淮南煤田新區地溫分布規律分析及熱害防治

2012-01-08 02:10:28楊丁丁王佰順楊培培

中國礦業 2012年7期

楊丁丁，王佰順,張翔，楊培培

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南 232001;2.煤與瓦斯共采實驗室，安徽淮南 232001;3.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點試驗室，安徽淮南 232001)

隨著經濟的發展，資源需求量的加大，越來越多的礦井向深部發展，地熱災害問題日益嚴重。熱害問題已經成為制約煤礦安全高效發展的瓶頸。如不能有效地解決地熱災害問題，必將嚴重阻礙淮南礦區的新一輪生產和建設的發展[1]。通過分析地溫分布規律及其影響因素，找出經濟有效的礦井熱害防治方法與技術，就顯得格外重要。

1 煤田地質及氣象概況

淮南煤田是華東地區最主要的煤炭生產基地之一。煤田位于華北板塊南緣，北鄰蚌埠隆起，南以老人倉-壽縣斷層與合肥中生代坳陷相鄰，東起東起郯廬斷裂，西止于商丘-麻城斷裂。東西長180km，南北寬15～20km，面積約3200km2。淮南煤田為近東西向展布的復向斜構造，其兩翼邊緣發育一系列逆沖斷層，致使部分地層直立、倒轉。本區斷裂構造主要為兩組，一組是隨褶曲形成的走向逆沖、逆掩斷層，另一組是與郯廬斷裂近于平行的NNE向橫切斷層。礦區內巖漿巖的出露甚少。第四系松散復蓋層厚0～700m，自東向西逐漸增厚，整個煤田隱伏于淮河沖積平原之下，屬全隱伏煤田。由于后期升降剝蝕和沉積作用的差異，致使煤層埋深不均勻，煤田南部煤層埋深較淺，向斜軸部煤層埋藏最深，最大深度達1800～2000m。

淮南礦區屬寒溫帶溫濕氣候，季節性明顯，冬冷夏熱。年平均氣溫15.1℃，極端最高氣溫41.4℃(1966年8月8日)，極端最低氣溫-22℃(1969年1月31日)。

2 地溫參數與分布規律

隨著淺部資源的枯竭，礦井向著深部擴展。淮南新建礦井煤層埋藏較深，開采水平多在-800m以下。礦井工作面、掘進頭的溫度嚴重超過國家環境衛生安全要求。直接影響工人的身體健康，對煤礦安全高效開采威脅較大。部分新建礦井來自圍巖的熱量在礦內熱源比例就高達57%[2]，不同時期所占比例不同。

2.1 地溫參數

地球內部儲存著巨大的熱能，地殼表層的溫度常隨外界溫度而有日變化和年變化，這一地帶稱之為變溫帶。但從地表向下達到一定深度，其溫度不隨外界溫度而變化，這一深度叫恒溫帶。恒溫帶以下，主要受地球內部熱能的影響，溫度隨深度的增加而增高的地帶，稱之為增溫帶。在增溫帶以下，深度每增加100m地溫所增加的溫度，稱之為地溫梯度[3]。兩淮礦井的作業水平都在增溫帶范圍內，一般情況下，埋藏越深，地溫熱害對采礦作業影響就越大。

2.2 礦區熱害等級

《煤炭資源地質勘探地溫測量若干規定》指出：平均地溫梯度不超過3℃/100m的地區為地溫正常區；超過3℃/100m為高溫異常區。同時還指出，原始巖溫高于31℃的地區為一級熱害區，原始巖溫高于37℃的地區為二級熱害區。

表1 淮南煤田部分深井地溫狀況表

根據九龍崗礦長期觀測鉆孔資料，淮南恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃。淮南煤田部分深井地溫狀況見表1。從表中可以看出新區的礦井都進入了二級熱害區，部分礦井地溫異常。其中顧橋礦設計產量5.0Mt/a，主要環節留有10.0Mt/a的條件。2007年4月投產，當年產量6.81Mt，2008年產量10.55Mt，2009年產量12Mt。其他礦井實際生產能力都有不同程度的超產現象。投產時間短，產量高，礦井熱害更加嚴重。

2.3 地溫分布規律

從礦井近似穩態連續測溫曲線圖可以看出，溫度隨著深度的增加而增加，呈現出良好的線性趨勢，表現為傳導型增溫特點。總體而言，地溫梯度隨著深度的增加而逐漸的趨于一致。如圖1所示為顧橋礦部分穩態測溫鉆孔測溫曲線。

圖1 顧橋礦部分鉆孔穩態測溫曲線

不同的地質構造對地溫分布規律的影響不同。資料顯示，淮南煤田老區受謝橋-古溝向斜的影響，老區東部比西部地溫高，地溫隨著深度的增加而增加，地溫梯度正常，地溫熱害不太明顯。新區由于處于陳橋—潘集背斜隆起的影響，加之開采深度大，地溫都高于正常值。淮南煤田對沖構造見圖2所示。受陳橋—潘集背斜影響的礦井有：潘集、丁集、顧橋、張集、謝橋、劉莊、口孜集。該背斜的核心部分與同水平比較地溫高，地溫梯度大，兩翼地溫呈遞減趨勢。其中第四系平均地溫梯度為4.5℃/hm～5.0℃/hm，二迭系為4.3℃/hm，核心兩側第四系、二迭系平均為3.5℃/hm，兩翼為2.5℃/hm～3.0℃/hm[4]。另外由于斷層構造的影響，靠近大斷裂帶的區域地溫也有異常。不同的礦井所處的位置不同，地溫狀況又有所區別。總體來看，淮南新區地溫等值線與底板等高線走向基本一致，背斜軸部地溫均較高。

圖2 淮南煤田對沖構造示意圖

3 地溫影響因素分析

地質資料分析表明，地溫熱源主要來自地球內部，深度越深地溫越高。地溫分布規律受分布格局、巖性變化影響較大，地下水活動以及巖漿巖侵入也都有不同程度的影響。

3.1 構造分布格局對地溫的影響

大量的實測資料已證實地質構造的形態與地溫場的特征具有明顯的相關性。不同巖性的兩種巖層或者同種巖性的不同兩分層相鄰，由于導熱系數在平行于層理方向上較大，垂直方向上較小，地下熱流向上傳導碰到巖層界面會出現向平行層面方向傾斜，產生側向熱流作用[5]。強烈的構造運動產生褶曲和斷裂等構造，不僅能改變巖層的產狀，引起巖石熱物理性質在水平方向與垂直方向上的變化，而且會進一步導致深部熱流在淺部重新分配，使溫度場發生改變。背斜軸部大地熱流集中，同一水平地溫比翼部高；向斜軸部大地熱流相對發散，同一水平地溫比翼部低。大的斷裂構造溝通了上地幔的熱流通道，將深部的熱流導入淺部，造成地溫異常；小的斷裂構造，由于填充、閉塞而對地溫無明顯影響。所以，背斜、斷層等構造影響以及深部開采，是造成丁集、顧橋、朱集等淮南新區深井地溫熱害嚴重的主要原因之一。

3.2 巖石熱物理性質的影響

巖石的熱物理性質對研究礦井地溫場的形成、熱遷移和分布規律具有重要的意義。從表2可以看出結晶基底的巖石熱導率高，沉積蓋層巖石熱導率低。巖石的層狀結構使其熱導率出現各向異性，造成褶曲等構造的地溫差異。

地溫向深處的增加僅與巖石的熱導率成正比[3]。熱導率大的巖層中，地溫梯度小；熱導率小的巖層中，地溫梯度大。煤層的熱導率較其他巖層熱導率小，所以煤層有很好的隔熱作用，其地溫梯度要較其他巖層大的多。導熱性差的地方往往是地溫正異常區域。地表松散層由于熱導率低，深部熱流向上傳到至淺部松散層時，聚熱效果明顯。淮南新區煤系地層上覆有較厚的第四系松散層，所以新區地溫明顯大于老區。上覆第四系松散層越厚，地溫也就越高[6]。

表2 常規條件下部分巖石熱導率

3.3 巖漿巖侵入的影響

巖漿巖侵入時的溫度很高，經過漫長的地質年代后，殘余熱量基本散發完，但是在厚松散層覆蓋條件下，仍保留有少部分余熱[7]。資料表明，巖漿巖侵入地帶，地溫明顯高于正常值。

巖漿活動對地溫分布影響，主要取決于巖漿侵入的地質年代和侵入規模、產狀與性質。年代越新、侵入規模越大，對地溫分布影響越大。淮南煤田的巖漿巖侵入限于上窯、潘集、丁集勘探區，一般呈層狀侵入，引起礦區九龍崗、潘集、丁集、顧橋地溫異常。其中丁集礦鉆孔資料顯示，巖漿巖侵入嚴重區域最大厚度達145.55m，屬燕山期產物[8]。

3.4 地下水影響

由于地下水熱容量大，所以是影響一個地區地溫分布最重要的因素之一，它的活動往往導致區域性或局部性地溫異常。水溫與圍巖溫度的不同，對圍巖有增溫、降溫和恒溫的作用，斷裂帶或傾斜透水層則是深部熱水向上運移的良好通道。丁集、顧橋、潘三等礦有部分熱水影響。潘三礦曾發現水溫46℃的熱水[4]，但總體看來地下熱水不是造成地溫異常的主要原因，只在少部分區域影響。

4 熱害防治

淮南新區新建礦井由于瓦斯治理需要，首先開采煤層較薄的保護層(11#煤層)，為主采突出煤層的瓦斯治理留有時間和空間，造成工作面溫度很高。瓦斯治理、開采程序與勞動環境保護的矛盾尤顯突出[1]。以顧橋礦為例：顧橋礦是典型的深井開采，熱害嚴重，第一水平(-780m)原始巖溫42℃，地溫梯度3.08℃/hm，屬于地溫異常區，為二級熱害區。夏季時礦井采掘出風流溫度可達35℃～38℃，濕度在95%以上，存在較為嚴重的熱害問題。礦井熱害影響因素很多，應采取綜合措施科學治理。

4.1 非機械制冷降溫措施

非機械制冷降溫措施主要有：合理開拓部署、優化通風系統、增加風量、下行通風、隔絕熱源、煤層注水、采空區充填、個體防護等[9]。鑒于影響新區礦井熱環境的因素較多，熱源散熱量大，在礦井設計中，已采取或考慮了一些綜合防治對策。

1) 合理開拓部署。采用立井、分組集中大巷、盤區石門開拓方式，可縮短進風風流線路長度，有利于減少新鮮風流在通風路徑中的熱增量，降低采掘工作面風流的溫升。

2) 選擇合理的開采方法。回采工作面采用走向長壁后退式回采，可增大工作面的進風量，減少采空區的散熱量。

3) 合理增大工作面風量，把井巷風流速度控制在經濟、允許風速范圍內，盡量縮小風流與井巷圍巖的熱交換面積，減少圍巖傳熱量。

4) 采用煤層注水、煤巖巷濕式掘進，以降低煤巖體溫度。

5) 采空區進行黃泥灌漿充填，及時封閉等措施，抑制采空區的氧化散熱。

6) 加強對上隅角溫度的控制，減少采空區漏風或工作面采用Y型通風方式。

4.2 機械制冷降溫措施

由于新區礦井熱害嚴重，非機械制冷措施不能完全解決礦井高溫熱害問題，所以應采取機械制冷降溫措施。采用以集中降溫為主，局部降溫為輔，集中降溫首選熱電冷聯產聯供，在熱電冷聯產聯供尚不具備條件的情況下，可首先采用局部降溫措施過渡。熱害礦井在采區、工作面設計中應包括降溫方案的設計[1]。

顧橋礦在解決礦井熱害問題上，根據地面設施配置條件及資源條件，優選了熱電冷聯合降溫措施。采用瓦斯發電余熱制冷井上集中供冷與井下移動制冷相結合的井下降溫模式。充分利用顧橋火電廠和瓦斯發電的余熱，通過溴化鋰吸收制冷機與電制冷機串聯，提高能源利用率，降低制冷成本。

由于冷媒水溫差要求較大，普通冷水機組難以做到一次降溫，而定制非標制冷機將會導致訂貨困難和設備投資加大，因此設計采用普通冷水機組兩級制冷方案。為方便負荷調節，兩級制冷采用單元式組合形式。由于蒸汽溴化鋰制冷機出水溫度較高，可作為第一級制冷，電制冷機作為二級制冷。蒸汽雙效溴化鋰制冷機組制冷量設計為5870kW；電制冷機組制冷量設計約為2000kW。制冷單元兩級制冷量和為7870kW，超出部分為溴化鋰機組的制冷量附加。配三個制冷單元。在一水平-780m平面設降溫硐室，服務-650～-950m。

根據礦方生產計劃，一水平13煤上山采區的面、頭均不需降溫，13煤下山及11煤上、下山采區的面、頭均需降溫，二水平各面均需降溫。礦井不同時期需冷量見表3所示。

綜合采取了開采技術措施和井下集中制冷、冷凝熱地面排放降溫系統降溫措施后。顧橋礦掘進工作面溫度降低了4.1℃，綜采工作面進風口溫度降低了5.5℃，濕度下降了7%左右。同樣在潘一礦、潘三礦、丁集礦等礦井采取礦井降溫措施都能夠明顯改善采掘工作面熱害問題，為煤礦安全高效開采提供了保障。