礦山深部開采地溫測定及高溫?zé)岘h(huán)境分析

魏誠

摘要：以礦山初顯的高溫?zé)岷栴}為研究對象，開展了礦井深部開采區(qū)域原始巖溫與熱環(huán)境現(xiàn)場測試與分析。研究結(jié)果表明：礦山中深部開采-580 m區(qū)域巖層、-650 m和-730 m地層原始巖溫分別為31 ℃、32.5 ℃和34.7 ℃，地層平均地溫梯度2.45 ℃/100 m。采掘工作面主要熱源為圍巖散熱和機電設(shè)備散熱，分別占46 %和24 %；提出了以總巷道長度絕對散熱量指標(biāo)和單位巷道長度相對散熱量指標(biāo)衡量井下熱源分布與熱害程度新思路。研究結(jié)果可以為類似礦井高溫?zé)岷υu估及后續(xù)降溫工程措施實施提供參考。

關(guān)鍵詞：深部開采；高溫?zé)岷?；原始巖溫；采掘工作面；地溫測定；焓差

中圖分類號：TD727文獻標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）06-0030-05doi：10.11792/hj20230607

引 言

近年來，隨著中國國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，對能源資源的需求始終處于高位狀態(tài)。這一持續(xù)高位需求必然伴隨礦產(chǎn)資源開采強度的增加與淺部資源的日益枯竭。因此，開發(fā)深部礦產(chǎn)資源已成為中國能源資源領(lǐng)域的必然選擇。例如，在金屬礦山開采領(lǐng)域，2000年前中國只有2座礦井的開采深度超過了1 000 m，經(jīng)過近20年的開采，2018年底中國千米采深金屬礦山已達16座［1］。最新數(shù)據(jù)表明，該數(shù)據(jù)可能已經(jīng)達到了32座，全球范圍內(nèi)采深超千米的金屬礦山更是超過了百座［2］。除有色金屬外，在煤炭行業(yè)中國千米采深煤礦2012年達到了39座［3］，2013年為47座［4］，2017年達50座［5］。世界范圍內(nèi)在去煤化的歐洲如法國、英國和德國則分別在2004、2015和2018年關(guān)閉了各自國家最后一座深部開采井工煤礦［6］。全球已基本進入中深部礦產(chǎn)資源開發(fā)階段。

礦山進入深部開采后除面臨一些局部偶發(fā)性的沖擊地壓、突水等災(zāi)害威脅外，普遍面臨著高溫?zé)岷Φ碾y題［7］。針對井下高溫、高濕作業(yè)環(huán)境，國內(nèi)外已開展了大量的研究工作，可分為以下4個方面［8］：①井下高溫高濕環(huán)境形成機理傳熱傳質(zhì)分析；②深部地下礦井熱害程度評估與熱應(yīng)力指標(biāo)研究；③礦井機械降溫設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用；④礦井降溫系統(tǒng)運行能效分析與優(yōu)化。上述4個方面的研究內(nèi)容中針對具體礦井高溫?zé)岷Φ默F(xiàn)場調(diào)查可以為相關(guān)基礎(chǔ)研究提供驗證信息，更可以為后續(xù)機械降溫工程實施、設(shè)備選擇與安裝提供基礎(chǔ)參數(shù)，是礦井高溫?zé)岷Ψ乐喂ぷ鞯年P(guān)鍵一環(huán)。

基于上述分析，本文針對已進入中深部開采的某礦山初顯高溫?zé)岷栴}，開展深部開采區(qū)域原始巖溫與熱環(huán)境測試分析，為后續(xù)降溫工程措施的實施提供基礎(chǔ)。

1 工程背景

某礦山于2003年開工建設(shè)，2005年建成并試生產(chǎn)。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力110萬t/a，服務(wù)年限30 a。

礦井采用一對豎井開拓。第一水平為-465 m水平，第一水平的輔助水平為-540 m水平，采用下行方式開采；第二水平為-750 m水平，其輔助水平設(shè)在-950 m。礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式通風(fēng)。

現(xiàn)在生產(chǎn)水平為-465 m水平，開采深度最大可達-700～-750 m水平。夏季針對采掘工作面進行了風(fēng)溫監(jiān)測，工作面進風(fēng)巷入口風(fēng)流溫度26 ℃～28 ℃，整個工作面溫度達30 ℃～33 ℃，相對濕度接近100 %。初顯的高溫?zé)岷栴}已經(jīng)影響了礦井的正常生產(chǎn)，熱害防治前期調(diào)查研究工作迫在眉睫。

2 礦井深部開采高溫采區(qū)地溫測定

礦山自建礦至今未開展過相關(guān)地溫測定工作。而礦井的原始巖溫對后續(xù)礦井熱源-負荷分析、井下風(fēng)流溫度預(yù)測及礦井降溫方案的制定都會產(chǎn)生影響，是礦井熱害治理的基礎(chǔ)參數(shù)之一［9］。該礦山前期礦井設(shè)計基本采用鄰近礦井地溫資料。因此，有必要對深部開采區(qū)域開展原始巖溫的測試工作。

2.1 理論基礎(chǔ)

礦井原始巖溫的測定方法分為地面勘探鉆孔測溫法、井下深鉆孔測溫和新掘進工作面淺鉆孔測溫法等3種方法［9］。本文采用井下深鉆孔測溫法獲取礦山中深部采區(qū)原始巖溫參數(shù)。鉆孔測溫的理論基礎(chǔ)是一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)定律。井巷未開拓之前，溫度場處于平衡狀態(tài)，各點溫度均為原始巖溫。井巷開挖且通風(fēng)后，由于巖體-風(fēng)流間溫差發(fā)生熱傳遞，巖體溫度場受擾動發(fā)生變化，逐漸降低，但距開挖井巷中心一定距離未受影響的深部圍巖仍保持為原始巖溫。將未受通風(fēng)影響的邊界，即原始巖溫所在等溫線所包圍的范圍稱為井巷圍巖調(diào)熱圈。鉆孔測溫深度超過巷道調(diào)熱圈深度時可以測得原始巖溫［9］。通風(fēng)時間較長的巷道，其調(diào)熱圈厚度的經(jīng)驗公式［10］為：

M=9.824t0.241 8+3.56（1）

式中：M為調(diào)熱圈厚度（m）；t為巷道通風(fēng)時間（d）。

2.2 鉆孔布置和設(shè)計

為了準(zhǔn)確了解礦山深部采區(qū)原始巖溫，應(yīng)盡可能多得到不同地點、標(biāo)高的地溫測試數(shù)據(jù)，原則上需要結(jié)合井下巷道系統(tǒng)的實際，并且以能夠形成完整的地溫剖面為宜。但是，受制于現(xiàn)場測試成本、難度，以及礦井主要高溫區(qū)域分布，僅在工作面進路內(nèi)布置4個測溫鉆孔（圍巖巷道孔2個，礦體巷道孔2個），詳細情況如表1和圖1所示。

2.3 測溫結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)設(shè)計鉆孔深度，在孔內(nèi)利用熱敏電阻測溫探頭逐點測溫，由孔口向內(nèi)，每個測溫點穩(wěn)定時間為10 min，在鉆孔完成后先封閉孔口，等孔內(nèi)溫度穩(wěn)定后將探頭連同長導(dǎo)線一同送入鉆孔內(nèi)，后逐點進行觀測，至深部測點溫度穩(wěn)定不變?yōu)橹梗糠帚@孔測溫結(jié)果如圖2所示。

2～4號鉆孔溫度-深度擬合關(guān)系式分別為：

2號鉆孔：y=30.22-6.35exp-x6.48（2）

3號鉆孔：y=32.6-2.71+expx-2.50.24（3）

4號鉆孔：y=34.8-0.51+expx-3.41.1（4）

1）2號鉆孔所處巷道成巷時間長，風(fēng)流對巷道冷卻明顯，巷道調(diào)熱圈厚度大，在0～20 m鉆孔深度范圍內(nèi)圍巖溫度不斷升高，在20～35 m孔內(nèi)溫度分布穩(wěn)定，說明巷道調(diào)熱圈厚度約為20 m，該標(biāo)高（-580 m）區(qū)域巖層原巖溫度約為31 ℃。

2）相對于2號鉆孔所處巖層，3號和4號鉆孔所處巖層為礦體，地溫偏高，且所在巷道成巷時間短，風(fēng)流對巷道冷卻作用不明顯，巷道調(diào)熱圈厚度較小。3號鉆孔測溫結(jié)果顯示，在0～5 m鉆孔深度范圍內(nèi)圍巖溫度急劇變化、不斷升高，>5 m范圍內(nèi)孔內(nèi)溫度分布穩(wěn)定在32.5 ℃。4號鉆孔測溫結(jié)果顯示，在0～7 m鉆孔深度范圍內(nèi)圍巖溫度急劇變化、不斷升高，>7 m范圍內(nèi)孔內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，約為34.7 ℃。上述2個鉆孔的測試結(jié)果表明：工作面調(diào)熱圈厚度范圍為5～10 m，-650 m處原始巖溫約為32.5 ℃，-730 m處原始巖溫約為34.7 ℃。

3）礦山從建礦至今未做過地溫測定。嚴(yán)格意義上應(yīng)針對巖層與礦體通過大量鉆孔測溫數(shù)據(jù)分別計算確定其地溫梯度，結(jié)果如表2所示。本項目擬測定地溫鉆孔較少，原計劃4個鉆孔測溫數(shù)據(jù)僅成功3個，計算確定161采區(qū)地層平均地溫梯度為2.45 ℃/100 m，屬于地溫正常區(qū)。

3 礦井深部開采高溫?zé)岘h(huán)境測試

為了了解井下作業(yè)環(huán)境的熱濕狀況，以及形成熱害的各種熱濕源，為后續(xù)熱害治理提供可靠的理論依據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)，必須對井巷風(fēng)流熱力參數(shù)進行準(zhǔn)確測定和分析。因此，以高溫?zé)岷Τ躏@的161采區(qū)工作面為研究對象，對礦井風(fēng)流沿程熱力參數(shù)、工作面熱濕源分布狀態(tài)進行了測試與分析，為后續(xù)風(fēng)溫預(yù)測與降溫設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

3.1 綜采工作面沿程測試方案

針對工作面及進回風(fēng)巷道，采用分區(qū)段法將其劃分為更為詳細的5個區(qū)段［11］，設(shè)定15個風(fēng)流熱力參數(shù)觀測點，如圖3所示。采用“五定”觀測法，即定觀測人員、觀測儀器、觀測路線、觀測點和觀測參數(shù)。部分測試結(jié)果如表3所示。

3.2 測試結(jié)果與分析

以表3提供的代表性測試參數(shù)為基礎(chǔ)，采用正向分源計算方法分段計算各熱源散熱量［11］。第一區(qū)段為16117材料聯(lián)絡(luò)巷入口至機電設(shè)備放置區(qū)前，即測點1～3；第二區(qū)段為機電設(shè)備放置區(qū)，即測點3、測點4；第三區(qū)段為變電站后到工作面進風(fēng)隅角，即測點4、測點5；第四區(qū)段為回采工作面，即測點5～11；第五區(qū)段為工作面回風(fēng)隅角到回風(fēng)巷出口，即測點11～15。最終計算得到U型通風(fēng)工作面及進路內(nèi)熱源分布如表4和圖4所示。

根據(jù)測試與計算結(jié)果可以看出：

1）按照熱源類型分析，工作面主要熱源為圍巖散熱和機電設(shè)備散熱，分別占46 %和24 %；按照熱源空間分布分析，第四區(qū)段即工作面區(qū)域為熱源主要集中區(qū)，占總散熱量的38.5 %。

2）總量絕對指標(biāo)排序：工作面與進路巷道熱源分布大小為進風(fēng)巷道（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回風(fēng)巷道（127 kW）。進風(fēng)巷道熱源主要為安裝的機電設(shè)備及圍巖散熱，由于新風(fēng)溫度低與圍巖原始巖溫的溫差大，對流換熱強烈，圍巖散熱量大。與其相對應(yīng)的是回風(fēng)巷道，風(fēng)流溫度高，與圍巖的溫差相對較小，圍巖散熱量小。工作面區(qū)域則始終處于新暴露巖石中接近原始巖溫，圍巖散熱、機電設(shè)備散熱和采空區(qū)漏風(fēng)是主要熱源。

3）相對指標(biāo)度量：參考波蘭學(xué)者根據(jù)煤礦井下巷道熱害增加程度（風(fēng)流焓增）提出以單位巷道長度開展相對指標(biāo)度量［12］。工作面與進路巷道熱源分布大小排序為工作面（1.28 kW/m巷道）>進風(fēng)巷道（0.21 kW/m巷道）>回風(fēng)巷道（0.09 kW/m巷道）。進一步提出如下定義：Q≤0.1 kW/m巷道為低熱源強度分布區(qū)；0.11 kW/m巷道，屬于高強度熱源分布區(qū)域。

4 結(jié) 論

以礦山初顯的高溫?zé)岷栴}為研究對象，開展了礦井深部開采區(qū)域原始巖溫與熱環(huán)境現(xiàn)場測試與分析。

1）井下現(xiàn)場施工3個地溫測試長鉆孔，測試結(jié)果表明，中深部開采-580 m區(qū)域巖層原巖溫度約為31 ℃，-650 m處原始巖溫約為32.5 ℃，-730 m處原始巖溫約為34.7 ℃；161采區(qū)地層平均地溫梯度為2.45 ℃/100 m，屬于地溫正常區(qū)。

2）工作面熱環(huán)境測試結(jié)果表明：工作面主要熱源為圍巖散熱和機電設(shè)備散熱，分別占46 %和24 %；以巷道長度絕對指標(biāo)衡量，進風(fēng)巷道散熱量（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回風(fēng)巷道（127 kW）；以巷道長度相對指標(biāo)度量，工作面散熱量（1.28 kW/m巷道）>進風(fēng)巷道（0.21 kW/m巷道）>回風(fēng)巷道（0.09 kW/m巷道）。

3）進一步提出了巷道長度相對指標(biāo)熱源強度分類指標(biāo)，可以為礦井熱害評估及后續(xù)降溫措施實施提供參考。

［參 考 文 獻］

［1］ 蔡美峰，薛鼎龍，任奮華．金屬礦深部開采現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略 ［J］．工程科學(xué)學(xué)報，2019，41（4）：417-426．

［2］ LI P，CAI M F.Challenges and new insights for exploitation of deep underground metal mineral resources ［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2021，11（4）：3 478-3 505．

［3］ 中國煤炭工業(yè)協(xié)會．2020年中國煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告［R］．北京：中國煤炭工業(yè)協(xié)會，2021：1-35．

［4］ 王麗麗，高文靜.透視我國千米深井生態(tài)＼[EB/OL＼].（2013-08-21）＼[2022-12-04＼].http：∥www.cinic.org.cn/hy/ny/152438.html.

［5］ 袁亮．煤炭精準(zhǔn)開采科學(xué)構(gòu)想［J］．煤炭學(xué)報，2017，42（1）：1-7．

［6］ CHU Z X，DONG K J，GAO P H，et al.Mine-oriented low-enthalpy geothermal exploitation：A review from spatio-temporal perspective［J］.Energy Conversion and Management，2021，237：114123.

［7］ 黃華良．永川煤礦高溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù)研究與實踐［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（5）：42-45．

［8］ CHU Z X，ZHOU G Q，RAO Z H，et al.Field measurement and assessment on airflow the rmodynamic parameters in hot and humid underground tunnelling：A case study［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2022，121：104341.

［9］ 褚召祥，辛嵩，王保齊．趙樓煤礦原始巖溫測定［J］．煤炭工程，2010，42（9）：91-93．

［10］ 楊德源，楊天鴻．礦井熱環(huán)境及其控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009：43-47．

［11］ 魏誠，褚召祥，張鵬，等．長距離掘進巷道熱濕源分布的測定與分析［J］．煤礦安全，2018，49（1）：202-209．

［12］ KNECHTEL J.Thermal hazard prevention in longwalls run under extreme geothermal conditions［J］.Archives of Mining Sciences，2011，56（2）：265-280.

Abstract：A study was conducted on the initial heat hazard in mines，focusing on the testing and analysis of the original rock temperature and thermal environment in deep mining areas.The results showed that the original rock temperatures in the -580 m，-650 m，and -730 m layers were 31 ℃，32.5 ℃，and 34.7 ℃ respectively，with an average geothermal gradient of 2.45 ℃/100 m in strata.The main heat sources in the working face were the surrounding rocks and electromechanical equipment，accounting for 46 % and 24 % respectively.A new idea was proposed to measure the distribution of underground heat sources and the degree of heat hazard using absolute and relative heat dissipation indexes based on the total and unit lengths of ventilation tunnels.This study can provide a reference for assessing heat hazards in similar mines and implementing subsequent cooling engineering measures.

Keywords：deep mining;heat hazard;original rock temperature;working face;field testing;enthalpy difference