礦山深部開采地溫測定及高溫熱環境分析

魏誠

摘要：以礦山初顯的高溫熱害問題為研究對象，開展了礦井深部開采區域原始巖溫與熱環境現場測試與分析。研究結果表明：礦山中深部開采-580 m區域巖層、-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和單位巷道長度相對散熱量指標衡量井下熱源分布與熱害程度新思路。研究結果可以為類似礦井高溫熱害評估及后續降溫工程措施實施提供參考。

關鍵詞：深部開采；高溫熱害；原始巖溫；采掘工作面；地溫測定；焓差

中圖分類號：TD727文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

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

引 言

近年來，隨著中國國民經濟持續發展，對能源資源的需求始終處于高位狀態。這一持續高位需求必然伴隨礦產資源開采強度的增加與淺部資源的日益枯竭。因此，開發深部礦產資源已成為中國能源資源領域的必然選擇。例如，在金屬礦山開采領域，2000年前中國只有2座礦井的開采深度超過了1 000 m，經過近20年的開采，2018年底中國千米采深金屬礦山已達16座［1］。最新數據表明，該數據可能已經達到了32座，全球范圍內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資源開發階段。

礦山進入深部開采后除面臨一些局部偶發性的沖擊地壓、突水等災害威脅外，普遍面臨著高溫熱害的難題［7］。針對井下高溫、高濕作業環境，國內外已開展了大量的研究工作，可分為以下4個方面［8］：①井下高溫高濕環境形成機理傳熱傳質分析；②深部地下礦井熱害程度評估與熱應力指標研究；③礦井機械降溫設備研發與應用；④礦井降溫系統運行能效分析與優化。上述4個方面的研究內容中針對具體礦井高溫熱害的現場調查可以為相關基礎研究提供驗證信息，更可以為后續機械降溫工程實施、設備選擇與安裝提供基礎參數，是礦井高溫熱害防治工作的關鍵一環。

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熱害問題，開展深部開采區域原始巖溫與熱環境測試分析，為后續降溫工程措施的實施提供基礎。

1 工程背景

某礦山于2003年開工建設，2005年建成并試生產。礦井設計生產能力110萬t/a，服務年限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，其輔助水平設在-950 m。礦井通風方式為中央并列抽出式通風。

現在生產水平為-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溫監測，工作面進風巷入口風流溫度26 ℃～28 ℃，整個工作面溫度達30 ℃～33 ℃，相對濕度接近100 %。初顯的高溫熱害問題已經影響了礦井的正常生產，熱害防治前期調查研究工作迫在眉睫。

2 礦井深部開采高溫采區地溫測定

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

2.1 理論基礎

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原始巖溫參數。鉆孔測溫的理論基礎是一維非穩態熱傳導定律。井巷未開拓之前，溫度場處于平衡狀態，各點溫度均為原始巖溫。井巷開挖且通風后，由于巖體-風流間溫差發生熱傳遞，巖體溫度場受擾動發生變化，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熱圈。鉆孔測溫深度超過巷道調熱圈深度時可以測得原始巖溫［9］。通風時間較長的巷道，其調熱圈厚度的經驗公式［10］為：

M=9.824t0.241 8+3.56（1）

式中：M為調熱圈厚度（m）；t為巷道通風時間（d）。

2.2 鉆孔布置和設計

為了準確了解礦山深部采區原始巖溫，應盡可能多得到不同地點、標高的地溫測試數據，原則上需要結合井下巷道系統的實際，并且以能夠形成完整的地溫剖面為宜。但是，受制于現場測試成本、難度，以及礦井主要高溫區域分布，僅在工作面進路內布置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 測溫結果與數據分析

根據設計鉆孔深度，在孔內利用熱敏電阻測溫探頭逐點測溫，由孔口向內，每個測溫點穩定時間為10 min，在鉆孔完成后先封閉孔口，等孔內溫度穩定后將探頭連同長導線一同送入鉆孔內，后逐點進行觀測，至深部測點溫度穩定不變為止，部分鉆孔測溫結果如圖2所示。

2～4號鉆孔溫度-深度擬合關系式分別為：

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，風流對巷道冷卻明顯，巷道調熱圈厚度大，在0～20 m鉆孔深度范圍內圍巖溫度不斷升高，在20～35 m孔內溫度分布穩定，說明巷道調熱圈厚度約為20 m，該標高（-580 m）區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，風流對巷道冷卻作用不明顯，巷道調熱圈厚度較小。3號鉆孔測溫結果顯示，在0～5 m鉆孔深度范圍內圍巖溫度急劇變化、不斷升高，>5 m范圍內孔內溫度分布穩定在32.5 ℃。4號鉆孔測溫結果顯示，在0～7 m鉆孔深度范圍內圍巖溫度急劇變化、不斷升高，>7 m范圍內孔內溫度基本穩定，約為34.7 ℃。上述2個鉆孔的測試結果表明：工作面調熱圈厚度范圍為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。嚴格意義上應針對巖層與礦體通過大量鉆孔測溫數據分別計算確定其地溫梯度，結果如表2所示。本項目擬測定地溫鉆孔較少，原計劃4個鉆孔測溫數據僅成功3個，計算確定161采區地層平均地溫梯度為2.45 ℃/100 m，屬于地溫正常區。

3 礦井深部開采高溫熱環境測試

為了了解井下作業環境的熱濕狀況，以及形成熱害的各種熱濕源，為后續熱害治理提供可靠的理論依據和科學數據，必須對井巷風流熱力參數進行準確測定和分析。因此，以高溫熱害初顯的161采區工作面為研究對象，對礦井風流沿程熱力參數、工作面熱濕源分布狀態進行了測試與分析，為后續風溫預測與降溫設計提供基礎數據參考。

3.1 綜采工作面沿程測試方案

針對工作面及進回風巷道，采用分區段法將其劃分為更為詳細的5個區段［11］，設定15個風流熱力參數觀測點，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。部分測試結果如表3所示。

3.2 測試結果與分析

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

根據測試與計算結果可以看出：

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備散熱，分別占46 %和24 %；按照熱源空間分布分析，第四區段即工作面區域為熱源主要集中區，占總散熱量的38.5 %。

2）總量絕對指標排序：工作面與進路巷道熱源分布大小為進風巷道（304.6 kW）>工作面（269.7 kW）>回風巷道（127 kW）。進風巷道熱源主要為安裝的機電設備及圍巖散熱，由于新風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。與其相對應的是回風巷道，風流溫度高，與圍巖的溫差相對較小，圍巖散熱量小。工作面區域則始終處于新暴露巖石中接近原始巖溫，圍巖散熱、機電設備散熱和采空區漏風是主要熱源。

3）相對指標度量：參考波蘭學者根據煤礦井下巷道熱害增加程度（風流焓增）提出以單位巷道長度開展相對指標度量［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）>進風巷道（0.21 kW/m巷道）>回風巷道（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；0.11 kW/m巷道，屬于高強度熱源分布區域。

4 結 論

以礦山初顯的高溫熱害問題為研究對象，開展了礦井深部開采區域原始巖溫與熱環境現場測試與分析。

1）井下現場施工3個地溫測試長鉆孔，測試結果表明，中深部開采-580 m區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采區地層平均地溫梯度為2.45 ℃/100 m，屬于地溫正常區。

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

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

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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