羅河鐵礦井下工程熱環(huán)境分析*

賈敏濤　周培棋　吳冷峻

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.福建金東礦業(yè)股份有限公司)

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羅河鐵礦井下工程熱環(huán)境分析*

賈敏濤1,2,3周培棋4吳冷峻1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.福建金東礦業(yè)股份有限公司)

以勘探線為參考布置豎直方向測點位置，通過檢測不同水平圍巖原始巖溫，利用線性回歸法得出羅河鐵礦地溫梯度為2.405 ℃/100 m，并采用電功率量熱法檢測出井下8類巖石的熱導(dǎo)率。地溫梯度計算結(jié)果表明，羅河鐵礦二期開采水平原始巖溫較高，屬于三級熱害礦井，計算結(jié)果可為該礦深部采礦開拓系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

工程熱環(huán)境線性回歸法電功率量熱法地溫梯度熱導(dǎo)率

羅河鐵礦地處江淮丘陵南部，靠近長江，區(qū)內(nèi)東部和東南部屬低山丘陵區(qū)，一般標高45～85 m，東部龍城山地勢最高，標高為238 m，向中部和西部地勢依次降低，西部河床最低處標高僅12.2 m，屬于丘陵平原地形。礦區(qū)屬季風亞熱帶濕潤型氣候。據(jù)廬江縣氣象站觀測資料，區(qū)內(nèi)年平均氣溫16 ℃。羅河鐵礦礦區(qū)屬于廬樅火山巖盆地，處于濮陽山字型構(gòu)造前弧東翼、新華夏構(gòu)造體系第二隆起帶西緣、秦嶺緯向構(gòu)造帶南支東延部分的復(fù)合部位。區(qū)內(nèi)出露地層主要為上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)火山巖系。廬樅火山巖盆地是一個以中侏羅統(tǒng)象山群陸相碎屑巖建造為基地，經(jīng)燕山早期運動發(fā)育起來的繼承性火山盆地。噴發(fā)-噴溢物的最大厚度達2 104.07 m，羅河鐵礦即產(chǎn)于其中。羅河鐵礦是由大型高磷、高硫、含釩磁鐵礦及大型硫鐵礦(部分礦體伴生銅)、大型硬石膏組成的多礦種隱伏礦床。由淺入深依次為硬石膏-硫鐵礦(含銅硫鐵礦)、磁鐵礦(假象赤鐵礦)礦體。為確保該礦深部開采的安全進行，本研究結(jié)合相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對井下工程熱環(huán)境進行分析。

1　圍巖溫度測試

1.1溫度測試方案

1.1.1測試方法選擇

圍巖溫度測試有深孔測溫法和淺孔測溫法兩種，可根據(jù)測溫點的具體情況選擇相應(yīng)的方法。巷道開掘后，圍巖中的溫度場會受到通風等因素的影響[1-4]。淺孔測溫是在井下掘進工作面(其周圍30 m 以內(nèi)無通風2 a以上的井巷或硐室，且?guī)r面暴露時間不超過24 h)利用迎頭的炮眼或臨時專門打深度大于1 m的鉆孔，將測溫探頭送至孔底，用黃泥等封孔材料進行封孔，待孔內(nèi)熱交換穩(wěn)定后，監(jiān)測孔內(nèi)溫度。深孔測溫是在井巷中利用鉆機向圍巖中打測溫孔(其深度應(yīng)大于巷道調(diào)熱圈的半徑)，將測溫熱電偶(阻)探頭送至孔底后封孔，經(jīng)過一定時間，測得穩(wěn)定后的孔底溫度。經(jīng)綜合分析比較，羅河鐵礦圍巖溫度的測試選用深淺孔相結(jié)合的測試方法，在有條件進行淺孔測溫的部位盡量使用淺孔測溫方法，在不具備條件的部位選擇深孔測溫方法。

1.1.2測溫儀器選擇

溫度測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類，其中接觸式測量方法使用較普遍，接觸式測溫儀器有膨脹式溫度計、壓力式溫度計、電阻式溫度計和熱電偶。根據(jù)測溫儀器性價比及井下現(xiàn)場適用條件，本研究選用熱電阻作為測溫元件。

1.1.3測試地點設(shè)置

根據(jù)羅河鐵礦井下溫度場分布和井巷工程施工情況，跟蹤開拓工程工作面并結(jié)合勘探線位置和坐標選擇測點，監(jiān)測及分析圍巖溫度縱向變化規(guī)律從而預(yù)測深部階段的溫度變化趨勢，同時對各水平測點進行橫向?qū)Ρ确治?。根?jù)前期對各水平巷道現(xiàn)場勘測情況，結(jié)合羅河鐵礦開拓系統(tǒng)現(xiàn)狀，巖溫測試點分布于-455，-470，-508，-520，-530，-540，-545，-560，-676，-730，-782 m等水平，各水平分別布置2～4個測點，測點分別布置于Ⅱ#縱、Ⅲ#縱和Ⅳ#縱勘探線附近(圖1)。根據(jù)現(xiàn)場的具體巖體結(jié)構(gòu)、采掘布置、水文地質(zhì)條件、生產(chǎn)狀況及施工條件，測點鉆孔位置可適當調(diào)整。

圖1　羅河鐵礦井下巖溫測點布置

1.2測試結(jié)果分析

各水平測點分布于粉礦回收井口、Ⅳ#縱、Ⅱ#縱和Ⅲ#縱勘探線附近，由左至右依次編號為1#～4#點。溜破系統(tǒng)各水平均設(shè)置2個測點，編號分別為1#、2#測點。各測點巖溫測試數(shù)據(jù)見表1。

表1　各中段的圍巖溫度

根據(jù)表1，豎直方向各測點巖溫隨礦體埋深變化曲線的擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2　各測點巖溫隨礦體埋深的變化特征

由表1、圖2可知：羅河鐵礦井巷圍巖的溫度隨著礦體埋深的增加而逐漸升高，并呈現(xiàn)出近似線性關(guān)系，羅河鐵礦由北至南粉礦回收井口、Ⅳ#縱、Ⅱ#縱和Ⅲ#縱勘探線的圍巖溫度計算公式分別為y=0.024 4x+18.493、y=0.024x+18.432、y=0.023 8x+18.401和y=0.024x+18.609(x為測點埋深，m；y為測點溫度，℃)，可根據(jù)以上公式計算井巷圍巖的溫度，為制定通風降溫方案提供依據(jù)。羅河鐵礦恒溫帶平均溫度約18.48 ℃，平均地溫梯度為2.405 ℃/100 m，由于礦體埋藏較深，該礦存在較高的地溫背景值，該礦無明顯地溫異常帶，同一標高上地溫變化較小，礦區(qū)地溫基本為地殼深處的熱擴散所致，與地下水活動無關(guān)，可見該礦的地溫主要由巖溫引起。

按正常地溫梯度及上述圍巖溫度計算公式計算，羅河鐵礦至二期-560 m以下礦體回采時，圍巖溫度將達到36～43 ℃，礦井屬于三級熱害礦井[3]，將成為羅河鐵礦二期工程安全生產(chǎn)的重要影響因素，礦方在進行深部開采初步設(shè)計時應(yīng)注意高地溫的影響，優(yōu)化開拓系統(tǒng)布局并制定有效的通風降溫技術(shù)方案。

2　圍巖熱導(dǎo)率測定

在井下圍巖熱傳導(dǎo)過程中，熱導(dǎo)率是一項重要的物理參數(shù)，是地溫梯度、熱流分配的控制性因素之一。熱導(dǎo)率低、密度小的巖層，地溫梯度大，增溫率??；熱導(dǎo)率高、密度大的巖層則地溫梯度小，增溫率大。在穩(wěn)態(tài)條件下，單位厚度巖層兩側(cè)的溫差為1 ℃，在單位時間內(nèi)沿熱傳導(dǎo)方向上通過的熱流量稱為熱導(dǎo)率[4]，計算公式為

(1)

式中，λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；q為熱流密度，W/m2；dt為在巖層微元厚度，m;dz為巖層兩側(cè)溫度的變化量，℃。

巖石熱導(dǎo)率的影響因素主要為：①巖石熱導(dǎo)率隨著高熱導(dǎo)率礦物含量的增大而增大；②巖石熱導(dǎo)率與巖石平均原子質(zhì)量有關(guān)；③巖石熱導(dǎo)率隨著巖石密度的增大而增大；④巖石干燥時，熱導(dǎo)率隨孔隙率的增大而降低；潮濕時，熱導(dǎo)率隨孔隙率的增大而上升，對于堅硬的致密巖石，含水量對熱導(dǎo)率的影響較小(<5%)；對于松散多孔的巖石，含水量對熱導(dǎo)率的影響較大；⑤巖石的層狀結(jié)構(gòu)使其熱導(dǎo)率出現(xiàn)各向異性，導(dǎo)熱方向平行于層面的熱導(dǎo)率較大，垂直于層面的熱導(dǎo)率較??；⑥巖石的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系較復(fù)雜，在不同的溫度范圍內(nèi)，巖石熱導(dǎo)率相差較大。

羅河鐵礦巖石熱導(dǎo)率采用電功率量熱法測定各種巖石的熱導(dǎo)率值，一維穩(wěn)態(tài)法熱導(dǎo)率計算公式為[5]

(2)

式中，Q為單位時間內(nèi)通過橫截面為F、厚度為D的試樣的熱量，W2；ΔT為試樣兩壁的穩(wěn)定溫差，℃。

將尺寸已知的受檢試樣放置于發(fā)熱功率恒定的加熱器上，在試樣側(cè)面設(shè)置隔熱保溫層，通過檢測試樣兩側(cè)的溫差和加熱器的發(fā)熱功率，并采用式(2)計算試樣的熱導(dǎo)率。經(jīng)現(xiàn)場取樣，共選取了8類巖石樣品進行了實驗室熱導(dǎo)率試驗，結(jié)果見表2。

表2　各類巖石熱物理性質(zhì)參數(shù)

3　結(jié)　語

分別對羅河鐵礦井下圍巖溫度以及熱導(dǎo)率進行了測定，結(jié)果表明，羅河鐵礦恒溫帶平均溫度約18.48 ℃，平均地溫梯度為2.405 ℃/100m。由于礦體埋藏較深，羅河鐵礦存在較高的地溫背景值，無明顯地溫異常帶，同一標高上地溫變化不大，礦區(qū)地溫基本由地殼深處的熱擴散所致，與地下水活動無關(guān)，地溫主要由巖溫引起。一期通風系統(tǒng)建成后基本不存在高溫熱害問題，二期-560m水平以下礦體回采時，圍巖溫度將達到36～43 ℃，礦井屬于三級熱害礦井，將成為羅河鐵礦二期工程安全生產(chǎn)的重要影響因素。

[1]趙興東，修國林，楊竹周，等.三山島金礦圍巖溫度梯度測試及工程熱環(huán)境分析[J].金屬礦山，2013(6)：109-113.

[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T1136—2011礦井降溫技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2011.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]沈顯杰，楊淑貞，張文仁，等.巖石熱物理性質(zhì)及測試[M].北京：科學(xué)出版社，1988.

Analysis of the Engineering Thermal Circumstance in Luohe Iron Mine

Jia Mintao1,2,3Zhou Peiqi4Wu Lengjun1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Fujian Jindong Mining Co.,Ltd.)

According to the exploration lines, the position of measuring points in vertical direction are designed in Luohe iron mining area.The original rock temperature of the surrounding rocks in different levels are detected,the geothermal gradient of Luohe iron mine is 2.405 ℃/100 m by adopting the linear regression method.The thermal conductivity of the eight class rocks in Luohe iron mine is detected by using the electrical calorimeter method.The calculation results of geothermal gradient show that original rock temperature of the mining levels of the phase of Luohe iron mine is high,it belongs to third-level thermal victims mine.The above analysis results of the paper can provide some reference for the development system design of deep mining of Luohe iron mine.

Engineering thermal circumstance,Linear regression method,Electrical calorimeter method,Geothermal gradient,Heat conductivity

2016-05-19)

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

賈敏濤(1987—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。