中国热害矿井分布及其成因探讨

奚赵怀

(陕西蒲白南桥煤业公司，陕西 白水 715607)

煤炭资源在我国的能源结构中占据主导地位，2013年上半年全国煤炭产量达到17.9亿t，与同期相比虽略有下降，但依然具有较高的需求量。随着中国井工开采深度的不断增加，矿井温度不断升高，热害日益严重，影响了正常的采矿活动。而根据《煤矿安全规程》规定，生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过30℃，机电设备硐室的空气温度不得超过34℃［1］。相关调查表明，在我国高温矿井中，一般劳动生产率较低，工人的判断力和反应速度明显下降，增加了发生事故的危险［2］。因此，研究中国热害矿井的分布规律及成因具有十分重要的意义。

1 中国热害矿井的分布规律

中国1000 m深的高地温矿井主要分布在东部的黑龙江鹤岗至安徽淮北以及西部的四川攀枝花，呈北北东向展布;其余地区表现为局部个别地区高地温异常。这一区域的黑龙江省的鹤岗矿区、佳木斯矿区、双鸭山矿区、鸡西矿区、七台河矿区，河北省的开滦矿区、邢台矿区、邯郸矿区，江苏省的徐州矿区，安徽省的淮南矿区，河南省的平顶山矿区均表现为高地温异常显著。中部的最高地温出现在四川盆地的中南部、南宁及百色盆地、南盘江盆地的部分地区，其1000 m深地温可达50℃以上。所以，四川的攀枝花煤田为高地温异常显著。中国西部的柴达木盆地以及河西走廊地区局部可达45℃以上;而在塔里木盆地、准格尔盆地的地温则偏低。

在中国东部的松辽盆地、下辽河盆地、华北盆地、苏北盆地、洞庭盆地、鄱阳盆地、南阳盆地等以及东南沿海的浙、赣、闽、粤等地区2000 m深的地温均较高。中部地区普遍较东部地区较低，2000 m深地温梯度总体表现为小于7.0℃ /100 m。西部地区包括甘肃西部、青海、西藏、新疆等省区，其2000 m深地温分布较东部有着较大的差异，地温一般比东部偏低。由于埋深的增加，致使2000 m深地温梯度均明显大于3.5/100 m，所以2000 m深的煤层均为高地温异常。但是中国从东部向西部，地温逐渐降低见表1。

表1 中国东、中、西部地温特征表

综上所述，中国的热害矿井主要分布在东部的黑龙江省、辽宁省、河北省、江苏省、安徽省以及河南省的局部地区。随着开采深部的不断增加，大部分井工矿也逐渐出现温度过高的现象。如蒲白矿业的南桥矿一水平工作面温度平均25℃，二水平温度明显增加，对正常的生产活动造成一定的影响。

2 矿井热害的成因

一个地区矿井的温度由该区的地温场决定，地温场特征是该区地质结构与长期地质演化的反映［3］，与该区的岩性、构造特征、岩浆活动以及地下水的活动情况等密切相关，采矿活动等人为因素对局部地温场的影响也是不可忽略的。

据研究，岩石的结构特征和成分是影响岩石热导率的主导因素，见表2。在致密砂岩中，矿物的性质对热导率起主要控制作用，岩石的裂隙发育程度对其也有显著地影响。在空隙发育的岩石中，孔隙率、空隙的大小、连通性、含水量等特性，对岩石热导率有较大地影响。在同一地层中，热导率越高的岩层地温场温度越低，热导率越低的岩层地温场越高，矿井越易出现热害。在沉积岩中，煤的热导率最小，往往在煤层较厚或薄而集中的层段中，可以看到该段地层的地温和地温梯度突然变化。一些热害矿区通常发育有较厚的热导率较低的盖层，就是因为热导率低的盖层起隔热保温作用。

表2 各类岩石单位体积的放热量计算表

构造运动使地壳变形，发生褶皱和断裂，形成隆起和坳陷、背斜和向斜等各种规模不等的正向构造和负向构造［4］，致使地壳中岩层的导热率不仅在垂向上发生变化，而且在水平方向上也有变化。在这种情况下，地温场是两维或三维的，使地温变化更为复杂。在一定深度范围内，基底隆起区比相邻坳陷区、背斜部位比相邻向斜部位的地温高，地温梯度大，主要是与岩石的热导率及其各向异性有关。基底隆起区的古老岩系较相邻坳陷区的沉积盖层岩性致密，热导率高，热流向热阻较小的隆起区集中，致使来自深部的均匀热流出现再分配现象，所以隆起区内热流值、地温和地温梯度要比坳陷区高见如图1。中国东部发育的NNE的郯庐断裂带是一个活动剧烈的大断裂，在断裂带两侧发育了一系列中、新生代的聚煤盆地。郯庐断裂带北部的双鸭山矿区地温梯度达3.6℃ /100 m，辽源矿区达3.4℃ /100 m，抚顺矿区也达到了3.0℃/100 m，这些煤田均为地堑式的断陷盆地，为热量的存储提供了场所。

岩浆岩对矿井热害影响的主要控制因素是:

1)岩浆活动的地质年代。岩浆活动距现今越近，其周围岩层所保留的热量就越多;

图1 涿县―盐山一线地温与基岩起伏关系图

2)侵入岩的发育状态以及围岩产状和热力学性质，控制着岩浆岩的冷却速度。相关研究表明，第四纪以前侵入的岩浆岩一般难以对地温场有较大的影响，即较难形成热害的热源，因为其已经历了长时间的降温冷却，与周围围岩达到了热平衡。

矿井水对矿井热害具有重要的控制作用，其易流动、比热大，是良好的热量载体及赋存场所。在构造极为发育的区域，深部的热水顺构造上涌，将热量带出。如开滦的钱家营矿深部的奥灰热水和浅部的煤系地层水存在一定程度的沟通，奥灰热水沿井田内的深大断裂上涌进入煤系地层，造成巷道和工作面温度偏高。其次，在某些地区存在倾伏角度较大的褶曲，矿井水在运移过程中，顺地层进入深部区域，被深部热源加热，从而成为载体，将深部热量带入浅部区域，形成井田局部的热害。在我国的金属矿山采掘过程中，发现了较多的深循环型热水，构成了矿井热害的主要热源。因此，沿构造上涌的深部热水和深循环热水均是矿井热害的主要热源。河南省荥巩煤田三李矿区存在低温热水，主要热水点均沿三李断层一线分布，三李断层为该区热水上升的主要通道。

在采矿工程活动中影响矿井温度的主要因素有:

1)机电设备放热。随着机械化程度地提高，有些大型机械化回采工作面的装机容量已经达到2000 kW，掘进工作面也达到了1200 kW。一般来说，机电设备线路上的电能不会全部做有用功，绝大部分将转换为热能，逸散到巷道中，使得矿井的温度有一定程度地升高。

2)氧化放热。当煤中含硫量较高时，在开采及运输过程中，其氧化放热可能达到一定程度后使得井巷温度升高，一般是属于短暂的现象，但对矿井温度升高有一定程度地影响。

3 结论

中国热害矿井主要分布在东部地区以及西部的四川等局部地区，从东至西矿井地温逐渐降低。随着开采深度的不断增加，大部分矿井虽未出现热害，但巷道的温度都出现了一定程度地升高，阻碍了安全高效地采掘活动。热害主要由该地区岩层的地球化学成分和导热性、构造特征、岩浆活动时间的长短和规模的大小、地下水活动情况以及采矿设备的温度等因素单独或共同作用的结果。因此，预防矿井热害将是我国煤矿企业今后面临的又一新的课题。

［1］赵加才，刘永先，刘干光.张小楼千米深井热害调查及治理研究［J］.能源技术与管理，2008(5):23－25.

［2］曲 玮，宋爱华，张海东，等.矿井热害治理防护措施的研究进展［J］.环境与职业医学，2009，26(6):589－592.

［3］林向芳.矿山地温场的形成和地温分布规律［J］.内蒙古科技与经济，2011(227):62－63.

［4］王世东，虎维岳，张文忠.深部裂隙岩体温度场及其控制因素［J］.太原理工大学学报，2010，41(5):613－615，618.