矿山深部开采地温测定及高温热环境分析
2023-07-06魏诚
魏诚
摘要：以矿山初显的高温热害问题为研究对象，开展了矿井深部开采区域原始岩温与热环境现场测试与分析。研究结果表明：矿山中深部开采-580 m区域岩层、-650 m和-730 m地层原始岩温分别为31 ℃、32.5 ℃和34.7 ℃，地层平均地温梯度2.45 ℃/100 m。采掘工作面主要热源为围岩散热和机电设备散热，分别占46 %和24 %；提出了以总巷道长度绝对散热量指标和单位巷道长度相对散热量指标衡量井下热源分布与热害程度新思路。研究结果可以为类似矿井高温热害评估及后续降温工程措施实施提供参考。
关键词：深部开采；高温热害；原始岩温；采掘工作面；地温测定；焓差
中图分类号：TD727文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
文章编号：1001-1277（2023）06-0030-05doi：10.11792/hj20230607
引 言
近年来，随着中国国民经济持续发展，对能源资源的需求始终处于高位状态。这一持续高位需求必然伴随矿产资源开采强度的增加与浅部资源的日益枯竭。因此，开发深部矿产资源已成为中国能源资源领域的必然选择。例如，在金属矿山开采领域，2000年前中国只有2座矿井的开采深度超过了1 000 m，经过近20年的开采，2018年底中国千米采深金属矿山已达16座［1］。最新数据表明，该数据可能已经达到了32座，全球范围内采深超千米的金属矿山更是超过了百座［2］。除有色金属外，在煤炭行业中国千米采深煤矿2012年达到了39座［3］，2013年为47座［4］，2017年达50座［5］。世界范围内在去煤化的欧洲如法国、英国和德国则分别在2004、2015和2018年关闭了各自国家最后一座深部开采井工煤矿［6］。全球已基本进入中深部矿产资源开发阶段。
矿山进入深部开采后除面临一些局部偶发性的冲击地压、突水等灾害威胁外，普遍面临着高温热害的难题［7］。针对井下高温、高湿作业环境，国内外已开展了大量的研究工作，可分为以下4个方面［8］：①井下高温高湿环境形成机理传热传质分析；②深部地下矿井热害程度评估与热应力指标研究；③矿井机械降温设备研发与应用；④矿井降温系统运行能效分析与优化。上述4个方面的研究内容中针对具体矿井高温热害的现场调查可以为相关基础研究提供验证信息，更可以为后续机械降温工程实施、设备选择与安装提供基础参数，是矿井高温热害防治工作的关键一环。
基于上述分析，本文针对已进入中深部开采的某矿山初显高温热害问题，开展深部开采区域原始岩温与热环境测试分析，为后续降温工程措施的实施提供基础。
1 工程背景
某矿山于2003年开工建设，2005年建成并试生产。矿井设计生产能力110万t/a，服务年限30 a。
矿井采用一对竖井开拓。第一水平为-465 m水平，第一水平的辅助水平为-540 m水平，采用下行方式开采；第二水平为-750 m水平，其辅助水平设在-950 m。矿井通风方式为中央并列抽出式通风。
现在生产水平为-465 m水平，开采深度最大可达-700～-750 m水平。夏季针对采掘工作面进行了风温监测，工作面进风巷入口风流温度26 ℃～28 ℃，整个工作面温度达30 ℃～33 ℃，相对湿度接近100 %。初显的高温热害问题已经影响了矿井的正常生产，热害防治前期调查研究工作迫在眉睫。
2 礦井深部开采高温采区地温测定
矿山自建矿至今未开展过相关地温测定工作。而矿井的原始岩温对后续矿井热源-负荷分析、井下风流温度预测及矿井降温方案的制定都会产生影响，是矿井热害治理的基础参数之一［9］。该矿山前期矿井设计基本采用邻近矿井地温资料。因此，有必要对深部开采区域开展原始岩温的测试工作。
2.1 理论基础
矿井原始岩温的测定方法分为地面勘探钻孔测温法、井下深钻孔测温和新掘进工作面浅钻孔测温法等3种方法［9］。本文采用井下深钻孔测温法获取矿山中深部采区原始岩温参数。钻孔测温的理论基础是一维非稳态热传导定律。井巷未开拓之前，温度场处于平衡状态，各点温度均为原始岩温。井巷开挖且通风后，由于岩体-风流间温差发生热传递，岩体温度场受扰动发生变化，逐渐降低，但距开挖井巷中心一定距离未受影响的深部围岩仍保持为原始岩温。将未受通风影响的边界，即原始岩温所在等温线所包围的范围称为井巷围岩调热圈。钻孔测温深度超过巷道调热圈深度时可以测得原始岩温［9］。通风时间较长的巷道，其调热圈厚度的经验公式［10］为：
M=9.824t0.241 8+3.56（1）
式中：M为调热圈厚度（m）；t为巷道通风时间（d）。
2.2 钻孔布置和设计
为了准确了解矿山深部采区原始岩温，应尽可能多得到不同地点、标高的地温测试数据，原则上需要结合井下巷道系统的实际，并且以能够形成完整的地温剖面为宜。但是，受制于现场测试成本、难度，以及矿井主要高温区域分布，仅在工作面进路内布置4个测温钻孔（围岩巷道孔2个，矿体巷道孔2个），详细情况如表1和图1所示。
2.3 测温结果与数据分析
根据设计钻孔深度，在孔内利用热敏电阻测温探头逐点测温，由孔口向内，每个测温点稳定时间为10 min，在钻孔完成后先封闭孔口，等孔内温度稳定后将探头连同长导线一同送入钻孔内，后逐点进行观测，至深部测点温度稳定不变为止，部分钻孔测温结果如图2所示。
2～4号钻孔温度-深度拟合关系式分别为：
2号钻孔：y=30.22-6.35exp-x6.48（2）
3号钻孔：y=32.6-2.71+expx-2.50.24（3）
4号钻孔：y=34.8-0.51+expx-3.41.1（4）
1）2号钻孔所处巷道成巷时间长，风流对巷道冷却明显，巷道调热圈厚度大，在0～20 m钻孔深度范围内围岩温度不断升高，在20～35 m孔内温度分布稳定，说明巷道调热圈厚度约为20 m，该标高（-580 m）区域岩层原岩温度约为31 ℃。
2）相对于2号钻孔所处岩层，3号和4号钻孔所处岩层为矿体，地温偏高，且所在巷道成巷时间短，风流对巷道冷却作用不明显，巷道调热圈厚度较小。3号钻孔测温结果显示，在0～5 m钻孔深度范围内围岩温度急剧变化、不断升高，>5 m范围内孔内温度分布稳定在32.5 ℃。4号钻孔测温结果显示，在0～7 m钻孔深度范围内围岩温度急剧变化、不断升高，>7 m范围内孔内温度基本稳定，约为34.7 ℃。上述2个钻孔的测试结果表明：工作面调热圈厚度范围为5～10 m，-650 m处原始岩温约为32.5 ℃，-730 m处原始岩温约为34.7 ℃。
3）矿山从建矿至今未做过地温测定。严格意义上应针对岩层与矿体通过大量钻孔测温数据分别计算确定其地温梯度，结果如表2所示。本项目拟测定地温钻孔较少，原计划4个钻孔测温数据仅成功3个，计算确定161采区地层平均地温梯度为2.45 ℃/100 m，属于地温正常区。
3 矿井深部开采高温热环境测试
为了了解井下作業环境的热湿状况，以及形成热害的各种热湿源，为后续热害治理提供可靠的理论依据和科学数据，必须对井巷风流热力参数进行准确测定和分析。因此，以高温热害初显的161采区工作面为研究对象，对矿井风流沿程热力参数、工作面热湿源分布状态进行了测试与分析，为后续风温预测与降温设计提供基础数据参考。
3.1 综采工作面沿程测试方案
针对工作面及进回风巷道，采用分区段法将其划分为更为详细的5个区段［11］，设定15个风流热力参数观测点，如图3所示。采用“五定”观测法，即定观测人员、观测仪器、观测路线、观测点和观测参数。部分测试结果如表3所示。
3.2 测试结果与分析
以表3提供的代表性测试参数为基础，采用正向分源计算方法分段计算各热源散热量［11］。第一区段为16117材料联络巷入口至机电设备放置区前，即测点1～3；第二区段为机电设备放置区，即测点3、测点4；第三区段为变电站后到工作面进风隅角，即测点4、测点5；第四区段为回采工作面，即测点5～11；第五区段为工作面回风隅角到回风巷出口，即测点11～15。最终计算得到U型通风工作面及进路内热源分布如表4和图4所示。
根据测试与计算结果可以看出：
1）按照热源类型分析，工作面主要热源为围岩散热和机电设备散热，分别占46 %和24 %；按照热源空间分布分析，第四区段即工作面区域为热源主要集中区，占总散热量的38.5 %。
2）总量绝对指标排序：工作面与进路巷道热源分布大小为进风巷道（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回风巷道（127 kW）。进风巷道热源主要为安装的机电设备及围岩散热，由于新风温度低与围岩原始岩温的温差大，对流换热强烈，围岩散热量大。与其相对应的是回风巷道，风流温度高，与围岩的温差相对较小，围岩散热量小。工作面区域则始终处于新暴露岩石中接近原始岩温，围岩散热、机电设备散热和采空区漏风是主要热源。
3）相对指标度量：参考波兰学者根据煤矿井下巷道热害增加程度（风流焓增）提出以单位巷道长度开展相对指标度量［12］。工作面与进路巷道热源分布大小排序为工作面（1.28 kW/m巷道）>进风巷道（0.21 kW/m巷道）>回风巷道（0.09 kW/m巷道）。进一步提出如下定义：Q≤0.1 kW/m巷道为低热源强度分布区；0.1
4 结 论
以矿山初显的高温热害问题为研究对象，开展了矿井深部开采区域原始岩温与热环境现场测试与分析。
1）井下现场施工3个地温测试长钻孔，测试结果表明，中深部开采-580 m区域岩层原岩温度约为31 ℃，-650 m处原始岩温约为32.5 ℃，-730 m处原始岩温约为34.7 ℃；161采区地层平均地温梯度为2.45 ℃/100 m，属于地温正常区。
2）工作面热环境测试结果表明：工作面主要热源为围岩散热和机电设备散热，分别占46 %和24 %；以巷道长度绝对指标衡量，进风巷道散热量（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回风巷道（127 kW）；以巷道长度相对指标度量，工作面散热量（1.28 kW/m巷道）>进风巷道（0.21 kW/m巷道）>回风巷道（0.09 kW/m巷道）。
3）进一步提出了巷道长度相对指标热源强度分类指标，可以为矿井热害评估及后续降温措施实施提供参考。
［参 考 文 献］
［1］ 蔡美峰，薛鼎龙，任奋华．金属矿深部开采现状与发展战略 ［J］．工程科学学报，2019，41（4）：417-426．
［2］ LI P，CAI M F.Challenges and new insights for exploitation of deep underground metal mineral resources ［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2021，11（4）：3 478-3 505．
［3］ 中国煤炭工业协会．2020年中国煤炭行业发展年度报告［R］．北京：中国煤炭工业协会，2021：1-35．
［4］ 王丽丽，高文静.透视我国千米深井生态＼[EB/OL＼].（2013-08-21）＼[2022-12-04＼].http：∥www.cinic.org.cn/hy/ny/152438.html.
［5］ 袁亮．煤炭精准开采科学构想［J］．煤炭学报，2017，42（1）：1-7．
［6］ CHU Z X，DONG K J，GAO P H，et al.Mine-oriented low-enthalpy geothermal exploitation：A review from spatio-temporal perspective［J］.Energy Conversion and Management，2021，237：114123.
［7］ 黄华良．永川煤矿高温热害防治技术研究与实践［J］．煤炭科学技术，2012，40（5）：42-45．
［8］ CHU Z X，ZHOU G Q，RAO Z H，et al.Field measurement and assessment on airflow the rmodynamic parameters in hot and humid underground tunnelling：A case study［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2022，121：104341.
［9］ 褚召祥，辛嵩，王保齐．赵楼煤矿原始岩温测定［J］．煤炭工程，2010，42（9）：91-93．
［10］ 杨德源，杨天鸿．矿井热环境及其控制［M］.北京：冶金工业出版社，2009：43-47．
［11］ 魏诚，褚召祥，张鹏，等．長距离掘进巷道热湿源分布的测定与分析［J］．煤矿安全，2018，49（1）：202-209．
［12］ KNECHTEL J.Thermal hazard prevention in longwalls run under extreme geothermal conditions［J］.Archives of Mining Sciences，2011，56（2）：265-280.
Abstract：A study was conducted on the initial heat hazard in mines，focusing on the testing and analysis of the original rock temperature and thermal environment in deep mining areas.The results showed that the original rock temperatures in the -580 m，-650 m，and -730 m layers were 31 ℃，32.5 ℃，and 34.7 ℃ respectively，with an average geothermal gradient of 2.45 ℃/100 m in strata.The main heat sources in the working face were the surrounding rocks and electromechanical equipment，accounting for 46 % and 24 % respectively.A new idea was proposed to measure the distribution of underground heat sources and the degree of heat hazard using absolute and relative heat dissipation indexes based on the total and unit lengths of ventilation tunnels.This study can provide a reference for assessing heat hazards in similar mines and implementing subsequent cooling engineering measures.
Keywords：deep mining;heat hazard;original rock temperature;working face;field testing;enthalpy difference
