黑龙江矿区应用储冷降温技术自然因素分析

周静　刘锡明　崔利锋

摘要：

在高纬度地区利用恒温层开拓储存冷源空间，利用所储冷源为热环境工作区输送冷能量降温是井下治理热害的新思路.黑龙江矿区在纬度上基本跨越全省地域，自然条件随纬度、地理、地质等改变而变化.依托黑龙江的地理优势，从气温变化规律分析其对地温、恒温层深度、季节性冻土深度等参数的影响；通过整理观测站数据，分析不同地区的恒温层温度、季节性冻土深度随月份的变化规律，以及季节性冻土最大深度随纬度的变化规律.从自然因素角度出发，分析了黑龙江矿区利用恒温层储冷的可行性，为恒温层储冷降温理论研究提供了参考.

关键词：

储冷； 热害； 恒温层； 煤矿

中图分类号： TD 163； TD 727文献标志码： A

Abstract：

A new idea of underground heat harm control was proposed by delivering the storing cool energy from the constant temperature strata in the high latitude area to the thermal environment of the work zone in the mining area of Heilongjiang Province，which was across the whole province in terms of the latitude.The natural conditions changed with latitude，geography and geology.Depending on the geographic advantages of Heilongjiang province，the influence of air temperature on ground temperature，temperature of constant temperature strata and depth of seasonal frozen soil was analyzed.Based on the data from the meteorological observation station，the relationship between month and temperature of constant temperature strata as well as depth of seasonal frozen soil of different areas was found.The relationship between the maximum depth of seasonal frozen soil and latitude was found as ell.From the perspectives of natural factors，it was feasible to store cool energy in constant temperature strata for the utilization in the mining area of Heilongjiang Province.It could provide reference for the theoretical research on cool energy storage in constant temperature strata.

Keywords：

cool energy storage； heat harm； constant temperature strata； coal mine

由于黑龙江煤矿开采时间长、采深大、机械化程度高、生产集中等因素，致使一些煤矿，如东海、张辰、小恒山、城子河等，井下局部空气持续高温[1-2]，作业环境恶劣.黑龙江煤矿由于受经济、技术条件限制，对热害的处理方式基本上采取传统的局部控制热源降温的措施，但其效果不明显.

针对黑龙江矿区地理、气候条件，在地下恒温层开拓储存冷源空间，以冬季天然绿色冰、雪作为冷源，为需冷工作地点输冷降温.恒温层储冷技术属于物理储能范畴，是利用天然资源实现的一种环保、绿色、廉价、可循环利用储能方式[3].影响恒温层储冷降温技术的关键因素是矿区自然条件.外界自然环境必须能够保障长期储存恒温层中冰雪或减缓其消融速度，这样才能达到储冷效果.本文从自然因素角度分析、论证黑龙江矿区应用储冷降温技术的可行性.

1影响恒温层储冷的关键因素

影响储冷降温效果的两个主要因素分别为储冷和输冷.输冷效果主要受后期人为技术水平因素影响；而储冷效果受客观因素影响最大，主要包括气温、地温、恒温层埋深和温度、冻土层厚度和冻融周期等.冷冻巷道降温影响因素如图1所示.

根据黑龙江地理特点和矿区地质条件，本文对影响储冷效果的各个因素分别进行分析.

2黑龙江矿区气温规律

黑龙江全省总体气温规律为：平原年平均气温高于山地，南部年平均气温高于北部，气温东西向变化不明显，南北向变化较大.黑龙江1月最冷，平均气温为-30.9～-14.7℃；6～8月气温较高，平均气温约为18℃；全省年平均气温多在-5～5℃之间[3].每年从10月开始气温明显下降，并出现负温，至翌年的l月气温下降至最低值，3月末气温明显回升.

七台河、鹤岗、双鸭山、鸡西等四个矿区的气象站多年的观测资料表明：七台河、鹤岗及双鸭山矿区属于寒温带大陆性气候，温差变化较大，冬季气温一般为-30～-20℃，最低为-39℃，夏季最高气温达38℃；鸡西矿区处在中温带湿润区，属于大陆性多风气候，冬季最低气温为-34～-29℃，夏季最高气温为27～31℃.受地面温度影响，四个矿区井下工作面6～9月风流温度较高，其中以7、8月最高.近10年黑龙江矿区年平均气温统计[4]如表1所示.

3黑龙江矿区地质条件

3.1地温条件

地壳按照地温变化可分为三带：变温带、恒温带和增温带.黑龙江日变温带的深度一般为1～2 m，年变温带的深度为15～30 m.恒温带是地球内热与太阳辐射热相互影响达到平衡的一个层.恒温带很薄，带内温度相对保持恒定.实际工作中，将恒温层作为评定矿山地温场的重要参数[5-7].年恒温带的温度主要与地区的纬度、高度、岩性、地表水体分布、植被及小气候条件等有关.年恒温带的温度一般高于当地年平均气温1～2℃.根据矿区气象站月平均温度可以计算出黑龙江各矿区年恒温带平均温度为1.4～6.9℃.黑龙江矿区年恒温带地温统计如表2所示.经过测量，黑龙江东部年恒温带平均深度为15～26 m.

在一定深度内，增温带的温度随深度增加而增加.通过对地温测量结果进行计算分析发现，黑龙江东部地区平均地温增温率为38.2 m·℃-1，平均地温梯度为每100 m 2.7℃，地温梯度小于3℃，基本属于地温正常区[8].

3.2冻土条件

冻土分为多年冻土和季节性冻土.黑龙江大兴安岭北部、中部及小兴安岭均属于多年冻土地区，如大兴安岭矿区；其他地区属于季节性冻土地区，如东部鸡西、双鸭山、七台河及鹤岗.

多年冻土的年平均地温为-1.5～0℃，最低为-4.2℃.冻土层大多在地表50 m以下，厚度为5～100 m，且随纬度降低而减小[9].

黑龙江季节性冻土普遍发育的总的规律为：在时间上，冻土从10月开始冻结，至4月达到最大值，翌年3月底开始解冻，6～7月基本上全部融化；在地理位置上，最大冻结深度由东南向西北逐渐加深，随纬度不同变化较大.全省最大冻结深度由1.2～2.0 m过渡到2.60～3.29 m，主要矿区最大冻结深度为1.9～2.9 m.

季节性冻土深度受气候影响较大，且呈周期性变化.由伊春、汤原、鸡西和牡丹江四个观测站的测量数据统计得到的四个地区每月平均冻土深度如图2所示.由图可知：四个地区每月平均冻土深度随月份的变化规律基本相同，且与当地气温变化规律基本相同；四个地区每月平均冻土深度均呈现出温度高的月份冻土深度小，温度低的月份冻土深度大的规律；四个地区季节性冻土冻结时间较长，基本上均在10个月以上.

同时，季节性冻土最大深度受纬度的影响也较大.根据观测站数据，黑龙江不同纬度地区季节性冻土最大深度相差较大.季节性冻土最大深度随纬度变化如图3所示.由图可知，黑龙江季节性冻土最大深度随纬度的提高基本上呈增加的趋势.

另外，地形地貌、地层岩性、土壤湿度、地表覆盖条件等均对季节性冻土的深度有很大影响[10].

4结论

黑龙江矿区年平均气温较低，对当地地温、恒温层温度及深度影响较大，这是矿区恒温层储冷措施可行性的基础条件.从矿区地温条件分析来看，年恒温层地温较低，且埋藏较深.黑龙江矿区冻土深度大，冻结时间长，为恒温层储冷措施减缓能量损失提供了保障.综上分析，黑龙江矿区气温、地温、恒温层、冻土层等自然因素对恒温层储冷措施治理井下热害是有利的，即黑龙江矿区应用储冷降温技术是可行的.

参考文献：

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[6]王康，姚多喜，鲁海峰.淮南潘三矿区地温分布规律及其影响因素分析[J].中国煤炭地质，2014，26（5）：38-40.

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[10]王兴菊，许士国，李文义，等.扎龙湿地季节性冻土冻融规律及其生态水文功能研究[J].大连理工大学学报，2008，48（6）：897-903.