楊丁丁，王佰順,張 翔，楊培培

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.煤與瓦斯共采實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001;3.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源需求量的加大，越來(lái)越多的礦井向深部發(fā)展，地?zé)釣?zāi)害問題日益嚴(yán)重。熱害問題已經(jīng)成為制約煤礦安全高效發(fā)展的瓶頸。如不能有效地解決地?zé)釣?zāi)害問題，必將嚴(yán)重阻礙淮南礦區(qū)的新一輪生產(chǎn)和建設(shè)的發(fā)展[1]。通過(guò)分析地溫分布規(guī)律及其影響因素，找出經(jīng)濟(jì)有效的礦井熱害防治方法與技術(shù)，就顯得格外重要。

1 煤田地質(zhì)及氣象概況

淮南煤田是華東地區(qū)最主要的煤炭生產(chǎn)基地之一。煤田位于華北板塊南緣，北鄰蚌埠隆起，南以老人倉(cāng)-壽縣斷層與合肥中生代坳陷相鄰，東起東起郯廬斷裂，西止于商丘-麻城斷裂。東西長(zhǎng)180km，南北寬15～20km，面積約3200km2?；茨厦禾餅榻鼥|西向展布的復(fù)向斜構(gòu)造，其兩翼邊緣發(fā)育一系列逆沖斷層，致使部分地層直立、倒轉(zhuǎn)。本區(qū)斷裂構(gòu)造主要為兩組，一組是隨褶曲形成的走向逆沖、逆掩斷層，另一組是與郯廬斷裂近于平行的NNE向橫切斷層。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖的出露甚少。第四系松散復(fù)蓋層厚0～700m，自東向西逐漸增厚，整個(gè)煤田隱伏于淮河沖積平原之下，屬全隱伏煤田。由于后期升降剝蝕和沉積作用的差異，致使煤層埋深不均勻，煤田南部煤層埋深較淺，向斜軸部煤層埋藏最深，最大深度達(dá)1800～2000m。

淮南礦區(qū)屬寒溫帶溫濕氣候，季節(jié)性明顯，冬冷夏熱。年平均氣溫15.1℃，極端最高氣溫41.4℃(1966年8月8日)，極端最低氣溫-22℃(1969年1月31日)。

2 地溫參數(shù)與分布規(guī)律

隨著淺部資源的枯竭，礦井向著深部擴(kuò)展?；茨闲陆ǖV井煤層埋藏較深，開采水平多在-800m以下。礦井工作面、掘進(jìn)頭的溫度嚴(yán)重超過(guò)國(guó)家環(huán)境衛(wèi)生安全要求。直接影響工人的身體健康，對(duì)煤礦安全高效開采威脅較大。部分新建礦井來(lái)自圍巖的熱量在礦內(nèi)熱源比例就高達(dá)57%[2]，不同時(shí)期所占比例不同。

2.1 地溫參數(shù)

地球內(nèi)部?jī)?chǔ)存著巨大的熱能，地殼表層的溫度常隨外界溫度而有日變化和年變化，這一地帶稱之為變溫帶。但從地表向下達(dá)到一定深度，其溫度不隨外界溫度而變化，這一深度叫恒溫帶。恒溫帶以下，主要受地球內(nèi)部熱能的影響，溫度隨深度的增加而增高的地帶，稱之為增溫帶。在增溫帶以下，深度每增加100m地溫所增加的溫度，稱之為地溫梯度[3]。兩淮礦井的作業(yè)水平都在增溫帶范圍內(nèi)，一般情況下，埋藏越深，地溫?zé)岷?duì)采礦作業(yè)影響就越大。

2.2 礦區(qū)熱害等級(jí)

《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測(cè)量若干規(guī)定》指出：平均地溫梯度不超過(guò)3℃/100m的地區(qū)為地溫正常區(qū)；超過(guò)3℃/100m為高溫異常區(qū)。同時(shí)還指出，原始巖溫高于31℃的地區(qū)為一級(jí)熱害區(qū)，原始巖溫高于37℃的地區(qū)為二級(jí)熱害區(qū)。

表1 淮南煤田部分深井地溫狀況表

根據(jù)九龍崗礦長(zhǎng)期觀測(cè)鉆孔資料，淮南恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃?；茨厦禾锊糠稚罹販貭顩r見表1。從表中可以看出新區(qū)的礦井都進(jìn)入了二級(jí)熱害區(qū)，部分礦井地溫異常。其中顧橋礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量5.0Mt/a，主要環(huán)節(jié)留有10.0Mt/a的條件。2007年4月投產(chǎn)，當(dāng)年產(chǎn)量6.81Mt，2008年產(chǎn)量10.55Mt，2009年產(chǎn)量12Mt。其他礦井實(shí)際生產(chǎn)能力都有不同程度的超產(chǎn)現(xiàn)象。投產(chǎn)時(shí)間短，產(chǎn)量高，礦井熱害更加嚴(yán)重。

2.3 地溫分布規(guī)律

從礦井近似穩(wěn)態(tài)連續(xù)測(cè)溫曲線圖可以看出，溫度隨著深度的增加而增加，呈現(xiàn)出良好的線性趨勢(shì)，表現(xiàn)為傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)?？傮w而言，地溫梯度隨著深度的增加而逐漸的趨于一致。如圖1所示為顧橋礦部分穩(wěn)態(tài)測(cè)溫鉆孔測(cè)溫曲線。

圖1 顧橋礦部分鉆孔穩(wěn)態(tài)測(cè)溫曲線

不同的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地溫分布規(guī)律的影響不同。資料顯示，淮南煤田老區(qū)受謝橋-古溝向斜的影響，老區(qū)東部比西部地溫高，地溫隨著深度的增加而增加，地溫梯度正常，地溫?zé)岷Σ惶黠@。新區(qū)由于處于陳橋—潘集背斜隆起的影響，加之開采深度大，地溫都高于正常值?；茨厦禾飳?duì)沖構(gòu)造見圖2所示。受陳橋—潘集背斜影響的礦井有：潘集、丁集、顧橋、張集、謝橋、劉莊、口孜集。該背斜的核心部分與同水平比較地溫高，地溫梯度大，兩翼地溫呈遞減趨勢(shì)。其中第四系平均地溫梯度為4.5℃/hm～5.0℃/hm，二迭系為4.3℃/hm，核心兩側(cè)第四系、二迭系平均為3.5℃/hm，兩翼為2.5℃/hm～3.0℃/hm[4]。另外由于斷層構(gòu)造的影響，靠近大斷裂帶的區(qū)域地溫也有異常。不同的礦井所處的位置不同，地溫狀況又有所區(qū)別?？傮w來(lái)看，淮南新區(qū)地溫等值線與底板等高線走向基本一致，背斜軸部地溫均較高。

圖2 淮南煤田對(duì)沖構(gòu)造示意圖

3 地溫影響因素分析

地質(zhì)資料分析表明，地溫?zé)嵩粗饕獊?lái)自地球內(nèi)部，深度越深地溫越高。地溫分布規(guī)律受分布格局、巖性變化影響較大，地下水活動(dòng)以及巖漿巖侵入也都有不同程度的影響。

3.1 構(gòu)造分布格局對(duì)地溫的影響

大量的實(shí)測(cè)資料已證實(shí)地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)與地溫場(chǎng)的特征具有明顯的相關(guān)性。不同巖性的兩種巖層或者同種巖性的不同兩分層相鄰，由于導(dǎo)熱系數(shù)在平行于層理方向上較大，垂直方向上較小，地下熱流向上傳導(dǎo)碰到巖層界面會(huì)出現(xiàn)向平行層面方向傾斜，產(chǎn)生側(cè)向熱流作用[5]。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生褶曲和斷裂等構(gòu)造，不僅能改變巖層的產(chǎn)狀，引起巖石熱物理性質(zhì)在水平方向與垂直方向上的變化，而且會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致深部熱流在淺部重新分配，使溫度場(chǎng)發(fā)生改變。背斜軸部大地?zé)崃骷?，同一水平地溫比翼部高；向斜軸部大地?zé)崃飨鄬?duì)發(fā)散，同一水平地溫比翼部低。大的斷裂構(gòu)造溝通了上地幔的熱流通道，將深部的熱流導(dǎo)入淺部，造成地溫異常；小的斷裂構(gòu)造，由于填充、閉塞而對(duì)地溫?zé)o明顯影響。所以，背斜、斷層等構(gòu)造影響以及深部開采，是造成丁集、顧橋、朱集等淮南新區(qū)深井地溫?zé)岷?yán)重的主要原因之一。

3.2 巖石熱物理性質(zhì)的影響

巖石的熱物理性質(zhì)對(duì)研究礦井地溫場(chǎng)的形成、熱遷移和分布規(guī)律具有重要的意義。從表2可以看出結(jié)晶基底的巖石熱導(dǎo)率高，沉積蓋層巖石熱導(dǎo)率低。巖石的層狀結(jié)構(gòu)使其熱導(dǎo)率出現(xiàn)各向異性，造成褶曲等構(gòu)造的地溫差異。

地溫向深處的增加僅與巖石的熱導(dǎo)率成正比[3]。熱導(dǎo)率大的巖層中，地溫梯度小；熱導(dǎo)率小的巖層中，地溫梯度大。煤層的熱導(dǎo)率較其他巖層熱導(dǎo)率小，所以煤層有很好的隔熱作用，其地溫梯度要較其他巖層大的多。導(dǎo)熱性差的地方往往是地溫正異常區(qū)域。地表松散層由于熱導(dǎo)率低，深部熱流向上傳到至淺部松散層時(shí)，聚熱效果明顯?；茨闲聟^(qū)煤系地層上覆有較厚的第四系松散層，所以新區(qū)地溫明顯大于老區(qū)。上覆第四系松散層越厚，地溫也就越高[6]。

表2 常規(guī)條件下部分巖石熱導(dǎo)率

3.3 巖漿巖侵入的影響

巖漿巖侵入時(shí)的溫度很高，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代后，殘余熱量基本散發(fā)完，但是在厚松散層覆蓋條件下，仍保留有少部分余熱[7]。資料表明，巖漿巖侵入地帶，地溫明顯高于正常值。

巖漿活動(dòng)對(duì)地溫分布影響，主要取決于巖漿侵入的地質(zhì)年代和侵入規(guī)模、產(chǎn)狀與性質(zhì)。年代越新、侵入規(guī)模越大，對(duì)地溫分布影響越大?；茨厦禾锏膸r漿巖侵入限于上窯、潘集、丁集勘探區(qū)，一般呈層狀侵入，引起礦區(qū)九龍崗、潘集、丁集、顧橋地溫異常。其中丁集礦鉆孔資料顯示，巖漿巖侵入嚴(yán)重區(qū)域最大厚度達(dá)145.55m，屬燕山期產(chǎn)物[8]。

3.4 地下水影響

由于地下水熱容量大，所以是影響一個(gè)地區(qū)地溫分布最重要的因素之一，它的活動(dòng)往往導(dǎo)致區(qū)域性或局部性地溫異常。水溫與圍巖溫度的不同，對(duì)圍巖有增溫、降溫和恒溫的作用，斷裂帶或傾斜透水層則是深部熱水向上運(yùn)移的良好通道。丁集、顧橋、潘三等礦有部分熱水影響。潘三礦曾發(fā)現(xiàn)水溫46℃的熱水[4]，但總體看來(lái)地下熱水不是造成地溫異常的主要原因，只在少部分區(qū)域影響。

4 熱害防治

淮南新區(qū)新建礦井由于瓦斯治理需要，首先開采煤層較薄的保護(hù)層(11#煤層)，為主采突出煤層的瓦斯治理留有時(shí)間和空間，造成工作面溫度很高。瓦斯治理、開采程序與勞動(dòng)環(huán)境保護(hù)的矛盾尤顯突出[1]。以顧橋礦為例：顧橋礦是典型的深井開采，熱害嚴(yán)重，第一水平(-780m)原始巖溫42℃，地溫梯度3.08℃/hm，屬于地溫異常區(qū)，為二級(jí)熱害區(qū)。夏季時(shí)礦井采掘出風(fēng)流溫度可達(dá)35℃～38℃，濕度在95%以上，存在較為嚴(yán)重的熱害問題。礦井熱害影響因素很多，應(yīng)采取綜合措施科學(xué)治理。

4.1 非機(jī)械制冷降溫措施

非機(jī)械制冷降溫措施主要有：合理開拓部署、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、增加風(fēng)量、下行通風(fēng)、隔絕熱源、煤層注水、采空區(qū)充填、個(gè)體防護(hù)等[9]。鑒于影響新區(qū)礦井熱環(huán)境的因素較多，熱源散熱量大，在礦井設(shè)計(jì)中，已采取或考慮了一些綜合防治對(duì)策。

1) 合理開拓部署。采用立井、分組集中大巷、盤區(qū)石門開拓方式，可縮短進(jìn)風(fēng)風(fēng)流線路長(zhǎng)度，有利于減少新鮮風(fēng)流在通風(fēng)路徑中的熱增量，降低采掘工作面風(fēng)流的溫升。

2) 選擇合理的開采方法?；夭晒ぷ髅娌捎米呦蜷L(zhǎng)壁后退式回采，可增大工作面的進(jìn)風(fēng)量，減少采空區(qū)的散熱量。

3) 合理增大工作面風(fēng)量，把井巷風(fēng)流速度控制在經(jīng)濟(jì)、允許風(fēng)速范圍內(nèi)，盡量縮小風(fēng)流與井巷圍巖的熱交換面積，減少圍巖傳熱量。

4) 采用煤層注水、煤巖巷濕式掘進(jìn)，以降低煤巖體溫度。

5) 采空區(qū)進(jìn)行黃泥灌漿充填，及時(shí)封閉等措施，抑制采空區(qū)的氧化散熱。

6) 加強(qiáng)對(duì)上隅角溫度的控制，減少采空區(qū)漏風(fēng)或工作面采用Y型通風(fēng)方式。

4.2 機(jī)械制冷降溫措施

由于新區(qū)礦井熱害嚴(yán)重，非機(jī)械制冷措施不能完全解決礦井高溫?zé)岷栴}，所以應(yīng)采取機(jī)械制冷降溫措施。采用以集中降溫為主，局部降溫為輔，集中降溫首選熱電冷聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，在熱電冷聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供尚不具備條件的情況下，可首先采用局部降溫措施過(guò)渡。熱害礦井在采區(qū)、工作面設(shè)計(jì)中應(yīng)包括降溫方案的設(shè)計(jì)[1]。

顧橋礦在解決礦井熱害問題上，根據(jù)地面設(shè)施配置條件及資源條件，優(yōu)選了熱電冷聯(lián)合降溫措施。采用瓦斯發(fā)電余熱制冷井上集中供冷與井下移動(dòng)制冷相結(jié)合的井下降溫模式。充分利用顧橋火電廠和瓦斯發(fā)電的余熱，通過(guò)溴化鋰吸收制冷機(jī)與電制冷機(jī)串聯(lián)，提高能源利用率，降低制冷成本。

由于冷媒水溫差要求較大，普通冷水機(jī)組難以做到一次降溫，而定制非標(biāo)制冷機(jī)將會(huì)導(dǎo)致訂貨困難和設(shè)備投資加大，因此設(shè)計(jì)采用普通冷水機(jī)組兩級(jí)制冷方案。為方便負(fù)荷調(diào)節(jié)，兩級(jí)制冷采用單元式組合形式。由于蒸汽溴化鋰制冷機(jī)出水溫度較高，可作為第一級(jí)制冷，電制冷機(jī)作為二級(jí)制冷。蒸汽雙效溴化鋰制冷機(jī)組制冷量設(shè)計(jì)為5870kW；電制冷機(jī)組制冷量設(shè)計(jì)約為2000kW。制冷單元兩級(jí)制冷量和為7870kW，超出部分為溴化鋰機(jī)組的制冷量附加。配三個(gè)制冷單元。在一水平-780m平面設(shè)降溫硐室，服務(wù)-650～-950m。

根據(jù)礦方生產(chǎn)計(jì)劃，一水平13煤上山采區(qū)的面、頭均不需降溫，13煤下山及11煤上、下山采區(qū)的面、頭均需降溫，二水平各面均需降溫。礦井不同時(shí)期需冷量見表3所示。

綜合采取了開采技術(shù)措施和井下集中制冷、冷凝熱地面排放降溫系統(tǒng)降溫措施后。顧橋礦掘進(jìn)工作面溫度降低了4.1℃，綜采工作面進(jìn)風(fēng)口溫度降低了5.5℃，濕度下降了7%左右。同樣在潘一礦、潘三礦、丁集礦等礦井采取礦井降溫措施都能夠明顯改善采掘工作面熱害問題，為煤礦安全高效開采提供了保障。

表3 顧橋礦不同時(shí)期礦井需冷量計(jì)算表

5 結(jié)語(yǔ)

1) 淮南井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層多，新區(qū)地處潘集背斜隆起區(qū)域，導(dǎo)致了井田地溫分布異常，造成地溫高的主要原因。另外由于第四紀(jì)松散層以及巖漿巖、地下水等因素的影響，更加劇了地溫?zé)岷Φ某潭取?/p>

2) 對(duì)于熱害嚴(yán)重的深部礦井，采取綜合防治地溫?zé)岷Φ拇胧瑹犭娎渲评涞木霞兄评浜途聶C(jī)械制冷相結(jié)合，取得了良好的降溫效果。充分利用了能源、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效，為其他高溫礦井提供了熱害治理參考。

3) 隨著采深的加深，務(wù)必做好礦井地溫分布規(guī)律詳查工作，加大地溫?zé)岷Ψ乐蔚难芯?，尋找更好的綜合降溫技術(shù)。特別是加強(qiáng)除濕新技術(shù)的研究。

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