丁集煤矿深部地温预测

李 浪, 罗新荣, 张克兵

(1.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 221116;2.淮沪煤电有限公司 丁集煤矿,安徽 淮南 232141)

丁集煤矿深部地温预测

李 浪1, 罗新荣1, 张克兵2

(1.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 221116;2.淮沪煤电有限公司 丁集煤矿,安徽 淮南 232141)

针对丁集煤矿矿井高温热害严重的问题,采用井下炮眼温度测定方法,测量地温;借助有限元 ANSYS的热耦合分析程序,模拟岩巷和煤巷调热圈,修正矿井地温,确定地温梯度,预测该矿深部地温。结果表明,该矿 -500 m水平以上、以下的地温梯度分别为 3.5、4.0℃/hm;采煤层深度为 -600 m以下的地温在 38℃以上,属于二级热害区。该研究可为矿井深部降温提供数据参考。

深部地温;丁集煤矿;热害;炮眼测温

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

近年来,随着煤矿开采深度的增加和开采机械化程度的提高,高温矿井数量不断增多,矿井热害十分突出,高温、高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率的提高。矿井高温热害及其治理现已成为国内外学者亟待解决的技术难题。为改善作业环境和提高劳动生产率,许多矿井进行了井下地温测定与热环境调查,以寻求解决井下高温、高湿的有效办法[1-3]。丁集煤矿矿井高温热害问题严重。基于此,笔者采用井下炮眼温度测定方法测量地温,并借助 ANSYS有限元软件修正,进而预测地温,以期为矿井深部降温提供数据参考。

1 基本概况

丁集煤矿位于安徽省淮南市西北部,距淮南市洞山约 50 km。井田东西走向 12～15 km,南北倾向宽 4～11 km,面积 107.09 km2。矿井第一水平标高-826 m,西部辅助水平标高 -910 m。井田恒温带深度为 30 m,温度为 16.8℃,地温梯度为 2.30～3.60℃/hm,平均为 3.07℃/hm。井田深度每增加32.57 m,地温增加 1℃,属地温异常区。实测井下钻孔出水温度 43～45℃,2008年夏季地面气温为27℃时,井下 11-2煤层采面回风流温度高达37℃,热害严重,危害矿井安全生产。

2 地温预测

2.1 理论公式

2.1.1 地温梯度

在地球热场内,地心与地表之间存在温度差,并沿地表法线方向形成无数个等温面。沿等温面法线方向单位距离的温度增量即为地温梯度。实际测量时,将不同深度的两块岩石温度之差与两岩石间距离的比作为地温梯度,即

式中:G——地温梯度,℃/hm;

td——温度增加,℃;

Hd——深度增加,m。

2.1.2 温度带

由于地球运动,地表接受的太阳热能呈周期性变化,从而引起地表气温及地表以下不同深度处岩石温度发生周期变化。随着深度的增加,地温的变化幅度越来越小,可表示为

式中:ΔtH——深 H处的地温变幅,℃;

Δt0——地表大气温度的变幅,℃;

H——地表以下的深度,m;

L——温度衰减系数,L=π/aT;

a——岩石导温系数,m2/s;

T——温度变化周期,d或 a。

因内热和外热对地壳浅层的影响深度和范围均不同,故地表至地下某一深度处地温明显分带,依次为变温带、恒温带和增温带[4-5]。

2.1.3 调热圈

掘进巷道中,由于温差作用,岩体内的热量以导热形式传向壁面,而后又以对流形式传给风流。随着通风时间的延长,巷道径向围岩体内的温度呈靠近壁面低、远离壁面高分布,并逐渐接近于原始岩温,从而在巷道周围岩体内形成一个调热圈[6]。描述井巷调热圈的基本方程为[7]:

式中:R——井巷等效水力半径,m;

λ——围岩导热系数,W/(m·K);

r——围岩中任一点到巷道中心的距离,m;

α——热扩散系数,m2/s;

K——对流换热系数,W/(m2·K);

tm——气温振幅,℃;

t——时间,s;

t0——气温变化周期,a。

2.1.4 地温修正

由于实测炮眼温度或多或少受到井巷调热圈的影响,故需修正。修正公式为

式中:tB——修正后地温,℃;

tA——实测炮眼温度,℃;

k——炮眼温度修正系数,可由调热圈图查得。

2.1.5 深部地温预测

深部地温预测公式

式中:t1——深 H1处岩层温度,℃;

t2——恒温带处岩层温度,℃;

H1——岩层深度,m;

H2——恒温带深度,m。

2.2 测温方法

在矿井掘进巷道布置深 1.5～2.5 m的炮眼或锚杆眼 (干眼),如图 1所示,将测温棒送入孔内,外接精密温度计,经过一段时间,待温度计读数稳定后读取温度。

图 1 炮眼测温布置Fig.1 Blasting place temperature measurement

3 结果分析

根据丁集井田地质情况,选择六个掘进工作面进行炮眼测温。

采用有限元 ANSYS的热耦合分析程序,分别模拟掘进过程中的岩巷和煤巷的调热圈,如图 2所示。由图 2查得炮眼温度修正系数,根据式(3),可得修正后炮眼温度,如表 1所示。据修正后的炮眼温度,由式 (1)、(2)求得地温梯度和恒温带深度、温度,再根据式 (4)预测矿井深部地温,如表 2所示。

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由表 1、2可知,丁集井田的恒温带标高±0 m,-500 m以上的地温梯度为 3.5℃/hm,-500 m标高的原始地温 34℃。 -500 m以下的地温梯度为 4.0℃/hm,-1 000 m标高的原始地温达到 54℃。根据《煤炭资源地质勘探地温测量若干规定》:原始岩温高于 31℃的地区为一级热害区,高于 37℃的地区为二级热害区。丁集煤矿现开采煤层深度均在 -600 m以下,地温在 38℃以上,属于二级热害区。

4 结束语

采用炮眼测温法测量丁集煤矿矿井采掘工作面原始地温,利用有限元 ANSYS的热耦合程序求出修正系数,修正地温,以准确预测地温。该矿矿井-500 m水平以上的地温梯度为 3.5℃/hm,-500 m水平以下为 4.0℃/hm,属高温异常区;开采深度-600 m以下的地温在 38℃以上,属二级热害区。丁集煤矿矿井热害问题严重,该研究可为其深部降温提供有益参考。

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[1] 张习军,王长元,姬建虎.矿井热害治理技术及其发展现状[J].煤矿安全,2009(3):33-37.

[2] 刘晓明,罗周全,夏长念,等.深井高温矿山热害控制新技术[J].安全与环境工程,2006(3):85-88.

[3] 袁 亮.淮南矿区矿井降温研究与实践[J].采矿与安全工程学报,2007,24(3):298-301.

[4] 严荣林,侯贤文,黄国纲,等.矿井空调技术[M].北京:煤炭工业出版社,1994.

[5] 杨徳源,杨天鸿.矿井热环境及其控制[M].北京:冶金工业出版社,2009.

[6] 谢中朋,宋晓燕.高温矿井地温分布规律与反问题研究[J].能源技术与管理,2009(4):84-86.

[7] 张汉君.地温预热过程中井巷调热圈若干问题的探讨[J].黄金,1992,13(6):19-23.

(编辑 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,四川省平昌县人,硕士,研究方向:矿井降温和煤矿瓦斯抽采,E-mail:lilangloveyou@126.com。