分破碎樓采暖室內溫度為15℃。為了確保供暖系統穩定運行，在進行采暖設計時，一定要全面考慮這些建筑物的封閉材質及通風的現狀，參數選定應實事求是，進行科學計算；同時散熱器考慮選用鋼排管，以減少系統循環阻力，也方便清掃和維修；另外考慮到一些建筑室內設計溫度偏低，為了避免消防系統局部受凍害，消防管道布置要與采暖管道并行布置，并一起保溫起到伴熱的作用(圖2)，消火栓可以布置到散熱器上方，對局部凍害風險大的地段可以考慮專設伴熱管，使消防水系統得到全面保證[8，9]。

圖2 消防管伴熱

3.2.2 儲煤系統采暖方案

儲煤倉的采暖主要在煤倉下部，以及倉頂的配煤間，為了避免配煤間采暖系統漏水造成倉內儲煤凍結，儲煤倉及其頂部的配煤間采暖建議采用熱風采暖，采用50℃左右的熱風系統，根據GB/T 50466—2018，儲煤倉采暖室內設計溫度為10℃。為了確保供暖系統穩定運行，應科學選取采暖參數；為了避免消防系統局部受凍害，消防管布置同樣要與采暖熱風管并行保溫，并在消火栓上方布置熱風口。

3.2.3 其他建構筑物的采暖

煤礦地面生產系統除以上建(構)筑物外，還有一些大型檢修間，對于一些大門開啟頻繁的車間，僅靠采暖系統可能難以保證消防水系統不受凍害，還必須采取一些特殊的保護措施，一是要在大門的上側及兩側加裝熱風系統，用于阻隔開門期間冷空氣的進入，二是要對大門附近的消防水系統管道進行伴熱保溫，以保證消防水系統的正常運行。

4 保證采暖系統穩定運行的管理措施

一方面要強化機構設置、人員配置，以及責任制、管理制度、操作規程、應急預案等的建立與執行，另一方面要提高系統的自動化程度和穩定性[10]。

為了實現采暖系統自動化，應建立智能供熱管理系統，在換熱站及供暖系統的各區域安裝在線流量計、熱量計量表、溫度計、電動調節閥等裝置，并在各區域、各房間安裝在線室內溫度檢測裝置和監控攝像頭，將采集數據實時上傳到智能供熱管理系統中，通過智能管理提高供暖系統的穩定性，進而確保消防系統的穩定運行[11，12]。

4.1 溫度調節系統

建立溫度自動調節模塊，在智能供熱管理系統中設置各區域、各房間室內溫度上、下限，系統結合從互聯網自動讀取的當天室外各時段氣溫，自動調節熱交換器的流量，改變供暖給水溫度，實現調整各區域、各房間室內溫度；根據每天室外各時段氣溫和供暖給水的實時溫度，自動生成“室外溫度-系統溫度曲線”，按照這一線性關系，結合未來天氣預報生成計劃溫度控制曲線，用以指導熱源廠的生產組織[13]。

4.2 故障診斷系統

在智能供熱管理系統中建立故障自動診斷模塊，當某區域或某房間的溫度超出上、下限時，系統會根據各區域流量、溫度、熱量等數據自動分析超限的原因，并提示可能出現控制故障的區域，可能出現漏水情況的區域或提示熱源不足，并通過系統報警提醒[14]。

同時通過監控攝像頭對現場進行檢查監督，一方面可以及時發現現場消防水、采暖系統的一些“跑冒滴漏”的現象，另一方面可以檢查巡檢人員的工作情況。

4.3 節能分析系統

建立節能分析模塊，在智能供熱管理系統中錄入各建(構)筑物的單位面積(或體積)耗熱概算指標，可將超過耗熱指標的定義為紅色，低于耗熱指標10%的定義為橙色，低于耗熱指標20%的定義為黃色，低于耗熱指標30%的定義為綠色(百分數可結合實際設定)。系統自動根據各區域、各房間的熱量計量數據，計算單位面積(或體積)實際耗熱指標，并自動根據各供暖區域(或房間)耗熱指標顯示相應顏色，工作人員根據顏色狀態分析相應建(構)筑物保溫隔熱或供暖系統存在的問題，有針對性的采取相應改進措施，尤其對于紅色狀態的建(構)筑物必須采取有效降耗措施[15]。

5 結 語

嚴寒地區煤礦地面生產系統采暖穩定運行，直接關系到消防系統的可靠運行，是保障煤礦安全生產的基礎。為了確保煤礦水消防系統穩定運行，筆者研究了煤礦地面生產系統的采暖方案，提出了初步解決方案，可為我國嚴寒煤礦地面生產系統采暖系統穩定運行、保障煤礦安全生產提供一定技術參考。