罗河铁矿井下工程热环境分析*

贾敏涛　周培棋　吴冷峻

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.福建金东矿业股份有限公司)



罗河铁矿井下工程热环境分析*

贾敏涛1,2,3周培棋4吴冷峻1,2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.福建金东矿业股份有限公司)

以勘探线为参考布置竖直方向测点位置，通过检测不同水平围岩原始岩温，利用线性回归法得出罗河铁矿地温梯度为2.405 ℃/100 m，并采用电功率量热法检测出井下8类岩石的热导率。地温梯度计算结果表明，罗河铁矿二期开采水平原始岩温较高，属于三级热害矿井，计算结果可为该矿深部采矿开拓系统设计提供参考。

工程热环境线性回归法电功率量热法地温梯度热导率

罗河铁矿地处江淮丘陵南部，靠近长江，区内东部和东南部属低山丘陵区，一般标高45～85 m，东部龙城山地势最高，标高为238 m，向中部和西部地势依次降低，西部河床最低处标高仅12.2 m，属于丘陵平原地形。矿区属季风亚热带湿润型气候。据庐江县气象站观测资料，区内年平均气温16 ℃。罗河铁矿矿区属于庐枞火山岩盆地，处于濮阳山字型构造前弧东翼、新华夏构造体系第二隆起带西缘、秦岭纬向构造带南支东延部分的复合部位。区内出露地层主要为上侏罗统—下白垩统火山岩系。庐枞火山岩盆地是一个以中侏罗统象山群陆相碎屑岩建造为基地，经燕山早期运动发育起来的继承性火山盆地。喷发-喷溢物的最大厚度达2 104.07 m，罗河铁矿即产于其中。罗河铁矿是由大型高磷、高硫、含钒磁铁矿及大型硫铁矿(部分矿体伴生铜)、大型硬石膏组成的多矿种隐伏矿床。由浅入深依次为硬石膏-硫铁矿(含铜硫铁矿)、磁铁矿(假象赤铁矿)矿体。为确保该矿深部开采的安全进行，本研究结合相关监测数据，对井下工程热环境进行分析。

1　围岩温度测试

1.1温度测试方案

1.1.1测试方法选择

围岩温度测试有深孔测温法和浅孔测温法两种，可根据测温点的具体情况选择相应的方法。巷道开掘后，围岩中的温度场会受到通风等因素的影响[1-4]。浅孔测温是在井下掘进工作面(其周围30 m 以内无通风2 a以上的井巷或硐室，且岩面暴露时间不超过24 h)利用迎头的炮眼或临时专门打深度大于1 m的钻孔，将测温探头送至孔底，用黄泥等封孔材料进行封孔，待孔内热交换稳定后，监测孔内温度。深孔测温是在井巷中利用钻机向围岩中打测温孔(其深度应大于巷道调热圈的半径)，将测温热电偶(阻)探头送至孔底后封孔，经过一定时间，测得稳定后的孔底温度。经综合分析比较，罗河铁矿围岩温度的测试选用深浅孔相结合的测试方法，在有条件进行浅孔测温的部位尽量使用浅孔测温方法，在不具备条件的部位选择深孔测温方法。

1.1.2测温仪器选择

温度测量方法分为接触式测量和非接触式测量两大类，其中接触式测量方法使用较普遍，接触式测温仪器有膨胀式温度计、压力式温度计、电阻式温度计和热电偶。根据测温仪器性价比及井下现场适用条件，本研究选用热电阻作为测温元件。

1.1.3测试地点设置

根据罗河铁矿井下温度场分布和井巷工程施工情况，跟踪开拓工程工作面并结合勘探线位置和坐标选择测点，监测及分析围岩温度纵向变化规律从而预测深部阶段的温度变化趋势，同时对各水平测点进行横向对比分析。根据前期对各水平巷道现场勘测情况，结合罗河铁矿开拓系统现状，岩温测试点分布于-455，-470，-508，-520，-530，-540，-545，-560，-676，-730，-782 m等水平，各水平分别布置2～4个测点，测点分别布置于Ⅱ#纵、Ⅲ#纵和Ⅳ#纵勘探线附近(图1)。根据现场的具体岩体结构、采掘布置、水文地质条件、生产状况及施工条件，测点钻孔位置可适当调整。

图1　罗河铁矿井下岩温测点布置

1.2测试结果分析

各水平测点分布于粉矿回收井口、Ⅳ#纵、Ⅱ#纵和Ⅲ#纵勘探线附近，由左至右依次编号为1#～4#点。溜破系统各水平均设置2个测点，编号分别为1#、2#测点。各测点岩温测试数据见表1。

表1　各中段的围岩温度

根据表1，竖直方向各测点岩温随矿体埋深变化曲线的拟合结果如图2所示。

图2　各测点岩温随矿体埋深的变化特征

由表1、图2可知：罗河铁矿井巷围岩的温度随着矿体埋深的增加而逐渐升高，并呈现出近似线性关系，罗河铁矿由北至南粉矿回收井口、Ⅳ#纵、Ⅱ#纵和Ⅲ#纵勘探线的围岩温度计算公式分别为y=0.024 4x+18.493、y=0.024x+18.432、y=0.023 8x+18.401和y=0.024x+18.609(x为测点埋深，m；y为测点温度，℃)，可根据以上公式计算井巷围岩的温度，为制定通风降温方案提供依据。罗河铁矿恒温带平均温度约18.48 ℃，平均地温梯度为2.405 ℃/100 m，由于矿体埋藏较深，该矿存在较高的地温背景值，该矿无明显地温异常带，同一标高上地温变化较小，矿区地温基本为地壳深处的热扩散所致，与地下水活动无关，可见该矿的地温主要由岩温引起。

按正常地温梯度及上述围岩温度计算公式计算，罗河铁矿至二期-560 m以下矿体回采时，围岩温度将达到36～43 ℃，矿井属于三级热害矿井[3]，将成为罗河铁矿二期工程安全生产的重要影响因素，矿方在进行深部开采初步设计时应注意高地温的影响，优化开拓系统布局并制定有效的通风降温技术方案。

2　围岩热导率测定

在井下围岩热传导过程中，热导率是一项重要的物理参数，是地温梯度、热流分配的控制性因素之一。热导率低、密度小的岩层，地温梯度大，增温率小；热导率高、密度大的岩层则地温梯度小，增温率大。在稳态条件下，单位厚度岩层两侧的温差为1 ℃，在单位时间内沿热传导方向上通过的热流量称为热导率[4]，计算公式为

(1)

式中，λ为热导率，W/(m·K)；q为热流密度，W/m2；dt为在岩层微元厚度，m;dz为岩层两侧温度的变化量，℃。

岩石热导率的影响因素主要为：①岩石热导率随着高热导率矿物含量的增大而增大；②岩石热导率与岩石平均原子质量有关；③岩石热导率随着岩石密度的增大而增大；④岩石干燥时，热导率随孔隙率的增大而降低；潮湿时，热导率随孔隙率的增大而上升，对于坚硬的致密岩石，含水量对热导率的影响较小(<5%)；对于松散多孔的岩石，含水量对热导率的影响较大；⑤岩石的层状结构使其热导率出现各向异性，导热方向平行于层面的热导率较大，垂直于层面的热导率较小；⑥岩石的热导率与温度的关系较复杂，在不同的温度范围内，岩石热导率相差较大。

罗河铁矿岩石热导率采用电功率量热法测定各种岩石的热导率值，一维稳态法热导率计算公式为[5]

(2)

式中，Q为单位时间内通过横截面为F、厚度为D的试样的热量，W2；ΔT为试样两壁的稳定温差，℃。

将尺寸已知的受检试样放置于发热功率恒定的加热器上，在试样侧面设置隔热保温层，通过检测试样两侧的温差和加热器的发热功率，并采用式(2)计算试样的热导率。经现场取样，共选取了8类岩石样品进行了实验室热导率试验，结果见表2。

表2　各类岩石热物理性质参数

3　结　语

分别对罗河铁矿井下围岩温度以及热导率进行了测定，结果表明，罗河铁矿恒温带平均温度约18.48 ℃，平均地温梯度为2.405 ℃/100m。由于矿体埋藏较深，罗河铁矿存在较高的地温背景值，无明显地温异常带，同一标高上地温变化不大，矿区地温基本由地壳深处的热扩散所致，与地下水活动无关，地温主要由岩温引起。一期通风系统建成后基本不存在高温热害问题，二期-560m水平以下矿体回采时，围岩温度将达到36～43 ℃，矿井属于三级热害矿井，将成为罗河铁矿二期工程安全生产的重要影响因素。

[1]赵兴东，修国林，杨竹周，等.三山岛金矿围岩温度梯度测试及工程热环境分析[J].金属矿山，2013(6)：109-113.

[2]国家安全生产监督管理总局.MT/T1136—2011矿井降温技术规范[S].北京：中国标准出版社，2011.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]沈显杰，杨淑贞，张文仁，等.岩石热物理性质及测试[M].北京：科学出版社，1988.

Analysis of the Engineering Thermal Circumstance in Luohe Iron Mine

Jia Mintao1,2,3Zhou Peiqi4Wu Lengjun1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Fujian Jindong Mining Co.,Ltd.)

According to the exploration lines, the position of measuring points in vertical direction are designed in Luohe iron mining area.The original rock temperature of the surrounding rocks in different levels are detected,the geothermal gradient of Luohe iron mine is 2.405 ℃/100 m by adopting the linear regression method.The thermal conductivity of the eight class rocks in Luohe iron mine is detected by using the electrical calorimeter method.The calculation results of geothermal gradient show that original rock temperature of the mining levels of the phase of Luohe iron mine is high,it belongs to third-level thermal victims mine.The above analysis results of the paper can provide some reference for the development system design of deep mining of Luohe iron mine.

Engineering thermal circumstance,Linear regression method,Electrical calorimeter method,Geothermal gradient,Heat conductivity

2016-05-19)

*“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB14B01)。

贾敏涛(1987—)，男，工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。