朱集煤矿地温参数测定及规律分析

胡金涛

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001)

地温资料显示，深度每延伸100m，地温平均上升1.8～4.4℃。目前国有重点煤矿开采平均深度达到了730m，平均围岩温度也将达到38.6℃。《煤炭资源地质勘探地温测量若干规定》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。由此可见，大部分矿井都将进入二级热害区［1］。

在井下高温湿热环境中长时间的工作，工人会发生中暑、热虚脱等疾病，同时还会引起某些机能障碍，导致井下事故率增加，劳动生产率下降。因此改善井下作业环境，控制井下温度是保障工人身体健康，防止事故发生的重要因素。对地温参数的测定，可以有效地分析出地温分布的规律，对采取切实可行的降温措施有重要的借鉴意义。

1 矿井地质及气象概况

朱集煤矿所在地属于季风暖温带半湿润气候，四季分明，冬冷夏热。该地区年均气温15.1℃，两极气温分别为41.1℃和－21.7℃。井田位于淮南煤田东北部，淮南复向斜的次级褶皱朱集－唐集背斜及尚塘－耿村集向斜的东段，井田总体构造形态为一背、向斜，北部为朱集－唐集背斜，其南翼与潘集背斜北翼构成较宽缓向斜，沿轴向有所起伏，如图1所示。

图1 淮南煤田构造

2 参数测定

2.1 测温仪器的选择

矿井原岩温度一般不超过100℃，测温范围较小，并且受矿井井下条件的限制，选用传感器时要求具有较好的防爆隔爆的安全性、抗湿性与抗氧化－还原性，以及很好的精度与稳定性。为了满足以上要求又适合井下测量，能最精确地测出矿井的原岩温度真实数据的条件，选用WZPK－1496型Pt热电阻，配套使用矿用隔爆兼本安型自耦减压真空电磁启动器，外接220V交流电源，满足测量的精度与稳定性。

2.2 测温地点的选择

测温得到的数据结果只代表测温地点及其附近的情况，如果要全面了解开采区域的地温情况，测温钻孔必须覆盖主要开采区域。测温地点要求通风良好，井下机电运输不影响钻机施工和现场测温。巷道围岩地质条件良好，岩石层厚、岩性均一。钻孔应避开断层、含水层、陷落柱等地质发育区域。巷道顶底板状况良好，无冒顶片帮等安全隐患。钻场周围60m范围内不要有其他通风时间大于2a的巷道或硐室。

为了测定巷道原岩温度，找出温度梯度，使所测数据更具有代表性，本次现场测定的钻孔布置在不同标高的地点，几乎覆盖所有岩石巷道。共拟定了10个测温钻孔，分布在8个测温地点。具体情况见表1。

表1 朱集矿深孔法测温钻孔位置

2.3 测温钻孔的施工

2.3.1 钻孔参数

钻孔直径:110～130mm;钻孔角度:为了便于水泥砂浆封孔，水平孔水平设计2°的仰角，方位角为0°;钻孔深度:初始测调热圈钻孔深度为40.5m，以后钻孔深度可根据调热圈大小另行调整。

2.3.2 钻孔施工

在所选择的测温地点正常开钻，并在1号位置水平孔5m位置处起钻取出1m岩芯，记录相关数据后继续打钻至设计深度。打钻时，尽量清理干净孔内的矿渣，以确保测温工作的顺利进行。

详细记录钻孔设计参数，实际施工参数，终孔孔深，孔内见煤岩情况，开孔人，终孔人及验收人等内容。

2.3.3 传感器安装

待钻孔打好并经清洗后，即可向钻孔中输送测温传感器。

设计前2个施工的钻孔兼作测定调热圈宽度。测温传感器的布置位置分别为距孔口40m，35m，30m，25m，20m，15m，10m，5m，2m，如图2所示。每个传感器要在外端用白胶布做标记，并用透明胶带将白胶布密封，以免标签被污染。

测温钻孔采用25mm的PVC管输送和固定传感器。PVC管每根长2m，两端带有快速接头，方便施工。

图2 水平测温钻孔施工及封孔

待传感器安装好后，依次接上测温仪，检查线路是否正常。

2.3.4 封孔

在PVC管送到指定位置后，插入注浆管，聚氨酯封孔1.5m，开始返浆，直至PVC管返浆后停止注浆。然后将PVC管出口用堵节堵死，之后再注浆2min。注浆压力2～3MPa，封孔为一次性全部封实，注水泥浆水灰比为1∶1。

3 数据观测及分析

原岩温度的测量分为2个步骤:第1步，测量巷道调热圈半径的大小以及岩体的原岩温度;第2步，根据所测巷道调热圈半径的大小，将传感器放在深度大于巷道调热圈半径的位置直接测量原岩温度。

3.1 调热圈半径的确定

由于随着通风时间的增加，靠近巷道的高温岩体内部的温度不断降低，并且温度降低范围不断向岩体内部延伸，直至达到新的热平衡。根据传热学知识可知，这个延伸厚度即为巷道的调热圈。

选择在靠近井底车场位置的－965m轨道大巷(北)和－906m西翼回风大巷 (北)，2个通风时间较长 (大于3a)的巷道内打深度为41m的钻孔，安装传感器封孔测温，记录温度数据直到数据稳定为止。测温数据如表2和表3所示。

表2 －965m轨道大巷 (北)原岩温度测试数据

表3 －906西翼回风大巷 (北)原岩温度测试数据

3.2 原岩温度数据结果

从巷道调热圈半径的测定数据可以看出，对于通风时间较长的巷道，调热圈半径在26.65～26.84m之间。所以在通风时间较短或者新暴露的巷道中，将传感器放置深度不小于27m就能测出岩体的原岩温度。为此，选择了另外8个钻孔，分布在主采区域，选择上向、下向、平方位钻孔，垂直跨度为155m，以便摸清主采水平原岩温度值以及温度分布规律。测温结果见表4。

表4 朱集煤矿井下原岩温度实测结果

3.3 测温结果分析

根据所测原岩温度数据计算分析可知:

(1)朱集煤矿现有开采水平东翼地温略高于西翼，南盘区略高于北盘区，东西两翼均存在地温异常区域，地温分布规律基本与煤层底板等高线一致。

(2)所测原岩温度标高的范围为:－863～－1018m，原岩温度在42.4～46.5℃之间，均大于37℃，都处于二级热害区域，绝大部分大于43℃，通风不能解决矿井热害问题，需要用人工降温的方法来解决井下高温。

(3)地温梯度在2.5～7.9℃/hm之间，加权平均地温梯度为3.86℃/hm，大于3℃/hm，属于地温异常区。

(4)预计－1070m水平原岩温度在47.8～49.8℃之间，加权平均为48.52℃。

从表4可知:对－863～－1018m深的煤系地层大巷围岩温度进行了实测，得出朱集煤矿－863～－1018m范围内原岩温度平均地温梯度为3.75℃/hm，预测 －1070m水平原岩温度值为49.08℃，与实际现场实测加权计算数据基本吻合。根据计算，朱集煤矿所采区域属于地温异常区，随着矿井开采深度的增加，朱集煤矿地温梯度可能更高，从此段岩温梯度和原岩温度测定结果看，该矿为高热害矿井。

4 地温规律分析

影响地温分布规律的因素主要有地质构造格局、岩石的热物理性质、岩浆岩的侵入、地下水的活动等，采动影响也是不可忽略的。

在一般情况下，基底凸起区域上部具有较高的地温、地温梯度，凹陷区域相对较低。基岩埋深浅，覆盖层与基岩热导率相差甚大，于凸起上方形成的高温异常区域十分明显。由于矿井开拓水平较深，朱集煤矿地温较高，中东部较平缓，受地质构造影响较小，地温整体较高，同一水平地温较一致，异常高温区域少。井田西部受朱集－唐集背斜的影响加大，地温也较东部高，异常高温区域多。

朱集矿井煤系地层被厚度介于150.40～394.30m之间的松散层所覆盖，属全隐蔽含煤区。由于第三、第四系松散层导热性能差，阻碍了地热向地面大气传散，使得深部热流积聚在煤系地层中，从而导致井田地温梯度较高。同时，由于受到构造、地层结构和新生界松散层厚度变化的影响，不同地温带温度场分布存在一定的差异。朱集矿井恒温带深度为30m，温度为16.8℃;全井田地温梯度为1.70～3.80℃/hm，一级高温区 (＞31℃)一般出现在－564m以下，二级高温区 (＞37℃)一水平平均地温为43.7℃，预计－1070m水平平均地温为48.52℃。矿井地温较高，地热是导致井下气温升高的主要因素。

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。区内有42个孔揭露有岩浆岩，最厚32.78m(15－1孔)，3个孔仅见天然焦未见岩浆岩。岩浆岩侵入范围主要集中在本区中、东部6～17勘查线之间的中、北部地段，在18勘查线及以西地段有零星分布 (3孔)。岩浆侵入时代应属燕山期，由于地质年代较老，对地温影响不是很大，但岩浆形成的岩石热导率较高，对深部地温起到很好的沟通作用而引起浅部地温较高。

总体来看，朱集煤矿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。

5 降温措施

(1)合理的开拓布置。本矿井采取立井、主要石门、大巷开拓方式，分区开拓，分区通风，这样可缩短通风路线，减少进风风流在通风路径中的热增量，以降低工作面风流的温升。

(2)选择合理的开采方法。回采工作面采用走向或倾向长壁后退式回采，Y型通风，以减少采空区的散热量。

(3)合理集中生产。矿井投产时仅移交2个综采工作面，配备5个掘进工作面，尽量减少热源点，有利于集中使用风量，充分发挥通风降温的作用。

(4)合理增加风量。

(5)进风井筒在通过表土层和基岩含水层时，采取封堵和注浆等措施，减少井筒淋水，降低风流中的含湿量，减小进风风流的热焓。

(6)采取煤层注水，煤岩湿式掘进，以降低煤岩体温度。

(7)采空区进行黄泥灌浆充填、及时封闭等措施，抑制采空区遗煤氧化放热［2］。

(8)减少机械、岩层、热水及管道散热以达到降温的目的。

(9)采用冷却服等个体防护措施等。

6 结论

(1)通过在不同标高的岩层中布置钻孔，埋设测温探头，测得的原岩温度标高范围:－863～－1018m，垂直落差155m。原岩温度在42.4～46.5℃之间，地温梯度在 (2.5～7.9)℃/hm之间，加权平均地温梯度为3.86℃/hm，大于3℃/hm，属于地温异常区。从此段原岩温度和地温梯度测定结果看，朱集煤矿为典型的高温热害矿井。

(2)从巷道调热圈半径的测定数据可以得出，对于通风时间大于3a的巷道，调热圈半径在26.65～26.84m之间。

(3)根据地温因素对朱集煤矿地温分布规律进行了分析并针对该矿高温热害威胁制定了具体的降温措施。

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