张庄铁矿地温监测技术及地温分布规律研究*

蒋胜文 郭子源 彭 东 王 鹏

(中冶北方工程技术有限公司)

张庄铁矿地温监测技术及地温分布规律研究*

蒋胜文 郭子源 彭 东 王 鹏

(中冶北方工程技术有限公司)

地温场是矿井热环境的主要影响因素。采用热电偶地温监测技术，从垂直和水平两个方向进行地温监测，得到该矿垂直平均地温梯度为2.8 ℃/100 m，-480 m水平以上地温梯度为0.98 ℃/100 m，-480 m水平以下，地温梯度为5.08 ℃/100 m；水平地温梯度由南向北分为3个区域，分别为1.5，0.1和1.8 ℃/100 m，温度由南向北逐渐增高；调热圈厚度为20 m。利用VENTSIM软件建立了地温分布模型，得出该矿地温分布规律，为通风解算奠定了基础。

地温监测 地温梯度 调热圈 VENTSIM软件

目前我国大部分矿山进入深部开采，矿井地温升高，部分矿山出现井下热害，不仅阻碍了矿井生产效率，而且直接危害矿工身心健康。矿井原始地温是矿井热源分析、井下风流温度预测、制定矿井降温措施和矿井降温设计的依据，原始地温的测定是矿井热害防治中的重要工作[1]。针对张庄铁矿地温异常特点，通过热电偶地温监测技术，分别对矿山垂直地温梯度，水平地温梯度及调热圈深度进行测定，并对测量结果进行分析，得到张庄铁矿地温场分布规律。通过VENTSIM软件建立了该矿地温分布模型，为下步通风解算做好了准备。

1 工程概况

张庄铁矿位于霍邱县城西北31 km，地处周集镇和冯井镇之间，北距淮河10 km、阜阳45 km。设计采矿阶段高度60 m，阶段采用集中运输，两个采矿阶段组成一个运输阶段，运输阶段高120 m。一期工程划分为4个采矿阶段，阶段水平为-270，-330，-390，-450 m。在采矿阶段以下30 m为运输阶段，即-360，-480 m。首采阶段为-450 m，阶段内采用上向开采顺序。

根据地质报告，张庄矿床地温和地温梯度值偏高，南北地温差较大，矿床地温由南向北递增，又因所在深度不同，递增幅度有异，总的趋势随深度的增深，南北温差加大，地温梯度同样由南向北逐渐增高。

为全面掌握张庄铁矿的地热状况，准确评价当前通风系统的降温作用，必须对该矿围岩热物理性质及地温场进行系统地测定和分析，根据测定参数对不同情况下的温湿度进行预测，提出经济实用的通风降温治理方案[2-3]，开展井下热害的有效治理。

2 张庄铁矿地温监测

测试内容主要包括：竖直地温梯度测定、水平地温梯度测定、典型岩石热物理性质测定及调热圈深度测定[4]。

2.1 测量设备

原始岩温测量选用金达通6801Ⅱ型温度表，井下巷道内风流速度和温度测量使用热线式风速仪，煤油温度计辅助测温设备，如图1～图3所示。

图1 金达通6801Ⅱ型温度表

图2 热线式风速仪

图3 温度计

2.2 地温梯度测定

地温梯度是衡量矿山热害的重要指标，是预测矿山热害、指导降温工作的基础数据[5]，通过测定不同水平原岩温度计算，得出矿山地温梯度。测点布置要求及测定方法为：①根据张庄铁矿实际情况，选取了6个中段布置地温探孔，分别是-390，-450，-480，-540，-600，-660 m；②钻孔要求干燥或无流动水，测孔深度不少于20 m，探孔底部应远离其他可能影响到岩温的竖井、空区、硐室等构筑物；③将热电偶导线放入孔内至少深20 m处，用泥浆封口；④24 h后使用金达通6801Ⅱ型温度表读取探孔数据。

2.3 水平地温分布测定

根据地质勘测数据，该矿床地温南北差异较大，由南向北呈递增变化。为掌握地温在水平方向的分布规律，有针对性地采取差异化的降温措施，需进行地温水平分布测定。在-450 m水平南北方向均匀分布5个钻孔，测量位置分别位于6#穿脉、4#穿脉、1#副井石门、南进风井石门、7#穿脉和13#穿脉附近，如图4所示。

图4 -450 m水平测温孔布置

2.4 巷道围岩调热圈测定

调热圈深度反应了通风风流对巷道围岩温度的影响程度，也反应不同类型围岩的导热性质[6]。

巷道围岩调热圈测定原理：在一定范围内岩性比较均质的条件下，同一水平深度上原始地温一致。当深度超过调热圈最大半径之后，岩温将保持恒定，此恒定温度即该处围岩的原岩温度[7]。测定方法如下：将测温探头放入测孔内距孔口4 m处，将测孔口用泥封闭，24 h后读取温度，然后逐点由外向里移动，每4 m进行一次测温，直到温度不再升高，该处温度即为原始岩温，该处孔深即为调热圈深度[8]。

3 测量结果及分析

3.1 竖直地温梯度测量结果及数据分析

采用热电偶将温度转换为电信号，转化中会有一定的误差，因此，需要对热电偶进行校准[9]。校准方法是：将热电偶和温度计同时放到恒温箱里，调节恒温箱到不同温度，待示数稳定后，同时记录热电偶和温度计示数，具体数据见表1。拟合关系见图5。

表1 热电偶校准数据 ℃

标准温度102030405060热电偶示数10.220.330.139.950.259.7

图5 热电偶示数与温度的关系

从如图5可以看出，热电偶示数与实际温度呈线性关系，用最小二乘法得到拟合曲线，进而得到线性方程式。对张庄铁矿地温测试数据按上式修正，修正后数据如表2所示。

表2 地温测量数据修正

通过表2中的地温数据得到矿山原岩温度与距地表距离的散点图，利用Excel得到拟合曲线及线性方程，曲线斜率即为矿山平均地温梯度，如图6所示。

图6 原岩温度与深度关系曲线

由图6可知，矿山平均地温梯度为2.82 ℃/100m，原岩温度随深度的增加而增大，距地表510m(-480m标高)以上增幅较小，550m以下增幅明显增大，分别对距地表510m以上和510m以下原岩温度与深度进行线性拟合，得到距地表510m以上地温梯度为0.98 ℃/100m，510m以下地温梯度为5.08 ℃/100m。

3.2 水平地温梯度测量结果及数据分析

以6#测温点为基点，各测温点据基点距离及地温测量结果如表3所示,各测温点温度与基点距离关系曲线如图7所示。

表3 各测温点距基点距离及测温结果

图7 原岩温度与基点距离关系曲线

由图7可知，原岩温度由南向北逐渐增高，曲线斜率即为水平地温梯度，大概分为3个区域，由6#穿脉到4#穿脉水平地温梯度为1.5 ℃/100m，4#穿脉到7#穿脉水平地温梯度为0.1 ℃/100m，温度变化较小;7#穿脉以北温度增高较快，水平地温梯度为1.8 ℃/100m。

3.3 调热圈厚度测量结果及数据分析

张庄铁矿各水平巷道围岩通风调热圈测定结果见表4。对表4进行处理，得测孔温度与巷道壁距离关系曲线如图8所示。

表4 通风冷却深度数据记录

由图8可知，各水平测温孔温度随着与孔口距离的增加，温度越来越高，变化越来越平缓，距巷道壁20m处热电偶的示数基本处于稳定状态，说明此处温度可认为是原岩温度。因此，通风冷却深度为20m左右，即调热圈厚度为20m。

4 张庄铁矿地温场模型建立

将测得的地温数据和地温梯度输入到已建好的张庄铁矿三维通风仿真模型[10]，得到了该矿原岩地温场，如图9所示。从图9可以看出，随着深度的增加，地温不断升高，-660m水平最高温度达39.8 ℃。地温水平分布由南向北逐渐增高，-480m水平北端最高温度达44.8 ℃。

图8 测孔温度与测孔深度的关系曲线

图9 张庄铁矿地温场模型

5 结 论

(1)张庄铁矿平均垂直地温梯度为2.82 ℃/100m，以-480m水平为分界点，-480m水平以上增幅较小，地温梯度为0.98 ℃/100m，-480m水平以下增幅明显增大，地温梯度为5.08 ℃/100m。

(2)张庄铁矿水平地温分布整体趋势为南低北高，根据地温梯度的大小可分为3个主要区域，即4#穿脉以南为1.5 ℃/100m，4#穿脉到7#穿脉为0.1 ℃/100m，温度变化较小，7#穿脉以北为1.8 ℃/100m，温度增高最快。

(3)通过电热偶可以快速、准确测量矿体原岩温度，张庄铁矿巷道通风冷却深度为20m左右。

(4)通过VENTSIM三维通风仿真模拟软件，可建立较为准确的张庄铁矿地温场分布，为通风解算奠定了基础。

(5)本文介绍的新建矿山地温测量方法及地温梯度计算方法，可为类似矿山地温场建立提供参考。

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[3] 胡菊艳，郭 鸿．地温梯度判定地热异常的探讨[J]．河南科技，2014(3)：73-74．

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Research of Ground Temperature Monitoring Technology and Ground Temperature Distribution Regularity in Zhangzhuang Iron Ore

Jiang Shengwen GuoZiyuan Peng Dong Wang Peng

(North Engineering and Technology Corporation,MCC)

Geothermal field is the main factors which influences the mine thermal environment. Vertical direction and horizontal direction ground temperature are monitored by the thermocouple temperature monitoring technology, vertical direction geothermal gradient is 2.8 ℃/100 m, geothermal gradient is small above 480 m level, and the geothermal gradient is 0.98 ℃/100 m, while below 480 m level, the geothermal gradient is 5.08 ℃/100 m. The horizontal direction geothermal gradient is divided into three regions from south to north of the mining area, they are 1.5, 0.1 and 1.8 ℃/100 m respectively and the temperature increased gradually from the south to the north, the thickness of the adjustable hot laps is 20 m. The ground temperature distribution model is established based on VENTSIM software, so, it can lay the foundation for ventilation calculating.

Ground temperature monitoring, Geothermal gradient, Adjustable hot laps, VENTSIM

2015-04-10)

*中国中冶“三五”重大科技专项(编号：0012012009)。

蒋胜文(1968—)，男，高级工程师，116622 辽宁省大连市经济技术开发区同汇路16号。