高海拔超深井原岩温度变化分析

陈文涛，吴春平，魏丁一，徐海月，杜翠凤，刘 鹏

(1.武汉理工大学安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.中国职业安全健康协会，北京 100011；3.北京城市系统工程研究中心，北京 100035；4.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；5.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；6.北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083)

随着当前云南某地下铅锌矿开采深度的进一步加大，深部热害变得越来越严重，而岩温是影响采场热环境的主要热源[1]，许多专家对此进行了相关研究。赵小稚等[1]和张瑞明等[2]根据热传导理论分析，采用浅孔测温法合理可行，测得曹家洼金矿岩温随深度变化的规律及岩温对井下风流温度升高的作用。刘凯等[3]采用深孔测量法测定不同深度的围岩温度，得到巷道风温、水温均随开采深度的增加而增大，地温梯度为1.8 ℃/hm，调热圈半径为17～18 m。为井下作业场所的热环境状况的有效控制及热害防治提供数据。张小磊等[4]和蒋亚伟等[5]采用热电偶浅孔测温法对城郊煤矿原岩温度进行了测试，结果为矿井热源分析、井下风流温度预测及降温措施制定提供重要依据。赵文彬等[6]为掌握深部矿井地温分布规律，对某深部矿井-505～-1 030 m水平的原岩温度测定，得到地温梯度随采深增加成规律性变化，回归预测分析表明随埋深的增加，原岩温度-1 600 m时可达39.455 ℃，热害问题将愈发凸出。

对大部分矿井来说，地温是形成矿井热害的主要原因，而地温对井下环境的影响主要是通过围岩散热的形式表现出来的[7-8]。地面以下岩层温度的变化规律：自上而下，岩层划分为变温带、恒温带和增温带，其中，恒温带以下的岩石温度随深度增加而增加，当采掘作业将岩石暴露出来以后，岩石中释放出热。但当前对于高海拔超深井的地温梯度研究较少，本文对于该矿超深井的原岩温度进行研究。

1 计算方法

对流换热系数是表示对流放热过程强度的物理量，在数值上等于单位面积单位时间内在1 ℃温差作用下，由于对流作用所传递的热量。

围岩与风流的对流换热系数[9]计算见式(1)。

(1)

式中：α为对流换热系数;ε为粗糙度系数，对于光滑壁面ε=1，对于运输大巷ε=1.0～1.65，对于平巷ε=1.65～2.5，对于工作面ε=2.5～3.1；λa为空气的热导率，kW/(m·℃)，当温度为20 ℃时，空气密度为1.164 kg/m3，λa=2.524×10-5kW/(m·℃)；v为巷道风速，m/s；μ为空气运动黏度系数，m2/s，当温度为20 ℃时，取1.57×10-5m2/s；d为巷道水力直径，m。

不稳定换热系数在数值上等于巷道围岩与巷道内风流之间温差为1 ℃时，单位时间内从1 m2巷道壁面上向空气放出的热量。它是巷道围岩的热物理性质、巷道形状尺寸、通风强度及通风时间等的函数。

围岩与风流的不稳定换热系数[9]计算见式(2)。

(2)

式中：Kτ为不稳定换热系数;λ为岩石的热导率，kW/(m·℃)；a为岩石的热扩散率，m2/s；τ为巷道通风时间，s；b为巷道通风时间系数，当τ<1 a时，b=0.27，当τ>1 a时，b=4.0；α为岩壁与空气的对流换热系数，kW/(m2·℃)；r0为巷道水力半径，水力半径是输水断面的过流面积与输水断面和水体接触的边长(湿周)之比，m。

根据牛顿冷却定律，围岩与风流的热交换量[10]计算见式(3)。

Qr=KτUL(tr-t)

(3)

式中：Qr为热交换量;U为巷道周长，m；L为巷道长度，m；tr为巷道始末两端平均原岩温度，℃；t为流经巷道始末端风流平均气温，℃。

2 数据测量

在该矿1 404 m水平、1 344 m水平、1 274 m水平以及924 m水平处进行原岩温度测定，选用浅孔测温法来进行测量。

1) 在待测中段选择新掘进迎头附近两帮的新鲜岩面作为测温地点，在两个循环内，在迎头附近两帮的新鲜岩面打4个钻孔(分两次，第一个循环结束后在迎头附近两帮的新鲜岩面各打1个钻孔；第二个循环结束后在迎头附近两帮的新鲜岩面再各打1个钻孔)，孔深1.5～2 m，钻孔垂直巷道壁面，倾角水平或微上倾。

2) 钻孔结束后，将孔内杂物清理干净。将测温探头及数据记录仪用铁丝送入孔内，探头距离孔底5 cm以内，先用塑料袋将记录仪包裹，以防由于爆破振动和裂隙水致使仪器损坏，再用黄泥进行封孔。

3) 间隔72 h后用铁丝将温度记录仪取出，并将数据按标签整理好。测得的原岩温度和气流温度见表1。测量水平的主要围岩类型及相关岩石性质见表2。

3 数据分析

由表2可知，同一水平两孔浅部温度差别较大，受外部风温影响大，孔深部的岩温由于调热圈的逐渐平衡趋于稳定，因此稳定下来的温度就是原岩温度。根据现场实际测量数据，可计算出深部各水平的平均原岩温度、断面面积和周长等数据，见表3。

根据该矿地质情况，确定各水平的围岩类型和穿脉长度，并利用式(2)计算得到不同水平围岩的不稳定换热系数，最终得到深部主要水平围岩的对流换热系数及围岩的放热量，见表4。

表1 深部原岩温度测量数据Table 1 Temperature measurement data of deep original rock mass

表2 围岩类型及相关岩石性质Table 2 Surrounding rock types and related rock properties

表3 深部主要水平计算数据表Table 3 Calculation data in deep main levels

表4 深部主要水平围岩放热量表Table 4 Rock mass heat release in deep main levels

图1 各水平原岩温度、对流换热系数Fig.1 Temperature and convective heat transfer coefficient of each source

原岩温度、对流换热系数随采深变化及原岩放热量如图1所示。由图1可知，1 274 m及以上水平原岩处于吸热状态，且随着开采深度的增加，该矿原岩温度呈线性升高，巷道岩壁与巷内空气的对流换热系数也呈上升趋势。其中，1 274 m水平虽然掘进规模较大，但由于该水平原岩温度与气温相差不大，故其吸热量相对较小，为20.720 kW。924 m水平原岩温度由于受采动影响较小，因此更接近原始原岩结构，温度较高，属于放热源，但掘进规模较小，作为热源放热量为3.986 kW。

4 结 论

1) 由于该矿受高海拔的地理位置及岩体裂隙水的影响，1 274 m及上部水平的原岩处于吸热状态，且该矿原岩温度随采深的增加呈线性升高，对流换热系数也随之上升。

2) 1 274 m水平原岩温度与气温相差不大，故吸热量较小，924 m水平受采动影响较小，因此更接近原始围岩结构，属于放热源。在后续深部开采过程中应注意进一步控制热害，为类似矿井深部热害治理和原岩温度测量提供依据。