蒙陕矿区中深部矿井地温参数测试研究

姚海飞 徐长富 吴海军 郑忠亚 孙喜贵王海燕 柴佳美 李艳川

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京市朝阳区，100013)

蒙陕矿区中深部矿井地温参数测试研究

姚海飞1,2徐长富1,2吴海军1,2郑忠亚1,2孙喜贵1,2王海燕1,2柴佳美1,2李艳川1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京市朝阳区，100013)

针对蒙陕矿区中深部矿井各可采煤层埋藏深度较大且周边无矿井地温参数借鉴的问题，为对地温情况作出合理的评价和分级，通过原岩温度测定、矿井气候参数观测和地面气候参数观测的方法，对矿井地温参数进行了观测与分析，绘制地温分布图，对不同情况下的温度、湿度进行预测，更加有效地指导井下热害的治理工作，以便提出经济实用的降温方案。

中深部矿井 地温参数 原岩温度 地温梯度 气候参数 蒙陕矿区

随着我国煤炭资源需求的日益增加，浅部煤炭资源越来越少，煤炭开采已逐渐进入深部开采，随着开采深度的增加，地温也随之升高。葫芦素井田位于鄂尔多斯市乌审旗东北部，煤层埋深600 m左右，是蒙陕矿区建设最早的中深部矿井之一。由于各可采煤层埋藏深度较大且周边无矿井地温参数借鉴，后期开采时可能存在地热危害，为了对葫芦素矿井的地温情况作出合理的评价和分级，为矿井降温措施的实施提供技术支持，需要进行矿井地温参数测试与分析。

矿井地温参数测试与分析现场实施部分主要由原岩温度测定、矿井气候参数观测和地面气候参数观测3部分组成。通过以上测试项目的实施，能根据测定的参数对矿井地温情况作出评价分级，绘制地温分布图，对不同情况下的温度、湿度进行预测，更加有效地指导井下热害的治理工作，以便提出经济实用的降温方案，对当前的矿井热害治理具有积极的意义。

1 测试矿井概况

葫芦素矿井井田位于鄂尔多斯高原的东北部，区内地形总体趋势是东南部较高、西北部较低。具有典型的高原堆积型丘陵地貌特征，地表全部被第四系风积沙所覆盖，植被稀疏，为沙漠-半沙漠地区。区内气候特征属于干旱的温带高原大陆性沙漠气候，太阳辐射强烈，日照较丰富，干燥少雨，风大沙多，无霜期短。冬季漫长寒冷，夏季炎热短暂，春季回暖升温快，秋季气温下降显著。

矿井采用立井开拓，采煤方法为一次采全高长壁综合机械化开采，垮落法管理顶板。矿井共布置主井、副井和风井3个井筒。井底沿井田北部边界东西向分煤层各布置一组大巷，用于开采东、西两翼煤层；然后从井底向南分煤层各布置一组南翼大巷，用于开采井田南部煤层。

2-1煤层位于延安组第三岩段(J2y3)上部、2煤组的顶部，煤层厚度0～6.37 m，平均厚度2.63 m，煤层可采厚度1.06～5.61 m，平均可采厚度2.52 m。2-2煤层位于延安组第三岩段(J2y3)中部、2煤组的下部，煤层厚度1.11～10.33 m，平均厚度4.09 m，煤层可采厚度1.10～6.65 m，平均可采厚度3.85 m。

2 围岩原始温度测定及分析

2.1 原岩温度测试方法及钻孔布置

围岩原始温度(即原岩地温)的测定是矿井热害防治最重要的基础工作，所取得参数是进行矿井热源分析及井下风流温度预测计算的重要基础参数，也是划分矿井热害等级的基本依据。本次测量采用深孔测温与浅孔测温相结合的方式进行，即在通风时间较长的巷道内采用深孔测温，在现有掘进巷道内采用浅孔测温。为尽可能准确评测整个2-1煤层和2-2煤层，综合考虑现场实际情况和施工可行性，初步设计钻孔23个，钻孔直径为60 mm，测温装置安装示意图如图1所示，钻孔布置情况如图2所示。

1-扁平状铂电阻温度传感器；2-探头固定件；3-防拉固定件；4-钻孔内壁；5-钻孔底部；6-扁平状铂电阻温度传感器与矿用双芯屏蔽电缆连接接头；7-矿用双芯屏蔽电缆打结；8-矿用双芯屏蔽电缆；9-螺纹；10-塑料管；11-巷帮；12-聚氨酯泡沫填缝胶；13-万用表图1 测温装置在钻孔内部安装示意图

图2 葫芦素矿井原岩温度测定钻孔布置图

钻孔成孔后每隔1～2 h测第一次温度，随后喷射聚氨酯全孔长封堵孔口，24 h之后进行钻孔内原岩温度和壁面岩温测量，将测量结果记录于表中，直至钻孔所测原岩温度稳定为止。

2.2 巷道调热圈的确定

原始岩温等温线所包围的范围称为井巷围岩调热圈。对于通风时间较长的巷道，其调热圈厚度的经验公式如下：

M=9.824t0.2418+3.56

(1)

式中：M——调热圈厚度，m；

t——井巷进风时间，d。

葫芦素矿井在测试期间为基建矿井，巷道为近几年掘进，通风时间不长，所以调热圈厚度普遍较小，但风井周边巷道掘进时间较长，所以调热圈厚度达47.5 m，新近掘进巷道调热圈厚度大部分为30 m左右。基于实用性和经济性考虑，本次测温钻孔深度设置为30 m比较合适。

2.3 矿井原岩温度实测

根据测定方案，对葫芦素煤矿的原岩温度进行了实测，各钻孔测试结果如表1所示。钻孔原岩温度实测值如图3所示。

由图3可以看出，钻孔内部温度普遍高于钻孔周边的壁面温度，钻孔内部温度最高的4#测点位于2-1煤层东翼辅运斜巷，为27.7℃，温度最低的5#测点位于2-2煤层东翼辅运大巷，为22.0℃。整个井田内钻孔原岩温度相差不大，钻孔平均原岩温度为24.6℃，岩壁平均温度为20.2℃，钻孔与岩壁温差主要是由于矿井通风冷却了巷帮，所以打钻测量才能反应矿井原始岩层的温度分布。

表1 葫芦素煤矿原岩温度测试结果

根据差值算法，可通过现有钻孔估算出全矿井原岩温度分布概况，如图4所示。

由图4可以看出，井田中北部原岩温度较高，2-1煤层东翼辅运斜巷原岩温度达27.7℃，东北部温度最低，2-2煤层东翼辅运大巷原岩温度为22℃，井田西部区域原岩温度为25℃左右。各测点原岩温度与壁面温度差异较大，主要是因为巷道掘进后，巷帮暴露出来，风流带走了调热圈的围岩温度。这说明良好的通风能起到防治矿井热害的作用。

图3 钻孔原岩温度实测值

图4 钻孔原岩温度等值线图

2.4 矿井地温梯度的确定

地温梯度是表征一个地区地热状况的重要参数。将2个不同深度的原始温度之差与该两点间的距离相比，即为地温梯度。

根据勘探报告，对从地面向井下打的15个钻孔进行了简易地温测量。结果表明：最大地温梯度为3.32℃/hm，最小地温梯度为2.18 ℃/hm，平均2.91℃/hm，结合本次原岩温度测试，求得地温梯度为2.83 ℃/hm，可以判断葫芦素矿井基本属于地温正常区。根据初步测算，初期开采的2-1、2-2煤层范围内基本无地热危害。但由于其他下部各可采煤层埋藏深度较大，后期开采下部其他煤层时可能存在地热危害，届时应采取有效的降温措施。

3 矿井气候参数观测及分析

3.1 气候观测参数

气候观测参数主要包括：地表空气干球温度和空气湿球温度；测点处风速、大气压力；测点巷道几何尺寸，包括宽、高、拱基高；测点处风流干、湿球温度、巷道壁温、两测点间巷道中的水温、巷道潮湿情况；回采工作面的生产情况、机械设备运转情况；掘进工作面局部通风机压力。

在矿井气候参数测定时，采用“五定”观测法，即定观测人员、定观测仪器、定观测路线、定观测点、定观测参数。这样测定分工明确、路线熟悉、观测精度高，便于数据对比和整理分析。

为获取全面、可靠的测定数据，按照气象观测要求，结合本矿巷道布置的特点，本次测定设计测点105个，主要分布在风流分岔、汇合前后地点、巷道淋水(或涌出热水)段前后、巷道有机械设备段前后、风流稳定、巷道规整的地点。

3.2 干球温度变化

所有测点干球温度变化情况见图5，干球温度等值线图见图6。

图5 干球温度变化曲线图

由图5和图6可以看出，所有测点温度不同，在10.4～23.5℃之间波动，平均17.1℃。相邻测点温度差别不大，主要是因为相邻测点大多在同一条巷道，地质、通风条件类似。矿井巷道干球温度呈南部高于北部、东部高于西部的分布情况。21102副回风巷与2-1煤层东翼辅助运输大巷交汇处干球温度最低，为10.4℃；21102辅运巷掘进头温度最高，为23.5℃，这主要是因为掘进巷道为长距离通风，掘进头通风风速有限，掘锚机、破碎机等机组设备散热较大，工人大多聚集在掘进工作面工作，这都导致该处温度较高。

因湿球的变化规律与干球温度变化规律类似，本文限于篇幅限制，不再展开叙述。

图6 干球温度等值线图

4 矿井主要热源分析

据乌审旗气象站历年资料，当地最高气温为+36.6℃,最低气温为-27.9℃；年降水量为194.7～531.6 mm，平均为396.0 mm，且多集中于7、8、9月份内；年蒸发量为2297.4～2833 mm，平均为2534.2 mm，年蒸发量为年降水量的5～10倍。区内风多雨少，最大风速为24 m/s，一般风速为2.6～5.2 m/s，且以西北风为主。冻结期一般从10月份至次年4月份，最大冻土深度为1.71 m。

所以井下高温高湿现象严重的时间段是在6、7、8月份，井下数据观测的时间也选择在这个时间段内。

根据实测和分析计算，地表大气处于动态变化，矿井单位质量风流吸收矿井主要热源：流体的自压缩为0.66 kJ/kg；围岩散热为0.98 kJ/kg；机电设备散热为7.45 kJ/kg；热水散热为1.23 kJ/kg；运输中煤和矸石的散热为3.58 kJ/kg；人员散热为1.04 kJ/kg；氧化放热为1.77 kJ/kg。

为更好地展现现有的能计算的热源里面各自所占的百分比，形象展现葫芦素矿井现在能计算的井下热源主次图见图7。

由主要热源数据和图7可知，在现有的能计算的热源里面，机电设备散热、运输中煤和矸石的散热、氧化散热是矿井主要热源，这三者之和在总热量中的比例高达77%，所以加强对这三者热源的控制是确保矿井降温成功的重要保证。

图7 葫芦素矿井现在能计算的井下热源主次图

5 结论

(1)基建矿井调热圈厚度普遍较小，而风井周边巷道掘进时间较长，所以调热圈厚度达47.5 m，新近掘进巷道调热圈厚度大部分为30 m左右。

(2)钻孔内部温度普遍高于钻孔周边的壁面温度，井田中北部原岩温度较高，钻孔内部温度最高的4#测点位于2-1煤层东翼辅运斜巷，为27.7℃；东北部温度最低，温度最低的5#测点2-2煤层东翼辅运大巷，为22.0℃；井田西部区域原岩温度为25℃左右。

(3)最大地温梯度为3.32℃/hm，最小地温梯度为2.18℃/hm，平均为2.91℃/hm，结合本次原岩温度测试，算得地温梯度为2.83℃/hm，可以判断葫芦素矿井基本属于地温正常区。

(4)全矿井所有测点温度不同，在10.4～23.5℃之间波动，平均17.1℃。

(5)矿井热源主要有地表大气、流体的自压缩、围岩散热、机电设备散热、热水散热、运输中煤和矸石的散热、人员散热、氧化放热等。其中机电设备散热、运输中煤和矸石的散热、氧化散热是矿井主要热源，这三者之和在总热量中的比例高达77%，所以加强对这三者热源的控制是确保矿井降温成功的重要保证。

[1] 吴海军，徐长富，姚海飞等.矿井高温热害及降温设计研究综述[A].2013矿井通风与热害防治国际学术研讨会论文集[C]，2013

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[4] 戴广龙，曹大成.矿井原岩温度浅孔测定方法探讨[J].矿业安全与环保，2000(5)

[5] 王洪彪.东滩煤矿矿井热力分析与通风极限区域的确定[D].山东科技大学，2006

[6] 王志军.高温矿井地温分布规律及其评价系统研究[D].山东科技大学，2006

[7] 周刚，程卫民，别海燕等.东滩煤矿井下热害气象参数观测与分析研究[J].煤炭技术，2009(4)

Studyongeothermalparametersofmid-deepanddeepminesinInnerMongoliaandShaanximiningarea

Yao Haifei1,2, Xu Changfu1,2, Wu Haijun1,2, Zheng Zhongya1,2, Sun Xigui1,2, Wang Haiyan1,2, Chai Jiamei1,2, Li Yanchuan1,2

(1. Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization (China Coal Research Institute), Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the problem that the buried depth of minable coal seams in Inner Mongolia and Shaanxi mining area was great and there was no geothermal parameters of surrounding deep mines, determination of raw rock temperature and observation of mine climate parameters and ground climate parameters were used to evaluate and classify ground temperature reasonably. Ground temperature distribution map was drawn to predict the temperature and humidity under different conditions and guide underground geothermal disaster mitigation more effectively, so as to come up with economical and practical cooling scheme.

mid-deep and deep mine, geothermal parameter, raw rock temperature, geothermal gradient, climate parameter, Inner Mongolia and Shaanxi mining area

TD727.2

A

国家国际科技合作专项项目(2015DFR70900)

姚海飞，徐长富，吴海军等. 蒙陕矿区中深部矿井地温参数测试研究[J].中国煤炭，2017,43(11)：91-96.

Yao Haifei, Xu Changfu, Wu Haijun , et al. Study on geothermal parameters of mid-deep and deep mines in Inner Mongolia and Shaanxi mining area [J]. China Coal, 2017，43(11):91-96.

姚海飞(1984-)，男，江西吉安人，硕士研究生，助理研究员，国家注册安全工程师，安全评价师，现任煤科院安全分院防火所副所长(主持工作)，主要从事煤矿综合防尘、防灭火等矿山安全技术方面的研究。

(责任编辑 张艳华)