煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司 230041
摘要：结合河南省神火煤电股份有限责任公司新庄矿井北进风井井口房及空气加热室设备安装工程设计实例，介绍了一种无风机式矿井井筒防冻技术的工艺流程及各设计环节，提出了设计过程中需要注意的相关问题，并给出了具体解决措施，最后谈到了工程设计体会。
关键词：矿井；井筒防冻; 无风机式;工程设计
1引言
井筒是矿井的咽喉，是煤矿地面和井下相互联系的主要通道。当矿区室外气温低于0℃时， 如果入风井筒防冻保温问题解决不好， 井筒淋帮水会在低温空气作用下，在井壁、该井筒内的提升容器、罐道、水管、电缆等处结冰，使井筒提升能力降低，通风断面减小， 还可引起卡罐、托罐闸启闭不便、防坠保险失灵等， 严重时大块冰塌落， 造成损坏井筒设备和人员伤亡的重大事故， 影响矿井安全生产。在相同的室外气温条件下， 井筒结冻对立井安全生产影响最大， 清理冰块时其危险性也大; 斜井次之; 平峒不仅对安全生产影响较小， 而且清理冰块时的工作条件也较好， 但平峒往往采用明沟排水， 水沟结冰会使排水漫流影响运输。因此， 搞好矿井井筒防冻设计， 对保证煤矿冬季正常生产十分重要。
<<煤炭工业矿井设计规范>> ( GB50215-2015)15.5.1规定:供暖室外计算温度等于或低于 - 4 ℃地区的进风立井、等于或低于 - 5 ℃地区的进风斜井和等于或低于 - 6 ℃地区的进风平峒， 当有淋帮水、排水管和排水沟时， 应设置空气加热设备。
2技术简介
<<煤炭工业供热通风与空气调节设计规范>> (GB/T 50466-2008)6.0.3 规定:对于抽出式通风矿井，当进风采用冷热风在井口房混合时，宜采用无风机方式……
无风机的空气加热方式是在井口房两侧设加热小室， 尽量密闭井口房， 使大部分冷空气从百叶窗进入加热室后再通过加热器进入井口房， 加热空气温度约为20℃~ 30℃，冷风与热风在井口房内混合至2℃，利用井筒主扇负压吸入井下。
这种方法既能保证井筒不冻又能满足井口房的采暖要求， 改善了工人的作业环境， 但要求井口房密闭程度高， 需在大门处设置门斗， 在进出煤车的地方加设门帘或空气幕以防止冷风进入。另外， 由于加热热风是通过井口房进入井筒， 加热温度不能过高， 所以加热风量较大， 同时由于采用的是无风机方式， 阻力不能过大， 一般加热器阻力需小于50Pa， 加热器数量较多， 井口房需要有足够的长度放置加热器。
3工程概况
新庄矿井北进风井本矿井为立井，采用井架提升方式。副井为负压进风，进风量：145m3/s。室外计算温度（极端最低温度平均值）：-12.1℃。井筒防冻热负荷为：3000kW，热媒为0.4MPa饱和蒸汽。选择SRZ17x10Z空气加热器共30台。每台散热面积：61.54m2，通风净截面积：1.085m2。为确保总进风量的约38%的空气通过空气加热器进入井口房，要求井口房两端大门采用组合式侧送风空气幕及简易密闭措施，以阻挡大量冷空气进入。采用疏水自动加压器将凝结水通过室外凝结水管道接至锅炉房软化水箱。疏水自动加压器型号为SZP-2，共6组。每组额定水量：2m3/h，加压室与控制室工作压力：0.4MPa，加压耗汽：约4kg/m3水。管道最高点设放气阀，放气管均接至室外；最低点设放水丝堵或放水阀。空气加热器采用并联连接。
4无风机式井筒防冻各设计环节
4.1确定室外空气计算温度
<<煤炭工业供热通风与空气调节设计规范>>(GB/T50466-2008)6.0.2 规定:立井与斜井应取历年极端最低温度的平均值， 对于平峒取历年极端最低温度平均值与采暖室外计算温度二者的平均值。
本进风井为立井，毗邻安徽亳州地区，故最终确定室外计算温度为-12.1℃。
4.2计算井筒防冻耗热量
本井筒为立井，冷热风在井口房混合，且为吸入式热风，热风计算温度选25℃，入井风量按照2℃时的风量计算，富余系数取1.1，入井风混合温度取2℃，空气的热容与比热容取2℃时的值。
井筒防冻入井风的耗热量按下式计算：
?? Q=3.6aG.r.cp(2-tw) ?? ?? (1)
式中 Q----入井风耗热量，Kw；
a----富裕系数；
G----入井风量，m3/s；一般根据矿井瓦斯等级及日产煤量由通风安全专业确定
r----空气容重，kg/m3；
cp----空气比热容，W/kg.℃；
tw----空气加热前的室外计算温度，℃。
表1 井筒防冻耗热量计算表
4.3选定空气加热器的散热面积
根据计算耗热量确定空气加热器的散热面积时，还应考虑散热器翅片的松动和被污染等因素及空气加热器的型式。一般情况下， 绕片式加热器可取1.15~1.25， 串片式加热器可取1.25~1.35的富余系数。
4.4 进风百叶窗的选型
进风百叶窗在选型上主要是控制流速， 使阻力和噪音都不至于过大， 同时在安装高度的确定上， 须考虑地面对吸入空气的污染以及防止雨季雨水的浸人。工程中最终选型尺寸为3000mmX1800mm， 面风速控制在2m/s以内。
4.5空气加热器的布置
设计采用2台SRZ17x10Z空气加热器水平并联布置，最大限度的利用了井口房每跨的可用空间。墙上的框架由土建预埋，各构件连接均采用焊接，图中螺栓位置为示意，其正确位置应与空气加热器校对后再进行配钻。考虑热空气流向并保证加热防冻效果，空气加热器均采用低位安装形式。
4.6井筒防冻的监控
由于室外温度每变化1℃，井筒防冻负荷将产生7%的变化，而在冬季至少有60%的时间室外空气温度高于设计值-12.1℃。为节约能源，在井筒防冻供热管道上设置控制阀，以便根据环境温度进行流量调节，以达到用最小的能耗，实现最佳的井筒防冻效果。
5 需注意的问题及采取的措施
无风机式井筒防冻关键是防止热风外逸，该技术设计要点就是在设计风量分配的条件下，对通过空气加热器、门、窗的风量进行阻力平衡设计。只有当设计冷、热风流满足阻力平衡的要求时， 才能使流经空气加热器的风量达到设计风量， 从而有效地将井筒防冻需要的设计热量带入井筒。针对这些问题，该技术采取的有效措施有：
5.1 井口房应密闭，经常打开的大门应及时自动关闭。为防止穿堂风进入后影响人员操作和生产， 井口房进出车门应尽量采用简单、坚固的门为宜， 也可以采用其他型式的自动门; 若设门不便时， 可加长井口房并在进出车处开仅能通过矿车的门洞， 设计时应验算冷风与热风的风量平衡， 以保证冷风进入量符合井筒防冻要求。
5.2减少通过空气加热器的重量流速，减少风流阻力，使得空气加热系统的风流阻力不宜大于50Pa。
5.3空气加热器上方的隔断墙应设调节风阀。根据室外气温设调节加热风量也很重要，而且由空气加热器上面进入的冷风，防止热风上浮效果很好。
6 设计体会
6.1为确保防冻效果，避免热风飘逸，在设计风量分配的条件下，对通过空气加热器、门、窗的风量进行详细的阻力平衡设计。
6.2整个通风系统流程设计方案的确定牵涉到采矿、机制、机电、矿井四大件，土建等多个外专业工种， 因此设计中不仅要熟悉本专业的工艺， 同时对其他工种工艺也要了解。要求设计人员要有钻研和好学的精神。
7 结束语
矿井井筒防冻的无风机方式， 既能省去风机等机械设备， 降低一次性投资， 又可避免风机噪声干扰， 安全可靠， 维护管理方便， 同时又解决了井口房的采暖问题，在很大程度上改善了井口房工人的工作环境，在当前条件下造价相对低廉、无污染， 非常适合于我国广大地区的井筒防冻，应该得到进一步的推广与使用。
论文作者:王玉麟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/14
标签：井筒论文; 加热器论文; 井口论文; 空气论文; 风量论文; 矿井论文; 室外论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;