張莊鐵礦地溫監(jiān)測(cè)技術(shù)及地溫分布規(guī)律研究*

蔣勝文 郭子源 彭 東 王 鵬

(中冶北方工程技術(shù)有限公司)

張莊鐵礦地溫監(jiān)測(cè)技術(shù)及地溫分布規(guī)律研究*

蔣勝文 郭子源 彭 東 王 鵬

(中冶北方工程技術(shù)有限公司)

地溫場(chǎng)是礦井熱環(huán)境的主要影響因素。采用熱電偶地溫監(jiān)測(cè)技術(shù)，從垂直和水平兩個(gè)方向進(jìn)行地溫監(jiān)測(cè)，得到該礦垂直平均地溫梯度為2.8 ℃/100 m，-480 m水平以上地溫梯度為0.98 ℃/100 m，-480 m水平以下，地溫梯度為5.08 ℃/100 m；水平地溫梯度由南向北分為3個(gè)區(qū)域，分別為1.5，0.1和1.8 ℃/100 m，溫度由南向北逐漸增高；調(diào)熱圈厚度為20 m。利用VENTSIM軟件建立了地溫分布模型，得出該礦地溫分布規(guī)律，為通風(fēng)解算奠定了基礎(chǔ)。

地溫監(jiān)測(cè) 地溫梯度 調(diào)熱圈 VENTSIM軟件

目前我國(guó)大部分礦山進(jìn)入深部開采，礦井地溫升高，部分礦山出現(xiàn)井下熱害，不僅阻礙了礦井生產(chǎn)效率，而且直接危害礦工身心健康。礦井原始地溫是礦井熱源分析、井下風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)、制定礦井降溫措施和礦井降溫設(shè)計(jì)的依據(jù)，原始地溫的測(cè)定是礦井熱害防治中的重要工作[1]。針對(duì)張莊鐵礦地溫異常特點(diǎn)，通過熱電偶地溫監(jiān)測(cè)技術(shù)，分別對(duì)礦山垂直地溫梯度，水平地溫梯度及調(diào)熱圈深度進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，得到張莊鐵礦地溫場(chǎng)分布規(guī)律。通過VENTSIM軟件建立了該礦地溫分布模型，為下步通風(fēng)解算做好了準(zhǔn)備。

1 工程概況

張莊鐵礦位于霍邱縣城西北31 km，地處周集鎮(zhèn)和馮井鎮(zhèn)之間，北距淮河10 km、阜陽45 km。設(shè)計(jì)采礦階段高度60 m，階段采用集中運(yùn)輸，兩個(gè)采礦階段組成一個(gè)運(yùn)輸階段，運(yùn)輸階段高120 m。一期工程劃分為4個(gè)采礦階段，階段水平為-270，-330，-390，-450 m。在采礦階段以下30 m為運(yùn)輸階段，即-360，-480 m。首采階段為-450 m，階段內(nèi)采用上向開采順序。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，張莊礦床地溫和地溫梯度值偏高，南北地溫差較大，礦床地溫由南向北遞增，又因所在深度不同，遞增幅度有異，總的趨勢(shì)隨深度的增深，南北溫差加大，地溫梯度同樣由南向北逐漸增高。

為全面掌握張莊鐵礦的地?zé)釥顩r，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)的降溫作用，必須對(duì)該礦圍巖熱物理性質(zhì)及地溫場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)地測(cè)定和分析，根據(jù)測(cè)定參數(shù)對(duì)不同情況下的溫濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通風(fēng)降溫治理方案[2-3]，開展井下熱害的有效治理。

2 張莊鐵礦地溫監(jiān)測(cè)

測(cè)試內(nèi)容主要包括：豎直地溫梯度測(cè)定、水平地溫梯度測(cè)定、典型巖石熱物理性質(zhì)測(cè)定及調(diào)熱圈深度測(cè)定[4]。

2.1 測(cè)量設(shè)備

原始巖溫測(cè)量選用金達(dá)通6801Ⅱ型溫度表，井下巷道內(nèi)風(fēng)流速度和溫度測(cè)量使用熱線式風(fēng)速儀，煤油溫度計(jì)輔助測(cè)溫設(shè)備，如圖1～圖3所示。

圖1 金達(dá)通6801Ⅱ型溫度表

圖2 熱線式風(fēng)速儀

圖3 溫度計(jì)

2.2 地溫梯度測(cè)定

地溫梯度是衡量礦山熱害的重要指標(biāo)，是預(yù)測(cè)礦山熱害、指導(dǎo)降溫工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]，通過測(cè)定不同水平原巖溫度計(jì)算，得出礦山地溫梯度。測(cè)點(diǎn)布置要求及測(cè)定方法為：①根據(jù)張莊鐵礦實(shí)際情況，選取了6個(gè)中段布置地溫探孔，分別是-390，-450，-480，-540，-600，-660 m；②鉆孔要求干燥或無流動(dòng)水，測(cè)孔深度不少于20 m，探孔底部應(yīng)遠(yuǎn)離其他可能影響到巖溫的豎井、空區(qū)、硐室等構(gòu)筑物；③將熱電偶導(dǎo)線放入孔內(nèi)至少深20 m處，用泥漿封口；④24 h后使用金達(dá)通6801Ⅱ型溫度表讀取探孔數(shù)據(jù)。

2.3 水平地溫分布測(cè)定

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)，該礦床地溫南北差異較大，由南向北呈遞增變化。為掌握地溫在水平方向的分布規(guī)律，有針對(duì)性地采取差異化的降溫措施，需進(jìn)行地溫水平分布測(cè)定。在-450 m水平南北方向均勻分布5個(gè)鉆孔，測(cè)量位置分別位于6#穿脈、4#穿脈、1#副井石門、南進(jìn)風(fēng)井石門、7#穿脈和13#穿脈附近，如圖4所示。

圖4 -450 m水平測(cè)溫孔布置

2.4 巷道圍巖調(diào)熱圈測(cè)定

調(diào)熱圈深度反應(yīng)了通風(fēng)風(fēng)流對(duì)巷道圍巖溫度的影響程度，也反應(yīng)不同類型圍巖的導(dǎo)熱性質(zhì)[6]。

巷道圍巖調(diào)熱圈測(cè)定原理：在一定范圍內(nèi)巖性比較均質(zhì)的條件下，同一水平深度上原始地溫一致。當(dāng)深度超過調(diào)熱圈最大半徑之后，巖溫將保持恒定，此恒定溫度即該處圍巖的原巖溫度[7]。測(cè)定方法如下：將測(cè)溫探頭放入測(cè)孔內(nèi)距孔口4 m處，將測(cè)孔口用泥封閉，24 h后讀取溫度，然后逐點(diǎn)由外向里移動(dòng)，每4 m進(jìn)行一次測(cè)溫，直到溫度不再升高，該處溫度即為原始巖溫，該處孔深即為調(diào)熱圈深度[8]。

3 測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 豎直地溫梯度測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

采用熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)化中會(huì)有一定的誤差，因此，需要對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)[9]。校準(zhǔn)方法是：將熱電偶和溫度計(jì)同時(shí)放到恒溫箱里，調(diào)節(jié)恒溫箱到不同溫度，待示數(shù)穩(wěn)定后，同時(shí)記錄熱電偶和溫度計(jì)示數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。擬合關(guān)系見圖5。

表1 熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù) ℃

標(biāo)準(zhǔn)溫度102030405060熱電偶示數(shù)10.220.330.139.950.259.7

圖5 熱電偶示數(shù)與溫度的關(guān)系

從如圖5可以看出，熱電偶示數(shù)與實(shí)際溫度呈線性關(guān)系，用最小二乘法得到擬合曲線，進(jìn)而得到線性方程式。對(duì)張莊鐵礦地溫測(cè)試數(shù)據(jù)按上式修正，修正后數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 地溫測(cè)量數(shù)據(jù)修正

通過表2中的地溫?cái)?shù)據(jù)得到礦山原巖溫度與距地表距離的散點(diǎn)圖，利用Excel得到擬合曲線及線性方程，曲線斜率即為礦山平均地溫梯度，如圖6所示。

圖6 原巖溫度與深度關(guān)系曲線

由圖6可知，礦山平均地溫梯度為2.82 ℃/100m，原巖溫度隨深度的增加而增大，距地表510m(-480m標(biāo)高)以上增幅較小，550m以下增幅明顯增大，分別對(duì)距地表510m以上和510m以下原巖溫度與深度進(jìn)行線性擬合，得到距地表510m以上地溫梯度為0.98 ℃/100m，510m以下地溫梯度為5.08 ℃/100m。

3.2 水平地溫梯度測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

以6#測(cè)溫點(diǎn)為基點(diǎn)，各測(cè)溫點(diǎn)據(jù)基點(diǎn)距離及地溫測(cè)量結(jié)果如表3所示,各測(cè)溫點(diǎn)溫度與基點(diǎn)距離關(guān)系曲線如圖7所示。

表3 各測(cè)溫點(diǎn)距基點(diǎn)距離及測(cè)溫結(jié)果

圖7 原巖溫度與基點(diǎn)距離關(guān)系曲線

由圖7可知，原巖溫度由南向北逐漸增高，曲線斜率即為水平地溫梯度，大概分為3個(gè)區(qū)域，由6#穿脈到4#穿脈水平地溫梯度為1.5 ℃/100m，4#穿脈到7#穿脈水平地溫梯度為0.1 ℃/100m，溫度變化較小;7#穿脈以北溫度增高較快，水平地溫梯度為1.8 ℃/100m。

3.3 調(diào)熱圈厚度測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

張莊鐵礦各水平巷道圍巖通風(fēng)調(diào)熱圈測(cè)定結(jié)果見表4。對(duì)表4進(jìn)行處理，得測(cè)孔溫度與巷道壁距離關(guān)系曲線如圖8所示。

表4 通風(fēng)冷卻深度數(shù)據(jù)記錄

由圖8可知，各水平測(cè)溫孔溫度隨著與孔口距離的增加，溫度越來越高，變化越來越平緩，距巷道壁20m處熱電偶的示數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明此處溫度可認(rèn)為是原巖溫度。因此，通風(fēng)冷卻深度為20m左右，即調(diào)熱圈厚度為20m。

4 張莊鐵礦地溫場(chǎng)模型建立

將測(cè)得的地溫?cái)?shù)據(jù)和地溫梯度輸入到已建好的張莊鐵礦三維通風(fēng)仿真模型[10]，得到了該礦原巖地溫場(chǎng)，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著深度的增加，地溫不斷升高，-660m水平最高溫度達(dá)39.8 ℃。地溫水平分布由南向北逐漸增高，-480m水平北端最高溫度達(dá)44.8 ℃。

圖8 測(cè)孔溫度與測(cè)孔深度的關(guān)系曲線

圖9 張莊鐵礦地溫場(chǎng)模型

5 結(jié) 論

(1)張莊鐵礦平均垂直地溫梯度為2.82 ℃/100m，以-480m水平為分界點(diǎn)，-480m水平以上增幅較小，地溫梯度為0.98 ℃/100m，-480m水平以下增幅明顯增大，地溫梯度為5.08 ℃/100m。

(2)張莊鐵礦水平地溫分布整體趨勢(shì)為南低北高，根據(jù)地溫梯度的大小可分為3個(gè)主要區(qū)域，即4#穿脈以南為1.5 ℃/100m，4#穿脈到7#穿脈為0.1 ℃/100m，溫度變化較小，7#穿脈以北為1.8 ℃/100m，溫度增高最快。

(3)通過電熱偶可以快速、準(zhǔn)確測(cè)量礦體原巖溫度，張莊鐵礦巷道通風(fēng)冷卻深度為20m左右。

(4)通過VENTSIM三維通風(fēng)仿真模擬軟件，可建立較為準(zhǔn)確的張莊鐵礦地溫場(chǎng)分布，為通風(fēng)解算奠定了基礎(chǔ)。

(5)本文介紹的新建礦山地溫測(cè)量方法及地溫梯度計(jì)算方法，可為類似礦山地溫場(chǎng)建立提供參考。

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Research of Ground Temperature Monitoring Technology and Ground Temperature Distribution Regularity in Zhangzhuang Iron Ore

Jiang Shengwen GuoZiyuan Peng Dong Wang Peng

(North Engineering and Technology Corporation,MCC)

Geothermal field is the main factors which influences the mine thermal environment. Vertical direction and horizontal direction ground temperature are monitored by the thermocouple temperature monitoring technology, vertical direction geothermal gradient is 2.8 ℃/100 m, geothermal gradient is small above 480 m level, and the geothermal gradient is 0.98 ℃/100 m, while below 480 m level, the geothermal gradient is 5.08 ℃/100 m. The horizontal direction geothermal gradient is divided into three regions from south to north of the mining area, they are 1.5, 0.1 and 1.8 ℃/100 m respectively and the temperature increased gradually from the south to the north, the thickness of the adjustable hot laps is 20 m. The ground temperature distribution model is established based on VENTSIM software, so, it can lay the foundation for ventilation calculating.

Ground temperature monitoring, Geothermal gradient, Adjustable hot laps, VENTSIM

2015-04-10)

*中國(guó)中冶“三五”重大科技專項(xiàng)(編號(hào)：0012012009)。

蔣勝文(1968—)，男，高級(jí)工程師，116622 遼寧省大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)同匯路16號(hào)。