蒙陜礦區中深部礦井地溫參數測試研究

姚海飛 徐長富 吳海軍 鄭忠亞 孫喜貴王海燕 柴佳美 李艷川

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013)

蒙陜礦區中深部礦井地溫參數測試研究

姚海飛1,2徐長富1,2吳海軍1,2鄭忠亞1,2孫喜貴1,2王海燕1,2柴佳美1,2李艷川1,2

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013)

針對蒙陜礦區中深部礦井各可采煤層埋藏深度較大且周邊無礦井地溫參數借鑒的問題，為對地溫情況作出合理的評價和分級，通過原巖溫度測定、礦井氣候參數觀測和地面氣候參數觀測的方法，對礦井地溫參數進行了觀測與分析，繪制地溫分布圖，對不同情況下的溫度、濕度進行預測，更加有效地指導井下熱害的治理工作，以便提出經濟實用的降溫方案。

中深部礦井 地溫參數 原巖溫度 地溫梯度 氣候參數 蒙陜礦區

隨著我國煤炭資源需求的日益增加，淺部煤炭資源越來越少，煤炭開采已逐漸進入深部開采，隨著開采深度的增加，地溫也隨之升高。葫蘆素井田位于鄂爾多斯市烏審旗東北部，煤層埋深600 m左右，是蒙陜礦區建設最早的中深部礦井之一。由于各可采煤層埋藏深度較大且周邊無礦井地溫參數借鑒，后期開采時可能存在地熱危害，為了對葫蘆素礦井的地溫情況作出合理的評價和分級，為礦井降溫措施的實施提供技術支持，需要進行礦井地溫參數測試與分析。

礦井地溫參數測試與分析現場實施部分主要由原巖溫度測定、礦井氣候參數觀測和地面氣候參數觀測3部分組成。通過以上測試項目的實施，能根據測定的參數對礦井地溫情況作出評價分級，繪制地溫分布圖，對不同情況下的溫度、濕度進行預測，更加有效地指導井下熱害的治理工作，以便提出經濟實用的降溫方案，對當前的礦井熱害治理具有積極的意義。

1 測試礦井概況

葫蘆素礦井井田位于鄂爾多斯高原的東北部，區內地形總體趨勢是東南部較高、西北部較低。具有典型的高原堆積型丘陵地貌特征，地表全部被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，為沙漠-半沙漠地區。區內氣候特征屬于干旱的溫帶高原大陸性沙漠氣候，太陽輻射強烈，日照較豐富，干燥少雨，風大沙多，無霜期短。冬季漫長寒冷，夏季炎熱短暫，春季回暖升溫快，秋季氣溫下降顯著。

礦井采用立井開拓，采煤方法為一次采全高長壁綜合機械化開采，垮落法管理頂板。礦井共布置主井、副井和風井3個井筒。井底沿井田北部邊界東西向分煤層各布置一組大巷，用于開采東、西兩翼煤層；然后從井底向南分煤層各布置一組南翼大巷，用于開采井田南部煤層。

2-1煤層位于延安組第三巖段(J2y3)上部、2煤組的頂部，煤層厚度0～6.37 m，平均厚度2.63 m，煤層可采厚度1.06～5.61 m，平均可采厚度2.52 m。2-2煤層位于延安組第三巖段(J2y3)中部、2煤組的下部，煤層厚度1.11～10.33 m，平均厚度4.09 m，煤層可采厚度1.10～6.65 m，平均可采厚度3.85 m。

2 圍巖原始溫度測定及分析

2.1 原巖溫度測試方法及鉆孔布置

圍巖原始溫度(即原巖地溫)的測定是礦井熱害防治最重要的基礎工作，所取得參數是進行礦井熱源分析及井下風流溫度預測計算的重要基礎參數，也是劃分礦井熱害等級的基本依據。本次測量采用深孔測溫與淺孔測溫相結合的方式進行，即在通風時間較長的巷道內采用深孔測溫，在現有掘進巷道內采用淺孔測溫。為盡可能準確評測整個2-1煤層和2-2煤層，綜合考慮現場實際情況和施工可行性，初步設計鉆孔23個，鉆孔直徑為60 mm，測溫裝置安裝示意圖如圖1所示，鉆孔布置情況如圖2所示。

1-扁平狀鉑電阻溫度傳感器；2-探頭固定件；3-防拉固定件；4-鉆孔內壁；5-鉆孔底部；6-扁平狀鉑電阻溫度傳感器與礦用雙芯屏蔽電纜連接接頭；7-礦用雙芯屏蔽電纜打結；8-礦用雙芯屏蔽電纜；9-螺紋；10-塑料管；11-巷幫；12-聚氨酯泡沫填縫膠；13-萬用表圖1 測溫裝置在鉆孔內部安裝示意圖

圖2 葫蘆素礦井原巖溫度測定鉆孔布置圖

鉆孔成孔后每隔1～2 h測第一次溫度，隨后噴射聚氨酯全孔長封堵孔口，24 h之后進行鉆孔內原巖溫度和壁面巖溫測量，將測量結果記錄于表中，直至鉆孔所測原巖溫度穩定為止。

2.2 巷道調熱圈的確定

原始巖溫等溫線所包圍的范圍稱為井巷圍巖調熱圈。對于通風時間較長的巷道，其調熱圈厚度的經驗公式如下：

M=9.824t0.2418+3.56

(1)

式中：M——調熱圈厚度，m；

t——井巷進風時間，d。

葫蘆素礦井在測試期間為基建礦井，巷道為近幾年掘進，通風時間不長，所以調熱圈厚度普遍較小，但風井周邊巷道掘進時間較長，所以調熱圈厚度達47.5 m，新近掘進巷道調熱圈厚度大部分為30 m左右?；趯嵱眯院徒洕钥紤]，本次測溫鉆孔深度設置為30 m比較合適。

2.3 礦井原巖溫度實測

根據測定方案，對葫蘆素煤礦的原巖溫度進行了實測，各鉆孔測試結果如表1所示。鉆孔原巖溫度實測值如圖3所示。

由圖3可以看出，鉆孔內部溫度普遍高于鉆孔周邊的壁面溫度，鉆孔內部溫度最高的4#測點位于2-1煤層東翼輔運斜巷，為27.7℃，溫度最低的5#測點位于2-2煤層東翼輔運大巷，為22.0℃。整個井田內鉆孔原巖溫度相差不大，鉆孔平均原巖溫度為24.6℃，巖壁平均溫度為20.2℃，鉆孔與巖壁溫差主要是由于礦井通風冷卻了巷幫，所以打鉆測量才能反應礦井原始巖層的溫度分布。

表1 葫蘆素煤礦原巖溫度測試結果

根據差值算法，可通過現有鉆孔估算出全礦井原巖溫度分布概況，如圖4所示。

由圖4可以看出，井田中北部原巖溫度較高，2-1煤層東翼輔運斜巷原巖溫度達27.7℃，東北部溫度最低，2-2煤層東翼輔運大巷原巖溫度為22℃，井田西部區域原巖溫度為25℃左右。各測點原巖溫度與壁面溫度差異較大，主要是因為巷道掘進后，巷幫暴露出來，風流帶走了調熱圈的圍巖溫度。這說明良好的通風能起到防治礦井熱害的作用。

圖3 鉆孔原巖溫度實測值

圖4 鉆孔原巖溫度等值線圖

2.4 礦井地溫梯度的確定

地溫梯度是表征一個地區地熱狀況的重要參數。將2個不同深度的原始溫度之差與該兩點間的距離相比，即為地溫梯度。

根據勘探報告，對從地面向井下打的15個鉆孔進行了簡易地溫測量。結果表明：最大地溫梯度為3.32℃/hm，最小地溫梯度為2.18 ℃/hm，平均2.91℃/hm，結合本次原巖溫度測試，求得地溫梯度為2.83 ℃/hm，可以判斷葫蘆素礦井基本屬于地溫正常區。根據初步測算，初期開采的2-1、2-2煤層范圍內基本無地熱危害。但由于其他下部各可采煤層埋藏深度較大，后期開采下部其他煤層時可能存在地熱危害，屆時應采取有效的降溫措施。

3 礦井氣候參數觀測及分析

3.1 氣候觀測參數

氣候觀測參數主要包括：地表空氣干球溫度和空氣濕球溫度；測點處風速、大氣壓力；測點巷道幾何尺寸，包括寬、高、拱基高；測點處風流干、濕球溫度、巷道壁溫、兩測點間巷道中的水溫、巷道潮濕情況；回采工作面的生產情況、機械設備運轉情況；掘進工作面局部通風機壓力。

在礦井氣候參數測定時，采用“五定”觀測法，即定觀測人員、定觀測儀器、定觀測路線、定觀測點、定觀測參數。這樣測定分工明確、路線熟悉、觀測精度高，便于數據對比和整理分析。

為獲取全面、可靠的測定數據，按照氣象觀測要求，結合本礦巷道布置的特點，本次測定設計測點105個，主要分布在風流分岔、匯合前后地點、巷道淋水(或涌出熱水)段前后、巷道有機械設備段前后、風流穩定、巷道規整的地點。

3.2 干球溫度變化

所有測點干球溫度變化情況見圖5，干球溫度等值線圖見圖6。

圖5 干球溫度變化曲線圖

由圖5和圖6可以看出，所有測點溫度不同，在10.4～23.5℃之間波動，平均17.1℃。相鄰測點溫度差別不大，主要是因為相鄰測點大多在同一條巷道，地質、通風條件類似。礦井巷道干球溫度呈南部高于北部、東部高于西部的分布情況。21102副回風巷與2-1煤層東翼輔助運輸大巷交匯處干球溫度最低，為10.4℃；21102輔運巷掘進頭溫度最高，為23.5℃，這主要是因為掘進巷道為長距離通風，掘進頭通風風速有限，掘錨機、破碎機等機組設備散熱較大，工人大多聚集在掘進工作面工作，這都導致該處溫度較高。

因濕球的變化規律與干球溫度變化規律類似，本文限于篇幅限制，不再展開敘述。

圖6 干球溫度等值線圖

4 礦井主要熱源分析

據烏審旗氣象站歷年資料，當地最高氣溫為+36.6℃,最低氣溫為-27.9℃；年降水量為194.7～531.6 mm，平均為396.0 mm，且多集中于7、8、9月份內；年蒸發量為2297.4～2833 mm，平均為2534.2 mm，年蒸發量為年降水量的5～10倍。區內風多雨少，最大風速為24 m/s，一般風速為2.6～5.2 m/s，且以西北風為主。凍結期一般從10月份至次年4月份，最大凍土深度為1.71 m。

所以井下高溫高濕現象嚴重的時間段是在6、7、8月份，井下數據觀測的時間也選擇在這個時間段內。

根據實測和分析計算，地表大氣處于動態變化，礦井單位質量風流吸收礦井主要熱源：流體的自壓縮為0.66 kJ/kg；圍巖散熱為0.98 kJ/kg；機電設備散熱為7.45 kJ/kg；熱水散熱為1.23 kJ/kg；運輸中煤和矸石的散熱為3.58 kJ/kg；人員散熱為1.04 kJ/kg；氧化放熱為1.77 kJ/kg。

為更好地展現現有的能計算的熱源里面各自所占的百分比，形象展現葫蘆素礦井現在能計算的井下熱源主次圖見圖7。

由主要熱源數據和圖7可知，在現有的能計算的熱源里面，機電設備散熱、運輸中煤和矸石的散熱、氧化散熱是礦井主要熱源，這三者之和在總熱量中的比例高達77%，所以加強對這三者熱源的控制是確保礦井降溫成功的重要保證。

圖7 葫蘆素礦井現在能計算的井下熱源主次圖

5 結論

(1)基建礦井調熱圈厚度普遍較小，而風井周邊巷道掘進時間較長，所以調熱圈厚度達47.5 m，新近掘進巷道調熱圈厚度大部分為30 m左右。

(2)鉆孔內部溫度普遍高于鉆孔周邊的壁面溫度，井田中北部原巖溫度較高，鉆孔內部溫度最高的4#測點位于2-1煤層東翼輔運斜巷，為27.7℃；東北部溫度最低，溫度最低的5#測點2-2煤層東翼輔運大巷，為22.0℃；井田西部區域原巖溫度為25℃左右。

(3)最大地溫梯度為3.32℃/hm，最小地溫梯度為2.18℃/hm，平均為2.91℃/hm，結合本次原巖溫度測試，算得地溫梯度為2.83℃/hm，可以判斷葫蘆素礦井基本屬于地溫正常區。

(4)全礦井所有測點溫度不同，在10.4～23.5℃之間波動，平均17.1℃。

(5)礦井熱源主要有地表大氣、流體的自壓縮、圍巖散熱、機電設備散熱、熱水散熱、運輸中煤和矸石的散熱、人員散熱、氧化放熱等。其中機電設備散熱、運輸中煤和矸石的散熱、氧化散熱是礦井主要熱源，這三者之和在總熱量中的比例高達77%，所以加強對這三者熱源的控制是確保礦井降溫成功的重要保證。

[1] 吳海軍，徐長富，姚海飛等.礦井高溫熱害及降溫設計研究綜述[A].2013礦井通風與熱害防治國際學術研討會論文集[C]，2013

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[7] 周剛，程衛民，別海燕等.東灘煤礦井下熱害氣象參數觀測與分析研究[J].煤炭技術，2009(4)

Studyongeothermalparametersofmid-deepanddeepminesinInnerMongoliaandShaanximiningarea

Yao Haifei1,2, Xu Changfu1,2, Wu Haijun1,2, Zheng Zhongya1,2, Sun Xigui1,2, Wang Haiyan1,2, Chai Jiamei1,2, Li Yanchuan1,2

(1. Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization (China Coal Research Institute), Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the problem that the buried depth of minable coal seams in Inner Mongolia and Shaanxi mining area was great and there was no geothermal parameters of surrounding deep mines, determination of raw rock temperature and observation of mine climate parameters and ground climate parameters were used to evaluate and classify ground temperature reasonably. Ground temperature distribution map was drawn to predict the temperature and humidity under different conditions and guide underground geothermal disaster mitigation more effectively, so as to come up with economical and practical cooling scheme.

mid-deep and deep mine, geothermal parameter, raw rock temperature, geothermal gradient, climate parameter, Inner Mongolia and Shaanxi mining area

TD727.2

A

國家國際科技合作專項項目(2015DFR70900)

姚海飛，徐長富，吳海軍等. 蒙陜礦區中深部礦井地溫參數測試研究[J].中國煤炭，2017,43(11)：91-96.

Yao Haifei, Xu Changfu, Wu Haijun , et al. Study on geothermal parameters of mid-deep and deep mines in Inner Mongolia and Shaanxi mining area [J]. China Coal, 2017，43(11):91-96.

姚海飛(1984-)，男，江西吉安人，碩士研究生，助理研究員，國家注冊安全工程師，安全評價師，現任煤科院安全分院防火所副所長(主持工作)，主要從事煤礦綜合防塵、防滅火等礦山安全技術方面的研究。

(責任編輯 張艷華)