礦山深部開采地溫測(cè)定及高溫?zé)岘h(huán)境分析

魏誠(chéng)

摘要：以礦山初顯的高溫?zé)岷栴}為研究對(duì)象，開展了礦井深部開采區(qū)域原始巖溫與熱環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析。研究結(jié)果表明：礦山中深部開采-580 m區(qū)域巖層、-650 m和-730 m地層原始巖溫分別為31 ℃、32.5 ℃和34.7 ℃，地層平均地溫梯度2.45 ℃/100 m。采掘工作面主要熱源為圍巖散熱和機(jī)電設(shè)備散熱，分別占46 %和24 %；提出了以總巷道長(zhǎng)度絕對(duì)散熱量指標(biāo)和單位巷道長(zhǎng)度相對(duì)散熱量指標(biāo)衡量井下熱源分布與熱害程度新思路。研究結(jié)果可以為類似礦井高溫?zé)岷υu(píng)估及后續(xù)降溫工程措施實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：深部開采；高溫?zé)岷?；原始巖溫；采掘工作面；地溫測(cè)定；焓差

中圖分類號(hào)：TD727文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）06-0030-05doi：10.11792/hj20230607

引 言

近年來(lái)，隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，對(duì)能源資源的需求始終處于高位狀態(tài)。這一持續(xù)高位需求必然伴隨礦產(chǎn)資源開采強(qiáng)度的增加與淺部資源的日益枯竭。因此，開發(fā)深部礦產(chǎn)資源已成為中國(guó)能源資源領(lǐng)域的必然選擇。例如，在金屬礦山開采領(lǐng)域，2000年前中國(guó)只有2座礦井的開采深度超過了1 000 m，經(jīng)過近20年的開采，2018年底中國(guó)千米采深金屬礦山已達(dá)16座［1］。最新數(shù)據(jù)表明，該數(shù)據(jù)可能已經(jīng)達(dá)到了32座，全球范圍內(nèi)采深超千米的金屬礦山更是超過了百座［2］。除有色金屬外，在煤炭行業(yè)中國(guó)千米采深煤礦2012年達(dá)到了39座［3］，2013年為47座［4］，2017年達(dá)50座［5］。世界范圍內(nèi)在去煤化的歐洲如法國(guó)、英國(guó)和德國(guó)則分別在2004、2015和2018年關(guān)閉了各自國(guó)家最后一座深部開采井工煤礦［6］。全球已基本進(jìn)入中深部礦產(chǎn)資源開發(fā)階段。

礦山進(jìn)入深部開采后除面臨一些局部偶發(fā)性的沖擊地壓、突水等災(zāi)害威脅外，普遍面臨著高溫?zé)岷Φ碾y題［7］。針對(duì)井下高溫、高濕作業(yè)環(huán)境，國(guó)內(nèi)外已開展了大量的研究工作，可分為以下4個(gè)方面［8］：①井下高溫高濕環(huán)境形成機(jī)理傳熱傳質(zhì)分析；②深部地下礦井熱害程度評(píng)估與熱應(yīng)力指標(biāo)研究；③礦井機(jī)械降溫設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用；④礦井降溫系統(tǒng)運(yùn)行能效分析與優(yōu)化。上述4個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容中針對(duì)具體礦井高溫?zé)岷Φ默F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以為相關(guān)基礎(chǔ)研究提供驗(yàn)證信息，更可以為后續(xù)機(jī)械降溫工程實(shí)施、設(shè)備選擇與安裝提供基礎(chǔ)參數(shù)，是礦井高溫?zé)岷Ψ乐喂ぷ鞯年P(guān)鍵一環(huán)。

基于上述分析，本文針對(duì)已進(jìn)入中深部開采的某礦山初顯高溫?zé)岷栴}，開展深部開采區(qū)域原始巖溫與熱環(huán)境測(cè)試分析，為后續(xù)降溫工程措施的實(shí)施提供基礎(chǔ)。

1 工程背景

某礦山于2003年開工建設(shè)，2005年建成并試生產(chǎn)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力110萬(wàn)t/a，服務(wù)年限30 a。

礦井采用一對(duì)豎井開拓。第一水平為-465 m水平，第一水平的輔助水平為-540 m水平，采用下行方式開采；第二水平為-750 m水平，其輔助水平設(shè)在-950 m。礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式通風(fēng)。

現(xiàn)在生產(chǎn)水平為-465 m水平，開采深度最大可達(dá)-700～-750 m水平。夏季針對(duì)采掘工作面進(jìn)行了風(fēng)溫監(jiān)測(cè)，工作面進(jìn)風(fēng)巷入口風(fēng)流溫度26 ℃～28 ℃，整個(gè)工作面溫度達(dá)30 ℃～33 ℃，相對(duì)濕度接近100 %。初顯的高溫?zé)岷栴}已經(jīng)影響了礦井的正常生產(chǎn)，熱害防治前期調(diào)查研究工作迫在眉睫。

2 礦井深部開采高溫采區(qū)地溫測(cè)定

礦山自建礦至今未開展過相關(guān)地溫測(cè)定工作。而礦井的原始巖溫對(duì)后續(xù)礦井熱源-負(fù)荷分析、井下風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)及礦井降溫方案的制定都會(huì)產(chǎn)生影響，是礦井熱害治理的基礎(chǔ)參數(shù)之一［9］。該礦山前期礦井設(shè)計(jì)基本采用鄰近礦井地溫資料。因此，有必要對(duì)深部開采區(qū)域開展原始巖溫的測(cè)試工作。

2.1 理論基礎(chǔ)

礦井原始巖溫的測(cè)定方法分為地面勘探鉆孔測(cè)溫法、井下深鉆孔測(cè)溫和新掘進(jìn)工作面淺鉆孔測(cè)溫法等3種方法［9］。本文采用井下深鉆孔測(cè)溫法獲取礦山中深部采區(qū)原始巖溫參數(shù)。鉆孔測(cè)溫的理論基礎(chǔ)是一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)定律。井巷未開拓之前，溫度場(chǎng)處于平衡狀態(tài)，各點(diǎn)溫度均為原始巖溫。井巷開挖且通風(fēng)后，由于巖體-風(fēng)流間溫差發(fā)生熱傳遞，巖體溫度場(chǎng)受擾動(dòng)發(fā)生變化，逐漸降低，但距開挖井巷中心一定距離未受影響的深部圍巖仍保持為原始巖溫。將未受通風(fēng)影響的邊界，即原始巖溫所在等溫線所包圍的范圍稱為井巷圍巖調(diào)熱圈。鉆孔測(cè)溫深度超過巷道調(diào)熱圈深度時(shí)可以測(cè)得原始巖溫［9］。通風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)的巷道，其調(diào)熱圈厚度的經(jīng)驗(yàn)公式［10］為：

M=9.824t0.241 8+3.56（1）

式中：M為調(diào)熱圈厚度（m）；t為巷道通風(fēng)時(shí)間（d）。

2.2 鉆孔布置和設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確了解礦山深部采區(qū)原始巖溫，應(yīng)盡可能多得到不同地點(diǎn)、標(biāo)高的地溫測(cè)試數(shù)據(jù)，原則上需要結(jié)合井下巷道系統(tǒng)的實(shí)際，并且以能夠形成完整的地溫剖面為宜。但是，受制于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成本、難度，以及礦井主要高溫區(qū)域分布，僅在工作面進(jìn)路內(nèi)布置4個(gè)測(cè)溫鉆孔（圍巖巷道孔2個(gè)，礦體巷道孔2個(gè)），詳細(xì)情況如表1和圖1所示。

2.3 測(cè)溫結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)鉆孔深度，在孔內(nèi)利用熱敏電阻測(cè)溫探頭逐點(diǎn)測(cè)溫，由孔口向內(nèi)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間為10 min，在鉆孔完成后先封閉孔口，等孔內(nèi)溫度穩(wěn)定后將探頭連同長(zhǎng)導(dǎo)線一同送入鉆孔內(nèi)，后逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，至深部測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定不變?yōu)橹梗糠帚@孔測(cè)溫結(jié)果如圖2所示。

2～4號(hào)鉆孔溫度-深度擬合關(guān)系式分別為：

2號(hào)鉆孔：y=30.22-6.35exp-x6.48（2）

3號(hào)鉆孔：y=32.6-2.71+expx-2.50.24（3）

4號(hào)鉆孔：y=34.8-0.51+expx-3.41.1（4）

1）2號(hào)鉆孔所處巷道成巷時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)流對(duì)巷道冷卻明顯，巷道調(diào)熱圈厚度大，在0～20 m鉆孔深度范圍內(nèi)圍巖溫度不斷升高，在20～35 m孔內(nèi)溫度分布穩(wěn)定，說明巷道調(diào)熱圈厚度約為20 m，該標(biāo)高（-580 m）區(qū)域巖層原巖溫度約為31 ℃。

2）相對(duì)于2號(hào)鉆孔所處巖層，3號(hào)和4號(hào)鉆孔所處巖層為礦體，地溫偏高，且所在巷道成巷時(shí)間短，風(fēng)流對(duì)巷道冷卻作用不明顯，巷道調(diào)熱圈厚度較小。3號(hào)鉆孔測(cè)溫結(jié)果顯示，在0～5 m鉆孔深度范圍內(nèi)圍巖溫度急劇變化、不斷升高，>5 m范圍內(nèi)孔內(nèi)溫度分布穩(wěn)定在32.5 ℃。4號(hào)鉆孔測(cè)溫結(jié)果顯示，在0～7 m鉆孔深度范圍內(nèi)圍巖溫度急劇變化、不斷升高，>7 m范圍內(nèi)孔內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，約為34.7 ℃。上述2個(gè)鉆孔的測(cè)試結(jié)果表明：工作面調(diào)熱圈厚度范圍為5～10 m，-650 m處原始巖溫約為32.5 ℃，-730 m處原始巖溫約為34.7 ℃。

3）礦山從建礦至今未做過地溫測(cè)定。嚴(yán)格意義上應(yīng)針對(duì)巖層與礦體通過大量鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分別計(jì)算確定其地溫梯度，結(jié)果如表2所示。本項(xiàng)目擬測(cè)定地溫鉆孔較少，原計(jì)劃4個(gè)鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)僅成功3個(gè)，計(jì)算確定161采區(qū)地層平均地溫梯度為2.45 ℃/100 m，屬于地溫正常區(qū)。

3 礦井深部開采高溫?zé)岘h(huán)境測(cè)試

為了了解井下作業(yè)環(huán)境的熱濕狀況，以及形成熱害的各種熱濕源，為后續(xù)熱害治理提供可靠的理論依據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)，必須對(duì)井巷風(fēng)流熱力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定和分析。因此，以高溫?zé)岷Τ躏@的161采區(qū)工作面為研究對(duì)象，對(duì)礦井風(fēng)流沿程熱力參數(shù)、工作面熱濕源分布狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試與分析，為后續(xù)風(fēng)溫預(yù)測(cè)與降溫設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

3.1 綜采工作面沿程測(cè)試方案

針對(duì)工作面及進(jìn)回風(fēng)巷道，采用分區(qū)段法將其劃分為更為詳細(xì)的5個(gè)區(qū)段［11］，設(shè)定15個(gè)風(fēng)流熱力參數(shù)觀測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。采用“五定”觀測(cè)法，即定觀測(cè)人員、觀測(cè)儀器、觀測(cè)路線、觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)參數(shù)。部分測(cè)試結(jié)果如表3所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

以表3提供的代表性測(cè)試參數(shù)為基礎(chǔ)，采用正向分源計(jì)算方法分段計(jì)算各熱源散熱量［11］。第一區(qū)段為16117材料聯(lián)絡(luò)巷入口至機(jī)電設(shè)備放置區(qū)前，即測(cè)點(diǎn)1～3；第二區(qū)段為機(jī)電設(shè)備放置區(qū)，即測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4；第三區(qū)段為變電站后到工作面進(jìn)風(fēng)隅角，即測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5；第四區(qū)段為回采工作面，即測(cè)點(diǎn)5～11；第五區(qū)段為工作面回風(fēng)隅角到回風(fēng)巷出口，即測(cè)點(diǎn)11～15。最終計(jì)算得到U型通風(fēng)工作面及進(jìn)路內(nèi)熱源分布如表4和圖4所示。

根據(jù)測(cè)試與計(jì)算結(jié)果可以看出：

1）按照熱源類型分析，工作面主要熱源為圍巖散熱和機(jī)電設(shè)備散熱，分別占46 %和24 %；按照熱源空間分布分析，第四區(qū)段即工作面區(qū)域?yàn)闊嵩粗饕袇^(qū)，占總散熱量的38.5 %。

2）總量絕對(duì)指標(biāo)排序：工作面與進(jìn)路巷道熱源分布大小為進(jìn)風(fēng)巷道（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回風(fēng)巷道（127 kW）。進(jìn)風(fēng)巷道熱源主要為安裝的機(jī)電設(shè)備及圍巖散熱，由于新風(fēng)溫度低與圍巖原始巖溫的溫差大，對(duì)流換熱強(qiáng)烈，圍巖散熱量大。與其相對(duì)應(yīng)的是回風(fēng)巷道，風(fēng)流溫度高，與圍巖的溫差相對(duì)較小，圍巖散熱量小。工作面區(qū)域則始終處于新暴露巖石中接近原始巖溫，圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱和采空區(qū)漏風(fēng)是主要熱源。

3）相對(duì)指標(biāo)度量：參考波蘭學(xué)者根據(jù)煤礦井下巷道熱害增加程度（風(fēng)流焓增）提出以單位巷道長(zhǎng)度開展相對(duì)指標(biāo)度量［12］。工作面與進(jìn)路巷道熱源分布大小排序?yàn)楣ぷ髅妫?.28 kW/m巷道）>進(jìn)風(fēng)巷道（0.21 kW/m巷道）>回風(fēng)巷道（0.09 kW/m巷道）。進(jìn)一步提出如下定義：Q≤0.1 kW/m巷道為低熱源強(qiáng)度分布區(qū)；0.11 kW/m巷道，屬于高強(qiáng)度熱源分布區(qū)域。

4 結(jié) 論

以礦山初顯的高溫?zé)岷栴}為研究對(duì)象，開展了礦井深部開采區(qū)域原始巖溫與熱環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析。

1）井下現(xiàn)場(chǎng)施工3個(gè)地溫測(cè)試長(zhǎng)鉆孔，測(cè)試結(jié)果表明，中深部開采-580 m區(qū)域巖層原巖溫度約為31 ℃，-650 m處原始巖溫約為32.5 ℃，-730 m處原始巖溫約為34.7 ℃；161采區(qū)地層平均地溫梯度為2.45 ℃/100 m，屬于地溫正常區(qū)。

2）工作面熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果表明：工作面主要熱源為圍巖散熱和機(jī)電設(shè)備散熱，分別占46 %和24 %；以巷道長(zhǎng)度絕對(duì)指標(biāo)衡量，進(jìn)風(fēng)巷道散熱量（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回風(fēng)巷道（127 kW）；以巷道長(zhǎng)度相對(duì)指標(biāo)度量，工作面散熱量（1.28 kW/m巷道）>進(jìn)風(fēng)巷道（0.21 kW/m巷道）>回風(fēng)巷道（0.09 kW/m巷道）。

3）進(jìn)一步提出了巷道長(zhǎng)度相對(duì)指標(biāo)熱源強(qiáng)度分類指標(biāo)，可以為礦井熱害評(píng)估及后續(xù)降溫措施實(shí)施提供參考。

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Abstract：A study was conducted on the initial heat hazard in mines，focusing on the testing and analysis of the original rock temperature and thermal environment in deep mining areas.The results showed that the original rock temperatures in the -580 m，-650 m，and -730 m layers were 31 ℃，32.5 ℃，and 34.7 ℃ respectively，with an average geothermal gradient of 2.45 ℃/100 m in strata.The main heat sources in the working face were the surrounding rocks and electromechanical equipment，accounting for 46 % and 24 % respectively.A new idea was proposed to measure the distribution of underground heat sources and the degree of heat hazard using absolute and relative heat dissipation indexes based on the total and unit lengths of ventilation tunnels.This study can provide a reference for assessing heat hazards in similar mines and implementing subsequent cooling engineering measures.

Keywords：deep mining;heat hazard;original rock temperature;working face;field testing;enthalpy difference