朱集煤礦地溫參數(shù)測(cè)定及規(guī)律分析

胡金濤

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001)

地溫資料顯示，深度每延伸100m，地溫平均上升1.8～4.4℃。目前國有重點(diǎn)煤礦開采平均深度達(dá)到了730m，平均圍巖溫度也將達(dá)到38.6℃?！睹禾抠Y源地質(zhì)勘探地溫測(cè)量若干規(guī)定》指出:原始巖溫高于31℃的地區(qū)為一級(jí)熱害區(qū)，原始巖溫高于37℃ 的地區(qū)為二級(jí)熱害區(qū)。由此可見，大部分礦井都將進(jìn)入二級(jí)熱害區(qū)［1］。

在井下高溫濕熱環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間的工作，工人會(huì)發(fā)生中暑、熱虛脫等疾病，同時(shí)還會(huì)引起某些機(jī)能障礙，導(dǎo)致井下事故率增加，勞動(dòng)生產(chǎn)率下降。因此改善井下作業(yè)環(huán)境，控制井下溫度是保障工人身體健康，防止事故發(fā)生的重要因素。對(duì)地溫參數(shù)的測(cè)定，可以有效地分析出地溫分布的規(guī)律，對(duì)采取切實(shí)可行的降溫措施有重要的借鑒意義。

1 礦井地質(zhì)及氣象概況

朱集煤礦所在地屬于季風(fēng)暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，冬冷夏熱。該地區(qū)年均氣溫15.1℃，兩極氣溫分別為41.1℃和－21.7℃。井田位于淮南煤田東北部，淮南復(fù)向斜的次級(jí)褶皺朱集－唐集背斜及尚塘－耿村集向斜的東段，井田總體構(gòu)造形態(tài)為一背、向斜，北部為朱集－唐集背斜，其南翼與潘集背斜北翼構(gòu)成較寬緩向斜，沿軸向有所起伏，如圖1所示。

圖1 淮南煤田構(gòu)造

2 參數(shù)測(cè)定

2.1 測(cè)溫儀器的選擇

礦井原巖溫度一般不超過100℃，測(cè)溫范圍較小，并且受礦井井下條件的限制，選用傳感器時(shí)要求具有較好的防爆隔爆的安全性、抗?jié)裥耘c抗氧化－還原性，以及很好的精度與穩(wěn)定性。為了滿足以上要求又適合井下測(cè)量，能最精確地測(cè)出礦井的原巖溫度真實(shí)數(shù)據(jù)的條件，選用WZPK－1496型Pt熱電阻，配套使用礦用隔爆兼本安型自耦減壓真空電磁啟動(dòng)器，外接220V交流電源，滿足測(cè)量的精度與穩(wěn)定性。

2.2 測(cè)溫地點(diǎn)的選擇

測(cè)溫得到的數(shù)據(jù)結(jié)果只代表測(cè)溫地點(diǎn)及其附近的情況，如果要全面了解開采區(qū)域的地溫情況，測(cè)溫鉆孔必須覆蓋主要開采區(qū)域。測(cè)溫地點(diǎn)要求通風(fēng)良好，井下機(jī)電運(yùn)輸不影響鉆機(jī)施工和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫。巷道圍巖地質(zhì)條件良好，巖石層厚、巖性均一。鉆孔應(yīng)避開斷層、含水層、陷落柱等地質(zhì)發(fā)育區(qū)域。巷道頂?shù)装鍫顩r良好，無冒頂片幫等安全隱患。鉆場(chǎng)周圍60m范圍內(nèi)不要有其他通風(fēng)時(shí)間大于2a的巷道或硐室。

為了測(cè)定巷道原巖溫度，找出溫度梯度，使所測(cè)數(shù)據(jù)更具有代表性，本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的鉆孔布置在不同標(biāo)高的地點(diǎn)，幾乎覆蓋所有巖石巷道。共擬定了10個(gè)測(cè)溫鉆孔，分布在8個(gè)測(cè)溫地點(diǎn)。具體情況見表1。

表1 朱集礦深孔法測(cè)溫鉆孔位置

2.3 測(cè)溫鉆孔的施工

2.3.1 鉆孔參數(shù)

鉆孔直徑:110～130mm;鉆孔角度:為了便于水泥砂漿封孔，水平孔水平設(shè)計(jì)2°的仰角，方位角為0°;鉆孔深度:初始測(cè)調(diào)熱圈鉆孔深度為40.5m，以后鉆孔深度可根據(jù)調(diào)熱圈大小另行調(diào)整。

2.3.2 鉆孔施工

在所選擇的測(cè)溫地點(diǎn)正常開鉆，并在1號(hào)位置水平孔5m位置處起鉆取出1m巖芯，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)后繼續(xù)打鉆至設(shè)計(jì)深度。打鉆時(shí)，盡量清理干凈孔內(nèi)的礦渣，以確保測(cè)溫工作的順利進(jìn)行。

詳細(xì)記錄鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)際施工參數(shù)，終孔孔深，孔內(nèi)見煤巖情況，開孔人，終孔人及驗(yàn)收人等內(nèi)容。

2.3.3 傳感器安裝

待鉆孔打好并經(jīng)清洗后，即可向鉆孔中輸送測(cè)溫傳感器。

設(shè)計(jì)前2個(gè)施工的鉆孔兼作測(cè)定調(diào)熱圈寬度。測(cè)溫傳感器的布置位置分別為距孔口40m，35m，30m，25m，20m，15m，10m，5m，2m，如圖2所示。每個(gè)傳感器要在外端用白膠布做標(biāo)記，并用透明膠帶將白膠布密封，以免標(biāo)簽被污染。

測(cè)溫鉆孔采用25mm的PVC管輸送和固定傳感器。PVC管每根長(zhǎng)2m，兩端帶有快速接頭，方便施工。

圖2 水平測(cè)溫鉆孔施工及封孔

待傳感器安裝好后，依次接上測(cè)溫儀，檢查線路是否正常。

2.3.4 封孔

在PVC管送到指定位置后，插入注漿管，聚氨酯封孔1.5m，開始返漿，直至PVC管返漿后停止注漿。然后將PVC管出口用堵節(jié)堵死，之后再注漿2min。注漿壓力2～3MPa，封孔為一次性全部封實(shí)，注水泥漿水灰比為1∶1。

3 數(shù)據(jù)觀測(cè)及分析

原巖溫度的測(cè)量分為2個(gè)步驟:第1步，測(cè)量巷道調(diào)熱圈半徑的大小以及巖體的原巖溫度;第2步，根據(jù)所測(cè)巷道調(diào)熱圈半徑的大小，將傳感器放在深度大于巷道調(diào)熱圈半徑的位置直接測(cè)量原巖溫度。

3.1 調(diào)熱圈半徑的確定

由于隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，靠近巷道的高溫巖體內(nèi)部的溫度不斷降低，并且溫度降低范圍不斷向巖體內(nèi)部延伸，直至達(dá)到新的熱平衡。根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)可知，這個(gè)延伸厚度即為巷道的調(diào)熱圈。

選擇在靠近井底車場(chǎng)位置的－965m軌道大巷(北)和－906m西翼回風(fēng)大巷 (北)，2個(gè)通風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng) (大于3a)的巷道內(nèi)打深度為41m的鉆孔，安裝傳感器封孔測(cè)溫，記錄溫度數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 －965m軌道大巷 (北)原巖溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 －906西翼回風(fēng)大巷 (北)原巖溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 原巖溫度數(shù)據(jù)結(jié)果

從巷道調(diào)熱圈半徑的測(cè)定數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于通風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)的巷道，調(diào)熱圈半徑在26.65～26.84m之間。所以在通風(fēng)時(shí)間較短或者新暴露的巷道中，將傳感器放置深度不小于27m就能測(cè)出巖體的原巖溫度。為此，選擇了另外8個(gè)鉆孔，分布在主采區(qū)域，選擇上向、下向、平方位鉆孔，垂直跨度為155m，以便摸清主采水平原巖溫度值以及溫度分布規(guī)律。測(cè)溫結(jié)果見表4。

表4 朱集煤礦井下原巖溫度實(shí)測(cè)結(jié)果

3.3 測(cè)溫結(jié)果分析

根據(jù)所測(cè)原巖溫度數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知:

(1)朱集煤礦現(xiàn)有開采水平東翼地溫略高于西翼，南盤區(qū)略高于北盤區(qū)，東西兩翼均存在地溫異常區(qū)域，地溫分布規(guī)律基本與煤層底板等高線一致。

(2)所測(cè)原巖溫度標(biāo)高的范圍為:－863～－1018m，原巖溫度在42.4～46.5℃之間，均大于37℃，都處于二級(jí)熱害區(qū)域，絕大部分大于43℃，通風(fēng)不能解決礦井熱害問題，需要用人工降溫的方法來解決井下高溫。

(3)地溫梯度在2.5～7.9℃/hm之間，加權(quán)平均地溫梯度為3.86℃/hm，大于3℃/hm，屬于地溫異常區(qū)。

(4)預(yù)計(jì)－1070m水平原巖溫度在47.8～49.8℃之間，加權(quán)平均為48.52℃。

從表4可知:對(duì)－863～－1018m深的煤系地層大巷圍巖溫度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，得出朱集煤礦－863～－1018m范圍內(nèi)原巖溫度平均地溫梯度為3.75℃/hm，預(yù)測(cè) －1070m水平原巖溫度值為49.08℃，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加權(quán)計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合。根據(jù)計(jì)算，朱集煤礦所采區(qū)域?qū)儆诘販禺惓^(qū)，隨著礦井開采深度的增加，朱集煤礦地溫梯度可能更高，從此段巖溫梯度和原巖溫度測(cè)定結(jié)果看，該礦為高熱害礦井。

4 地溫規(guī)律分析

影響地溫分布規(guī)律的因素主要有地質(zhì)構(gòu)造格局、巖石的熱物理性質(zhì)、巖漿巖的侵入、地下水的活動(dòng)等，采動(dòng)影響也是不可忽略的。

在一般情況下，基底凸起區(qū)域上部具有較高的地溫、地溫梯度，凹陷區(qū)域相對(duì)較低?；鶐r埋深淺，覆蓋層與基巖熱導(dǎo)率相差甚大，于凸起上方形成的高溫異常區(qū)域十分明顯。由于礦井開拓水平較深，朱集煤礦地溫較高，中東部較平緩，受地質(zhì)構(gòu)造影響較小，地溫整體較高，同一水平地溫較一致，異常高溫區(qū)域少。井田西部受朱集－唐集背斜的影響加大，地溫也較東部高，異常高溫區(qū)域多。

朱集礦井煤系地層被厚度介于150.40～394.30m之間的松散層所覆蓋，屬全隱蔽含煤區(qū)。由于第三、第四系松散層導(dǎo)熱性能差，阻礙了地?zé)嵯虻孛娲髿鈧魃ⅲ沟蒙畈繜崃鞣e聚在煤系地層中，從而導(dǎo)致井田地溫梯度較高。同時(shí)，由于受到構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)和新生界松散層厚度變化的影響，不同地溫帶溫度場(chǎng)分布存在一定的差異。朱集礦井恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃;全井田地溫梯度為1.70～3.80℃/hm，一級(jí)高溫區(qū) (＞31℃)一般出現(xiàn)在－564m以下，二級(jí)高溫區(qū) (＞37℃)一水平平均地溫為43.7℃，預(yù)計(jì)－1070m水平平均地溫為48.52℃。礦井地溫較高，地?zé)崾菍?dǎo)致井下氣溫升高的主要因素。

另外，由于斷層構(gòu)造的影響，靠近大斷裂帶的區(qū)域地溫也有異常。區(qū)內(nèi)有42個(gè)孔揭露有巖漿巖，最厚32.78m(15－1孔)，3個(gè)孔僅見天然焦未見巖漿巖。巖漿巖侵入范圍主要集中在本區(qū)中、東部6～17勘查線之間的中、北部地段，在18勘查線及以西地段有零星分布 (3孔)。巖漿侵入時(shí)代應(yīng)屬燕山期，由于地質(zhì)年代較老，對(duì)地溫影響不是很大，但巖漿形成的巖石熱導(dǎo)率較高，對(duì)深部地溫起到很好的溝通作用而引起淺部地溫較高。

總體來看，朱集煤礦地溫等值線與底板等高線走向基本一致，背斜軸部地溫均較高。

5 降溫措施

(1)合理的開拓布置。本礦井采取立井、主要石門、大巷開拓方式，分區(qū)開拓，分區(qū)通風(fēng)，這樣可縮短通風(fēng)路線，減少進(jìn)風(fēng)風(fēng)流在通風(fēng)路徑中的熱增量，以降低工作面風(fēng)流的溫升。

(2)選擇合理的開采方法?；夭晒ぷ髅娌捎米呦蚧騼A向長(zhǎng)壁后退式回采，Y型通風(fēng)，以減少采空區(qū)的散熱量。

(3)合理集中生產(chǎn)。礦井投產(chǎn)時(shí)僅移交2個(gè)綜采工作面，配備5個(gè)掘進(jìn)工作面，盡量減少熱源點(diǎn)，有利于集中使用風(fēng)量，充分發(fā)揮通風(fēng)降溫的作用。

(4)合理增加風(fēng)量。

(5)進(jìn)風(fēng)井筒在通過表土層和基巖含水層時(shí)，采取封堵和注漿等措施，減少井筒淋水，降低風(fēng)流中的含濕量，減小進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的熱焓。

(6)采取煤層注水，煤巖濕式掘進(jìn)，以降低煤巖體溫度。

(7)采空區(qū)進(jìn)行黃泥灌漿充填、及時(shí)封閉等措施，抑制采空區(qū)遺煤氧化放熱［2］。

(8)減少機(jī)械、巖層、熱水及管道散熱以達(dá)到降溫的目的。

(9)采用冷卻服等個(gè)體防護(hù)措施等。

6 結(jié)論

(1)通過在不同標(biāo)高的巖層中布置鉆孔，埋設(shè)測(cè)溫探頭，測(cè)得的原巖溫度標(biāo)高范圍:－863～－1018m，垂直落差155m。原巖溫度在42.4～46.5℃之間，地溫梯度在 (2.5～7.9)℃/hm之間，加權(quán)平均地溫梯度為3.86℃/hm，大于3℃/hm，屬于地溫異常區(qū)。從此段原巖溫度和地溫梯度測(cè)定結(jié)果看，朱集煤礦為典型的高溫?zé)岷ΦV井。

(2)從巷道調(diào)熱圈半徑的測(cè)定數(shù)據(jù)可以得出，對(duì)于通風(fēng)時(shí)間大于3a的巷道，調(diào)熱圈半徑在26.65～26.84m之間。

(3)根據(jù)地溫因素對(duì)朱集煤礦地溫分布規(guī)律進(jìn)行了分析并針對(duì)該礦高溫?zé)岷ν{制定了具體的降溫措施。

［1］楊丁丁，王佰順，張 翔，等.淮南煤田新區(qū)地溫分布規(guī)律分析及熱害防治 ［J］.中國礦業(yè)，2012，7(21):94－96.

［2］楊丁丁.朱集礦熱害特征及其控制效果研究［D］.淮南:安徽理工大學(xué)，2013.

［3］王玉麟.井下移動(dòng)式局部降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.制冷與空調(diào)，2011(6):44－48

［4］吳 盾，孫若愚，劉桂建.淮南朱集井田二疊紀(jì)煤中稀土元素地球化學(xué)特征及其地質(zhì)解釋［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87(8):1158－1166.

［5］楊 梅.淮南煤田 (以朱集礦為例)侵入巖和煤中稀土元素地球化學(xué)特征［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［6］陳功勝.巷道圍巖調(diào)熱圈半徑及溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究［J］.煤炭技術(shù)，2014，33(4):113－115.

［7］馮興隆，陳日輝.國內(nèi)外深井降溫技術(shù)研究和進(jìn)展［J］.云南冶金，2005(5):9－12.

［8］吳章云，曲 方，樊海兵，等.利用淺鉆孔測(cè)定原始地溫的方法 ［J］.煤礦安全，2008，41(8):52－54.

［9］陳龍生.朱集東礦井開拓方式設(shè)計(jì)合理性分析［J］.煤炭工程，2001，43(10):8－9.

［10］王長(zhǎng)彬，李 奇.冰漿礦井降溫系統(tǒng)測(cè)控技術(shù) ［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2013(5):102－104