高海拔超深井原巖溫度變化分析

陳文濤，吳春平，魏丁一，徐海月，杜翠鳳，劉 鵬

(1.武漢理工大學安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070；2.中國職業安全健康協會，北京 100011；3.北京城市系統工程研究中心，北京 100035；4.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；5.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628；6.北京科技大學土木與資源工程學院, 北京 100083)

隨著當前云南某地下鉛鋅礦開采深度的進一步加大，深部熱害變得越來越嚴重，而巖溫是影響采場熱環境的主要熱源[1]，許多專家對此進行了相關研究。趙小稚等[1]和張瑞明等[2]根據熱傳導理論分析，采用淺孔測溫法合理可行，測得曹家洼金礦巖溫隨深度變化的規律及巖溫對井下風流溫度升高的作用。劉凱等[3]采用深孔測量法測定不同深度的圍巖溫度，得到巷道風溫、水溫均隨開采深度的增加而增大，地溫梯度為1.8 ℃/hm，調熱圈半徑為17～18 m。為井下作業場所的熱環境狀況的有效控制及熱害防治提供數據。張小磊等[4]和蔣亞偉等[5]采用熱電偶淺孔測溫法對城郊煤礦原巖溫度進行了測試，結果為礦井熱源分析、井下風流溫度預測及降溫措施制定提供重要依據。趙文彬等[6]為掌握深部礦井地溫分布規律，對某深部礦井-505～-1 030 m水平的原巖溫度測定，得到地溫梯度隨采深增加成規律性變化，回歸預測分析表明隨埋深的增加，原巖溫度-1 600 m時可達39.455 ℃，熱害問題將愈發凸出。

對大部分礦井來說，地溫是形成礦井熱害的主要原因，而地溫對井下環境的影響主要是通過圍巖散熱的形式表現出來的[7-8]。地面以下巖層溫度的變化規律：自上而下，巖層劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶，其中，恒溫帶以下的巖石溫度隨深度增加而增加，當采掘作業將巖石暴露出來以后，巖石中釋放出熱。但當前對于高海拔超深井的地溫梯度研究較少，本文對于該礦超深井的原巖溫度進行研究。

1 計算方法

對流換熱系數是表示對流放熱過程強度的物理量，在數值上等于單位面積單位時間內在1 ℃溫差作用下，由于對流作用所傳遞的熱量。

圍巖與風流的對流換熱系數[9]計算見式(1)。

(1)

式中：α為對流換熱系數;ε為粗糙度系數，對于光滑壁面ε=1，對于運輸大巷ε=1.0～1.65，對于平巷ε=1.65～2.5，對于工作面ε=2.5～3.1；λa為空氣的熱導率，kW/(m·℃)，當溫度為20 ℃時，空氣密度為1.164 kg/m3，λa=2.524×10-5kW/(m·℃)；v為巷道風速，m/s；μ為空氣運動黏度系數，m2/s，當溫度為20 ℃時，取1.57×10-5m2/s；d為巷道水力直徑，m。

不穩定換熱系數在數值上等于巷道圍巖與巷道內風流之間溫差為1 ℃時，單位時間內從1 m2巷道壁面上向空氣放出的熱量。它是巷道圍巖的熱物理性質、巷道形狀尺寸、通風強度及通風時間等的函數。

圍巖與風流的不穩定換熱系數[9]計算見式(2)。

(2)

式中：Kτ為不穩定換熱系數;λ為巖石的熱導率，kW/(m·℃)；a為巖石的熱擴散率，m2/s；τ為巷道通風時間，s；b為巷道通風時間系數，當τ<1 a時，b=0.27，當τ>1 a時，b=4.0；α為巖壁與空氣的對流換熱系數，kW/(m2·℃)；r0為巷道水力半徑，水力半徑是輸水斷面的過流面積與輸水斷面和水體接觸的邊長(濕周)之比，m。

根據牛頓冷卻定律，圍巖與風流的熱交換量[10]計算見式(3)。

Qr=KτUL(tr-t)

(3)

式中：Qr為熱交換量;U為巷道周長，m；L為巷道長度，m；tr為巷道始末兩端平均原巖溫度，℃；t為流經巷道始末端風流平均氣溫，℃。

2 數據測量

在該礦1 404 m水平、1 344 m水平、1 274 m水平以及924 m水平處進行原巖溫度測定，選用淺孔測溫法來進行測量。

1) 在待測中段選擇新掘進迎頭附近兩幫的新鮮巖面作為測溫地點，在兩個循環內，在迎頭附近兩幫的新鮮巖面打4個鉆孔(分兩次，第一個循環結束后在迎頭附近兩幫的新鮮巖面各打1個鉆孔；第二個循環結束后在迎頭附近兩幫的新鮮巖面再各打1個鉆孔)，孔深1.5～2 m，鉆孔垂直巷道壁面，傾角水平或微上傾。

2) 鉆孔結束后，將孔內雜物清理干凈。將測溫探頭及數據記錄儀用鐵絲送入孔內，探頭距離孔底5 cm以內，先用塑料袋將記錄儀包裹，以防由于爆破振動和裂隙水致使儀器損壞，再用黃泥進行封孔。

3) 間隔72 h后用鐵絲將溫度記錄儀取出，并將數據按標簽整理好。測得的原巖溫度和氣流溫度見表1。測量水平的主要圍巖類型及相關巖石性質見表2。

3 數據分析

由表2可知，同一水平兩孔淺部溫度差別較大，受外部風溫影響大，孔深部的巖溫由于調熱圈的逐漸平衡趨于穩定，因此穩定下來的溫度就是原巖溫度。根據現場實際測量數據，可計算出深部各水平的平均原巖溫度、斷面面積和周長等數據，見表3。

根據該礦地質情況，確定各水平的圍巖類型和穿脈長度，并利用式(2)計算得到不同水平圍巖的不穩定換熱系數，最終得到深部主要水平圍巖的對流換熱系數及圍巖的放熱量，見表4。

表1 深部原巖溫度測量數據Table 1 Temperature measurement data of deep original rock mass

表2 圍巖類型及相關巖石性質Table 2 Surrounding rock types and related rock properties

表3 深部主要水平計算數據表Table 3 Calculation data in deep main levels

表4 深部主要水平圍巖放熱量表Table 4 Rock mass heat release in deep main levels

圖1 各水平原巖溫度、對流換熱系數Fig.1 Temperature and convective heat transfer coefficient of each source

原巖溫度、對流換熱系數隨采深變化及原巖放熱量如圖1所示。由圖1可知，1 274 m及以上水平原巖處于吸熱狀態，且隨著開采深度的增加，該礦原巖溫度呈線性升高，巷道巖壁與巷內空氣的對流換熱系數也呈上升趨勢。其中，1 274 m水平雖然掘進規模較大，但由于該水平原巖溫度與氣溫相差不大，故其吸熱量相對較小，為20.720 kW。924 m水平原巖溫度由于受采動影響較小，因此更接近原始原巖結構，溫度較高，屬于放熱源，但掘進規模較小，作為熱源放熱量為3.986 kW。

4 結 論

1) 由于該礦受高海拔的地理位置及巖體裂隙水的影響，1 274 m及上部水平的原巖處于吸熱狀態，且該礦原巖溫度隨采深的增加呈線性升高，對流換熱系數也隨之上升。

2) 1 274 m水平原巖溫度與氣溫相差不大，故吸熱量較小，924 m水平受采動影響較小，因此更接近原始圍巖結構，屬于放熱源。在后續深部開采過程中應注意進一步控制熱害，為類似礦井深部熱害治理和原巖溫度測量提供依據。