中國熱害礦井分布及其成因探討

奚趙懷

(陜西蒲白南橋煤業(yè)公司，陜西 白水 715607)

煤炭資源在我國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，2013年上半年全國煤炭產(chǎn)量達(dá)到17.9億t，與同期相比雖略有下降，但依然具有較高的需求量。隨著中國井工開采深度的不斷增加，礦井溫度不斷升高，熱害日益嚴(yán)重，影響了正常的采礦活動。而根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過30℃，機電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過34℃［1］。相關(guān)調(diào)查表明，在我國高溫礦井中，一般勞動生產(chǎn)率較低，工人的判斷力和反應(yīng)速度明顯下降，增加了發(fā)生事故的危險［2］。因此，研究中國熱害礦井的分布規(guī)律及成因具有十分重要的意義。

1 中國熱害礦井的分布規(guī)律

中國1000 m深的高地溫礦井主要分布在東部的黑龍江鶴崗至安徽淮北以及西部的四川攀枝花，呈北北東向展布;其余地區(qū)表現(xiàn)為局部個別地區(qū)高地溫異常。這一區(qū)域的黑龍江省的鶴崗礦區(qū)、佳木斯礦區(qū)、雙鴨山礦區(qū)、雞西礦區(qū)、七臺河礦區(qū)，河北省的開灤礦區(qū)、邢臺礦區(qū)、邯鄲礦區(qū)，江蘇省的徐州礦區(qū)，安徽省的淮南礦區(qū)，河南省的平頂山礦區(qū)均表現(xiàn)為高地溫異常顯著。中部的最高地溫出現(xiàn)在四川盆地的中南部、南寧及百色盆地、南盤江盆地的部分地區(qū)，其1000 m深地溫可達(dá)50℃以上。所以，四川的攀枝花煤田為高地溫異常顯著。中國西部的柴達(dá)木盆地以及河西走廊地區(qū)局部可達(dá)45℃以上;而在塔里木盆地、準(zhǔn)格爾盆地的地溫則偏低。

在中國東部的松遼盆地、下遼河盆地、華北盆地、蘇北盆地、洞庭盆地、鄱陽盆地、南陽盆地等以及東南沿海的浙、贛、閩、粵等地區(qū)2000 m深的地溫均較高。中部地區(qū)普遍較東部地區(qū)較低，2000 m深地溫梯度總體表現(xiàn)為小于7.0℃ /100 m。西部地區(qū)包括甘肅西部、青海、西藏、新疆等省區(qū)，其2000 m深地溫分布較東部有著較大的差異，地溫一般比東部偏低。由于埋深的增加，致使2000 m深地溫梯度均明顯大于3.5/100 m，所以2000 m深的煤層均為高地溫異常。但是中國從東部向西部，地溫逐漸降低見表1。

表1 中國東、中、西部地溫特征表

綜上所述，中國的熱害礦井主要分布在東部的黑龍江省、遼寧省、河北省、江蘇省、安徽省以及河南省的局部地區(qū)。隨著開采深部的不斷增加，大部分井工礦也逐漸出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象。如蒲白礦業(yè)的南橋礦一水平工作面溫度平均25℃，二水平溫度明顯增加，對正常的生產(chǎn)活動造成一定的影響。

2 礦井熱害的成因

一個地區(qū)礦井的溫度由該區(qū)的地溫場決定，地溫場特征是該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與長期地質(zhì)演化的反映［3］，與該區(qū)的巖性、構(gòu)造特征、巖漿活動以及地下水的活動情況等密切相關(guān)，采礦活動等人為因素對局部地溫場的影響也是不可忽略的。

據(jù)研究，巖石的結(jié)構(gòu)特征和成分是影響巖石熱導(dǎo)率的主導(dǎo)因素，見表2。在致密砂巖中，礦物的性質(zhì)對熱導(dǎo)率起主要控制作用，巖石的裂隙發(fā)育程度對其也有顯著地影響。在空隙發(fā)育的巖石中，孔隙率、空隙的大小、連通性、含水量等特性，對巖石熱導(dǎo)率有較大地影響。在同一地層中，熱導(dǎo)率越高的巖層地溫場溫度越低，熱導(dǎo)率越低的巖層地溫場越高，礦井越易出現(xiàn)熱害。在沉積巖中，煤的熱導(dǎo)率最小，往往在煤層較厚或薄而集中的層段中，可以看到該段地層的地溫和地溫梯度突然變化。一些熱害礦區(qū)通常發(fā)育有較厚的熱導(dǎo)率較低的蓋層，就是因為熱導(dǎo)率低的蓋層起隔熱保溫作用。

表2 各類巖石單位體積的放熱量計算表

構(gòu)造運動使地殼變形，發(fā)生褶皺和斷裂，形成隆起和坳陷、背斜和向斜等各種規(guī)模不等的正向構(gòu)造和負(fù)向構(gòu)造［4］，致使地殼中巖層的導(dǎo)熱率不僅在垂向上發(fā)生變化，而且在水平方向上也有變化。在這種情況下，地溫場是兩維或三維的，使地溫變化更為復(fù)雜。在一定深度范圍內(nèi)，基底隆起區(qū)比相鄰坳陷區(qū)、背斜部位比相鄰向斜部位的地溫高，地溫梯度大，主要是與巖石的熱導(dǎo)率及其各向異性有關(guān)?；茁∑饏^(qū)的古老巖系較相鄰坳陷區(qū)的沉積蓋層巖性致密，熱導(dǎo)率高，熱流向熱阻較小的隆起區(qū)集中，致使來自深部的均勻熱流出現(xiàn)再分配現(xiàn)象，所以隆起區(qū)內(nèi)熱流值、地溫和地溫梯度要比坳陷區(qū)高見如圖1。中國東部發(fā)育的NNE的郯廬斷裂帶是一個活動劇烈的大斷裂，在斷裂帶兩側(cè)發(fā)育了一系列中、新生代的聚煤盆地。郯廬斷裂帶北部的雙鴨山礦區(qū)地溫梯度達(dá)3.6℃ /100 m，遼源礦區(qū)達(dá)3.4℃ /100 m，撫順礦區(qū)也達(dá)到了3.0℃/100 m，這些煤田均為地塹式的斷陷盆地，為熱量的存儲提供了場所。

巖漿巖對礦井熱害影響的主要控制因素是:

1)巖漿活動的地質(zhì)年代。巖漿活動距現(xiàn)今越近，其周圍巖層所保留的熱量就越多;

圖1 涿縣―鹽山一線地溫與基巖起伏關(guān)系圖

2)侵入巖的發(fā)育狀態(tài)以及圍巖產(chǎn)狀和熱力學(xué)性質(zhì)，控制著巖漿巖的冷卻速度。相關(guān)研究表明，第四紀(jì)以前侵入的巖漿巖一般難以對地溫場有較大的影響，即較難形成熱害的熱源，因為其已經(jīng)歷了長時間的降溫冷卻，與周圍圍巖達(dá)到了熱平衡。

礦井水對礦井熱害具有重要的控制作用，其易流動、比熱大，是良好的熱量載體及賦存場所。在構(gòu)造極為發(fā)育的區(qū)域，深部的熱水順構(gòu)造上涌，將熱量帶出。如開灤的錢家營礦深部的奧灰熱水和淺部的煤系地層水存在一定程度的溝通，奧灰熱水沿井田內(nèi)的深大斷裂上涌進(jìn)入煤系地層，造成巷道和工作面溫度偏高。其次，在某些地區(qū)存在傾伏角度較大的褶曲，礦井水在運移過程中，順地層進(jìn)入深部區(qū)域，被深部熱源加熱，從而成為載體，將深部熱量帶入淺部區(qū)域，形成井田局部的熱害。在我國的金屬礦山采掘過程中，發(fā)現(xiàn)了較多的深循環(huán)型熱水，構(gòu)成了礦井熱害的主要熱源。因此，沿構(gòu)造上涌的深部熱水和深循環(huán)熱水均是礦井熱害的主要熱源。河南省滎鞏煤田三李礦區(qū)存在低溫?zé)崴?，主要熱水點均沿三李斷層一線分布，三李斷層為該區(qū)熱水上升的主要通道。

在采礦工程活動中影響礦井溫度的主要因素有:

1)機電設(shè)備放熱。隨著機械化程度地提高，有些大型機械化回采工作面的裝機容量已經(jīng)達(dá)到2000 kW，掘進(jìn)工作面也達(dá)到了1200 kW。一般來說，機電設(shè)備線路上的電能不會全部做有用功，絕大部分將轉(zhuǎn)換為熱能，逸散到巷道中，使得礦井的溫度有一定程度地升高。

2)氧化放熱。當(dāng)煤中含硫量較高時，在開采及運輸過程中，其氧化放熱可能達(dá)到一定程度后使得井巷溫度升高，一般是屬于短暫的現(xiàn)象，但對礦井溫度升高有一定程度地影響。

3 結(jié)論

中國熱害礦井主要分布在東部地區(qū)以及西部的四川等局部地區(qū)，從東至西礦井地溫逐漸降低。隨著開采深度的不斷增加，大部分礦井雖未出現(xiàn)熱害，但巷道的溫度都出現(xiàn)了一定程度地升高，阻礙了安全高效地采掘活動。熱害主要由該地區(qū)巖層的地球化學(xué)成分和導(dǎo)熱性、構(gòu)造特征、巖漿活動時間的長短和規(guī)模的大小、地下水活動情況以及采礦設(shè)備的溫度等因素單獨或共同作用的結(jié)果。因此，預(yù)防礦井熱害將是我國煤礦企業(yè)今后面臨的又一新的課題。

［1］趙加才，劉永先，劉干光.張小樓千米深井熱害調(diào)查及治理研究［J］.能源技術(shù)與管理，2008(5):23－25.

［2］曲 瑋，宋愛華，張海東，等.礦井熱害治理防護(hù)措施的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2009，26(6):589－592.

［3］林向芳.礦山地溫場的形成和地溫分布規(guī)律［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2011(227):62－63.

［4］王世東，虎維岳，張文忠.深部裂隙巖體溫度場及其控制因素［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2010，41(5):613－615，618.