铜坑矿4号回风井原始岩温测量数据分析

周汝凤，陈庆发，杨伟忠，韦才寿，张睿冲

(1. 广西大学 资源与冶金学院, 广西 南宁 530004；2. 广西华锡集团股份有限公司， 广西 柳州市 545006)

铜坑矿4号回风井原始岩温测量数据分析

周汝凤1，陈庆发1，杨伟忠2，韦才寿1，张睿冲1

(1. 广西大学 资源与冶金学院, 广西 南宁 530004；2. 广西华锡集团股份有限公司， 广西 柳州市 545006)

以铜坑矿锌多金属矿体4号回风井为工程对象，采用浅孔测温法测定原始岩温，利用Origin软件回归实测数据，分析了井下测量温度(T)与深度(H)的关系；探讨了测量过程中工作面温度、地面温度及炮杆吹风3个因素对测量温度的影响机制；并对测量数据进行了线性拟合计算，得出4号回风井的平均地温梯度为3.39℃/100 m。

铜坑矿；原始岩温；测量温度；数据分析

广西铜坑矿锌多金属矿体为复杂多层缓倾斜薄矿体，埋藏深，含硫高，地温高，存在一定的矿井热害问题。为摸清锌多金属矿体温度场分布规律，强化矿山安全管理，制定出经济合理的降温措施，铜坑矿联合广西大学开展了锌多金属矿体地热地质调查工作，回风井测温工作是其中一项重要内容。锌多金属矿体地热项目达成协议并开展工作时，4号回风井已施工到了147 m深度，所以深度147 m之上的原始岩温测量数据有待依托其他新掘进竖井开展测温工作补齐。

1 回风井工程地质特征概述

铜坑矿锌多金属矿体4号回风井位于锌铜矿体东部，井口地理坐标 X：458932.917；Y：2749912.89；Z：+815.48 m。风井与+305，255，205，155 m水平相通，马头门开口方位均为270°。4号回风井所处地域属大陆性亚热带气候，具有温暖潮湿、多雨等特点。地层基本完整、局部破碎，硬度中等至较硬，层理清楚、裂隙发育一般；没有大的断层穿过；水文地质条件简单。因此，水文地质勘查类型为第二类第一型，属于顶板间接充水、水文地质条件简单的裂隙充水区；井巷围岩为灰岩、泥灰岩、泥岩、矽卡岩，工程地质条件简单，工程地质勘探类型为第三类简单型，即层状岩类简单型。

2 原始岩温测量方案简介

2.1 测温方法

实际情况采用浅孔测温法测量原始岩温，即在井下连续推进的巷道掘进工作面，直接利用爆破眼钻孔(深度一般大于1 m)进行原始地温的测定。根据炮眼的布置情况进行钻孔，钻孔结束后停留一定时间，停留时间为钻孔时间的0.5～1.5倍，此时孔内温度可恢复到原始岩温的90%，所测温度基本上反映了真实的地温[1]，待钻孔内某些孔段冲洗液与围岩之间已达到热平衡后，再将测温探头送至孔底，进行原始岩温的测量。连续测温直至孔底温度趋于稳定值即为该处原始岩温[2]。

2.2 测温点布置

根据4号回风井工程施工组织设计可知，炮眼布置以井筒中心为同心圆布置，共布置5圈炮眼，圈距650 mm，周边眼间距620 mm，辅助眼眼距650～750 mm。测温点选择遵循以下原则[3]：具有代表性，测温点覆盖面积广，能够代表掘进面区域的温度；测温点数量合适、分布均匀。如测温点多且分布均匀，代表性高，但测温时间长；相反测温点少且集中，测量时间短，但代表性不高，具有局限性。综合考虑代表性与测温点数量，根据回风井施工工序时间安排，选定8个测温点：在掏槽眼圈、二、三、四圈辅助眼圈各布置两个测温点，分别为1～8号测点。8个测温点形成一个双螺线状的覆盖区域，这样既节省了测量时间，又使测量数据具有较高的代表性。

2.3 测温仪器

测温仪器主要采用JM222便携式数字温度计，它以半导体热电阻为传感元件，灵敏度较高，动态性较好，相应时间短，特别适用于施工紧迫，允许测温时间不长的竖井掘进面。JM222便携式数字温度计分为温度数字显示与测温传感两个部分，其测温范围为-50～199.9℃，精度为±0.4% FS±0.1℃，分辨力为0.1℃，主要应用于生产过程监测、工程现场、设备配置以及教学实验等。

2.4 测量时段及频度

根据4号回风井的工程实际，由于回风井直接利用爆破眼钻孔进行原始地温的测定，且回风井的施工工序紧迫，因此，测量时段选择在打眼之后，与装药联线工序同步。一般情况下，进入增温带，每2～3 d进行一次测温。

3 测量数据分析

本文主要采用Origin数据分析软件对测温数据进行分析。Origin为Origin Lab公司出品的一个高级科学绘图、数据分析专业软件，具有简单易学、操作灵活、功能强大等，可以满足数据分析、函数拟合的需要[4]。

3.1 实测数据分析

图1 4号回风井原始岩温实测数据曲线图

自2012年4月25日开始下井开展原始岩温测量工作，直至2013年1月14日为止，总共进行了77次测量，所获取的4号回风井原始岩温实测数据的温度(T)与深度(H)关系曲线见图1。

由图1可看出，温度(T)-深度(H)曲线呈现出持续上升的总体趋势，说明原岩温度随着测量深度的增加而升高，符合地温增加的一般规律。由于回风井水文地质条件、层状岩岩性、地下水活动、工作面通风、钻孔爆破、人工测量误差等多方面因素的影响，导致曲线存在着一定的波动性。测量深度在475m之上，测量温度受井下工作面通风以及地面气候等因素的影响较大，T-H曲线的前半段波动较大。随着深度的增加，测量温度趋于稳定上升，规律更为明显。

3.2 测量结果分析

虽然4号回风井测温工作获取了大量的数据，温度也呈现了一定的规律，但是在测温过程中也出现了一些不可避免的影响因素，这些因素改变了原始岩温测量的最理想状况，对测温数据的准确性存在一定的影响。因此，应利用已有的数据，结合4号回风井测温实际情况，对回风井原始岩温测量过程中的影响因素进行探讨，以更好的指导类似的回风井测温工作。

根据4号回风井实测数据，采用Origin软件绘制出工作面温度、地面温度、炮孔吹风与测量温度之间的关系曲线，分别如图2、图3和图4所示。

(1) 工作面温度。从图2可以看出，在深度475 m之上，工作面温度与回风井原始岩测量温度的变化趋势相似，总体上前者略高于后者；深度475 m之下，工作面温度增长幅度大于后者增长幅度。这说明，在深度475 m处工作面通风带走的热量与该处围岩散热量是平衡的，在此深度之上，前者带走的热量大于散热量，使得测量温度偏低；475 m之下，前者带走的热量相对后者产生的热量较小，对回风井原始岩温测量数据基本无影响。

图2 工作面温度与测量温度的关系曲线

(2) 地面温度。由图3可知，由于测量时间从夏季4月份到次年冬季1月份，所以地面温度曲线呈现出不断下降的趋势。其中，测量温度曲线并不随着地面温度曲线的波动、变化而产生变化，说明地面温度对测量温度并没有影响。

(3) 炮杆吹风。根据4号回风井的施工工艺可知，炮杆吹风是装药前的一项重要的工序，是用高压风流将炮孔内的积水快速冲出，后迅速将乳化炸药装入孔内。通过整理测温数据可知，大部分测温工作是在炮杆吹风之后进行的，因此将部分炮杆吹风前、后数据进行汇总比较，以期得到炮杆吹风对测得温度的影响。由图4中495.9 m与464.3 m两个深度的数据点分析可知，两点之间的温差达到了2.8℃，而其工作面深度仅相差4.4 m，两点间的地温梯度高达63.64℃/100 m，远远超出了正常温度场的温度梯度值(1.6-3.0℃/100m)[5]。通过采用反演法，对图4各个数据点的实测数据直接进行反演分析计算可得，炮孔在炮杆吹风前后温度差距为2.5℃左右。并且，掘进工作面的现场测温人员也曾多次在炮杆吹风前后对同一炮孔进行温度测量与记录，测量结果表明，炮孔在炮杆吹风前后温差达到了2℃-3℃，这与图4的分析基本相符。

图3 地面温度与测量温度的关系曲线

图4 炮杆吹风与测量温度的关系曲线

由此可见，炮孔经过炮杆吹风操作会导致测量温度偏低，需对其进行修正，对炮孔进行炮杆吹风后测温的影响修正值取2.5℃。

3.3 测量数据拟合及地温梯度计算

在图5中，通过对实测数据进行线性拟合分析得到原始岩温与深度的函数关系式为：

T=0.034H+15.72

(1)

其中，相关系数R=0.97797。说明线性拟合效果较好。且该公式亦能表明实测数据的总体规律：随着测量深度的增加，原始岩温值逐渐增大。

地温梯度是指某地地温变化，又称地热增温率，指深度每增加100 m，地温升高的度数，单位为℃/100 m。地温递增有一定规律，但深部与浅部比较，在变化规律上略有差别，浅部增温率略小，随深度增加，增温率逐渐增大[6]。由原始岩温与深度的函数关系式可知，在深度147.8～780.6 m范围内，深度每增加100 m，原始岩温增加约3.39℃。因此，4号回风井的平均地温梯度为3.39℃/100 m。

图5 测量温度线性拟合曲线

4 结 论

(1) 通过分析铜坑矿回风井测温数据可得，原岩温度呈现随深度的增加而升高的总体规律。深度在475 m之上，测量温度受井下工作面通风及地面环境等因素的影响较大，所以T-H曲线的前半段波动较大。随着深度的增加，测量温度趋于稳定上升，规律更为明显。

(2) 4号回风井的原始岩温测量的影响机制探讨表明，地面温度对测量温度并没有影响。

(3) 炮孔(即测孔)经过炮杆吹风操作会导致测量温度偏低，因此，需对炮孔经过炮杆吹风的实测数据进行修正，修正值为2.5℃。

(4) 在垂直方向上，地温递增有一定规律，浅部增温率略小，随深度增加，增温率逐渐增大。根据测量数据的线性拟合计算得，4号回风井的平均地温梯度为3.39℃/100 m。

[1] 余恒昌. 矿山地热与热害治理[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1991: 77-82.

[2] 吴章云, 曲 方, 樊海兵, 等. 利用浅钻孔测定原始地温的方法[J]. 煤矿安全, 2008, 39 (8): 52-54.

[3] 田本东. 工作面炮眼布置与岩巷掘进光面爆破技术[J]. 煤炭技术, 2009, 5(5): 76-77.

[4] 郭俊英. Origin软件在采掘工作面配套设备能力验证中的应用[J]. 机械管理开发, 2010, 12(6): 112-113.

[5] 陈国庆. 煤田测井井温测量的探讨[J]. 能源与环境, 2012,10(5): 101-102.

[6] 欧阳仕元. 凡口矿矿井深部地温监测研究[J]. 有色金属, 1998, 9(S1): 140-142.

广西研究生教育创新计划项目(T32696).

2013-09-06)

周汝凤(1990-), 女, 广西玉林人, 硕士, 主要从事矿山安全技术研究及安全管理工作,Email:chqf98121@163.com。