李 浪, 羅新榮, 張克兵

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.淮滬煤電有限公司 丁集煤礦,安徽 淮南 232141)

丁集煤礦深部地溫預(yù)測

李 浪1, 羅新榮1, 張克兵2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.淮滬煤電有限公司 丁集煤礦,安徽 淮南 232141)

針對丁集煤礦礦井高溫?zé)岷?yán)重的問題,采用井下炮眼溫度測定方法,測量地溫;借助有限元 ANSYS的熱耦合分析程序,模擬巖巷和煤巷調(diào)熱圈,修正礦井地溫,確定地溫梯度,預(yù)測該礦深部地溫。結(jié)果表明,該礦 -500 m水平以上、以下的地溫梯度分別為 3.5、4.0℃/hm;采煤層深度為 -600 m以下的地溫在 38℃以上,屬于二級熱害區(qū)。該研究可為礦井深部降溫提供數(shù)據(jù)參考。

深部地溫;丁集煤礦;熱害;炮眼測溫

Abstract:This paper seeks to address the serious high temperature in Dingji coalmine,by using the downhole borehole temperature-dete rminingmethod formeasurement of the ground temperature.The paper highlightsmeans of finite elementANSYS thermal coupled analysis program for simulation of the rock and coal tune hot laps,revision of the mine temperature,and dete rmination of the ground temperature gradient to predict the temperature in deep mine.The results show that the mine occurs as the secondclass the rmal damage zone with the ground temperature gradient of 3.5,4.0℃/hm above and below the level of-500 m and the ground temperature of above 38℃in depth of-600 m in coal seam.This study provides reference for the deep mine cooling.

Key words:deep ground temperature;Dingji coalmine;heat injury;borehole temperature

0 引 言

近年來,隨著煤礦開采深度的增加和開采機(jī)械化程度的提高,高溫礦井?dāng)?shù)量不斷增多,礦井熱害十分突出,高溫、高濕環(huán)境嚴(yán)重影響井下作業(yè)人員的身體健康和生產(chǎn)效率的提高。礦井高溫?zé)岷捌渲卫憩F(xiàn)已成為國內(nèi)外學(xué)者亟待解決的技術(shù)難題。為改善作業(yè)環(huán)境和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,許多礦井進(jìn)行了井下地溫測定與熱環(huán)境調(diào)查,以尋求解決井下高溫、高濕的有效辦法[1-3]。丁集煤礦礦井高溫?zé)岷栴}嚴(yán)重?；诖?筆者采用井下炮眼溫度測定方法測量地溫,并借助 ANSYS有限元軟件修正,進(jìn)而預(yù)測地溫,以期為礦井深部降溫提供數(shù)據(jù)參考。

1 基本概況

丁集煤礦位于安徽省淮南市西北部,距淮南市洞山約 50 km。井田東西走向 12～15 km,南北傾向?qū)?4～11 km,面積 107.09 km2。礦井第一水平標(biāo)高-826 m,西部輔助水平標(biāo)高 -910 m。井田恒溫帶深度為 30 m,溫度為 16.8℃,地溫梯度為 2.30～3.60℃/hm,平均為 3.07℃/hm。井田深度每增加32.57 m,地溫增加 1℃,屬地溫異常區(qū)。實(shí)測井下鉆孔出水溫度 43～45℃,2008年夏季地面氣溫為27℃時(shí),井下 11-2煤層采面回風(fēng)流溫度高達(dá)37℃,熱害嚴(yán)重,危害礦井安全生產(chǎn)。

2 地溫預(yù)測

2.1 理論公式

2.1.1 地溫梯度

在地球熱場內(nèi),地心與地表之間存在溫度差,并沿地表法線方向形成無數(shù)個(gè)等溫面。沿等溫面法線方向單位距離的溫度增量即為地溫梯度。實(shí)際測量時(shí),將不同深度的兩塊巖石溫度之差與兩巖石間距離的比作為地溫梯度,即

式中:G——地溫梯度,℃/hm;

td——溫度增加,℃;

Hd——深度增加,m。

2.1.2 溫度帶

由于地球運(yùn)動(dòng),地表接受的太陽熱能呈周期性變化,從而引起地表氣溫及地表以下不同深度處巖石溫度發(fā)生周期變化。隨著深度的增加,地溫的變化幅度越來越小,可表示為

式中:ΔtH——深 H處的地溫變幅,℃;

Δt0——地表大氣溫度的變幅,℃;

H——地表以下的深度,m;

L——溫度衰減系數(shù),L=π/aT;

a——巖石導(dǎo)溫系數(shù),m2/s;

T——溫度變化周期,d或 a。

因內(nèi)熱和外熱對地殼淺層的影響深度和范圍均不同,故地表至地下某一深度處地溫明顯分帶,依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶[4-5]。

2.1.3 調(diào)熱圈

掘進(jìn)巷道中,由于溫差作用,巖體內(nèi)的熱量以導(dǎo)熱形式傳向壁面,而后又以對流形式傳給風(fēng)流。隨著通風(fēng)時(shí)間的延長,巷道徑向圍巖體內(nèi)的溫度呈靠近壁面低、遠(yuǎn)離壁面高分布,并逐漸接近于原始巖溫,從而在巷道周圍巖體內(nèi)形成一個(gè)調(diào)熱圈[6]。描述井巷調(diào)熱圈的基本方程為[7]:

式中:R——井巷等效水力半徑,m;

λ——圍巖導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

r——圍巖中任一點(diǎn)到巷道中心的距離,m;

α——熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

K——對流換熱系數(shù),W/(m2·K);

tm——?dú)鉁卣穹?℃;

t——時(shí)間,s;

t0——?dú)鉁刈兓芷?a。

2.1.4 地溫修正

由于實(shí)測炮眼溫度或多或少受到井巷調(diào)熱圈的影響,故需修正。修正公式為

式中:tB——修正后地溫,℃;

tA——實(shí)測炮眼溫度,℃;

k——炮眼溫度修正系數(shù),可由調(diào)熱圈圖查得。

2.1.5 深部地溫預(yù)測

深部地溫預(yù)測公式

式中:t1——深 H1處巖層溫度,℃;

t2——恒溫帶處巖層溫度,℃;

H1——巖層深度,m;

H2——恒溫帶深度,m。

2.2 測溫方法

在礦井掘進(jìn)巷道布置深 1.5～2.5 m的炮眼或錨桿眼 (干眼),如圖 1所示,將測溫棒送入孔內(nèi),外接精密溫度計(jì),經(jīng)過一段時(shí)間,待溫度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后讀取溫度。

圖 1 炮眼測溫布置Fig.1 Blasting place temperature measurement

3 結(jié)果分析

根據(jù)丁集井田地質(zhì)情況,選擇六個(gè)掘進(jìn)工作面進(jìn)行炮眼測溫。

采用有限元 ANSYS的熱耦合分析程序,分別模擬掘進(jìn)過程中的巖巷和煤巷的調(diào)熱圈,如圖 2所示。由圖 2查得炮眼溫度修正系數(shù),根據(jù)式(3),可得修正后炮眼溫度,如表 1所示。據(jù)修正后的炮眼溫度,由式 (1)、(2)求得地溫梯度和恒溫帶深度、溫度,再根據(jù)式 (4)預(yù)測礦井深部地溫,如表 2所示。

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由表 1、2可知,丁集井田的恒溫帶標(biāo)高±0 m,-500 m以上的地溫梯度為 3.5℃/hm,-500 m標(biāo)高的原始地溫 34℃。 -500 m以下的地溫梯度為 4.0℃/hm,-1 000 m標(biāo)高的原始地溫達(dá)到 54℃。根據(jù)《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測量若干規(guī)定》:原始巖溫高于 31℃的地區(qū)為一級熱害區(qū),高于 37℃的地區(qū)為二級熱害區(qū)。丁集煤礦現(xiàn)開采煤層深度均在 -600 m以下,地溫在 38℃以上,屬于二級熱害區(qū)。

4 結(jié)束語

采用炮眼測溫法測量丁集煤礦礦井采掘工作面原始地溫,利用有限元 ANSYS的熱耦合程序求出修正系數(shù),修正地溫,以準(zhǔn)確預(yù)測地溫。該礦礦井-500 m水平以上的地溫梯度為 3.5℃/hm,-500 m水平以下為 4.0℃/hm,屬高溫異常區(qū);開采深度-600 m以下的地溫在 38℃以上,屬二級熱害區(qū)。丁集煤礦礦井熱害問題嚴(yán)重,該研究可為其深部降溫提供有益參考。

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(編輯 荀海鑫)

Temperature prediction in deep coalm ine of D ingji

L I Lang1, LUO Xinrong1, ZHANG Kebing2
(1.Faculty of Safety Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.DingjiMine of Huaihu Coal&Power Co.Ltd.,Huainan 232141,China)

TD727.2

A

1671-0118(2010)05-0340-03

2010-09-06

李 浪 (1986-),男,四川省平昌縣人,碩士,研究方向:礦井降溫和煤礦瓦斯抽采,E-mail:lilangloveyou@126.com。