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河西金矿深部热环境调查与分析
摘要：随着开采深度的不断增加，地下岩层温度显著升高，恶化了井下深部作业环境，使得采矿工程活动受到了矿井热害的影响。通过对河西金矿的热湿环境及地温条件现场调查，在河西金矿不同中段采集分析了风温(干湿球)、湿度、风速等相关数据；利用深孔测温法，测量了不同中段地温，绘制了地温梯度回归曲线，计算出平均地温梯度；实验测定了矿岩平均导热系数，计算了深部各水平中段的井下热源放热量，并确定了井下热源最大放热量，为河西金矿深部降温需风量的计算提供了数据支持和重要参考，为深部矿井的相关现场调查分析和数据应用处理提供了案例借鉴。
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世界上受深部热害影响最早的国家是南非、澳大利亚、前苏联和德国。在过去的统计记录中，很多国家的超深矿井温度已超过50 ℃,南非的西部矿井甚至达到了80 ℃[1]。20世纪90年代以后，我国一些矿井陆续进入深部开采，向千米迈进，按照我国平均地温梯度数据，千米深岩温在35 ℃左右，采掘工作面风温基本在30 ℃以上[2]。如我国孙村煤矿千米深部岩温达到40～45 ℃,采掘工作面风温达到32～34 ℃;我国红透山铜矿以及冬瓜山铜矿井下部分采场温度已达到40 ℃。此外，红透山铜矿、新城金矿、三山岛金矿、金青顶矿区、冬瓜山铜矿部分采场温度都曾达到40 ℃,其中三山岛金矿1 800 m深的采场温度将近60 ℃。
目前，国际上开采深度超过1 000 m的矿山已达到100多座，其中有些深部开采矿井已进入3 000～5 000 m的深度[3]。国内矿山开采深度很多也已经超过1 000 m。随着开采深度的不断增加，地下岩层温度显著升高，严重恶化了井下作业环境，使得采矿工程活动受到了矿井热环境的制约[4]。
矿井热害使深部开采工作面气温升高，工作条件恶化[5]。在持续的高温条件下，作业人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤，会影响采掘工作的正常进行，降低劳动生产率，提高井下事故率，危及安全生产[6]。矿井热害已与瓦斯、矿尘、顶板、火、水并称为威胁矿井安全生产的六大灾害，也是我国《金属非金属矿山安全规程》规定的重要管制内容[7]。因此，对矿井深部的热害调查与分析是十分必要的，可以为深部通风降温的后续研究提供数据支持。
1、河西金矿现场数据采集
河西金矿地处暖温带，属季风大陆型半湿润气候。据当地气象站资料，1972年至2012年，研究区年平均气温12.0 ℃,最高气温40.6 ℃,最低气温-18.5 ℃。河西金矿矿体最低赋存标高-1 138 m, 地温接近38 ℃,温度偏高，对矿山深部开采有较大影响。
1.1 现场数据采集分析
根据河西金矿现场实际生产状况，主要选取测试了-650、-700、-820 m各中段巷道的风温(干湿球)、湿度、风速。现场测试数据见表1。
现场风温趋势见图1。由河西金矿深部环境现场测试数据可以计算出各水平的平均风温，总体可看出河西金矿深部风温较高、湿度较大；-650 m水平到-820 m水平深部涌水、渗水和淋水量逐渐增大；巷道风温随深度增加而升高，受围岩和地下热水影响大；同一中段内回风巷温度明显高于进风巷温度。
图1 现场风温趋势图
表1 -650 m到-820 m中段风温、湿度、风速测试数据
1.2 围岩温度测试及结果分析
围岩温度测试有深孔测温法和浅孔测温法两种，针对河西金矿围岩的实际情况，选用深孔测温法，在不同水平中段巷道布置围岩温度量测点，钻孔深度30 m, 每孔安装3～4个温度传感器，用于测量不同深度围岩的温度并进行分析，现场测试见图2。
图2 现场测试图
由现场实测数据绘制地温梯度曲线，见图3。
图3 河西金矿地温梯度曲线
由地温梯度回归曲线进行回归分析可得回归系数R2=0.98,拟合程度很高，经过计算得到平均地温梯度为2.83 ℃/100 m, 由地温回归曲线可以对不同深度的围岩温度进行估算[8]。
2、河西金矿深部放热量计算
2.1 矿岩导热系数测定
河西金矿矿岩导热系数采用YBF—2型导热系数测试仪进行测试，实验仪器如图4所示。
图4 导热系数测定实验仪器
在河西金矿矿岩导热系数试验中，由于试件在制作时选取了不同位置、不同类型的岩石样本，故测得的岩石导热系数存在一定差异。经过统计分析，得到矿岩平均导热系数为0.427 W/(m·℃)。
2.2 河西金矿深部热源放热量计算
通过对河西金矿的数据调查，统计得出井下热源主要包括围岩散热、空气压缩热、机电设备散热、地下水放热等。在现场数据和实验数据的基础上计算深部热源的放热量[9]。
1)围岩散热
井巷围岩放热量按式(1)计算：
Qgu=kτLU(VRt-tB) (1)
式中：Qgu—围岩放热量，kW;L,U—巷道的长度和周长，m; VRt—井巷围岩的初始温度，℃;tB—巷道中的风流的平均温度，℃;kτ—单位时间从单位壁面上向风流放出的热量，W/(m2·℃)。
2)机电设备放热
井下机电设备放热量按式(2)计算。
Q机=PE-mgh (2)
式中：P—输入功率，kW;E—设备总效率，%;m—物料质量，kg; h—增加高度，m。
3)空气自压缩散热
空气自压缩的理论热负荷按式(3)计算：
Q=Q1ρEΔd (3)
式中：Q—自压缩的理论热负荷，kW;Q1—竖井中的空气流量，m3/s; ρ—空气密度，kg/m3;E—随海拔增高的能量增量(1/102m),kW;Δd—海拔变化。
4)地下水散热
地下裂隙涌水对井下放热量按式(4)计算：
Q水=mC0(VRt-td) (4)
式中：m—涌水量，kg/s; C0—水的比热，kJ/(kg·℃),值取4.19;td—进入排水系统后水温，℃;VRt—裂隙水温度(可取原岩温度),℃。
根据上述各热源放热量的理论计算，得出河西金矿深部各热源总放热量计算结果见表2。
表2 井下各热源总放热量汇总表
通过以上各中段热源放热量的理论计算结果可以得出：现已开采部分的井下热源最大放热量位于-950 m中段，冬季为2 645 kW,夏季为732 kW,最大放热量的确定可以为河西金矿深部降温需风量的计算提供数据支持和重要参考。
3、结论
1)进行了河西金矿现场数据采集和分析，得到了目标中段风温(干湿球)、湿度、风速等相关数据。
2)利用深孔测温法测得不同深度围岩的温度，绘制了地温梯度回归曲线，计算出河西金矿平均地温梯度为2.83 ℃/100 m。
3)通过实验测定了河西金矿矿岩平均导热系数为0.427 W/(m·℃),并计算了深部各水平中段的井下热源放热量，确定了已开采部分的深部最大放热量位于-950 m中段，冬季为2 645 kW,夏季为732 kW,为河西金矿深部降温需风量的计算提供了参考。
参考文献:
[1]张波,薛攀源,刘浪,等.深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法探索[J].煤炭学报,2021,46(9):2824-2837.
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[8]朱坤磊,周育,王鹏,等.深井开采地温场监测技术及分布规律研究[J].有色金属(矿山部分),2016,68(3):90-94.
[9]崔益源,李坤,梅国栋,等.深井热害分析与控制技术研究进展[J].有色金属(矿山部分),2021,73(2):128-134.
基金资助:国家自然科学基金资助项目(52130403);2023年辽宁省中央引导地方科技发展资金计划项目;
文章来源:王超,张文林,许风超等.河西金矿深部热环境调查与分析[J].有色金属(矿山部分),2023,75(06):33-36+65.
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2025-07-07
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2023-11-17
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