1 礦區(qū)概況

　　淮南礦區(qū)地處安徽省北部，淮河中游兩岸，東起郯蘆斷裂，西至阜陽(yáng)市，東西走向180km，南抵八公山、舜耕山，北止明龍山、上窯一帶，南北寬約30km，礦區(qū)總面積約3 600km²。目前淮南礦區(qū)共有9對(duì)礦井，均為煤與瓦斯突出礦井，礦區(qū)核定年生產(chǎn)能力3 000萬(wàn)t。地面年平均氣溫15.3℃、相對(duì)濕度74％、大氣壓力101.3kPa，恒溫帶距地表深度20～30m，恒溫帶溫度16.8℃，夏季（6～8月）氣溫較高，7月份平均氣溫為30℃。

　　2 利用恒溫水源進(jìn)行礦井降溫的可行性分析

　　2.1 空氣和水的比熱容

　　當(dāng)P為106.67kPa，t＝30℃，φ＝95％，d＝0.0244kg/kg時(shí)，

　　干空氣比熱容：1.0045kJ/(kg·K)

　　水蒸氣比熱容：1.85kJ/(kg·K)

　　濕空氣的焓：i=1.0045t+0.001d(2501+1.85t)=30.136kJ/kg

　　考慮井下降溫的過程近似為等濕、減焓、降溫過程，30℃的濕空氣溫度變化1℃，其焓的變化量：Δi=1.0785kJ/kg。

　　水的比熱容：4.19kJ/(kg·K)；

　　20℃水的焓：83.8 kJ/kg。

　　30℃水的焓：125.7 kJ/kg；

　　20℃～30℃的水溫度變化1℃，其焓的變化量為Δi=4.19 kJ/kg。

　　2.2 恒溫水降溫效果分析

　　在井下近似等壓等濕的降溫過程中，1kg的水溫度每升高1℃，就可使1kg的濕空氣溫度降低3.895℃；m³的水溫度每升高1℃，就可以使3 237.5 m³的濕空氣溫度降低1℃。

　　2.3 恒溫水源降溫能力分析

　　淮南礦區(qū)恒溫水源溫度為16.8℃，考慮從地面往井下輸送過程中的溫升（視管道的絕熱程度而定），假定井下降溫時(shí)水源溫度為20℃，降溫后的回水溫度為26℃；井下降溫前的空氣溫度為32℃，降溫后的空氣溫度為26℃。那么1 m³的恒溫水源水就可使3 237.5 m³的井下空氣溫度由32℃降低到26℃。

　　2.4 礦井降溫需水量分析

　　根據(jù)淮南礦區(qū)的實(shí)際情況，年產(chǎn)300萬(wàn)t高瓦斯突出礦井，如二級(jí)熱害礦井潘一、潘三礦，其礦井需風(fēng)量應(yīng)在20 000 m³/min以上。按有效風(fēng)量利用率85％考慮，再除去井底峒室和一些不需要降溫的采掘工作面的用風(fēng)量，實(shí)際需要降溫的風(fēng)量可占到礦井風(fēng)量的60％，即需要降溫的風(fēng)量為12 000 m³/min。那么，礦井降溫所需恒溫水量為：3.71 m³/min，222.4 m³/h。

　　2.5恒溫水源的可靠性分析

　　由于恒溫水水源溫度常年變化甚微，因此恒溫層水源可用于常年降溫。此外恒溫水水源豐富，淮南礦區(qū)煤系地層覆箅著145～564m的新生界地層，流沙層特別厚，地下水位又為地表以下1～2m。2003年7～9月份期間，潘三礦附近農(nóng)民的機(jī)灌井，井水從井中自然流出地表，形成涌泉，可見地下水的充沛程度。

　　2.6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

　　利用恒溫水源進(jìn)行礦井降溫的可行性，一般生產(chǎn)礦井在停產(chǎn)檢修期間，都具備實(shí)驗(yàn)條件，具體效果可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

　　3 恒溫水源進(jìn)行礦井降溫的系統(tǒng)構(gòu)成

　　恒溫水源進(jìn)行礦井降溫的系統(tǒng)原理圖，詳見圖1。

　　

　　

　　圖1 恒溫水源進(jìn)行礦井降溫的系統(tǒng)原理圖

　　4 恒溫水源降溫系統(tǒng)的運(yùn)行

　　4.1 連通器原理

　　恒溫水源降溫系統(tǒng)可采用連通器原理設(shè)置，即進(jìn)水口和出水口均設(shè)置在地面，依靠進(jìn)回水溫差形成的自然水壓運(yùn)行，當(dāng)自然水壓能形成需要水量的流速時(shí)，可考慮提高進(jìn)水口高度，來(lái)提高壓差，用以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。若井下降溫系統(tǒng)采用開式循環(huán)時(shí)，可在井底進(jìn)行高低壓轉(zhuǎn)換。

　　4.2 經(jīng)濟(jì)流速

　　礦井降溫所需水量取決于管徑和流速，流速取決于水和系統(tǒng)（管道）的總阻力。管徑過大增加初期投資，流速過大則需要添加動(dòng)力。一般管道經(jīng)濟(jì)流速區(qū)間為2～4m/s，要實(shí)現(xiàn)盡量不用或少用動(dòng)力運(yùn)行，恒溫水源降溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速應(yīng)按4m/s進(jìn)行設(shè)計(jì)。若需水量為4 m³/min時(shí)，則管道內(nèi)徑d≥146mm.

　　4.3 管道總阻力

　　管道阻力取決于管徑、管道流速和管道流程，加上管道拐彎、閥門控制等的局部阻力就是管道總阻力，也即系統(tǒng)阻力。試取管道內(nèi)徑為Φ152mm，管道總長(zhǎng)度為10 000m局部阻力為總阻力的20％進(jìn)行計(jì)算：管道的總阻力為110 608Pa。

　　4.4 自然水壓

　　自然水壓的大小取決于進(jìn)回水溫差和實(shí)際降溫地點(diǎn)的垂深。取進(jìn)水溫度為18℃，回水溫度為30℃，降溫點(diǎn)垂深為600m，進(jìn)行模擬計(jì)算：

　　h_自=(998.2-995.7)×9.81×600＝14 715Pa

　　4.5 水塔高度

　　水塔高度取決于管道（系統(tǒng)）總阻力與自然水壓的差值。

　　h_塔高＝（h_總－h(huán)_自）/9.81×998.2＝11.145m

　　5 恒溫水源礦井降溫系統(tǒng)的實(shí)施

　　5.1 采煤工作面降溫的實(shí)施

　　（1）采用閉式循環(huán)時(shí)，采煤工作面降溫采用套管換熱，換熱后的冷水，用來(lái)進(jìn)行工作面進(jìn)風(fēng)巷巷頂及巷道兩側(cè)邁步噴淋降溫，可考慮噴淋水搜集，循環(huán)使用，也可根據(jù)巷道條件，讓其自流入采區(qū)或井底水倉(cāng)，從采區(qū)域井底水倉(cāng)取水使用。需配高壓水泵2臺(tái)，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用。

　?。?）采用開式循環(huán)時(shí)，直接使用恒溫水源對(duì)工作面的進(jìn)風(fēng)巷巷頂及巷道兩側(cè)邁步噴淋降溫，并根據(jù)巷道條件，考慮進(jìn)行噴淋水搜集，導(dǎo)水管排至水溝，或讓其自流入井底水倉(cāng)，經(jīng)高低壓裝置排到地面。

　　5.2 掘進(jìn)工作面降溫的實(shí)施

　?。?）采用閉式循環(huán)時(shí)，掘進(jìn)工作面降溫直接利用恒溫水源冷水。用小管徑鋼管直接設(shè)置在風(fēng)筒內(nèi)部，靠鋼筒內(nèi)的風(fēng)流與鋼管直接換熱，如通風(fēng)距離較短，換熱不夠充分，可考慮鋼管多次往返，以達(dá)到出水溫度與風(fēng)溫近似相等的換熱目的。降溫效果由通過的冷水量進(jìn)行控制。

　?。?）采用開式循環(huán)時(shí)，采用礦用移動(dòng)式噴淋空冷器直接噴淋恒溫水源冷水，噴淋水由集水管排出。降溫效果由噴淋水量進(jìn)行控制。

　　5.3 局部高溫點(diǎn)降溫

　　對(duì)局部熱溫源地點(diǎn)，如剛揭露的圍巖、煤壁、采空區(qū)老塘口、上隅角老塘口，可直接噴灑恒溫水源冷水降溫。

　　5.4 輔助降溫

　　井底車場(chǎng)、大巷的裝載噴霧、凈化噴霧，高溫區(qū)域采區(qū)內(nèi)部的各類轉(zhuǎn)載噴霧、凈化噴霧、移回噴霧等，一律改為使用恒溫水源進(jìn)行噴霧，以達(dá)到輔助降溫的目的。

　　5.5 補(bǔ)充降溫

　　不排除在夏季高溫季節(jié)，少數(shù)地點(diǎn)利用恒溫水源降溫后，空氣溫度依然超標(biāo)的可能。此時(shí)，可對(duì)恒溫水源進(jìn)行加冰制冷，以滿足礦井降溫需要。

　　6 經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

　　6.1與地面集中機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)投入比較

　　恒溫水源礦井降溫系統(tǒng)與地面集中機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)有相似一面，即井下降溫管路基本相同。但省卻了昂貴的機(jī)械制冷設(shè)備——冷水機(jī)組和地面廠房，以及降溫系統(tǒng)的末端設(shè)備、排熱系統(tǒng)和巷道工程。初步估算，建立恒溫水源降溫系統(tǒng)的總費(fèi)用，僅為建立地面集中機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的30％。

　　6.2與地面集中機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較

　　若以年產(chǎn)量300萬(wàn)t礦井計(jì)算，需降溫風(fēng)量為12 000 m³/min，降溫溫差7℃為例，地面集中機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的制冷量應(yīng)在2 000kW以上，裝機(jī)總功率要在1 000kW以上（包括：冷水機(jī)組、泠水泵、冷卻泵、空冷器局部通風(fēng)機(jī)）；而恒溫水源降溫系統(tǒng)，僅需要4 m³/min的排水能力即能滿足，總功率100kW上下。可見在電耗這項(xiàng)上，能節(jié)約90％，而且恒溫水源降溫系統(tǒng)無(wú)須設(shè)備備件、原材料消耗，維護(hù)費(fèi)用幾乎為零。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　6.3回水管路可與防塵灑水管路共用

　　恒溫水源降溫系統(tǒng)的回水管路可與防塵灑水管路共用，而防塵灑水管路是現(xiàn)有的，而且是必須要有的，用作恒溫水源降溫系統(tǒng)回水管路時(shí)，只需要對(duì)其局部管徑進(jìn)行更換，即可滿足需要，這樣又省去了恒溫水源降溫系統(tǒng)的近一半建設(shè)費(fèi)用。

　　機(jī)械制冷降溫供水溫度一般為5～7℃，而恒溫水源供水溫度為18～22℃，在相同的需冷量情況下，其終端設(shè)備要大得多或需水量很大，因此不同的礦井是否能采取恒溫水源進(jìn)行礦井降溫要根據(jù)其具體情況來(lái)具體分析。