周汝鳳，陳慶發(fā)，楊偉忠，韋才壽，張睿沖

(1. 廣西大學(xué) 資源與冶金學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2. 廣西華錫集團(tuán)股份有限公司， 廣西 柳州市 545006)

銅坑礦4號回風(fēng)井原始巖溫測量數(shù)據(jù)分析

周汝鳳1，陳慶發(fā)1，楊偉忠2，韋才壽1，張睿沖1

(1. 廣西大學(xué) 資源與冶金學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2. 廣西華錫集團(tuán)股份有限公司， 廣西 柳州市 545006)

以銅坑礦鋅多金屬礦體4號回風(fēng)井為工程對象，采用淺孔測溫法測定原始巖溫，利用Origin軟件回歸實測數(shù)據(jù)，分析了井下測量溫度(T)與深度(H)的關(guān)系；探討了測量過程中工作面溫度、地面溫度及炮桿吹風(fēng)3個因素對測量溫度的影響機(jī)制；并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合計算，得出4號回風(fēng)井的平均地溫梯度為3.39℃/100 m。

銅坑礦；原始巖溫；測量溫度；數(shù)據(jù)分析

廣西銅坑礦鋅多金屬礦體為復(fù)雜多層緩傾斜薄礦體，埋藏深，含硫高，地溫高，存在一定的礦井熱害問題。為摸清鋅多金屬礦體溫度場分布規(guī)律，強(qiáng)化礦山安全管理，制定出經(jīng)濟(jì)合理的降溫措施，銅坑礦聯(lián)合廣西大學(xué)開展了鋅多金屬礦體地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查工作，回風(fēng)井測溫工作是其中一項重要內(nèi)容。鋅多金屬礦體地?zé)犴椖窟_(dá)成協(xié)議并開展工作時，4號回風(fēng)井已施工到了147 m深度，所以深度147 m之上的原始巖溫測量數(shù)據(jù)有待依托其他新掘進(jìn)豎井開展測溫工作補齊。

1 回風(fēng)井工程地質(zhì)特征概述

銅坑礦鋅多金屬礦體4號回風(fēng)井位于鋅銅礦體東部，井口地理坐標(biāo) X：458932.917；Y：2749912.89；Z：+815.48 m。風(fēng)井與+305，255，205，155 m水平相通，馬頭門開口方位均為270°。4號回風(fēng)井所處地域?qū)俅箨懶詠啛釒夂?，具有溫暖潮濕、多雨等特點。地層基本完整、局部破碎，硬度中等至較硬，層理清楚、裂隙發(fā)育一般；沒有大的斷層穿過；水文地質(zhì)條件簡單。因此，水文地質(zhì)勘查類型為第二類第一型，屬于頂板間接充水、水文地質(zhì)條件簡單的裂隙充水區(qū)；井巷圍巖為灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、矽卡巖，工程地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)勘探類型為第三類簡單型，即層狀巖類簡單型。

2 原始巖溫測量方案簡介

2.1 測溫方法

實際情況采用淺孔測溫法測量原始巖溫，即在井下連續(xù)推進(jìn)的巷道掘進(jìn)工作面，直接利用爆破眼鉆孔(深度一般大于1 m)進(jìn)行原始地溫的測定。根據(jù)炮眼的布置情況進(jìn)行鉆孔，鉆孔結(jié)束后停留一定時間，停留時間為鉆孔時間的0.5～1.5倍，此時孔內(nèi)溫度可恢復(fù)到原始巖溫的90%，所測溫度基本上反映了真實的地溫[1]，待鉆孔內(nèi)某些孔段沖洗液與圍巖之間已達(dá)到熱平衡后，再將測溫探頭送至孔底，進(jìn)行原始巖溫的測量。連續(xù)測溫直至孔底溫度趨于穩(wěn)定值即為該處原始巖溫[2]。

2.2 測溫點布置

根據(jù)4號回風(fēng)井工程施工組織設(shè)計可知，炮眼布置以井筒中心為同心圓布置，共布置5圈炮眼，圈距650 mm，周邊眼間距620 mm，輔助眼眼距650～750 mm。測溫點選擇遵循以下原則[3]：具有代表性，測溫點覆蓋面積廣，能夠代表掘進(jìn)面區(qū)域的溫度；測溫點數(shù)量合適、分布均勻。如測溫點多且分布均勻，代表性高，但測溫時間長；相反測溫點少且集中，測量時間短，但代表性不高，具有局限性。綜合考慮代表性與測溫點數(shù)量，根據(jù)回風(fēng)井施工工序時間安排，選定8個測溫點：在掏槽眼圈、二、三、四圈輔助眼圈各布置兩個測溫點，分別為1～8號測點。8個測溫點形成一個雙螺線狀的覆蓋區(qū)域，這樣既節(jié)省了測量時間，又使測量數(shù)據(jù)具有較高的代表性。

2.3 測溫儀器

測溫儀器主要采用JM222便攜式數(shù)字溫度計，它以半導(dǎo)體熱電阻為傳感元件，靈敏度較高，動態(tài)性較好，相應(yīng)時間短，特別適用于施工緊迫，允許測溫時間不長的豎井掘進(jìn)面。JM222便攜式數(shù)字溫度計分為溫度數(shù)字顯示與測溫傳感兩個部分，其測溫范圍為-50～199.9℃，精度為±0.4% FS±0.1℃，分辨力為0.1℃，主要應(yīng)用于生產(chǎn)過程監(jiān)測、工程現(xiàn)場、設(shè)備配置以及教學(xué)實驗等。

2.4 測量時段及頻度

根據(jù)4號回風(fēng)井的工程實際，由于回風(fēng)井直接利用爆破眼鉆孔進(jìn)行原始地溫的測定，且回風(fēng)井的施工工序緊迫，因此，測量時段選擇在打眼之后，與裝藥聯(lián)線工序同步。一般情況下，進(jìn)入增溫帶，每2～3 d進(jìn)行一次測溫。

3 測量數(shù)據(jù)分析

本文主要采用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Origin為Origin Lab公司出品的一個高級科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析專業(yè)軟件，具有簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大等，可以滿足數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要[4]。

3.1 實測數(shù)據(jù)分析

圖1 4號回風(fēng)井原始巖溫實測數(shù)據(jù)曲線圖

自2012年4月25日開始下井開展原始巖溫測量工作，直至2013年1月14日為止，總共進(jìn)行了77次測量，所獲取的4號回風(fēng)井原始巖溫實測數(shù)據(jù)的溫度(T)與深度(H)關(guān)系曲線見圖1。

由圖1可看出，溫度(T)-深度(H)曲線呈現(xiàn)出持續(xù)上升的總體趨勢，說明原巖溫度隨著測量深度的增加而升高，符合地溫增加的一般規(guī)律。由于回風(fēng)井水文地質(zhì)條件、層狀巖巖性、地下水活動、工作面通風(fēng)、鉆孔爆破、人工測量誤差等多方面因素的影響，導(dǎo)致曲線存在著一定的波動性。測量深度在475m之上，測量溫度受井下工作面通風(fēng)以及地面氣候等因素的影響較大，T-H曲線的前半段波動較大。隨著深度的增加，測量溫度趨于穩(wěn)定上升，規(guī)律更為明顯。

3.2 測量結(jié)果分析

雖然4號回風(fēng)井測溫工作獲取了大量的數(shù)據(jù)，溫度也呈現(xiàn)了一定的規(guī)律，但是在測溫過程中也出現(xiàn)了一些不可避免的影響因素，這些因素改變了原始巖溫測量的最理想狀況，對測溫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性存在一定的影響。因此，應(yīng)利用已有的數(shù)據(jù)，結(jié)合4號回風(fēng)井測溫實際情況，對回風(fēng)井原始巖溫測量過程中的影響因素進(jìn)行探討，以更好的指導(dǎo)類似的回風(fēng)井測溫工作。

根據(jù)4號回風(fēng)井實測數(shù)據(jù)，采用Origin軟件繪制出工作面溫度、地面溫度、炮孔吹風(fēng)與測量溫度之間的關(guān)系曲線，分別如圖2、圖3和圖4所示。

(1) 工作面溫度。從圖2可以看出，在深度475 m之上，工作面溫度與回風(fēng)井原始巖測量溫度的變化趨勢相似，總體上前者略高于后者；深度475 m之下，工作面溫度增長幅度大于后者增長幅度。這說明，在深度475 m處工作面通風(fēng)帶走的熱量與該處圍巖散熱量是平衡的，在此深度之上，前者帶走的熱量大于散熱量，使得測量溫度偏低；475 m之下，前者帶走的熱量相對后者產(chǎn)生的熱量較小，對回風(fēng)井原始巖溫測量數(shù)據(jù)基本無影響。

圖2 工作面溫度與測量溫度的關(guān)系曲線

(2) 地面溫度。由圖3可知，由于測量時間從夏季4月份到次年冬季1月份，所以地面溫度曲線呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。其中，測量溫度曲線并不隨著地面溫度曲線的波動、變化而產(chǎn)生變化，說明地面溫度對測量溫度并沒有影響。

(3) 炮桿吹風(fēng)。根據(jù)4號回風(fēng)井的施工工藝可知，炮桿吹風(fēng)是裝藥前的一項重要的工序，是用高壓風(fēng)流將炮孔內(nèi)的積水快速沖出，后迅速將乳化炸藥裝入孔內(nèi)。通過整理測溫數(shù)據(jù)可知，大部分測溫工作是在炮桿吹風(fēng)之后進(jìn)行的，因此將部分炮桿吹風(fēng)前、后數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總比較，以期得到炮桿吹風(fēng)對測得溫度的影響。由圖4中495.9 m與464.3 m兩個深度的數(shù)據(jù)點分析可知，兩點之間的溫差達(dá)到了2.8℃，而其工作面深度僅相差4.4 m，兩點間的地溫梯度高達(dá)63.64℃/100 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常溫度場的溫度梯度值(1.6-3.0℃/100m)[5]。通過采用反演法，對圖4各個數(shù)據(jù)點的實測數(shù)據(jù)直接進(jìn)行反演分析計算可得，炮孔在炮桿吹風(fēng)前后溫度差距為2.5℃左右。并且，掘進(jìn)工作面的現(xiàn)場測溫人員也曾多次在炮桿吹風(fēng)前后對同一炮孔進(jìn)行溫度測量與記錄，測量結(jié)果表明，炮孔在炮桿吹風(fēng)前后溫差達(dá)到了2℃-3℃，這與圖4的分析基本相符。

圖3 地面溫度與測量溫度的關(guān)系曲線

圖4 炮桿吹風(fēng)與測量溫度的關(guān)系曲線

由此可見，炮孔經(jīng)過炮桿吹風(fēng)操作會導(dǎo)致測量溫度偏低，需對其進(jìn)行修正，對炮孔進(jìn)行炮桿吹風(fēng)后測溫的影響修正值取2.5℃。

3.3 測量數(shù)據(jù)擬合及地溫梯度計算

在圖5中，通過對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析得到原始巖溫與深度的函數(shù)關(guān)系式為：

T=0.034H+15.72

(1)

其中，相關(guān)系數(shù)R=0.97797。說明線性擬合效果較好。且該公式亦能表明實測數(shù)據(jù)的總體規(guī)律：隨著測量深度的增加，原始巖溫值逐漸增大。

地溫梯度是指某地地溫變化，又稱地?zé)嵩鰷芈?，指深度每增?00 m，地溫升高的度數(shù)，單位為℃/100 m。地溫遞增有一定規(guī)律，但深部與淺部比較，在變化規(guī)律上略有差別，淺部增溫率略小，隨深度增加，增溫率逐漸增大[6]。由原始巖溫與深度的函數(shù)關(guān)系式可知，在深度147.8～780.6 m范圍內(nèi)，深度每增加100 m，原始巖溫增加約3.39℃。因此，4號回風(fēng)井的平均地溫梯度為3.39℃/100 m。

圖5 測量溫度線性擬合曲線

4 結(jié) 論

(1) 通過分析銅坑礦回風(fēng)井測溫數(shù)據(jù)可得，原巖溫度呈現(xiàn)隨深度的增加而升高的總體規(guī)律。深度在475 m之上，測量溫度受井下工作面通風(fēng)及地面環(huán)境等因素的影響較大，所以T-H曲線的前半段波動較大。隨著深度的增加，測量溫度趨于穩(wěn)定上升，規(guī)律更為明顯。

(2) 4號回風(fēng)井的原始巖溫測量的影響機(jī)制探討表明，地面溫度對測量溫度并沒有影響。

(3) 炮孔(即測孔)經(jīng)過炮桿吹風(fēng)操作會導(dǎo)致測量溫度偏低，因此，需對炮孔經(jīng)過炮桿吹風(fēng)的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正值為2.5℃。

(4) 在垂直方向上，地溫遞增有一定規(guī)律，淺部增溫率略小，隨深度增加，增溫率逐漸增大。根據(jù)測量數(shù)據(jù)的線性擬合計算得，4號回風(fēng)井的平均地溫梯度為3.39℃/100 m。

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廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目(T32696).

2013-09-06)

周汝鳳(1990-), 女, 廣西玉林人, 碩士, 主要從事礦山安全技術(shù)研究及安全管理工作,Email:chqf98121@163.com。