淮南煤田新区地温分布规律分析及热害防治

2012-01-08杨丁丁王佰顺杨培培

中国矿业 2012年7期

杨丁丁，王佰顺,张翔，杨培培

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001;2.煤与瓦斯共采实验室，安徽淮南 232001;3.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点试验室，安徽淮南 232001)

随着经济的发展，资源需求量的加大，越来越多的矿井向深部发展，地热灾害问题日益严重。热害问题已经成为制约煤矿安全高效发展的瓶颈。如不能有效地解决地热灾害问题，必将严重阻碍淮南矿区的新一轮生产和建设的发展[1]。通过分析地温分布规律及其影响因素，找出经济有效的矿井热害防治方法与技术，就显得格外重要。

1 煤田地质及气象概况

淮南煤田是华东地区最主要的煤炭生产基地之一。煤田位于华北板块南缘，北邻蚌埠隆起，南以老人仓-寿县断层与合肥中生代坳陷相邻，东起东起郯庐断裂，西止于商丘-麻城断裂。东西长180km，南北宽15～20km，面积约3200km2。淮南煤田为近东西向展布的复向斜构造，其两翼边缘发育一系列逆冲断层，致使部分地层直立、倒转。本区断裂构造主要为两组，一组是随褶曲形成的走向逆冲、逆掩断层，另一组是与郯庐断裂近于平行的NNE向横切断层。矿区内岩浆岩的出露甚少。第四系松散复盖层厚0～700m，自东向西逐渐增厚，整个煤田隐伏于淮河冲积平原之下，属全隐伏煤田。由于后期升降剥蚀和沉积作用的差异，致使煤层埋深不均匀，煤田南部煤层埋深较浅，向斜轴部煤层埋藏最深，最大深度达1800～2000m。

淮南矿区属寒温带温湿气候，季节性明显，冬冷夏热。年平均气温15.1℃，极端最高气温41.4℃(1966年8月8日)，极端最低气温-22℃(1969年1月31日)。

2 地温参数与分布规律

随着浅部资源的枯竭，矿井向着深部扩展。淮南新建矿井煤层埋藏较深，开采水平多在-800m以下。矿井工作面、掘进头的温度严重超过国家环境卫生安全要求。直接影响工人的身体健康，对煤矿安全高效开采威胁较大。部分新建矿井来自围岩的热量在矿内热源比例就高达57%[2]，不同时期所占比例不同。

2.1 地温参数

地球内部储存着巨大的热能，地壳表层的温度常随外界温度而有日变化和年变化，这一地带称之为变温带。但从地表向下达到一定深度，其温度不随外界温度而变化，这一深度叫恒温带。恒温带以下，主要受地球内部热能的影响，温度随深度的增加而增高的地带，称之为增温带。在增温带以下，深度每增加100m地温所增加的温度，称之为地温梯度[3]。两淮矿井的作业水平都在增温带范围内，一般情况下，埋藏越深，地温热害对采矿作业影响就越大。

2.2 矿区热害等级

《煤炭资源地质勘探地温测量若干规定》指出：平均地温梯度不超过3℃/100m的地区为地温正常区；超过3℃/100m为高温异常区。同时还指出，原始岩温高于31℃的地区为一级热害区，原始岩温高于37℃的地区为二级热害区。

表1 淮南煤田部分深井地温状况表

根据九龙岗矿长期观测钻孔资料，淮南恒温带深度为30m，温度为16.8℃。淮南煤田部分深井地温状况见表1。从表中可以看出新区的矿井都进入了二级热害区，部分矿井地温异常。其中顾桥矿设计产量5.0Mt/a，主要环节留有10.0Mt/a的条件。2007年4月投产，当年产量6.81Mt，2008年产量10.55Mt，2009年产量12Mt。其他矿井实际生产能力都有不同程度的超产现象。投产时间短，产量高，矿井热害更加严重。

2.3 地温分布规律

从矿井近似稳态连续测温曲线图可以看出，温度随着深度的增加而增加，呈现出良好的线性趋势，表现为传导型增温特点。总体而言，地温梯度随着深度的增加而逐渐的趋于一致。如图1所示为顾桥矿部分稳态测温钻孔测温曲线。

图1 顾桥矿部分钻孔稳态测温曲线

不同的地质构造对地温分布规律的影响不同。资料显示，淮南煤田老区受谢桥-古沟向斜的影响，老区东部比西部地温高，地温随着深度的增加而增加，地温梯度正常，地温热害不太明显。新区由于处于陈桥—潘集背斜隆起的影响，加之开采深度大，地温都高于正常值。淮南煤田对冲构造见图2所示。受陈桥—潘集背斜影响的矿井有：潘集、丁集、顾桥、张集、谢桥、刘庄、口孜集。该背斜的核心部分与同水平比较地温高，地温梯度大，两翼地温呈递减趋势。其中第四系平均地温梯度为4.5℃/hm～5.0℃/hm，二迭系为4.3℃/hm，核心两侧第四系、二迭系平均为3.5℃/hm，两翼为2.5℃/hm～3.0℃/hm[4]。另外由于断层构造的影响，靠近大断裂带的区域地温也有异常。不同的矿井所处的位置不同，地温状况又有所区别。总体来看，淮南新区地温等值线与底板等高线走向基本一致，背斜轴部地温均较高。

图2 淮南煤田对冲构造示意图

3 地温影响因素分析

地质资料分析表明，地温热源主要来自地球内部，深度越深地温越高。地温分布规律受分布格局、岩性变化影响较大，地下水活动以及岩浆岩侵入也都有不同程度的影响。

3.1 构造分布格局对地温的影响

大量的实测资料已证实地质构造的形态与地温场的特征具有明显的相关性。不同岩性的两种岩层或者同种岩性的不同两分层相邻，由于导热系数在平行于层理方向上较大，垂直方向上较小，地下热流向上传导碰到岩层界面会出现向平行层面方向倾斜，产生侧向热流作用[5]。强烈的构造运动产生褶曲和断裂等构造，不仅能改变岩层的产状，引起岩石热物理性质在水平方向与垂直方向上的变化，而且会进一步导致深部热流在浅部重新分配，使温度场发生改变。背斜轴部大地热流集中，同一水平地温比翼部高；向斜轴部大地热流相对发散，同一水平地温比翼部低。大的断裂构造沟通了上地幔的热流通道，将深部的热流导入浅部，造成地温异常；小的断裂构造，由于填充、闭塞而对地温无明显影响。所以，背斜、断层等构造影响以及深部开采，是造成丁集、顾桥、朱集等淮南新区深井地温热害严重的主要原因之一。

3.2 岩石热物理性质的影响

岩石的热物理性质对研究矿井地温场的形成、热迁移和分布规律具有重要的意义。从表2可以看出结晶基底的岩石热导率高，沉积盖层岩石热导率低。岩石的层状结构使其热导率出现各向异性，造成褶曲等构造的地温差异。

地温向深处的增加仅与岩石的热导率成正比[3]。热导率大的岩层中，地温梯度小；热导率小的岩层中，地温梯度大。煤层的热导率较其他岩层热导率小，所以煤层有很好的隔热作用，其地温梯度要较其他岩层大的多。导热性差的地方往往是地温正异常区域。地表松散层由于热导率低，深部热流向上传到至浅部松散层时，聚热效果明显。淮南新区煤系地层上覆有较厚的第四系松散层，所以新区地温明显大于老区。上覆第四系松散层越厚，地温也就越高[6]。

表2 常规条件下部分岩石热导率

3.3 岩浆岩侵入的影响

岩浆岩侵入时的温度很高，经过漫长的地质年代后，残余热量基本散发完，但是在厚松散层覆盖条件下，仍保留有少部分余热[7]。资料表明，岩浆岩侵入地带，地温明显高于正常值。

岩浆活动对地温分布影响，主要取决于岩浆侵入的地质年代和侵入规模、产状与性质。年代越新、侵入规模越大，对地温分布影响越大。淮南煤田的岩浆岩侵入限于上窑、潘集、丁集勘探区，一般呈层状侵入，引起矿区九龙岗、潘集、丁集、顾桥地温异常。其中丁集矿钻孔资料显示，岩浆岩侵入严重区域最大厚度达145.55m，属燕山期产物[8]。

3.4 地下水影响

由于地下水热容量大，所以是影响一个地区地温分布最重要的因素之一，它的活动往往导致区域性或局部性地温异常。水温与围岩温度的不同，对围岩有增温、降温和恒温的作用，断裂带或倾斜透水层则是深部热水向上运移的良好通道。丁集、顾桥、潘三等矿有部分热水影响。潘三矿曾发现水温46℃的热水[4]，但总体看来地下热水不是造成地温异常的主要原因，只在少部分区域影响。

4 热害防治

淮南新区新建矿井由于瓦斯治理需要，首先开采煤层较薄的保护层(11#煤层)，为主采突出煤层的瓦斯治理留有时间和空间，造成工作面温度很高。瓦斯治理、开采程序与劳动环境保护的矛盾尤显突出[1]。以顾桥矿为例：顾桥矿是典型的深井开采，热害严重，第一水平(-780m)原始岩温42℃，地温梯度3.08℃/hm，属于地温异常区，为二级热害区。夏季时矿井采掘出风流温度可达35℃～38℃，湿度在95%以上，存在较为严重的热害问题。矿井热害影响因素很多，应采取综合措施科学治理。

4.1 非机械制冷降温措施

非机械制冷降温措施主要有：合理开拓部署、优化通风系统、增加风量、下行通风、隔绝热源、煤层注水、采空区充填、个体防护等[9]。鉴于影响新区矿井热环境的因素较多，热源散热量大，在矿井设计中，已采取或考虑了一些综合防治对策。

1) 合理开拓部署。采用立井、分组集中大巷、盘区石门开拓方式，可缩短进风风流线路长度，有利于减少新鲜风流在通风路径中的热增量，降低采掘工作面风流的温升。

2) 选择合理的开采方法。回采工作面采用走向长壁后退式回采，可增大工作面的进风量，减少采空区的散热量。

3) 合理增大工作面风量，把井巷风流速度控制在经济、允许风速范围内，尽量缩小风流与井巷围岩的热交换面积，减少围岩传热量。

4) 采用煤层注水、煤岩巷湿式掘进，以降低煤岩体温度。

5) 采空区进行黄泥灌浆充填，及时封闭等措施，抑制采空区的氧化散热。

6) 加强对上隅角温度的控制，减少采空区漏风或工作面采用Y型通风方式。

4.2 机械制冷降温措施

由于新区矿井热害严重，非机械制冷措施不能完全解决矿井高温热害问题，所以应采取机械制冷降温措施。采用以集中降温为主，局部降温为辅，集中降温首选热电冷联产联供，在热电冷联产联供尚不具备条件的情况下，可首先采用局部降温措施过渡。热害矿井在采区、工作面设计中应包括降温方案的设计[1]。

顾桥矿在解决矿井热害问题上，根据地面设施配置条件及资源条件，优选了热电冷联合降温措施。采用瓦斯发电余热制冷井上集中供冷与井下移动制冷相结合的井下降温模式。充分利用顾桥火电厂和瓦斯发电的余热，通过溴化锂吸收制冷机与电制冷机串联，提高能源利用率，降低制冷成本。

由于冷媒水温差要求较大，普通冷水机组难以做到一次降温，而定制非标制冷机将会导致订货困难和设备投资加大，因此设计采用普通冷水机组两级制冷方案。为方便负荷调节，两级制冷采用单元式组合形式。由于蒸汽溴化锂制冷机出水温度较高，可作为第一级制冷，电制冷机作为二级制冷。蒸汽双效溴化锂制冷机组制冷量设计为5870kW；电制冷机组制冷量设计约为2000kW。制冷单元两级制冷量和为7870kW，超出部分为溴化锂机组的制冷量附加。配三个制冷单元。在一水平-780m平面设降温硐室，服务-650～-950m。

根据矿方生产计划，一水平13煤上山采区的面、头均不需降温，13煤下山及11煤上、下山采区的面、头均需降温，二水平各面均需降温。矿井不同时期需冷量见表3所示。

综合采取了开采技术措施和井下集中制冷、冷凝热地面排放降温系统降温措施后。顾桥矿掘进工作面温度降低了4.1℃，综采工作面进风口温度降低了5.5℃，湿度下降了7%左右。同样在潘一矿、潘三矿、丁集矿等矿井采取矿井降温措施都能够明显改善采掘工作面热害问题，为煤矿安全高效开采提供了保障。