一种深部矿井掘进工作面降温系统及其控制方法与流程

本发明属于矿井安全设备技术领域，具体来说是一种深部矿井掘进工作面降温系统及其控制方法。

背景技术：

煤炭在我国的一次性能源结构中长期占据着不可替代的地位。据第三次全国煤炭资源预测和评价表明，我国已探明的煤炭资源总量为5.57万亿t，其中l000m以内的为2.86万亿t，已采储量约为70％。今后我国的主体能源后备储量主要是埋深在1000m～2000m之间的深部煤炭资源。

随着我国煤矿开采技术的发展和进步，煤矿开采深度急剧增大，导致矿井热害日益凸显。目前世界上除了煤与瓦斯突出及冲击地压较难根治，传统的瓦斯、顶板、水、火、煤尘五大灾害基本都有了易于控制的方法，因此煤矿热害在将来很有可能成为第六大灾害。由于煤矿高温热害多集中在深井局部地区或部分浅井的局部地区，所以对煤矿局部地区热害控制研究尤为重要。

造成煤矿井下局部地区高温的原因主要有：

(1)通风不良。井下通风不良，热量不能随着风流迅速排出，容易导致井下部分地区的温度升高。

(2)地热及原岩放热。在地壳内部，由于地温梯度的原因，煤层埋深越大，原岩温度就越高。因此，地热是制约我国煤矿千米以下开采的重要因素之一。

(3)机电设备放热。目前井下机电设备功率大幅增加，根据能量守恒，设备的能量来源电能全部转化为机械能和热能，因此设备会释放大量热量，使周围空气温度升高。

(4)岩浆岩侵入。岩浆岩侵入会引起周围岩石温度的升高，导致煤矿井下的高温。另外，由于岩浆岩硬度很高，会使煤矿的采掘工作受到严重影响。

且煤矿井下局部地区高温会造成如下危害：

(1)对人身体健康的危害。如果煤矿职工的工作环境温度持续较高，不仅人体的舒适度大幅下降，也会破坏人体体温调节系统，影响职工身体健康。

(2)对煤矿安全生产的危害。《煤矿安全规程》对井下工作温度有如下规定：采掘工作面不得超过26℃，机电硐室不得超过30℃。长时间的高温劳动会使工作人员心情烦躁，精神难以集中，容易出现违章作业。重大隐患和安全事故率会大幅增高，不利于煤矿的安全高效生产。

经检索，发明创造名称为：一种煤矿井下降温方法申请号为：(201410030665.7，申请日为：2014.01.22)，该申请案的方法包括：步骤①：将液氮槽车中的液氮输送至煤矿井下的液氮硐室中；步骤②：将液氮硐室中的液氮输送至翅片管内，液氮与翅片管外的空气进行热交换；步骤③：热交换后，翅片管外的低温空气通过风机输送至工作面采空区，对工作面采空区进行降温；步骤④：翅片管内的液氮经热交换后气化为氮气，氮气输送至矿井工作面采空区，进行进一步降温。本发明的煤矿井下降温方法利用液氮气化的特性对工作面及采空区进行降温，气化的氮气还能够使采空区内氧气浓度分布范围明显回缩，对采空区的内空气起到惰化作用，有效地防治采空区自然发火，液氮气化在封闭管道及装置内运行，制冷后冷空气与热空气混合后起到降温目的。但是该申请案的不足之处在于液氮成本太高且难以控制降温的速率和降温后的温度。

此外，发明创造名称为：一种煤矿掘进工作面降温系统申请号为：(201710332265.5，申请日为：2017.05.12)，该申请案的系统由水泵、温度传感器、换热器、节流阀、水箱、法兰、进水管、回水管等组成，换热器为圆形，直径略微大于风筒直径。为了减小换热器对风阻的干扰，换热器内部装置力求简单，通过增加换热器长度实现降温。同时，换热器外部由绝热材料制成，内部用导热性能较好的合金，材料要有较好的导热性能和较小的密度、且耐腐蚀，可长期使用。但是该申请案的不足之处在于降温速率慢且难以均匀降温。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有技术中煤矿井下工作面温度难以快速降低以及降温可控的问题，提供一种深部矿井掘进工作面降温系统及其控制方法，降温剂生产单元、控制单元、温度检测单元与降温剂喷洒单元，通过温度检测单元检测工作面的温度，并将检测的数据输送给控制单元，控制单元根据数据控制降温剂喷洒单元向工作面喷洒来自降温剂生产单元的降温剂，降温剂喷洒单元的温度控制机构控制喷洒出来的降温剂温度为0℃，可以快速的对工作面进行降温，且降温速率和降温效果可控。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统，包括降温剂生产单元、控制单元、温度检测单元与降温剂喷洒单元，所述降温剂生产单元通过输送管道与降温剂喷洒单元连接，所述控制单元与温度检测单元电性连接，所述控制单元与降温剂喷洒单元电性连接，所述控制单元用于针对温度检测单元检测到的温度数据来控制降温剂喷洒单元的喷洒量与喷洒位置；所述温度检测单元的测温探头均匀设置于工作面内，所述降温剂喷洒单元包括温度控制机构与旋转喷洒机构，所述温度控制机构与降温剂生产单元的输送管道连接，所述温度控制机构用于控制降温剂温度为0℃。

优选地，所述测温探头设置于工作面内距离地面距离为L，L＝3～5cm。

优选地，所述降温剂喷洒单元还包括增压泵与电机，所述增压泵与温度控制机构连接，所述温度控制机构通过管道与旋转喷洒机构连接，所述旋转喷洒机构的上端设有电机，所述旋转喷洒机构与控制单元电性连接。

优选地，所述旋转喷洒机构的下端连接有伸缩杆，所述伸缩杆活动连接于液压杆的上端，所述伸缩杆可在液压杆内上下移动。

优选地，所述伸缩杆与液压杆内设有喷洒软管，所述喷洒软管可在伸缩杆与液压杆内弯曲伸缩，所述喷洒软管连接有喷洒输送管，所述喷洒输送管与增压泵连接。

优选地，所述旋转喷洒机构内设有至少4个喷头，所述喷头内设有超声雾化喷嘴。

本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统的控制方法，采用上述所述的系统，所述方法为：通过温度检测单元检测工作面的温度，并将检测的数据输送给控制单元，控制单元根据数据控制降温剂喷洒单元向工作面喷洒来自降温剂生产单元的降温剂。

优选地，所述方法具体步骤如下：

(1)测温，通过温度检测单元检测工作面的温度；

(2)建模；通过控制单元对温度检测单元检测的温度数据进行建模；

(3)喷洒，控制单元根据温度模型控制降温剂喷洒单元向工作面喷洒降温剂，使得工作面温度降低且温度均匀。

优选地，所述降温剂喷洒单元的温度控制机构控制喷洒出来的降温剂温度为0℃。

优选地，所述步骤(3)中的降温剂喷洒单元与降温剂生产单元连接，所述降温剂生产单元生产出的降温剂为冰水混合物。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统，通过温度检测单元检测工作面的温度，并将检测的数据输送给控制单元，控制单元根据数据控制降温剂喷洒单元向工作面喷洒来自降温剂生产单元的降温剂，可以快速的对工作面进行降温，且降温速率和降温效果可控；

(2)本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统，降温剂喷洒单元的温度控制机构控制喷洒出来的降温剂温度为0℃，降温剂温度为0℃降温效果最好且不会堵塞管道和喷头；

(3)本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统，喷头4内设有超声雾化喷嘴，超声波在水和空气界面形成张力波，超声空化作用破坏了水分子间的直接作用力被，形成空气泡，随着水的不断振动，气泡不断增大，使水破裂成为细小的微米级雾化微粒，使得掘进工作面的降温速度加快；

(4)本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统的控制方法，通过温度检测单元检测工作面的温度，并将检测的数据输送给控制单元，控制单元根据数据控制降温剂喷洒单元向工作面喷洒来自降温剂生产单元的降温剂，降温剂喷洒单元的温度控制机构控制喷洒出来的降温剂温度为0℃。

附图说明

图1为本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统的结构示意图；

图2为本发明的一种深部矿井掘进工作面降温系统的结构示意简图。

示意图中的标号说明：

100、降温剂生产单元；111、输送管道；

200、控制单元；

300、温度检测单元；310、测温探头；

400、降温剂喷洒单元；410、温度控制机构；420、增压泵；430、旋转喷洒机构；431、喷头；441、喷洒软管；442、伸缩杆；443、液压杆；444、喷洒输送管；450、电机；

500、工作面。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照附图1和图2所示，本实施例的一种深部矿井掘进工作面降温系统，包括降温剂生产单元100、控制单元200、温度检测单元300与降温剂喷洒单元400，所述降温剂生产单元100设置于地面上，降温剂生产单元100通过输送管道111与降温剂喷洒单元400连接，所述控制单元200与温度检测单元300电性连接，所述控制单元200与降温剂喷洒单元400电性连接，所述控制单元200用于针对温度检测单元300检测到的温度数据来控制降温剂喷洒单元400的喷洒量与喷洒位置；所述温度检测单元300的测温探头310均匀设置于工作面500 内，所述测温探头310设置于工作面500内距离地面距离为L，L＝3～5cm，本实施例中采用 4cm，当测温探头310设置于工作面500内距离地面距离为4cm，不仅可以准确的测量工作面500的温度，还可以防止降温剂喷洒单元400喷洒出的降温剂覆盖在测温探头310的表面，造成测温探头310的测量误差，进而造成降温剂喷洒单元400喷洒量不准，难以准确降低工作面500的温度。

本实施例中的降温剂喷洒单元400包括温度控制机构410、旋转喷洒机构420、增压泵 420和电机450，所述旋转喷洒机构420内设有至少4个喷头431，本实施例中设置有8个，所述温度控制机构410与降温剂生产单元100的输送管道111连接，所述温度控制机构410 用于控制降温剂温度为0℃。因为温度小于0℃时，水会结冰，而细小的冰晶会堵塞管道以及喷头，而当温度大于0℃时，降温效果会降低，因此降温剂温度为0℃降温效果最好且不会堵塞管道和喷头。

本实施例的旋转喷洒机构420距掘进迎头2～3m，距顶板0.3～0.5m，防止影响掘进迎头正常工作，降温剂喷洒单元400沿巷道宽度方向均匀分布，使得旋转喷洒机构420的对整个工作面的喷洒更加均匀，使得整个工作面可以进行均匀同步降温，而不是局部降温产生温差。

本实施中的喷头431内设有超声雾化喷嘴，超声波在水和空气界面形成张力波，超声空化作用破坏了水分子间的直接作用力被，形成空气泡，随着水的不断振动，气泡不断增大，使水破裂成为细小的微米级雾化微粒。在井下高温的掘进工作面，通过超声雾化喷嘴喷出的微米级低温水颗粒，与高温的空气之间发生传热传质的相互作用。其中，低温液滴靠近表面的一部分会蒸发，其余直接与热空气进行热交换。由于液滴颗粒极其细微，因此，无论是液滴外部蒸发还是内部的热交换，都会最大化地增加换热面积，以此实现掘进工作面的快速降温。

本实施例的增压泵420与温度控制机构410连接，增压泵420用于对降温剂进行加压，使得降温剂输送的更加顺利且喷洒的时候具有更大的初速度，喷撒的范围更广，所述温度控制机构410通过管道与旋转喷洒机构430连接，所述旋转喷洒机构430的上端设有电机450，电机450用于驱动旋转喷洒机构430进行转动，而转动的旋转喷洒机构430会带动喷头431 转动，使得液滴喷洒的更加均匀，降温效果更好。

所述旋转喷洒机构430与控制单元200电性连接。所述旋转喷洒机构430的下端连接有伸缩杆442，所述伸缩杆442活动连接于液压杆443的上端，所述伸缩杆442可在液压杆443 内上下移动，当需要调节旋转喷洒机构430的高度时，通过调节液压杆443使得伸缩杆442 在液压杆443内上下移动。所述伸缩杆442与液压杆443内设有喷洒软管441，可以防止伸缩杆442在上下移动的过程中造成损伤。所述喷洒软管441可在伸缩杆442与液压杆443内弯曲伸缩，所述喷洒软管441连接有喷洒输送管444，所述喷洒输送管444与增压泵420连接。

实施例2

本发明的采用上述系统的控制方法，通过温度检测单元300检测工作面500的温度，并将检测的数据输送给控制单元200，控制单元200根据数据控制降温剂喷洒单元400向工作面500喷洒来自降温剂生产单元100的降温剂，降温剂喷洒单元400的温度控制机构410控制喷洒出来的降温剂温度为0℃。

方法具体步骤如下

(1)测温，通过温度检测单元300检测工作面500的温度；测温探头310设置于工作面 500内距离地面距离为4cm，不仅可以准确的测量工作面500的温度，还可以防止降温剂喷洒单元400喷洒出的降温剂覆盖在测温探头310的表面，造成测温探头310的测量误差，进而造成降温剂喷洒单元400喷洒量不准，难以准确降低工作面500的温度；

(2)建模；通过控制单元200对温度检测单元300检测的温度数据进行建模；建模可以更好的控制降温剂喷洒单元400的喷洒量，使得整个工作面同步均匀快速的进行降温；

(3)喷洒，控制单元200根据温度模型控制降温剂喷洒单元400向工作面500喷洒降温剂，使得工作面500温度降低且温度均匀。

本方法中的步骤(3)中的降温剂喷洒单元400与降温剂生产单元100连接，所述降温剂生产单元100生产出的降温剂为冰水混合物，使得降温剂在输送到降温剂喷洒单元400温度为0度左右。且控制降温剂喷洒单元400喷洒量使得工作面温度T≤26℃，当温度检测单元 300检测到工作面温度T≤26℃时，需要减小降温剂喷洒单元400喷洒量使得工作面温度稳定在26℃以下

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。