一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统

1.本发明涉及一种煤矿井下降温系统，特别是一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统。


背景技术：

2.根据2017年《中国统计年鉴》，我国2015年煤炭总产量37.46 亿吨、消费39.7亿吨，在一次能源消耗中占62.7％，能源结构仍然以煤炭为主。然而，随着浅部煤炭资源逐渐减少，矿井开采深度正在逐步增加。研究表明：地壳恒温带温度约为15℃～17℃，其下增温带平均以2.4～4.2℃/100m的地温升高。可见，当矿井深度超过800m 时，即使正常地温升高也会使得矿井热害异常突出。为了井下生产安全和工作人员的身心健康，应对高温、高湿的生产工作面采取降温措施。
3.对于深部开采高地温热害矿井，采用通风措施不能满足采掘工作面降温的要求，需要依靠人工制冷降温措施。通常的集中制冷降温、工作面局部降温等多种方式均对井下采掘高温热害工作面降温有较好的效果。但随着工作面埋深的增加，原岩与煤层温度较高、散热剧烈，工作面送风迅速与新揭露煤层及采掘破碎后的煤块达到热平衡，冷负荷急剧增加；加之机电设备散热、采空区煤层散热和氧化热，井下采掘工作面空气温度高、湿度大，虽然直接对空气冷却降温除湿的降温方式在一定程度上可以缓解井下高温热害现象，但是相对于深部开采高地温、冷负荷大、冷量损失快的现状，常规降温方式的降温效果很难保证。
4.地温较高的采掘工作面除了需要矿井降温外，在生产过程中还需要降尘措施，其中煤层注水降尘是较为常用的重要措施之一。虽然一般的煤层注水也对煤层具有冷却作用，对工作面有一些影响，但是对于埋深较大、地温较高的深井或者超深井，一般非冷水循环煤层注水的煤体冷却温度降低程度极小，对深部开采矿井工作面热害环境的降温效果影响微乎其微。


技术实现要素：

5.针对当前矿井降温设备存在的上述问题，为缓解高地温深井矿的热害，本发明提供了一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提出的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，包括耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器，循环式注水封孔装置，水冷冷水机组，补水水箱，煤层冷却降温供水总管和冷却降温注水回水总管，冷水输水软管和冷水回水软管，煤层冷却降温注水回水过滤器组件、水循环泵组和加压补水泵组；水冷冷水机组通过低压冷冻水循环泵组与耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器相连，耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器通过煤层冷却降温供水总管依次与煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组、循环式注水封孔装置内冷水输水软管相连，循环式注水封孔装置通过冷水回水软管、冷却降温注水回水总管依次与煤层冷却降温注水回水过滤器组件、耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器相连，补水
水箱通过加压补水高压泵组与耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器相连，且通过冷冻水循环系统补水定压泵组与水冷冷水机组相连。
8.所叙述的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其煤层钻孔注水冷却降温工艺流程为：自煤层冷却降温注水总管返回的水进入耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器进行冷量交换，被冷却降温后从煤层冷却降温供水总管流出，再经煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组加压后进入封孔装置进水管。一部分冷水经注水管膨胀封孔进水孔进入封孔器和注水孔，起到封孔堵水、润湿煤体和冷却煤体的作用。另一部分冷水直接经冷水输水软管流至注水孔末端，起到对注水孔内煤层注水冷水冷却降温和补充煤层注水消耗冷水的作用。从冷水回水软管溢出的水返回封孔装置冷水回水接口管，并与其他煤层冷却降温注水回水汇合进入冷却降温注水回水总管，再经过煤层冷却降温注水回水过滤器组件进入耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器被冷却，形成的冷水再次被煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组加压输送至煤层冷却降温注水孔，实现煤层注水与降温冷却的目的；其中，煤层冷却降温注水总管与耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器相连，耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器通过冷却降温注水供水总管、煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组与封口装置进水管相连，膨胀封孔进水孔外周设有封孔器，封孔器右端设有注水孔；冷水输水软管位于注水孔内，冷水回水软管左端与封孔装置冷水回水接口管相连，封孔装置冷水回水接口管通过煤层冷却降温注水总管、煤层冷却降温注水回水过滤器组件与耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器相连。
9.所叙述的高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其水冷冷水机组制取的冷水经过低压冷冻水循环泵组加压进入换热器，冷水在换热器低压侧“u”型换热管内，与换热管外侧、换热筒体内高压煤层注水进行冷量交换，低压侧的冷水温度升高后再次返回水冷冷水机组，在冷水机组蒸发器内被冷却降温，在冷冻水循环泵组加压作用下返回换热器，实现连续供冷。同时冷却水循环泵组将冷却水输送至水冷冷水机组的冷凝器，吸收制冷冷凝热温度升高，再输送至制冷散热装置，及时将冷凝热排走，确保制冷机组连续制冷运行；其中，冷却水循环泵组经水冷冷水机组、低压冷冻水循环泵组与耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器内低压侧“u”型换热管相连。
10.所叙述的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器由换热器壳体、换热器盘管和换热器端盖组成。换热器壳体内设有换热器盘管，且换热器壳体右端设有换热管壳端头法兰，“u”型换热管端板、换热管壳端头法兰与换热器端盖固定连接；换热器盘管由“u”型换热管、换热器壳体内横流折流挡板、壳体内纵向水平分割挡板、“u”型换热管端板组成，壳体内纵向水平分割挡板将换热器壳体内横流折流挡板分隔成两部分，“u”型换热管穿过换热器壳体内横流折流挡板，且与“u”型换热管端板相连接；其中换热器壳体内横流折流挡板起到纵向水流折流；壳体内纵向水平分割挡板起到换热壳体内煤层注水冷水的上下分流、延长水流流程、增强冷量交换的效果。
11.所叙述的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其循环式注水封孔装置包括进出水管阀门、封孔装置进水管、封孔器、煤层冷却降温注水冷水输水软管、煤层冷却降温注水冷水回水软管、封孔装置冷水回水接口管、封孔装置冷水供水接口管、膨胀封孔及煤层注水进水管、进水管短管、冷水回水接口管软管连接波纹管、注水管膨胀封孔进水孔、封孔装置冷水供水接口管软管连接波纹管。一进出水管阀门通过进水管短管、封孔装置进水
管与封孔装置冷水供水接口管相连，冷水供水接口管上设有注水管膨胀封孔进水孔，封孔装置冷水供水接口管通过封孔装置冷水供水接口管软管连接波纹管连接有冷水输水软管，封孔装置冷水供水接口管套设在膨胀封孔及煤层注水进水管内，膨胀封孔及煤层注水进水管外周设有与注水管膨胀封孔进水孔相对应的封孔器，冷水回水软管通过冷水回水接口管软管连接波纹管与封孔装置冷水回水接口管连接，且封孔装置冷水回水接口管套设在封孔装置冷水供水接口管内，封孔装置冷水回水接口管左端与另一进出水管阀门相连；其中，不需要拆卸与组装的部件之间采用焊接连接；需要拆卸部件连接采用高强度法兰连接。
12.所叙述的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其煤层注水补水的原水储存在补水水箱，补水水箱右侧上部的出水管经加压补水高压泵组加压补入换热器，补充煤层注水与冷却降温消耗的冷水，同时具有稳定煤层注水压力的作用；补水水箱右侧下部的出水管经冷冻水循环系统补水定压泵组后补入水冷冷水机组与换热器之间循环冷冻水系统，为冷冻水循环系统补水定压。
13.所叙述的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其中：其他冷源提供的冷水进入换热器，冷水在换热器低压侧“u”型换热管内，与换热管外侧、换热筒体内高压煤层注水进行冷量交换，低压侧的冷水温度升高后再次返回其他冷源，实现利用其它可用煤层注水冷却冷源连续供冷。
14.所叙述的一种高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统，其降温设备布置在井下巷道或硐室内，注水孔平行布置在工作面前方的煤体正常压力带内。
15.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
16.井下换热器冷却后的冷水经冷却降温注水循环泵组加压后流入注水孔内，在高压水静水压力作用下，钻孔内的冷水和渗透到煤层孔隙中冷水直接为煤层冷却降温，同时半循环冷水持续为煤层冷却提供连续冷量，冷量利用效率高，煤层注水冷却降温效果显著。
17.冷却降温注水回水总管中的水不可避免地含有一些泥沙，煤层冷却降温注水回水过滤器组件降低了水携带泥沙的含量、耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器便于清污维护与保养及维修，防止脏污堵塞与影响冷量交换，保证换热器换热效率，也有利于增加设备的使用寿命和运行安全。
18.煤层注水冷却降温结合了煤层注水与矿井降温系统各自优点，同时具有注水防尘和矿井降温双重作用，有效降简化了采掘工作面系统设备，降低了初期投资。
附图说明
19.图1为本发明所述的高地温深井煤层注水冷却矿井降温系统原理图。
20.图2为本发明所述的冷水循环输冷煤层注水冷却注水管及接管原理图。
21.图3为本发明所述的冷水循环输冷煤层注水冷却注水管接管结构拆解图。
22.图4为本发明所述的换热器平面图。
23.图5为本发明所述的换热器正立面图。
24.图6为本发明所述的换热器组装结构图。
25.图7为本发明所述的换热器1-1断面图。
26.图8为本发明所述的换热器2-2断面图。
27.图9为本发明所述的换热器3-3断面图。
28.图10为本发明所述的换热器4-4断面图。
29.图11为本发明所述的换热器内高压侧水流折流板布置示意图。
30.图中：1、(耐高压可清污煤层注水冷水冷却)换热器，2、循环式注水封孔装置，3、水冷冷水机组，4、低压冷冻水循环泵组，5、冷却水循环泵组，6、煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组，7、煤层冷却降温注水供水总管，8、封孔装置进水管，9、封孔器，10、注水孔，11、冷水输水软管，12、冷水回水软管，13、冷水回水接口管， 14、冷却降温注水回水总管，15、煤层冷却降温注水回水过滤器组件， 16、加压补水高压泵组，17、补水水箱，18、冷冻水循环系统补水定压泵组，19、进出水管阀门，20、封孔装置冷水供水接口管，21、膨胀封孔及煤层注水进水管，22、进水管短管，23、冷水回水接口管软管连接波纹管，24、注水管膨胀封孔进水孔，25、封孔装置冷水供水接口管软管连接波纹管，26、法兰，27、换热器壳体，28、“u”型换热管，29、换热器端盖，30、换热器壳体内横流折流挡板，31、壳体内纵向水平分割挡板，32、端盖内折流板，33、“u”型换热管端板，34、换热管壳端头法兰，35、端盖法兰板，36、冷冻水进水管口， 37、冷冻水出水管口，38、循环水回水管接口，39、循环水供水管接口，40、换热器注水侧放气阀接口，41、换热器注水侧安全阀接口， 42、换热器注水侧压力表接口，43、换热器注水侧泄水阀接口。
具体实施方式
31.为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图1～11对本发明的制冷工艺流程、煤层冷却注水降温工艺流程、换热器1、循环式注水封孔装置2等做进一步说明。
32.水冷冷水机组的制冷工艺流程如图1所示，水冷冷水机组冷却水循环泵组5将冷却供水输送至水冷冷水机组3冷凝器实现制冷冷凝热散热。水冷冷水机组3制取的冷水经过低压冷冻水循环泵组4加压进入耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器1，冷水在换热器低压侧“u”型换热管28内，与换热管外侧、换热筒体内高压煤层注水冷量交换，低压侧的冷水温度升高，再次返回水冷冷水机组3，在冷水机组蒸发器内被冷却降温，在低温冷冻水循环泵组加压作用下返回换热器，实现连续供冷。
33.煤层注水冷却工艺流程如图1、2、3所示：自煤层冷却降温注水管返回的水进入耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器1壳体内的“u”型换热管外侧流动，被冷却降温后自煤层冷却降温注水供水总管7流出，经煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组6加压后，煤层冷却降温注水进入循环式注水封孔装置2的封孔装置进水管8。一部分冷却水经注水管膨胀封孔进水孔24进入封孔器9，起到封孔固定注水管作用；其余部分进入注水孔10，起到润湿煤体和冷却煤体的作用。另一部分水没有经过进水孔24，而直接进入冷水输水软管11 流至注水孔10末端，起到对注水孔10内煤层注水冷水冷却降温和补充煤层注水消耗的冷水作用。从冷水回水软管12溢出的水返回封孔装置冷水回水接口管13，并与其他煤层冷却降温注水回水汇合进入冷却降温注水回水总管14，再经过煤层冷却降温注水回水过滤器组件15对回水进行过滤，避免注水孔回水带回的泥沙进入耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器1，过滤后温度较高的回水再进入耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器1后被冷却降低温度，再次被煤层冷却降温注水高压冷水半循环泵组6加压输送至煤层冷却降温注水孔 10满足煤层注水与降温冷却。
34.耐高压可清污煤层注水冷水冷却换热器1如图4至图11所示，由换热器壳体27、换
热盘管和换热器端盖29组成。其中换热器盘管由壳体内纵向水平分割挡板31、“u”型换热管28、换热器壳体内横流折流挡板30、“u”型换热管端板33组成；换热器端盖上预留冷冻水进水管口36，冷冻水出水管口37；换热器壳体27预留换热器注水侧放气阀接口40，换热器注水侧安全阀接口41，换热器注水侧压力表接口42，换热器注水侧泄水阀接口43，并用“u”型换热管端板 33和换热管壳端头法兰34与换热器盘管和换热器端盖29固定。当换热器需要清污、清洗时，拆下换热器端盖29、拉开端板和“u”换热管及折流挡板组合体，即可对壳体内侧和盘管等进行清洗，如图6。
35.以上显示和描述了本发明的降温系统组成，制冷工艺流程，注水冷却降温工艺流程、系统特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。