蒙陜礦區(qū)中深部礦井地溫參數(shù)測(cè)試研究

姚海飛 徐長富 吳海軍 鄭忠亞 孫喜貴王海燕 柴佳美 李艷川

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

蒙陜礦區(qū)中深部礦井地溫參數(shù)測(cè)試研究

姚海飛1,2徐長富1,2吳海軍1,2鄭忠亞1,2孫喜貴1,2王海燕1,2柴佳美1,2李艷川1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對(duì)蒙陜礦區(qū)中深部礦井各可采煤層埋藏深度較大且周邊無礦井地溫參數(shù)借鑒的問題，為對(duì)地溫情況作出合理的評(píng)價(jià)和分級(jí)，通過原巖溫度測(cè)定、礦井氣候參數(shù)觀測(cè)和地面氣候參數(shù)觀測(cè)的方法，對(duì)礦井地溫參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)與分析，繪制地溫分布圖，對(duì)不同情況下的溫度、濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)，更加有效地指導(dǎo)井下熱害的治理工作，以便提出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的降溫方案。

中深部礦井 地溫參數(shù) 原巖溫度 地溫梯度 氣候參數(shù) 蒙陜礦區(qū)

隨著我國煤炭資源需求的日益增加，淺部煤炭資源越來越少，煤炭開采已逐漸進(jìn)入深部開采，隨著開采深度的增加，地溫也隨之升高。葫蘆素井田位于鄂爾多斯市烏審旗東北部，煤層埋深600 m左右，是蒙陜礦區(qū)建設(shè)最早的中深部礦井之一。由于各可采煤層埋藏深度較大且周邊無礦井地溫參數(shù)借鑒，后期開采時(shí)可能存在地?zé)嵛：?，為了?duì)葫蘆素礦井的地溫情況作出合理的評(píng)價(jià)和分級(jí)，為礦井降溫措施的實(shí)施提供技術(shù)支持，需要進(jìn)行礦井地溫參數(shù)測(cè)試與分析。

礦井地溫參數(shù)測(cè)試與分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施部分主要由原巖溫度測(cè)定、礦井氣候參數(shù)觀測(cè)和地面氣候參數(shù)觀測(cè)3部分組成。通過以上測(cè)試項(xiàng)目的實(shí)施，能根據(jù)測(cè)定的參數(shù)對(duì)礦井地溫情況作出評(píng)價(jià)分級(jí)，繪制地溫分布圖，對(duì)不同情況下的溫度、濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)，更加有效地指導(dǎo)井下熱害的治理工作，以便提出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的降溫方案，對(duì)當(dāng)前的礦井熱害治理具有積極的意義。

1 測(cè)試礦井概況

葫蘆素礦井井田位于鄂爾多斯高原的東北部，區(qū)內(nèi)地形總體趨勢(shì)是東南部較高、西北部較低。具有典型的高原堆積型丘陵地貌特征，地表全部被第四系風(fēng)積沙所覆蓋，植被稀疏，為沙漠-半沙漠地區(qū)。區(qū)內(nèi)氣候特征屬于干旱的溫帶高原大陸性沙漠氣候，太陽輻射強(qiáng)烈，日照較豐富，干燥少雨，風(fēng)大沙多，無霜期短。冬季漫長寒冷，夏季炎熱短暫，春季回暖升溫快，秋季氣溫下降顯著。

礦井采用立井開拓，采煤方法為一次采全高長壁綜合機(jī)械化開采，垮落法管理頂板。礦井共布置主井、副井和風(fēng)井3個(gè)井筒。井底沿井田北部邊界東西向分煤層各布置一組大巷，用于開采東、西兩翼煤層；然后從井底向南分煤層各布置一組南翼大巷，用于開采井田南部煤層。

2-1煤層位于延安組第三巖段(J2y3)上部、2煤組的頂部，煤層厚度0～6.37 m，平均厚度2.63 m，煤層可采厚度1.06～5.61 m，平均可采厚度2.52 m。2-2煤層位于延安組第三巖段(J2y3)中部、2煤組的下部，煤層厚度1.11～10.33 m，平均厚度4.09 m，煤層可采厚度1.10～6.65 m，平均可采厚度3.85 m。

2 圍巖原始溫度測(cè)定及分析

2.1 原巖溫度測(cè)試方法及鉆孔布置

圍巖原始溫度(即原巖地溫)的測(cè)定是礦井熱害防治最重要的基礎(chǔ)工作，所取得參數(shù)是進(jìn)行礦井熱源分析及井下風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)計(jì)算的重要基礎(chǔ)參數(shù)，也是劃分礦井熱害等級(jí)的基本依據(jù)。本次測(cè)量采用深孔測(cè)溫與淺孔測(cè)溫相結(jié)合的方式進(jìn)行，即在通風(fēng)時(shí)間較長的巷道內(nèi)采用深孔測(cè)溫，在現(xiàn)有掘進(jìn)巷道內(nèi)采用淺孔測(cè)溫。為盡可能準(zhǔn)確評(píng)測(cè)整個(gè)2-1煤層和2-2煤層，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工可行性，初步設(shè)計(jì)鉆孔23個(gè)，鉆孔直徑為60 mm，測(cè)溫裝置安裝示意圖如圖1所示，鉆孔布置情況如圖2所示。

1-扁平狀鉑電阻溫度傳感器；2-探頭固定件；3-防拉固定件；4-鉆孔內(nèi)壁；5-鉆孔底部；6-扁平狀鉑電阻溫度傳感器與礦用雙芯屏蔽電纜連接接頭；7-礦用雙芯屏蔽電纜打結(jié)；8-礦用雙芯屏蔽電纜；9-螺紋；10-塑料管；11-巷幫；12-聚氨酯泡沫填縫膠；13-萬用表圖1 測(cè)溫裝置在鉆孔內(nèi)部安裝示意圖

圖2 葫蘆素礦井原巖溫度測(cè)定鉆孔布置圖

鉆孔成孔后每隔1～2 h測(cè)第一次溫度，隨后噴射聚氨酯全孔長封堵孔口，24 h之后進(jìn)行鉆孔內(nèi)原巖溫度和壁面巖溫測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果記錄于表中，直至鉆孔所測(cè)原巖溫度穩(wěn)定為止。

2.2 巷道調(diào)熱圈的確定

原始巖溫等溫線所包圍的范圍稱為井巷圍巖調(diào)熱圈。對(duì)于通風(fēng)時(shí)間較長的巷道，其調(diào)熱圈厚度的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

M=9.824t0.2418+3.56

(1)

式中：M——調(diào)熱圈厚度，m；

t——井巷進(jìn)風(fēng)時(shí)間，d。

葫蘆素礦井在測(cè)試期間為基建礦井，巷道為近幾年掘進(jìn)，通風(fēng)時(shí)間不長，所以調(diào)熱圈厚度普遍較小，但風(fēng)井周邊巷道掘進(jìn)時(shí)間較長，所以調(diào)熱圈厚度達(dá)47.5 m，新近掘進(jìn)巷道調(diào)熱圈厚度大部分為30 m左右?；趯?shí)用性和經(jīng)濟(jì)性考慮，本次測(cè)溫鉆孔深度設(shè)置為30 m比較合適。

2.3 礦井原巖溫度實(shí)測(cè)

根據(jù)測(cè)定方案，對(duì)葫蘆素煤礦的原巖溫度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，各鉆孔測(cè)試結(jié)果如表1所示。鉆孔原巖溫度實(shí)測(cè)值如圖3所示。

由圖3可以看出，鉆孔內(nèi)部溫度普遍高于鉆孔周邊的壁面溫度，鉆孔內(nèi)部溫度最高的4#測(cè)點(diǎn)位于2-1煤層?xùn)|翼輔運(yùn)斜巷，為27.7℃，溫度最低的5#測(cè)點(diǎn)位于2-2煤層?xùn)|翼輔運(yùn)大巷，為22.0℃。整個(gè)井田內(nèi)鉆孔原巖溫度相差不大，鉆孔平均原巖溫度為24.6℃，巖壁平均溫度為20.2℃，鉆孔與巖壁溫差主要是由于礦井通風(fēng)冷卻了巷幫，所以打鉆測(cè)量才能反應(yīng)礦井原始巖層的溫度分布。

表1 葫蘆素煤礦原巖溫度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)差值算法，可通過現(xiàn)有鉆孔估算出全礦井原巖溫度分布概況，如圖4所示。

由圖4可以看出，井田中北部原巖溫度較高，2-1煤層?xùn)|翼輔運(yùn)斜巷原巖溫度達(dá)27.7℃，東北部溫度最低，2-2煤層?xùn)|翼輔運(yùn)大巷原巖溫度為22℃，井田西部區(qū)域原巖溫度為25℃左右。各測(cè)點(diǎn)原巖溫度與壁面溫度差異較大，主要是因?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)后，巷幫暴露出來，風(fēng)流帶走了調(diào)熱圈的圍巖溫度。這說明良好的通風(fēng)能起到防治礦井熱害的作用。

圖3 鉆孔原巖溫度實(shí)測(cè)值

圖4 鉆孔原巖溫度等值線圖

2.4 礦井地溫梯度的確定

地溫梯度是表征一個(gè)地區(qū)地?zé)釥顩r的重要參數(shù)。將2個(gè)不同深度的原始溫度之差與該兩點(diǎn)間的距離相比，即為地溫梯度。

根據(jù)勘探報(bào)告，對(duì)從地面向井下打的15個(gè)鉆孔進(jìn)行了簡易地溫測(cè)量。結(jié)果表明：最大地溫梯度為3.32℃/hm，最小地溫梯度為2.18 ℃/hm，平均2.91℃/hm，結(jié)合本次原巖溫度測(cè)試，求得地溫梯度為2.83 ℃/hm，可以判斷葫蘆素礦井基本屬于地溫正常區(qū)。根據(jù)初步測(cè)算，初期開采的2-1、2-2煤層范圍內(nèi)基本無地?zé)嵛：Α５捎谄渌虏扛骺刹擅簩勇癫厣疃容^大，后期開采下部其他煤層時(shí)可能存在地?zé)嵛：Γ瑢脮r(shí)應(yīng)采取有效的降溫措施。

3 礦井氣候參數(shù)觀測(cè)及分析

3.1 氣候觀測(cè)參數(shù)

氣候觀測(cè)參數(shù)主要包括：地表空氣干球溫度和空氣濕球溫度；測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速、大氣壓力；測(cè)點(diǎn)巷道幾何尺寸，包括寬、高、拱基高；測(cè)點(diǎn)處風(fēng)流干、濕球溫度、巷道壁溫、兩測(cè)點(diǎn)間巷道中的水溫、巷道潮濕情況；回采工作面的生產(chǎn)情況、機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況；掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)壓力。

在礦井氣候參數(shù)測(cè)定時(shí)，采用“五定”觀測(cè)法，即定觀測(cè)人員、定觀測(cè)儀器、定觀測(cè)路線、定觀測(cè)點(diǎn)、定觀測(cè)參數(shù)。這樣測(cè)定分工明確、路線熟悉、觀測(cè)精度高，便于數(shù)據(jù)對(duì)比和整理分析。

為獲取全面、可靠的測(cè)定數(shù)據(jù)，按照氣象觀測(cè)要求，結(jié)合本礦巷道布置的特點(diǎn)，本次測(cè)定設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)105個(gè)，主要分布在風(fēng)流分岔、匯合前后地點(diǎn)、巷道淋水(或涌出熱水)段前后、巷道有機(jī)械設(shè)備段前后、風(fēng)流穩(wěn)定、巷道規(guī)整的地點(diǎn)。

3.2 干球溫度變化

所有測(cè)點(diǎn)干球溫度變化情況見圖5，干球溫度等值線圖見圖6。

圖5 干球溫度變化曲線圖

由圖5和圖6可以看出，所有測(cè)點(diǎn)溫度不同，在10.4～23.5℃之間波動(dòng)，平均17.1℃。相鄰測(cè)點(diǎn)溫度差別不大，主要是因?yàn)橄噜彍y(cè)點(diǎn)大多在同一條巷道，地質(zhì)、通風(fēng)條件類似。礦井巷道干球溫度呈南部高于北部、東部高于西部的分布情況。21102副回風(fēng)巷與2-1煤層?xùn)|翼輔助運(yùn)輸大巷交匯處干球溫度最低，為10.4℃；21102輔運(yùn)巷掘進(jìn)頭溫度最高，為23.5℃，這主要是因?yàn)榫蜻M(jìn)巷道為長距離通風(fēng)，掘進(jìn)頭通風(fēng)風(fēng)速有限，掘錨機(jī)、破碎機(jī)等機(jī)組設(shè)備散熱較大，工人大多聚集在掘進(jìn)工作面工作，這都導(dǎo)致該處溫度較高。

因濕球的變化規(guī)律與干球溫度變化規(guī)律類似，本文限于篇幅限制，不再展開敘述。

圖6 干球溫度等值線圖

4 礦井主要熱源分析

據(jù)烏審旗氣象站歷年資料，當(dāng)?shù)刈罡邭鉁貫?36.6℃,最低氣溫為-27.9℃；年降水量為194.7～531.6 mm，平均為396.0 mm，且多集中于7、8、9月份內(nèi)；年蒸發(fā)量為2297.4～2833 mm，平均為2534.2 mm，年蒸發(fā)量為年降水量的5～10倍。區(qū)內(nèi)風(fēng)多雨少，最大風(fēng)速為24 m/s，一般風(fēng)速為2.6～5.2 m/s，且以西北風(fēng)為主。凍結(jié)期一般從10月份至次年4月份，最大凍土深度為1.71 m。

所以井下高溫高濕現(xiàn)象嚴(yán)重的時(shí)間段是在6、7、8月份，井下數(shù)據(jù)觀測(cè)的時(shí)間也選擇在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)。

根據(jù)實(shí)測(cè)和分析計(jì)算，地表大氣處于動(dòng)態(tài)變化，礦井單位質(zhì)量風(fēng)流吸收礦井主要熱源：流體的自壓縮為0.66 kJ/kg；圍巖散熱為0.98 kJ/kg；機(jī)電設(shè)備散熱為7.45 kJ/kg；熱水散熱為1.23 kJ/kg；運(yùn)輸中煤和矸石的散熱為3.58 kJ/kg；人員散熱為1.04 kJ/kg；氧化放熱為1.77 kJ/kg。

為更好地展現(xiàn)現(xiàn)有的能計(jì)算的熱源里面各自所占的百分比，形象展現(xiàn)葫蘆素礦井現(xiàn)在能計(jì)算的井下熱源主次圖見圖7。

由主要熱源數(shù)據(jù)和圖7可知，在現(xiàn)有的能計(jì)算的熱源里面，機(jī)電設(shè)備散熱、運(yùn)輸中煤和矸石的散熱、氧化散熱是礦井主要熱源，這三者之和在總熱量中的比例高達(dá)77%，所以加強(qiáng)對(duì)這三者熱源的控制是確保礦井降溫成功的重要保證。

圖7 葫蘆素礦井現(xiàn)在能計(jì)算的井下熱源主次圖

5 結(jié)論

(1)基建礦井調(diào)熱圈厚度普遍較小，而風(fēng)井周邊巷道掘進(jìn)時(shí)間較長，所以調(diào)熱圈厚度達(dá)47.5 m，新近掘進(jìn)巷道調(diào)熱圈厚度大部分為30 m左右。

(2)鉆孔內(nèi)部溫度普遍高于鉆孔周邊的壁面溫度，井田中北部原巖溫度較高，鉆孔內(nèi)部溫度最高的4#測(cè)點(diǎn)位于2-1煤層?xùn)|翼輔運(yùn)斜巷，為27.7℃；東北部溫度最低，溫度最低的5#測(cè)點(diǎn)2-2煤層?xùn)|翼輔運(yùn)大巷，為22.0℃；井田西部區(qū)域原巖溫度為25℃左右。

(3)最大地溫梯度為3.32℃/hm，最小地溫梯度為2.18℃/hm，平均為2.91℃/hm，結(jié)合本次原巖溫度測(cè)試，算得地溫梯度為2.83℃/hm，可以判斷葫蘆素礦井基本屬于地溫正常區(qū)。

(4)全礦井所有測(cè)點(diǎn)溫度不同，在10.4～23.5℃之間波動(dòng)，平均17.1℃。

(5)礦井熱源主要有地表大氣、流體的自壓縮、圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、熱水散熱、運(yùn)輸中煤和矸石的散熱、人員散熱、氧化放熱等。其中機(jī)電設(shè)備散熱、運(yùn)輸中煤和矸石的散熱、氧化散熱是礦井主要熱源，這三者之和在總熱量中的比例高達(dá)77%，所以加強(qiáng)對(duì)這三者熱源的控制是確保礦井降溫成功的重要保證。

[1] 吳海軍，徐長富，姚海飛等.礦井高溫?zé)岷敖禍卦O(shè)計(jì)研究綜述[A].2013礦井通風(fēng)與熱害防治國際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]，2013

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[3] 張小磊.城郊煤礦原巖溫度測(cè)定及熱源分析[D].河南理工大學(xué)，2011

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Studyongeothermalparametersofmid-deepanddeepminesinInnerMongoliaandShaanximiningarea

Yao Haifei1,2, Xu Changfu1,2, Wu Haijun1,2, Zheng Zhongya1,2, Sun Xigui1,2, Wang Haiyan1,2, Chai Jiamei1,2, Li Yanchuan1,2

(1. Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization (China Coal Research Institute), Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the problem that the buried depth of minable coal seams in Inner Mongolia and Shaanxi mining area was great and there was no geothermal parameters of surrounding deep mines, determination of raw rock temperature and observation of mine climate parameters and ground climate parameters were used to evaluate and classify ground temperature reasonably. Ground temperature distribution map was drawn to predict the temperature and humidity under different conditions and guide underground geothermal disaster mitigation more effectively, so as to come up with economical and practical cooling scheme.

mid-deep and deep mine, geothermal parameter, raw rock temperature, geothermal gradient, climate parameter, Inner Mongolia and Shaanxi mining area

TD727.2

A

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2015DFR70900)

姚海飛，徐長富，吳海軍等. 蒙陜礦區(qū)中深部礦井地溫參數(shù)測(cè)試研究[J].中國煤炭，2017,43(11)：91-96.

Yao Haifei, Xu Changfu, Wu Haijun , et al. Study on geothermal parameters of mid-deep and deep mines in Inner Mongolia and Shaanxi mining area [J]. China Coal, 2017，43(11):91-96.

姚海飛(1984-)，男，江西吉安人，碩士研究生，助理研究員，國家注冊(cè)安全工程師，安全評(píng)價(jià)師，現(xiàn)任煤科院安全分院防火所副所長(主持工作)，主要從事煤礦綜合防塵、防滅火等礦山安全技術(shù)方面的研究。

(責(zé)任編輯 張艷華)