深井高溫工作面降溫方案的優選與應用

劉光毅

(平煤神馬建工集團有限公司 建井三處,河南 平頂山 467000)

0 引言

現代化煤礦開采伴隨的是礦井機械化程度的提高。同時,隨著國內礦井采掘深度不斷加大,采掘面的地熱和各類機電設備所散發熱量的聚集速度也不斷升高,形成的高溫、高濕環境嚴重影響井下作業人員的健康和生產效率,從而影響井下采掘生產接替進度[1-2]。高溫對人體生理會產生較大影響,破壞人體熱平衡,導致中暑,降低勞動生產率,增大事故率[3]。這些因素也直接導致工程施工進度慢,形成人工工效低與工程進度慢的惡性循環。因此,采掘工作面實施降溫對改善勞動環境、降低事故率、提高勞動效率和工程進度具有重要的現實意義。

平煤股份十三礦東翼通風系統改造新進風井井筒深度為853.3 m,僅有新進風井一個井筒,進風井兼備進、回風作用,未能形成全風壓通風系統。隨著工程施工進度的不斷推進,井下西翼回風斜巷供風距離已達到1 560 m。另外,工作面配備有皮帶、耙裝機、鉆車和噴漿機等機電設備,現有通風系統達不到有效降溫的目的[4],造成巷道內最高溫度達到35°,風量低和高溫問題亟待解決。

1 工程概況

在十三礦東翼通風系統改造新進風井中,井筒上井口標高為+168.3 m,井筒落地標高為-685 m,深度為853.3 m,直徑為8.5 m。目前,井下有兩個掘進工作面:東翼進風斜巷和西翼回風斜巷。這兩條巷道按設計分別與十三礦己三下延軌道下山、己三下延西翼回風下山相向貫通,從井底到貫通點的距離為東翼進風斜巷2 640 m,西翼回風斜巷2 540 m。

現工業廣場內僅有新進風井一個井筒,進風井兼備進、回風作用,未能形成全風壓通風系統,在地面分別安裝2組(一備一用)2×55 kW 和2組(一備一用)2×75 kW 對旋風機,通過井筒內敷設的兩趟鐵質風筒(直徑φ800 mm 和直徑φ1 100 mm)壓入到井下風庫內,在風庫內安裝4組2×45 kW 對旋風機(東翼進風斜巷2組,西翼回風斜巷2組),通過巷道吊掛的兩趟φ1 000 mm膠質阻燃風筒分別向井下2個工作面供風,西翼回風斜巷施工進度靠前,供風距離遠,東翼進風斜巷施工進度靠后,供風距離較近,圖1為十三礦東翼通風系統改造二期工程通風系統。

圖1 十三礦東翼通風系統改造二期工程通風系統

2 降溫技術方案

根據工程特性及通風管理規定,結合國內外礦井通風局部制冷技術經驗[5-7],擬定4種通風系統調整方案。

2.1 方案一

方案一采用通風系統串并聯改造方案[8-9],根據并聯增壓、串聯增流原理[10],對通風系統進行串并聯升級改造。

(1)將原地面2組2×55 kW 風機(一備一用)連接φ800 mm 鐵質風筒向風庫供風(如圖2 所示),升級為2組2×55 kW 風機(一備一用)與1組3×75 kW 風機并聯,連接φ800 mm 鐵質風筒向風庫供風(如圖3所示)。

(2)將原地面2組2×75 kW 風機(一備一用)連接φ1 100 mm 鐵質風筒向風庫供風(如圖2所示),升級為2組3×75 kW 風機(一備一用)連接φ1 100 mm 鐵質風筒向風庫供風(如圖3所示)。

圖2 改造前地面通風設施布置

圖3 改造后地面通風設施布置

(3)將井下風庫西翼回風斜巷2組2×45 k W風機連接φ1 000 mm 膠質風筒向工作面供風(如圖4 所示),升級為2 組2×55 kW 風機連接φ1 000 mm膠質風筒向工作面供風,并單獨敷設一趟2×45 kW 風機連接φ800 mm 膠質風筒與2×55 kW 風機連接的φ1 000 mm 膠質風筒并聯,對接向工作面供風(如圖5所示)。上述風機全部且同時實現風電、瓦斯電閉鎖[11]。

圖4 改造前井下通風設施布置

圖5 改造后井下通風設施布置

2.2 方案二

方案二采用物理降溫改造方案[12],從市場采購工業冰塊,在工區建立臨時儲冰庫,通過向井下放冰塊實現物理降溫[13]。

(1)在井下風庫風機吸風口處堆放1.5～2.0 t冰塊,有效制冷時間為20～24 h,每天8點班循環補充冰塊。

(2)工作面出風口處冰塊儲存:在距工作面不低于50 m 處設置簡易儲冰裝置(如圖6所示),與風筒相連通,在其中存放1.0 t左右冰塊,有效制冷時間20～24 h,每天8點班循環補充冰塊。

圖6 井下簡易儲冰裝置

(3)在工作面存放5～10塊冰塊,有效制冷時間6～8 h,每班循環補充冰塊。

通過以上三個關鍵位置的冰塊降溫,使巷道溫度隨風流整體降低。

2.3 方案三

方案三采用安裝制冷風機降溫[14]改造方案。在地面安裝兩套ZLF-600 LG 型和一套ZLF-450 LG 型礦用制冷裝置閉式系統主機。其中,一套ZLF-600 LG 制冷主機(簡稱1 號機)及蒸發器布置在地面風機群平臺處,與2×55 kW 風機風筒連接(如圖7 所示);另外一套ZLF-600LG 型(簡稱2 號機)和一套ZLF-450 LG 型(簡稱3號機)制冷主機及蒸發器與2×75 kW 風機風筒連接[15](如圖8 所示)。進入1號機蒸發器的風量為770 m3/min,進入2號機和3號機蒸發器的風量為1 130 m3/min,從而達到降溫目的。

圖7 2×55 kW 局部通風機與蒸發器連接布置

圖8 2×75 kW 局部通風機與蒸發器連接布置

2.4 方案四

方案四采用地面與井下接力通風[16]改造方案,見圖9所示。將地面延伸至井下的鐵質風筒出風口連接至接力風箱裝置,接力風箱裝置為一個封閉裝置,一端與從地面延伸下來的鐵質風筒連接,另一端與井下2×45 kW 風機出風口連接,風機機身整體位于接力風箱裝置內,實現地面與井下風機的接力通風。該方案降低了漏風率,提高了供風效率,保證了供風量。

圖9 地面與井下接力通風

3 降溫技術方案比選

4種降溫改造方案的成本分析見表1所示。根據擬定的改造方案特點,結合工程實際,對各方案的優缺點進行分析,見表2所示。

表1 降溫改造方案成本分析

表2 降溫方案優缺點分析

根據4種方案的優缺點及效果的分析,決定選擇方案一和方案二聯合實施方案為最終方案,即通過通風系統改造增加供風量,并采用工業冰塊冷化風源的措施以達到降溫效果。該聯合方案可實現優勢互補,符合施工現場實際,滿足成本要求,能夠達到綜合降溫效果。

4 綜合降溫技術方案的實施

4.1 通風系統改造

4.1.1 地面風機安裝流程

在地面風機群處安裝1組3×75 kW 風機,與原有2組(一備一用)2×55 kW 風機并聯向井下供風,并安裝2 節75 kW 風機,分別與原有2組(一備一用)2×75 kW 風機串聯升級為2組3×75 kW 風機向井下供風。

地面風機分三步安裝:第一步,在備用2×75 kW 風機處安裝第一節75 kW 風機;第二步,啟動備用風機,在停用的2×75 kW 風機處安裝第二節75 kW 風機,安裝完成后正常開啟常用風機;第三步,在2×55 kW 風機處安裝1組3×75 kW 風機,然后暫停2×55 kW 風機,改造鐵質風筒,使3×75 kW 風機通過分風器與2×55 kW 風機并聯。2×55 kW 風機暫停期間必須保證3×75 k W風機正常運轉,并禁止井下從事爆破作業。

4.1.2 井下風機拆除及安裝流程

在井下風庫拆除1組2×45 kW 風機,并安裝2組2×55 kW 風機,形成1組2×55 kW 風機連接φ1 000 mm 膠質風筒和1組2×45 kW 風機連接φ800 mm 風筒聯合向工作面供風系統。

井下風機分四步安裝:第一步,在井下風庫安裝2組(一備一用)2×55 kW 風機;第二步,暫停2×45 kW 風機,并將原φ1 000 mm 膠質風筒與2×55 kW 風機連接,由2×55 kW 風機向工作面供風;第三步,拆除1組2×45 kW 風機,然后重新敷設一趟φ800 mm 膠質風筒與2×45 kW 風機連接向工作面供風;第四步,在工作面后50 m處,通過分風器將φ800 mm 膠質風筒與φ1 000 mm 膠質風筒并聯向工作面供風。

4.1.3 局部通風安全管理措施

(1)局部通風機安裝自動倒臺、分風、消音裝置,風機實行“三專兩閉鎖”。

(2)不得使用1臺局部通風機同時向2個作業掘進工作面供風。

(3)壓入式局部通風機和啟動裝置必須安裝在進風巷道新鮮風流中,距掘進巷道回風出口不得小于10 m;全風壓供給風機的風量大于局部通風機的吸入風量;風機前后10 m 內不能堆放雜物。

(4)風機必須派專人看管,實行現場交接班,嚴禁隨意?；蜷_局部通風機。

(5)每班風機工、班組長、瓦斯檢查工接班后,應對風機運行狀況、風筒吊掛連接、巷道內瓦斯狀況等進行檢查,然后進行倒臺試驗;倒臺試驗時,電工、瓦檢工、局部通風機司機必須同時在場;試驗倒臺時間:每班倒臺1次,每次不少于20 min。

(6)風筒吊掛、維護管理:①風筒吊掛做到平、直、緊、穩,必須逢環必掛,風筒之間接口嚴密,不漏風,無破口;②風筒必須吊掛在用專用鐵絲(鋼絲拉繩)拉緊的吊繩上,風筒必須高于底板面2 m以上,風筒吊掛要采取由外向里的方式,逐節吊掛并編號;③風筒末端出口距掘進工作面的距離不大于10 m;④需更換風筒時,采取錯口對接更換風筒,嚴禁“一風吹”;⑤巷道內備有完好風筒和至少2節風筒短節(長4 m、6 m)。

4.2 地面冷庫及井下簡易儲冰裝置的安裝

根據工區地面設備及廠房布置,合理選擇距離井口最近,并且不影響井下供電、供風,方便供冰車輛通過的閑置區域作為地面冷庫安裝位置。地面冷庫由專業承包商負責建造,建造完成后由機電人員將冰庫電路接入礦區供電系統,保證冷庫連續運轉。

根據簡易儲冰裝置設計圖,由機電人員加工制作儲冰裝置。鐵質風筒短節直接從鐵質風筒中截取,臨時儲冰倉采用厚6 mm 鋼板加工,下部安裝鐵輪,方便井下移動,并設置阻車裝置,能隨時將滾輪卡死,保證裝置有效制動。

4.3 冰塊投入及系統運行

采用兩種規格冰塊。在井下風庫內采用600 mm×400 mm×200 mm(長×寬×高)的冰塊,每塊質量為20 kg,體積小,重量輕,方便裝運;在井下工作面及退后50 m 處的儲冰裝置內采用1 000 mm×600 mm×200 mm(長×寬×高)的冰塊,每塊質量為30 kg,因為運輸距離遠,大冰塊的融化率低,制冷時效長。采用專用冰鉗將冰塊從地面冰庫裝入礦車,用棉被覆蓋后送入井下,通過礦車運輸到冰庫及工作面。冰塊投放完成后,通風系統改造完成,根據消耗情況定期補充冰塊,保證系統連續運轉,以便達到良好的降溫效果。

5 結論

平煤股份十三礦東翼通風系統改造西翼回風斜巷施工期間,通過采用測風與測溫技術對工作面與巷道的風量、風速及溫度進行量測。綜合通風系統改造前,工作面風量為216 m3/min,巷道內風速為0.19 m/s,工作面溫度為32 ℃,巷道溫度為35 ℃;綜合通風系統改造后,工作面風量達到405 m3/min,巷道內風速為0.43 m/s,工作面溫度為25 ℃,巷道溫度為28 ℃。

通過實施綜合技術改造后,工作面與巷道降溫效果顯著,優化了井下作業環境,保證了巷道的快速掘進,平均月度進尺達到115 m,經濟效益顯著。本改造方案為類似高溫礦井工作面降溫提供了寶貴經驗。