銅坑礦4號回風井原始巖溫測量數據分析

周汝鳳，陳慶發，楊偉忠，韋才壽，張睿沖

(1. 廣西大學 資源與冶金學院, 廣西 南寧 530004；2. 廣西華錫集團股份有限公司， 廣西 柳州市 545006)

銅坑礦4號回風井原始巖溫測量數據分析

周汝鳳1，陳慶發1，楊偉忠2，韋才壽1，張睿沖1

(1. 廣西大學 資源與冶金學院, 廣西 南寧 530004；2. 廣西華錫集團股份有限公司， 廣西 柳州市 545006)

以銅坑礦鋅多金屬礦體4號回風井為工程對象，采用淺孔測溫法測定原始巖溫，利用Origin軟件回歸實測數據，分析了井下測量溫度(T)與深度(H)的關系；探討了測量過程中工作面溫度、地面溫度及炮桿吹風3個因素對測量溫度的影響機制；并對測量數據進行了線性擬合計算，得出4號回風井的平均地溫梯度為3.39℃/100 m。

銅坑礦；原始巖溫；測量溫度；數據分析

廣西銅坑礦鋅多金屬礦體為復雜多層緩傾斜薄礦體，埋藏深，含硫高，地溫高，存在一定的礦井熱害問題。為摸清鋅多金屬礦體溫度場分布規律，強化礦山安全管理，制定出經濟合理的降溫措施，銅坑礦聯合廣西大學開展了鋅多金屬礦體地熱地質調查工作，回風井測溫工作是其中一項重要內容。鋅多金屬礦體地熱項目達成協議并開展工作時，4號回風井已施工到了147 m深度，所以深度147 m之上的原始巖溫測量數據有待依托其他新掘進豎井開展測溫工作補齊。

1 回風井工程地質特征概述

銅坑礦鋅多金屬礦體4號回風井位于鋅銅礦體東部，井口地理坐標 X：458932.917；Y：2749912.89；Z：+815.48 m。風井與+305，255，205，155 m水平相通，馬頭門開口方位均為270°。4號回風井所處地域屬大陸性亞熱帶氣候，具有溫暖潮濕、多雨等特點。地層基本完整、局部破碎，硬度中等至較硬，層理清楚、裂隙發育一般；沒有大的斷層穿過；水文地質條件簡單。因此，水文地質勘查類型為第二類第一型，屬于頂板間接充水、水文地質條件簡單的裂隙充水區；井巷圍巖為灰巖、泥灰巖、泥巖、矽卡巖，工程地質條件簡單，工程地質勘探類型為第三類簡單型，即層狀巖類簡單型。

2 原始巖溫測量方案簡介

2.1 測溫方法

實際情況采用淺孔測溫法測量原始巖溫，即在井下連續推進的巷道掘進工作面，直接利用爆破眼鉆孔(深度一般大于1 m)進行原始地溫的測定。根據炮眼的布置情況進行鉆孔，鉆孔結束后停留一定時間，停留時間為鉆孔時間的0.5～1.5倍，此時孔內溫度可恢復到原始巖溫的90%，所測溫度基本上反映了真實的地溫[1]，待鉆孔內某些孔段沖洗液與圍巖之間已達到熱平衡后，再將測溫探頭送至孔底，進行原始巖溫的測量。連續測溫直至孔底溫度趨于穩定值即為該處原始巖溫[2]。

2.2 測溫點布置

根據4號回風井工程施工組織設計可知，炮眼布置以井筒中心為同心圓布置，共布置5圈炮眼，圈距650 mm，周邊眼間距620 mm，輔助眼眼距650～750 mm。測溫點選擇遵循以下原則[3]：具有代表性，測溫點覆蓋面積廣，能夠代表掘進面區域的溫度；測溫點數量合適、分布均勻。如測溫點多且分布均勻，代表性高，但測溫時間長；相反測溫點少且集中，測量時間短，但代表性不高，具有局限性。綜合考慮代表性與測溫點數量，根據回風井施工工序時間安排，選定8個測溫點：在掏槽眼圈、二、三、四圈輔助眼圈各布置兩個測溫點，分別為1～8號測點。8個測溫點形成一個雙螺線狀的覆蓋區域，這樣既節省了測量時間，又使測量數據具有較高的代表性。

2.3 測溫儀器

測溫儀器主要采用JM222便攜式數字溫度計，它以半導體熱電阻為傳感元件，靈敏度較高，動態性較好，相應時間短，特別適用于施工緊迫，允許測溫時間不長的豎井掘進面。JM222便攜式數字溫度計分為溫度數字顯示與測溫傳感兩個部分，其測溫范圍為-50～199.9℃，精度為±0.4% FS±0.1℃，分辨力為0.1℃，主要應用于生產過程監測、工程現場、設備配置以及教學實驗等。

2.4 測量時段及頻度

根據4號回風井的工程實際，由于回風井直接利用爆破眼鉆孔進行原始地溫的測定，且回風井的施工工序緊迫，因此，測量時段選擇在打眼之后，與裝藥聯線工序同步。一般情況下，進入增溫帶，每2～3 d進行一次測溫。

3 測量數據分析

本文主要采用Origin數據分析軟件對測溫數據進行分析。Origin為Origin Lab公司出品的一個高級科學繪圖、數據分析專業軟件，具有簡單易學、操作靈活、功能強大等，可以滿足數據分析、函數擬合的需要[4]。

3.1 實測數據分析

圖1 4號回風井原始巖溫實測數據曲線圖

自2012年4月25日開始下井開展原始巖溫測量工作，直至2013年1月14日為止，總共進行了77次測量，所獲取的4號回風井原始巖溫實測數據的溫度(T)與深度(H)關系曲線見圖1。

由圖1可看出，溫度(T)-深度(H)曲線呈現出持續上升的總體趨勢，說明原巖溫度隨著測量深度的增加而升高，符合地溫增加的一般規律。由于回風井水文地質條件、層狀巖巖性、地下水活動、工作面通風、鉆孔爆破、人工測量誤差等多方面因素的影響，導致曲線存在著一定的波動性。測量深度在475m之上，測量溫度受井下工作面通風以及地面氣候等因素的影響較大，T-H曲線的前半段波動較大。隨著深度的增加，測量溫度趨于穩定上升，規律更為明顯。

3.2 測量結果分析

雖然4號回風井測溫工作獲取了大量的數據，溫度也呈現了一定的規律，但是在測溫過程中也出現了一些不可避免的影響因素，這些因素改變了原始巖溫測量的最理想狀況，對測溫數據的準確性存在一定的影響。因此，應利用已有的數據，結合4號回風井測溫實際情況，對回風井原始巖溫測量過程中的影響因素進行探討，以更好的指導類似的回風井測溫工作。

根據4號回風井實測數據，采用Origin軟件繪制出工作面溫度、地面溫度、炮孔吹風與測量溫度之間的關系曲線，分別如圖2、圖3和圖4所示。

(1) 工作面溫度。從圖2可以看出，在深度475 m之上，工作面溫度與回風井原始巖測量溫度的變化趨勢相似，總體上前者略高于后者；深度475 m之下，工作面溫度增長幅度大于后者增長幅度。這說明，在深度475 m處工作面通風帶走的熱量與該處圍巖散熱量是平衡的，在此深度之上，前者帶走的熱量大于散熱量，使得測量溫度偏低；475 m之下，前者帶走的熱量相對后者產生的熱量較小，對回風井原始巖溫測量數據基本無影響。

圖2 工作面溫度與測量溫度的關系曲線

(2) 地面溫度。由圖3可知，由于測量時間從夏季4月份到次年冬季1月份，所以地面溫度曲線呈現出不斷下降的趨勢。其中，測量溫度曲線并不隨著地面溫度曲線的波動、變化而產生變化，說明地面溫度對測量溫度并沒有影響。

(3) 炮桿吹風。根據4號回風井的施工工藝可知，炮桿吹風是裝藥前的一項重要的工序，是用高壓風流將炮孔內的積水快速沖出，后迅速將乳化炸藥裝入孔內。通過整理測溫數據可知，大部分測溫工作是在炮桿吹風之后進行的，因此將部分炮桿吹風前、后數據進行匯總比較，以期得到炮桿吹風對測得溫度的影響。由圖4中495.9 m與464.3 m兩個深度的數據點分析可知，兩點之間的溫差達到了2.8℃，而其工作面深度僅相差4.4 m，兩點間的地溫梯度高達63.64℃/100 m，遠遠超出了正常溫度場的溫度梯度值(1.6-3.0℃/100m)[5]。通過采用反演法，對圖4各個數據點的實測數據直接進行反演分析計算可得，炮孔在炮桿吹風前后溫度差距為2.5℃左右。并且，掘進工作面的現場測溫人員也曾多次在炮桿吹風前后對同一炮孔進行溫度測量與記錄，測量結果表明，炮孔在炮桿吹風前后溫差達到了2℃-3℃，這與圖4的分析基本相符。

圖3 地面溫度與測量溫度的關系曲線

圖4 炮桿吹風與測量溫度的關系曲線

由此可見，炮孔經過炮桿吹風操作會導致測量溫度偏低，需對其進行修正，對炮孔進行炮桿吹風后測溫的影響修正值取2.5℃。

3.3 測量數據擬合及地溫梯度計算

在圖5中，通過對實測數據進行線性擬合分析得到原始巖溫與深度的函數關系式為：

T=0.034H+15.72

(1)

其中，相關系數R=0.97797。說明線性擬合效果較好。且該公式亦能表明實測數據的總體規律：隨著測量深度的增加，原始巖溫值逐漸增大。

地溫梯度是指某地地溫變化，又稱地熱增溫率，指深度每增加100 m，地溫升高的度數，單位為℃/100 m。地溫遞增有一定規律，但深部與淺部比較，在變化規律上略有差別，淺部增溫率略小，隨深度增加，增溫率逐漸增大[6]。由原始巖溫與深度的函數關系式可知，在深度147.8～780.6 m范圍內，深度每增加100 m，原始巖溫增加約3.39℃。因此，4號回風井的平均地溫梯度為3.39℃/100 m。

圖5 測量溫度線性擬合曲線

4 結 論

(1) 通過分析銅坑礦回風井測溫數據可得，原巖溫度呈現隨深度的增加而升高的總體規律。深度在475 m之上，測量溫度受井下工作面通風及地面環境等因素的影響較大，所以T-H曲線的前半段波動較大。隨著深度的增加，測量溫度趨于穩定上升，規律更為明顯。

(2) 4號回風井的原始巖溫測量的影響機制探討表明，地面溫度對測量溫度并沒有影響。

(3) 炮孔(即測孔)經過炮桿吹風操作會導致測量溫度偏低，因此，需對炮孔經過炮桿吹風的實測數據進行修正，修正值為2.5℃。

(4) 在垂直方向上，地溫遞增有一定規律，淺部增溫率略小，隨深度增加，增溫率逐漸增大。根據測量數據的線性擬合計算得，4號回風井的平均地溫梯度為3.39℃/100 m。

[1] 余恒昌. 礦山地熱與熱害治理[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 1991: 77-82.

[2] 吳章云, 曲 方, 樊海兵, 等. 利用淺鉆孔測定原始地溫的方法[J]. 煤礦安全, 2008, 39 (8): 52-54.

[3] 田本東. 工作面炮眼布置與巖巷掘進光面爆破技術[J]. 煤炭技術, 2009, 5(5): 76-77.

[4] 郭俊英. Origin軟件在采掘工作面配套設備能力驗證中的應用[J]. 機械管理開發, 2010, 12(6): 112-113.

[5] 陳國慶. 煤田測井井溫測量的探討[J]. 能源與環境, 2012,10(5): 101-102.

[6] 歐陽仕元. 凡口礦礦井深部地溫監測研究[J]. 有色金屬, 1998, 9(S1): 140-142.

廣西研究生教育創新計劃項目(T32696).

2013-09-06)

周汝鳳(1990-), 女, 廣西玉林人, 碩士, 主要從事礦山安全技術研究及安全管理工作,Email:chqf98121@163.com。