朱集煤礦地溫參數測定及規律分析

胡金濤

(安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南232001)

地溫資料顯示，深度每延伸100m，地溫平均上升1.8～4.4℃。目前國有重點煤礦開采平均深度達到了730m，平均圍巖溫度也將達到38.6℃。《煤炭資源地質勘探地溫測量若干規定》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。由此可見，大部分礦井都將進入二級熱害區［1］。

在井下高溫濕熱環境中長時間的工作，工人會發生中暑、熱虛脫等疾病，同時還會引起某些機能障礙，導致井下事故率增加，勞動生產率下降。因此改善井下作業環境，控制井下溫度是保障工人身體健康，防止事故發生的重要因素。對地溫參數的測定，可以有效地分析出地溫分布的規律，對采取切實可行的降溫措施有重要的借鑒意義。

1 礦井地質及氣象概況

朱集煤礦所在地屬于季風暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，冬冷夏熱。該地區年均氣溫15.1℃，兩極氣溫分別為41.1℃和－21.7℃。井田位于淮南煤田東北部，淮南復向斜的次級褶皺朱集－唐集背斜及尚塘－耿村集向斜的東段，井田總體構造形態為一背、向斜，北部為朱集－唐集背斜，其南翼與潘集背斜北翼構成較寬緩向斜，沿軸向有所起伏，如圖1所示。

圖1 淮南煤田構造

2 參數測定

2.1 測溫儀器的選擇

礦井原巖溫度一般不超過100℃，測溫范圍較小，并且受礦井井下條件的限制，選用傳感器時要求具有較好的防爆隔爆的安全性、抗濕性與抗氧化－還原性，以及很好的精度與穩定性。為了滿足以上要求又適合井下測量，能最精確地測出礦井的原巖溫度真實數據的條件，選用WZPK－1496型Pt熱電阻，配套使用礦用隔爆兼本安型自耦減壓真空電磁啟動器，外接220V交流電源，滿足測量的精度與穩定性。

2.2 測溫地點的選擇

測溫得到的數據結果只代表測溫地點及其附近的情況，如果要全面了解開采區域的地溫情況，測溫鉆孔必須覆蓋主要開采區域。測溫地點要求通風良好，井下機電運輸不影響鉆機施工和現場測溫。巷道圍巖地質條件良好，巖石層厚、巖性均一。鉆孔應避開斷層、含水層、陷落柱等地質發育區域。巷道頂底板狀況良好，無冒頂片幫等安全隱患。鉆場周圍60m范圍內不要有其他通風時間大于2a的巷道或硐室。

為了測定巷道原巖溫度，找出溫度梯度，使所測數據更具有代表性，本次現場測定的鉆孔布置在不同標高的地點，幾乎覆蓋所有巖石巷道。共擬定了10個測溫鉆孔，分布在8個測溫地點。具體情況見表1。

表1 朱集礦深孔法測溫鉆孔位置

2.3 測溫鉆孔的施工

2.3.1 鉆孔參數

鉆孔直徑:110～130mm;鉆孔角度:為了便于水泥砂漿封孔，水平孔水平設計2°的仰角，方位角為0°;鉆孔深度:初始測調熱圈鉆孔深度為40.5m，以后鉆孔深度可根據調熱圈大小另行調整。

2.3.2 鉆孔施工

在所選擇的測溫地點正常開鉆，并在1號位置水平孔5m位置處起鉆取出1m巖芯，記錄相關數據后繼續打鉆至設計深度。打鉆時，盡量清理干凈孔內的礦渣，以確保測溫工作的順利進行。

詳細記錄鉆孔設計參數，實際施工參數，終孔孔深，孔內見煤巖情況，開孔人，終孔人及驗收人等內容。

2.3.3 傳感器安裝

待鉆孔打好并經清洗后，即可向鉆孔中輸送測溫傳感器。

設計前2個施工的鉆孔兼作測定調熱圈寬度。測溫傳感器的布置位置分別為距孔口40m，35m，30m，25m，20m，15m，10m，5m，2m，如圖2所示。每個傳感器要在外端用白膠布做標記，并用透明膠帶將白膠布密封，以免標簽被污染。

測溫鉆孔采用25mm的PVC管輸送和固定傳感器。PVC管每根長2m，兩端帶有快速接頭，方便施工。

圖2 水平測溫鉆孔施工及封孔

待傳感器安裝好后，依次接上測溫儀，檢查線路是否正常。

2.3.4 封孔

在PVC管送到指定位置后，插入注漿管，聚氨酯封孔1.5m，開始返漿，直至PVC管返漿后停止注漿。然后將PVC管出口用堵節堵死，之后再注漿2min。注漿壓力2～3MPa，封孔為一次性全部封實，注水泥漿水灰比為1∶1。

3 數據觀測及分析

原巖溫度的測量分為2個步驟:第1步，測量巷道調熱圈半徑的大小以及巖體的原巖溫度;第2步，根據所測巷道調熱圈半徑的大小，將傳感器放在深度大于巷道調熱圈半徑的位置直接測量原巖溫度。

3.1 調熱圈半徑的確定

由于隨著通風時間的增加，靠近巷道的高溫巖體內部的溫度不斷降低，并且溫度降低范圍不斷向巖體內部延伸，直至達到新的熱平衡。根據傳熱學知識可知，這個延伸厚度即為巷道的調熱圈。

選擇在靠近井底車場位置的－965m軌道大巷(北)和－906m西翼回風大巷 (北)，2個通風時間較長 (大于3a)的巷道內打深度為41m的鉆孔，安裝傳感器封孔測溫，記錄溫度數據直到數據穩定為止。測溫數據如表2和表3所示。

表2 －965m軌道大巷 (北)原巖溫度測試數據

表3 －906西翼回風大巷 (北)原巖溫度測試數據

3.2 原巖溫度數據結果

從巷道調熱圈半徑的測定數據可以看出，對于通風時間較長的巷道，調熱圈半徑在26.65～26.84m之間。所以在通風時間較短或者新暴露的巷道中，將傳感器放置深度不小于27m就能測出巖體的原巖溫度。為此，選擇了另外8個鉆孔，分布在主采區域，選擇上向、下向、平方位鉆孔，垂直跨度為155m，以便摸清主采水平原巖溫度值以及溫度分布規律。測溫結果見表4。

表4 朱集煤礦井下原巖溫度實測結果

3.3 測溫結果分析

根據所測原巖溫度數據計算分析可知:

(1)朱集煤礦現有開采水平東翼地溫略高于西翼，南盤區略高于北盤區，東西兩翼均存在地溫異常區域，地溫分布規律基本與煤層底板等高線一致。

(2)所測原巖溫度標高的范圍為:－863～－1018m，原巖溫度在42.4～46.5℃之間，均大于37℃，都處于二級熱害區域，絕大部分大于43℃，通風不能解決礦井熱害問題，需要用人工降溫的方法來解決井下高溫。

(3)地溫梯度在2.5～7.9℃/hm之間，加權平均地溫梯度為3.86℃/hm，大于3℃/hm，屬于地溫異常區。

(4)預計－1070m水平原巖溫度在47.8～49.8℃之間，加權平均為48.52℃。

從表4可知:對－863～－1018m深的煤系地層大巷圍巖溫度進行了實測，得出朱集煤礦－863～－1018m范圍內原巖溫度平均地溫梯度為3.75℃/hm，預測 －1070m水平原巖溫度值為49.08℃，與實際現場實測加權計算數據基本吻合。根據計算，朱集煤礦所采區域屬于地溫異常區，隨著礦井開采深度的增加，朱集煤礦地溫梯度可能更高，從此段巖溫梯度和原巖溫度測定結果看，該礦為高熱害礦井。

4 地溫規律分析

影響地溫分布規律的因素主要有地質構造格局、巖石的熱物理性質、巖漿巖的侵入、地下水的活動等，采動影響也是不可忽略的。

在一般情況下，基底凸起區域上部具有較高的地溫、地溫梯度，凹陷區域相對較低。基巖埋深淺，覆蓋層與基巖熱導率相差甚大，于凸起上方形成的高溫異常區域十分明顯。由于礦井開拓水平較深，朱集煤礦地溫較高，中東部較平緩，受地質構造影響較小，地溫整體較高，同一水平地溫較一致，異常高溫區域少。井田西部受朱集－唐集背斜的影響加大，地溫也較東部高，異常高溫區域多。

朱集礦井煤系地層被厚度介于150.40～394.30m之間的松散層所覆蓋，屬全隱蔽含煤區。由于第三、第四系松散層導熱性能差，阻礙了地熱向地面大氣傳散，使得深部熱流積聚在煤系地層中，從而導致井田地溫梯度較高。同時，由于受到構造、地層結構和新生界松散層厚度變化的影響，不同地溫帶溫度場分布存在一定的差異。朱集礦井恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃;全井田地溫梯度為1.70～3.80℃/hm，一級高溫區 (＞31℃)一般出現在－564m以下，二級高溫區 (＞37℃)一水平平均地溫為43.7℃，預計－1070m水平平均地溫為48.52℃。礦井地溫較高，地熱是導致井下氣溫升高的主要因素。

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。區內有42個孔揭露有巖漿巖，最厚32.78m(15－1孔)，3個孔僅見天然焦未見巖漿巖。巖漿巖侵入范圍主要集中在本區中、東部6～17勘查線之間的中、北部地段，在18勘查線及以西地段有零星分布 (3孔)。巖漿侵入時代應屬燕山期，由于地質年代較老，對地溫影響不是很大，但巖漿形成的巖石熱導率較高，對深部地溫起到很好的溝通作用而引起淺部地溫較高。

總體來看，朱集煤礦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。

5 降溫措施

(1)合理的開拓布置。本礦井采取立井、主要石門、大巷開拓方式，分區開拓，分區通風，這樣可縮短通風路線，減少進風風流在通風路徑中的熱增量，以降低工作面風流的溫升。

(2)選擇合理的開采方法。回采工作面采用走向或傾向長壁后退式回采，Y型通風，以減少采空區的散熱量。

(3)合理集中生產。礦井投產時僅移交2個綜采工作面，配備5個掘進工作面，盡量減少熱源點，有利于集中使用風量，充分發揮通風降溫的作用。

(4)合理增加風量。

(5)進風井筒在通過表土層和基巖含水層時，采取封堵和注漿等措施，減少井筒淋水，降低風流中的含濕量，減小進風風流的熱焓。

(6)采取煤層注水，煤巖濕式掘進，以降低煤巖體溫度。

(7)采空區進行黃泥灌漿充填、及時封閉等措施，抑制采空區遺煤氧化放熱［2］。

(8)減少機械、巖層、熱水及管道散熱以達到降溫的目的。

(9)采用冷卻服等個體防護措施等。

6 結論

(1)通過在不同標高的巖層中布置鉆孔，埋設測溫探頭，測得的原巖溫度標高范圍:－863～－1018m，垂直落差155m。原巖溫度在42.4～46.5℃之間，地溫梯度在 (2.5～7.9)℃/hm之間，加權平均地溫梯度為3.86℃/hm，大于3℃/hm，屬于地溫異常區。從此段原巖溫度和地溫梯度測定結果看，朱集煤礦為典型的高溫熱害礦井。

(2)從巷道調熱圈半徑的測定數據可以得出，對于通風時間大于3a的巷道，調熱圈半徑在26.65～26.84m之間。

(3)根據地溫因素對朱集煤礦地溫分布規律進行了分析并針對該礦高溫熱害威脅制定了具體的降溫措施。

［1］楊丁丁，王佰順，張 翔，等.淮南煤田新區地溫分布規律分析及熱害防治 ［J］.中國礦業，2012，7(21):94－96.

［2］楊丁丁.朱集礦熱害特征及其控制效果研究［D］.淮南:安徽理工大學，2013.

［3］王玉麟.井下移動式局部降溫系統設計 ［J］.制冷與空調，2011(6):44－48

［4］吳 盾，孫若愚，劉桂建.淮南朱集井田二疊紀煤中稀土元素地球化學特征及其地質解釋［J］.地質學報，2013，87(8):1158－1166.

［5］楊 梅.淮南煤田 (以朱集礦為例)侵入巖和煤中稀土元素地球化學特征［D］.合肥:中國科學技術大學，2012.

［6］陳功勝.巷道圍巖調熱圈半徑及溫度場分布規律研究［J］.煤炭技術，2014，33(4):113－115.

［7］馮興隆，陳日輝.國內外深井降溫技術研究和進展［J］.云南冶金，2005(5):9－12.

［8］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，2008，41(8):52－54.

［9］陳龍生.朱集東礦井開拓方式設計合理性分析［J］.煤炭工程，2001，43(10):8－9.

［10］王長彬，李 奇.冰漿礦井降溫系統測控技術 ［J］.現代礦業，2013(5):102－104