羅河鐵礦井下工程熱環境分析*

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.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；4.福建金東礦業股份有限公司)

?

羅河鐵礦井下工程熱環境分析*

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.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；4.福建金東礦業股份有限公司)

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類巖石的熱導率。地溫梯度計算結果表明，羅河鐵礦二期開采水平原始巖溫較高，屬于三級熱害礦井，計算結果可為該礦深部采礦開拓系統設計提供參考。

工程熱環境線性回歸法電功率量熱法地溫梯度熱導率

羅河鐵礦地處江淮丘陵南部，靠近長江，區內東部和東南部屬低山丘陵區，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。礦區屬季風亞熱帶濕潤型氣候。據廬江縣氣象站觀測資料，區內年平均氣溫16 ℃。羅河鐵礦礦區屬于廬樅火山巖盆地，處于濮陽山字型構造前弧東翼、新華夏構造體系第二隆起帶西緣、秦嶺緯向構造帶南支東延部分的復合部位。區內出露地層主要為上侏羅統—下白堊統火山巖系。廬樅火山巖盆地是一個以中侏羅統象山群陸相碎屑巖建造為基地，經燕山早期運動發育起來的繼承性火山盆地。噴發-噴溢物的最大厚度達2 104.07 m，羅河鐵礦即產于其中。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，本研究結合相關監測數據，對井下工程熱環境進行分析。

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，可根據測溫點的具體情況選擇相應的方法。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 以內無通風2 a以上的井巷或硐室，且巖面暴露時間不超過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，待孔內熱交換穩定后，監測孔內溫度。深孔測溫是在井巷中利用鉆機向圍巖中打測溫孔(其深度應大于巷道調熱圈的半徑)，將測溫熱電偶(阻)探頭送至孔底后封孔，經過一定時間，測得穩定后的孔底溫度。經綜合分析比較，羅河鐵礦圍巖溫度的測試選用深淺孔相結合的測試方法，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。根據測溫儀器性價比及井下現場適用條件，本研究選用熱電阻作為測溫元件。

1.1.3測試地點設置

根據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合勘探線位置和坐標選擇測點，監測及分析圍巖溫度縱向變化規律從而預測深部階段的溫度變化趨勢，同時對各水平測點進行橫向對比分析。根據前期對各水平巷道現場勘測情況，結合羅河鐵礦開拓系統現狀，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)。根據現場的具體巖體結構、采掘布置、水文地質條件、生產狀況及施工條件，測點鉆孔位置可適當調整。

圖1　羅河鐵礦井下巖溫測點布置

1.2測試結果分析

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。溜破系統各水平均設置2個測點，編號分別為1#、2#測點。各測點巖溫測試數據見表1。

表1　各中段的圍巖溫度

根據表1，豎直方向各測點巖溫隨礦體埋深變化曲線的擬合結果如圖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，并呈現出近似線性關系，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。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，礦區地溫基本為地殼深處的熱擴散所致，與地下水活動無關，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的重要影響因素，礦方在進行深部開采初步設計時應注意高地溫的影響，優化開拓系統布局并制定有效的通風降溫技術方案。

2　圍巖熱導率測定

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

(1)

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

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

羅河鐵礦巖石熱導率采用電功率量熱法測定各種巖石的熱導率值，一維穩態法熱導率計算公式為[5]

(2)

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

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

表2　各類巖石熱物理性質參數

3　結　語

分別對羅河鐵礦井下圍巖溫度以及熱導率進行了測定，結果表明，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，礦區地溫基本由地殼深處的熱擴散所致，與地下水活動無關，地溫主要由巖溫引起。一期通風系統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境分析[J].金屬礦山，2013(6)：109-113.

[2]國家安全生產監督管理總局.MT/T1136—2011礦井降溫技術規范[S].北京：中國標準出版社，2011.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]沈顯杰，楊淑貞，張文仁，等.巖石熱物理性質及測試[M].北京：科學出版社，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 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。