重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征_褚召祥.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-06-26 基金项目 国家科技支撑计划课题（2012BAK04B02）；中国煤炭科工集团创新基金重点资助项目（2011ZD001） Foundation itemNational Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China （2012BAK04B02）；Major Program of Innovation Foundation of China Coal Technology Engineering Group（2011ZD001） 作者简介 褚召祥（1987），男，山东郓城人，助理研究员，从事矿井降温方面的设计与研究工作. E-mail chulongxiang 引用格式 褚召祥. 重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）37-41. CHU Zhaoxiang. Characteristics of coal and rock thermal properties in Yongchuan mine ［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）37-41. 文章编号 1001-1986（2016）05-0037-05 重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征 褚召祥 1，2 （1. 中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116； 2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037） 摘要 煤岩热物性参数是矿井降温、防灭火治理工作所需要的重要基础资料。以重庆永川煤矿为 研究对象，采用井下现场测定和实验室测试对该矿目前采掘区域内煤岩密度、比热、导热系数、 导温系数以及原始温度、地温梯度等参数进行了测试。测试结果表明，在矿井标高-400 m 水平， 煤岩样的密度、比热、导热系数、导温系数均处在正常范围之内；在标高-357～-438 m，煤岩密度、 比热、 导热系数、 导温系数不随标高的变化而变化。 在标高-400 m 水平， 煤岩原始温度为 35～36 ℃； 矿井恒温带深度以下，-400 m 水平以上的地温梯度为 2.32 /℃ hm，-400 m 水平以下的地温梯度值 为 2.65 /℃ hm，存在一个稍微递增的趋势，但仍然处于正常地温梯度范围。结合矿井地勘资料确 定煤岩原始温度的实测值较理论计算值偏小，但误差不超过 3％，精度符合工程实际要求。 关 键 词热物性参数；原始岩温；地温梯度；测定 中图分类号TD712 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.006 Characteristics of coal and rock thermal properties in Yongchuan mine CHU Zhaoxiang1，2 （1. School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 2. Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp.， National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling， Chongqing 400037， China） Abstract Coal and rock thermal physical parameters are basic data for mine cooling fire prevention and control Coal and rock density， specific heat， heat conductivity coefficient， thermal diffusivity， original temperature， temperature gradient in present mining area of Yongchuan coal mine were measured through in situ underground measurement and laboratory tests. Results of the tests show that at the level -400 m of coal mine， the density， specific heat， coefficient of thermal conductivity and thermal diffusivity of coal samples are within the normal range； at the level -357 m to -438 m， the thermophysical parameters， such as the coal density， specific heat， coefficient of thermal conductivity， do not change with the elevation， at the level -400 m， the original temperature of coal and rock is about 35～36℃； below the zone of constant temperature in the mine， the geothermal gradient is 2.32/100 m above ℃the level -400 m and 2.65/100 m below ℃the level -400 m， tends to increase slightly， but still in the range of the normal geothermal gradient. Incombination with the geological exploration data， the measured value of the original temperature of coal and rock is smaller than the theoreti- cally calculated value， but the error is not more than 3％， so the precision meets the demands of engineering. Key words thermophysical property； virgin rock temperature； temperature gradient； measurement 煤岩的力学特性参数是进行矿山压力问题研究 的基础［1］。与此相类似，煤岩的热物性参数则是研 究矿井高温热害首先需要获得的基础资料，是进行 相关设计精确计算的依据。传统意义上的热物性参 数主要是比热、 导热系数、 导温系数这三种参数［2-3］。 但除上述三种参数外，矿井高温热害防治还需要煤 岩的密度、原始温度、地温梯度等参数。目前，部 分学者已经分别针对煤矿开采过程中煤岩原始温 度、地温梯度以及导热系数等进行了相关研究。20 世纪 80 年代，付奎聚［4］对抚顺、淄博和淮南矿区的 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 44 卷 地温测定进行了系统的总结和分析，虽然测试仪器 和精度有限，但其测试方法、经验和结果对后续研 究仍有参考意义。 进入 21 世纪之后随着煤炭行业形 势的好转，煤炭需求不断增加，我国国有重点煤矿 的开采深度也不断增加。矿井深部开采遇到的矿井 高温热害问题越来越严重，对于矿井地温的测定也 逐渐被普遍关注。文献［5-7］采用浅钻孔、探放水深 钻孔、地面稳态测温钻孔等对煤岩原始温度进行了 测定与分析。在煤岩的导热系数等传统热物性参数 方面，岑衍强［8］从理论和实验角度给出了一种新的 测定方法。丁国玺等［9］则采用稳态球壳法和非稳态 脉冲法得出了不同粒径煤岩导热系数、导温系数的 计算公式，并针对具体矿井进行了验证分析。但是， 上述针对煤岩热物性的研究基本上都是单独分别进 行，测地温仅针对矿井地温测量，测导热系数仅针 对矿井煤岩样进行测定。本文以存在严重高温热害 现象的永川煤矿为研究对象，对矿井深部开采区域 地温及地温梯度进行井下现场测定分析、同时针对 开采水平的煤岩密度、比热、导热系数、导温系数 进行实验室测定分析，以便为矿井降温、防灭火提 供较丰富的矿井煤岩热物性参数。 1 矿井概况 永川煤矿位于重庆市永川区红炉镇境内， 矿井始 建于 20 世纪 50 年代，原设计生产能力 15 万 t/a，经 多年扩能改造， 矿井目前核定矿井生产能力 30万 t/a。 矿井采用平硐暗斜井开拓方式， 后退式走向长壁采 煤法，垮落法管理顶板。矿井通风方式为两翼对角 抽出式，采煤工作面采用下行顺向掺新通风方式， 掘进工作面采用局部通风机压入式通风。矿井主采煤 层七号煤层， 可采段煤层厚 0.46～0.99 m， 平均 0.58 m。 由于矿井开采历史悠久，因此开采水平较多，依次 划分为150 m、 -100 m、 -350 m、 -500 m 四个水平。 目前-350 m 水平以上的资源已基本采完。现已进行 -500 m 水平掘进施工。实测资料显示，-500 m 水平 开拓掘进工作面风流温度达 30～33 ℃。高温热害问 题严重影响了矿井的正常接续生产，热害防治工作 迫在眉睫。 矿井热害防治措施实施前，需要进行前期的基 础研究，主要针对矿区地面气候及对井下气象参数 的影响、井下气象参数观测及其分析（高温热害程度） 以及造成矿井高温热害的热源调查与分析。根据文 献［10］研究结果，围岩散热是造成矿井高温热害的 主要原因之一。因此，进行矿井地温测定、煤岩热 物性参数测试，用于井下风流热交换计算及未采区 域风流热力参数预测，进而进行降温工程设计。 2 矿井地温及地温梯度测定 2.1 浅钻孔测温方法 a. 方法简介 浅钻孔测温是在井下连续推进的煤岩巷掘进工 作面迎头，用煤电钻或者气钻，打 1.0～1.5 m 深的浅 钻孔，将测温探头放入孔中，用黄泥等材料封孔， 直接测定地温的一种方法。由于受采掘工作面数量 和位置的限制，所测数据只能代表测定区域的地温 状况。但具有简单易行，测温成本低，测量时间短 等优点。 b. 理论依据 在受风流冷却时间短的新掘进巷道，特别是日 进度大于 1 m 的掘进工作面，由于围岩冷却速度小 于巷道的日进度，围岩调热圈发育不深。可以设岩 壁均质，将围岩视为半无限大的固体，沿垂直于壁 面的轴线方向温度为一维非稳态导热。从岩壁向围 岩深处，岩温由壁面温度逐渐过渡到原始岩温，过 渡带宽度及过渡带内岩温是壁面距离的函数。其温 度 T（x，t）随着时间的变化可以写成 2 2 TT tx λ ∂∂ ∂∂ （1） 边界条件及初始条件为 v 0 （ ， ） t T x tT ，0≤x＜∞ （2） s 0 （ ， ） x T x tT ，t＞0 （3） 式中 T为围岩温度，℃； v T为初始围岩温度，℃； s T为围岩壁面温度，℃；t为时间，h； x 为测点距 岩壁面的垂直距离，m；λ为围岩热扩散率，m2/h。 上式的解可用下式表示 v sv erf 2 TTx TTtλ - - → vsv erf（） 2 x TTTT tλ - （4） 式中 erf为误差函数，可以从数学专用表中查出其 计算公式；其余符号意义同前。 对于新暴露的煤岩，一般情况下erf2xtλ（ /） sv （）TT-的值很小，可以忽略不计，即 v TT。从理 论上讲，在钻孔暴露 24 h 以内的掘进工作面采用 1～2 m 深浅钻孔测温可以认为准确反映了该水平围 岩原始温度的真实情况。 2.2 地温测定区 浅钻孔测温由于受采掘工作面数量和位置的限 制，所测数据只能代表测定区域的地温状况。根据 目前矿井采掘部署的实际情况，分别在南翼和北翼 不同水平（采深最小的南三采区和采深最大的下北 一采区）主采七号煤层掘进工作面的巷道内布置若 ChaoXing 第 5 期 褚召祥 重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征 39 干钻孔进行矿井地温的测定。各测试区域分别为南 翼南三采区-37614 中巷、北翼下北一五车场和下北 一采区-37106下中巷。其中，在南三采区-37614 中 巷约-315.8 m 标高处布置 4 个钻孔；在下北一五车 场约-453 m 标高处布置 3 个钻孔；在下北一采区 -37106下中巷约-419 m标高布置2个钻孔。 以-37614 中巷掘进工作面钻孔为例，测试钻孔相对位置及平 面、剖面示意图如图 1 所示。 图 1 南三采区-37614 中巷钻孔布置 Fig.1 Layout of boreholes in the middle roadway-37614 of the southern third mining district 2.3 测试数据记录 采用半导体热敏电阻测温仪对上述各钻孔进行 测温。将测温仪的探头伸入孔中，然后用炮泥封孔， 成孔后开始读数，直至数据最终稳定为止。各钻孔 测定数据如表 1表 3 所示。 由表 1表 3，可以看出 a. 随着深度的增加，岩石的原始岩温也在增 加；标高-419～-315.8 m 矿井深度增加了 103.2 m， 地温增加了 2.4 ℃，平均增幅为 0.023 3 /m℃；而标 高-453～-419m 矿井深度增加了 34 m，地温增加了 0.9 ℃，平均增幅为 0.026 5 /m℃。 b. 根据上表中测得的结果可以得出，永川煤矿 平均地温增幅为 0.024 9 /m℃。 c. 各钻孔温度值随时间的变化规律相同，开始 时变化较快，后来越来越慢，直到温度稳定在某个 值，并且钻孔温度随着标高的增加而增大，稳定的 时间也相应较长。 表 1 南三采区-37614 中巷钻孔测温记录表 Table 1 Record of temperature measurement of boreholes in the middle roadway-37614 of southern third mining district 钻孔 测温记录 孔深/m 标高/m 时间 916 921931 941 1 温度/℃ 31.8 32.5 32.6 32.6 5 -315.8 时间 957 958959 1000100210071027 2 温度/℃ 32.1 32.4 32.7 33.0 33.1 33.2 33.2 5 -315.8 时间 1034 1035 1036 103710381039104010441104 3 温度/℃ 31.7 32.1 32.5 32.7 32.9 33.0 33.1 33.233.2 5 -315.8 时间 1110 11111112 11131114111511251145 4 温度/℃ 31.8 32.5 32.7 32.9 33.0 33.1 33.2 33.2 5 -315.8 表 2 下北一五车场钻孔测温记录表 Table 2 Record of temperature measurement of boreholes in lower northern yard No. 5 钻孔 测温记录 孔深/m 标高/m 时间 1141 1142 1143 1144 114511461147 1151 1156 1210 1225 5 温度/℃ 34.1 34.9 35.5 35.8 36.1 36.2 36.336.436.536.5 36.5 5 -453 时间 1230 1231 1232 1233 123412351236 1238 1241 1249 1310 6 温度/℃ 34.7 35.1 35.5 35.8 36.0 36.1 36.236.336.436.5 36.5 5 -453 时间 1315 1316 1317 1318 131913201322 1330 1348 1350 7 温度/℃ 35.4 35.8 36.0 36.1 36.2 36.3 36.436.536.536.5 5 -453 ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 44 卷 表 3 下北一-37106下中巷钻孔测温记录表 Table 3 Record of temperature measurement of boreholes in lower northern middle roadway -37106 钻孔 测温记录 孔深/m 标高/m 时间 1355 1356 1357 1358 1359 1400 1401 1402 140514101440 8 温度/℃ 32.9 33.4 33.9 34.3 34.6 34.835.035.235.335.435.4 5 -419 时间 1447 1448 1449 1450 1451 1452 1453 1454 14571504150815 1715 3616 00 9 温度/℃ 31.0 31.6 33.2 33.8 34.3 34.735.035.135.235.335.435.5 35.6 35.6 5 -419 2.4 地温梯度的确定 地温梯度是表征一个地区地热状况的重要参 数。将两个不同深度的岩石温度之差与该两点间的 距离相比，即作为地温梯度。 tH /Gdd （5） 式中 G为地温梯度，/℃ hm； t d为温度增量，℃； H d为深度增量，m。 根据永川煤矿井下钻孔标高、测温数据，用式（5） 计算出永川煤矿的地温梯度为 2.32～2.65 /℃ hm。矿井 地勘资料显示，永川煤矿地温梯度随深度有一个递增 的趋势，且在-400 m 水平附近变化非常明显，这主要 是因为在-400 m 附近存在大落差断层。因此，可以取 2.32 /℃ hm 作为永川煤矿-400 m 水平以上的地温梯 度， 取 2.65 /℃ hm 作为永川煤矿-400 m 水平以下的地 温梯度值。根据地温梯度和已知标高，结合矿区恒温 带深度和温度，可以计算出任意标高处的地温值。 2.5 地温梯度计算值与测定误差分析 地下 H 深处的岩石温度 （） CC /100 H ttG HH- （6） 式中 H t为 H 深处的地温， ℃；Ct为恒温带的温度， ℃；H 为地表以下的深度，m ； C H为恒温带的深 度，m。 结合永川煤矿地勘资料，井口标高334 m，恒 温带深度 28 m、恒温带温度 19.6℃、-400 m 水平以 上地温梯度 2.32 /℃ hm，-400 m 水平以下地温梯度 2.65 /℃ hm，可得原始岩温计算值如表 4 所示。 表 4 原始岩温计算值与实测值的对比 Table 4 Comparison between calculated values and measured values of the original temperature of rock 地 点 标高/℃ 计算值/℃ 实测值/℃ 绝对误差/℃ 相对误差/％ -37614中巷 -315.8 34 33.2 0.8 2.35 -37106下中巷 -419 36.5 35.6 0.9 2.47 下北一五车场 -453 37.4 36.5 0.9 2.41 由表 4 可以看出，煤岩原始温度的地温梯度计 算值与实测值之间误差较小，都不超过 3％，这说明 了实测值的精度符合工程实际要求，也证明了地温 梯度确定的准确性。但是，鉴于地温测定现场的环 境和条件的限制，所测的温度较实际的煤岩原始温 度还是有较小的差别。并从实际情况判断，地温梯 度考虑的是相对情况，各种因素的影响对双方都是 存在的，其真实性更准确。因此，上表中地温梯度 计算的煤岩原始温度应更接近实际值。 3 煤岩热物性参数测试 3.1 测试样品选取 永川煤矿主要可采煤层为七号大龙煤层，煤层 总厚度 0.24～1.19 m，平均厚 0.65 m。全矿区基本可 采，为较稳定煤层。煤层顶、底板一般为深灰色泥 岩或粉砂质泥岩。采集的煤岩热物性参数测试样品 主要以大龙七号煤层及其顶底板的深灰色砂质泥岩 为主。两件一组，以采掘工作面为单位，煤岩样各 一块，对全岩巷道则取一块岩样作为一组，采样标 准符合国家相关标准规定。采取的煤岩样如表 5 所 示。 3.2 密度、比热、导热系数与导温系数的测定 关于煤岩的热物性参数测试，煤炭行业还没有 专门的，参考岩土工程领域其他相关标准进行。其 中， 密度测试采用蜡封法原理， 根据 GB/T5026699 工程岩体试验方法标准的相关要求进行；比热 参照 D/T51502002水工混凝土试验规程规定 的方法进行；导热系数采用 DRP-4 型导热系数测定 仪，按照 GB/T102941988绝热材料稳态热阻及 有关特性的测定防护热板法标准设计进行。而导 温系数一般是根据密度、比热和导热系数的测量数 据计算得出，即导温系数导热系数/（比热密度）。 各项参数测试结果如表 5 所示。 3.3 测试分析 永川煤矿大龙七号煤层均为气肥煤，岩样均为 深灰色砂质泥岩。根据测试结果可以看出 ChaoXing 第 5 期 褚召祥 重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征 41 表 5 永川煤矿煤岩热物性参数测定结果 Table 5 Results of thermo physical parameter measurement of coal and rock in Yongchuan coal mine 取样地点 样品名称 煤种和岩性 标高/m 密度 /（kg.m-3） 比热 /J.（kg.℃）-1 导热系数 /W.（m.）℃ -1 导温系数 /（10-6m2.s-1） 下南二-37402中巷迎头 大龙七号煤层煤样 气肥煤 -381 1 375 0.91103 0.219 0.175 下南二-37402中巷迎头 大龙七号煤层底板 深灰色砂质泥岩-390 1 3641.42103 0.285 0.146 下北一-37104工作面上口 大龙七号煤层煤样 气肥煤 -357 1 410 1.14103 0.298 0.185 下北一-37104工作面上口 大龙七号煤层顶板 深灰色砂质泥岩-438 1 385 1.12103 0.370 0.238 下南二-37401工作面上口 大龙七号煤层煤样 气肥煤 -357 2 912 0.87103 2.272 0.898 下南二-37401工作面上口 大龙七号煤层底板 深灰色砂质泥岩-381 2 741 1.02103 2.437 0.872 下北一-37107迎头 全岩巷 深灰色砂质泥岩-390 2 7880.92103 2.422 0.944 下北一-37107中巷 大龙七号煤层煤样 气肥煤 -438 2 840 0.97103 2.980 1.082 下北一-37107中巷 大龙七号煤层底板 深灰色砂质泥岩-438 2 8151.08103 2.621 0.870 煤样的密度为 1 364～1 410 kg/m3，岩样的密度 2 741～2 912 kg/m3。 煤样的比热为 0.91～1.42 J/kg.℃， 岩样的比热 0.87～1.08 J/kg.℃。煤样的导热系数 0.219～0.37 W/m.℃，岩样的导热系数 2.272～2.98 W/m.℃。煤样的导温系数（0.175～0.238）10-6 m2/s， 岩样的导温系数（0.87～1.082）10-6 m2/s。 总体上，在标高-438～-357 m，煤样和岩样的各 项热物性参数基本上不随标高的变化而变化。 4 结 论 a. 在-400 m 水平矿井煤岩的原始温度为35～36℃。 矿井恒温带深度以下，根据标高-400 m 深处大落差 断层将矿井地温梯度划分为 2 部分-400 m 水平以 上的地温梯度为 2.32/℃ hm，-400 m 水平以下的地 温梯度值为 2.65/℃ hm，以-400 m 水平为界存在一 个稍微递增的趋势， 但仍处于正常地温梯度范围内。 b. 根据矿井地勘资料，煤岩原始温度的实测值 较理论计算值偏小，误差≤3％。 c. 在标高-438～-357 m，煤岩密度、比热、导 热系数、导温系数等各项热物性参数不随标高的变 化而变化。 参考文献 ［1］ 何满潮，谢和平，彭苏萍．深部开采岩体力学研究［J］. 岩石 力学与工程学报，2005，24（16）2803-2813． HE Manchao，XIE Heping，PENG Suping. 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