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地面气候对井下气候的影响规律分析 姬建虎 1, 2,张习军2,梅 勇2,刘朝文2,董 军2 1. 重庆大学 动力工程学院, 重庆 400044;2. 煤炭科学研究总院重庆研究院, 重庆 400037 摘 要 以永川矿区实测气象参数为例, 系统说明了地面气候与井下气候的相互关系 , 并用灰色关 联度分析, 得出地面气候对井下气候的影响规律,为进一步研究矿井热害治理工作提供了坚实的基础。 关键词 地面气候 ; 井下气候; 灰色关联度 ; 影响规律 中图分类号 T D 727 文献标志码 A 文章编号 1008 - 4495 2009 05- 0057- 03 收稿日期 2008-07-31; 2009-06-22修订 作者简介 姬建虎1978 , 男, 山西晋城人, 博士研究 生, 工程师, 主要从事矿井降温、通风防灭火及防灭火材料等 方面的科研工作。 随着矿井进入深部开采 , 矿井高温现象的研究 越来越受到重视。矿井风流由地面流入, 地面大气 的温度 、 湿度与气压的变化势必影响到井下气候 ,因 此 ,研究矿井高温现象 ,必先探讨地面对矿井气象的 影响规律。笔者以永川矿区实测参数为例来说明地 面气象参数与井下气候参数的相互关系。 重庆永荣矿业有限公司永川煤矿位于重庆永川 市红炉 镇境 内,2006 年 矿井 核定 生产 能 力为 30万 t /a 。 矿井采用平硐 暗斜井开拓方式。采煤 工作面的开采方式为后退式走向长壁采煤法, 通风 为下行顺向掺新的方式 ; 掘进工作面的通风方式为 局部通风机压入式通风 , 矿井通风方式为两翼对角 抽出式机械通风 。经 2006年瓦斯等级鉴定, 矿井相 对瓦斯涌出量为 88. 76 m 3 /t , 绝对瓦斯涌出量为 53. 44 m 3 /m i n , C O2的相对涌出量为 15. 08 m 3 /t , 绝 对涌出量为 9. 08 m 3 /m i n , 永川煤矿属高瓦斯矿井。 开采的七号煤层为 Ⅱ类自燃倾向性煤层 ,但未发生 过自然发火 ; 煤尘具有爆炸性, 爆炸指数为 30. 6。 永川煤矿现采掘水平已深达 800 m ,致使夏季采掘工 作面的温度平均在 29. 3 ～ 31. 5 ℃, 部分地点达到 33 ℃。 永川矿区属四川盆地中亚热带湿润气候 区 , 气候温和 ,四季分明, 雨量充沛 , 无霜期长 ,季风 气候明显。据永川气象站多年资料 矿区年平均 气温 18 ℃,最冷月平均气温 7. 0 ℃, 最热月平均气 温 28. 5 ℃; 历年极端最高气温 42. 0 ℃,极端最低气 温 - 3. 4 ℃, 年平均相对湿度 82,潮湿系数 97。 雨量充沛 ,分布不均, 年平均降雨量 1 108. 7 m m , 最 大为 1 578. 5 m m ,最小为 797. 7 m m 。其中夏季 5 9月 降雨量 854 m m , 占全年降雨量的 77。年蒸 发量平均为 1 129 m m , 最高为 1 427 m m , 最低为 873. 2 m m 。霜期多集中于每年 12月至次年 2月 ,年 有霜日一般在 6 d 左右 ; 全年日照 1 306. 7 h 。 1 矿井地面气候对井下气候的影响 地面气候对井下气候的影响主要表现在地面气 温、 空气的相对湿度 、 大气压力等方面。以永川煤矿 地面气候参数 标高 327 m 对矿井南翼 -350 m 南大巷 标高 -350 m 、 - 37401采煤工作面 标高 -357 m 和 -37107 中 巷 掘 进 工 作面 标 高 - 438 m 气候参数的影响规律进行分析。 1. 1 地面气温对井下温度的影响 实测矿井地面、 - 350 m南大巷 、 -37401采煤 工作面和 - 37107中巷掘进工作面的月平均气温值 如表 1所示 ,其气温变化趋势如图 1所示 。 表 1 地面及井下月平均气温℃ 地点1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月 矿井地面7. 09. 513. 518. 522. 024. 528. 028. 523. 018. 513. 59. 5 - 350 m南大巷19. 720. 822. 525. 326. 527. 628. 128. 427. 126. 225. 823. 4 -37401采煤工作面27. 928. 228. 629. 129. 730. 531. 431. 230. 729. 829. 328. 7 -37107中巷掘进工作面29. 529. 530. 030. 530. 831. 231. 531. 331. 231. 030. 029. 5 从表 1、图 1中可以得出 1 矿井地面、 - 350 m 南大巷、 - 37401采煤工作 面、- 37107中巷掘进工作面 6个月 在 1 a 的测温周 期内,月平均气温曲线图呈相同的变化趋势。说明 随着地面气温季节性的变化 , 井下采煤工作面的气 57 2009年 10月 矿业安全与环保 第 36卷第 5期 图 1 不同地点月平均气温变化规律 温也是同步变化的 ,地面气候对井下气候影响显著 。 2 虽然地表大气温度的月平均变化幅度较大 , 但当其流入井下时, 井巷围岩将产生吸热或散热作 用,使风流和巷壁温度达到平衡, 井下空气温度变化 的幅度逐渐地衰减。 根据 -37401采煤工作面和 - 37107中巷掘进工作面的月平均气温变化曲线 ,可 以明显地证明这一点。 1. 2 地面空气相对湿度对井下空气相对湿度的影响 实测矿井地面、 - 350 m 南大巷 、 - 37401采煤工 作面和 - 37107中巷掘进工作面的月平均相对湿度值 见表 2,其月平均相对湿度变化趋势如图 2所示 。 表 2 地面及井下月平均相对湿度值 地点1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月 矿井地面77. 678. 879. 381. 284. 584. 685. 185. 783. 981. 479. 578. 2 - 350 m南大巷77. 478. 579. 280. 784. 184. 484. 785. 483. 681. 079. 277. 8 -37401采煤工作面90. 291. 191. 691. 994. 294. 895. 195. 494. 792. 591. 690. 5 -37107中巷掘进工作面90. 091. 592. 392. 592. 893. 593. 894. 193. 793. 493. 092. 0 图 2 不同地点月平均相对湿度变化规律 从表 2、 图 2中可以得出 1 矿井地面、 - 350 m 南大巷、 - 37401采煤工 作面和 - 37107中巷掘进工作面的月平均相对湿度 变化曲线十分相似 , 说明地面空气相对湿度对井下 空气相对湿度的影响非常明显 。 2 矿井地面和 - 350 m 南大巷的月平均相对湿 度变化曲线比 -37401采煤工作面和 - 37107中巷 掘进工作面的空气相对湿度变化曲线更相似, 说明 随着通风路线长度和开采深度的增加 ,受地面相对 湿度的影响程度逐渐减小 。 3- 37401采煤工作面和 -37107中巷掘进工 作面的月平均相对湿度比 -350 m南大巷要大 , 这 是因为 - 37401采煤工作面和 - 37107中巷掘进工 作面比 -350 m南大巷要深 , 井下降尘喷水加湿和 围岩渗水加湿等原因所致 。 1. 3 地面大气压力对井下大气压力的影响 实测矿井地面、 - 350 m南大巷 、 -37401采煤 工作面和 - 37107中巷掘进工作面的月平均绝对大 气压力值如表 3所示 ,其变化趋势如图 3所示 。 从表 3、图 3中可以得出 1 矿井地面、 - 350 m南大巷 、 - 37401采煤工 作面和 - 37107中巷掘进工作面的月平均绝对大气 压力变化趋势曲线十分相似, 说明地面气压对井下 气压的影响也是非常明显的; 2 -350 m南大巷和 -37401采煤工作面 、 - 37107 中巷掘进工作面的月平均绝对大气压力比 矿井地面的大气压力要小, 这是矿井通风机动力致 使气压升高的结果 ; 3- 37401采煤工作面与 -350 m南大巷的月 平均绝对大气压力曲线变化的规律很相似, 说明井 表 3 地面及井下月平均绝对大气压力值P a 地点1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月 矿井地面99 23098 95098 57098 23097 85097 56097 22096 84097 61098 19098 53099 080 - 350 m南大巷108 020108 460106 820106100105 760105 130104 860104 520105 200108 150108 580109 970 -37401采煤工作面107 800108 460106 860106 240105 800105 270104 730104 540105 080108 250108 650109 050 -37107中巷掘进工作面106 530106 270105 820105 380104 850104 230103 870103 560104 040106 220106 880107 040 58 2009年 10月 矿业安全与环保 第 36卷第 5期 图 3 不同地点月平均气压变化规律 下空气压力随着矿井深度的变化而同步变化。 2 灰色关联度分析 灰色系统理论是邓聚龙教授于 1982年创立的 一门新兴横断学科 [ 1] 。所谓灰色关联度分析, 实质 上就是以参考点和比较点之间的距离为基础的分 析 ,从距离中找出各因素的差异性和接近性, 或者说 是基于行为序列的几何形状接近 ,以分析和确定因 子间的影响程度或因子对行为的贡献测度而进行的 一种分析方法, 两个系统或两个因素间关联性大小 的量度称为关联度 [ 2-3] 。该方法的基本思想是根据 分析对象时序数列曲线的相似程度来判断其关联程 度 ,两条曲线越相似 , 其关联度越大, 反之越小。通 过对永川煤矿地面温度和井下环境气候参数进行灰 色关联分析 ,找出矿井地面温度对井下气候参数的 主要影响规律。 2. 1 确定参考序列 用作比较的 “母序列 ”, 记为 X ′ 0。 以矿井地面 12个月平均温度为参考序列, 则 X ′ 0{ x ′ 0 1 , x ′ 0 2 , , x ′ 0 12 } 代 入 数 据 有X ′ 0 { 7, 9. 5, 13. 5, 18. 5, 22, 24. 5, 28, 28. 5, 23, 18. 5, 13. 5, 9. 5} 关联分析中与参考序列作关联程度比较的 “子 序列”, 称为比较序列 ,记为 X ′ 1, X ′ 2, , X ′ m,这里比较 序列有井下月平均温度、 空气相对湿度、 空气压力。 2. 2 利用均值法进行无量纲化处理 Xi x ′ i 1 x i , x ′ i 2 x i , , x ′ i 12 x i 式中 i 0, 1, 2, 3; x i 1 12∑ 12 k 1 x ′ i k 。 代入数据计算得 Xi 0. 388 90. 527 80. 750 01. 027 80. 527 8 0. 784 30. 828 10. 895 81. 007 30. 931 7 0. 951 60. 965 20. 973 80. 992 20. 956 6 1. 011 41. 015 61. 000 20. 993 51. 029 7 2. 3 求绝对差值 Δi k x 0 k -xi k 式中 k1, 2, , 12; i 1, 2, 3。 代入数据有 Δi 0. 395 50. 300 40. 145 80. 020 50. 403 9 0. 562 80. 437 40. 223 80. 035 60. 428 8 0. 622 60. 487 80. 250 20. 034 30. 501 9 2. 4 计算两级最大差与两级最小差 两级最大差 Δma xm a x i m a x k Δi k 0. 622 6 两级最小差 Δminm i n i m i n k Δi k 0. 015 1 2. 5 计算关联系数 ξ i k Δm i np Δm a x Δi k p Δm a x 式中 p 为分辨系数,取 p0. 5。 代入数据得 ξi k 0. 461 80. 533 60. 714 10. 983 80. 456 4 0. 373 40. 436 00. 610 00. 941 00. 441 0 0. 349 50. 408 50. 581 30. 944 50. 401 4 2. 6 计算关联度 比较序列 Xi与参考序列 X0的关联度采用以下 公式计算 r i 1 12∑ 12 k 1 ξ i k 代入数据有 r i 0. 621 5 0. 574 5 0. 549 2 由此可见 , r 1r2r3, 即矿井地面温度对井下 环境气候参数的影响程度依次为温度 相对湿度 空气压力 ,与实际情况和实践经验相符 。说明了矿 井地面气候参数与井下环境气候参数的影响程度呈 一一对应的关系 。同理, 还可证明矿井地面空气相 对湿度对井下环境气候参数的影响程度依次为相对 湿度 温度 空气压力; 矿井地面空气大气压力对 井下环境气候参数的影响程度依次为空气压力 相 对湿度 温度 。 3 结论 1 地面和井下的温度、相对湿度和气压变化曲 线非常相似且同步变化, 矿井地面气候参数对井下 气候参数有着显著影响; 2井下气温和地面气温在 7─8月非常相近 , 下转第 62页 59 2009年 10月 矿业安全与环保 第 36卷第 5期 施工时排渣较困难 , 施工难度大。通过引进新型 K Q J - 120 型潜孔钻机 ,采用空气压缩机产生的压风 风力排渣施工时 ,彻底解决了钻孔排渣难问题, 单台 钻机一小班进度最高达 207 m 。工作面回采期间,抽 采瓦斯浓度在 15 ～ 88, 抽采量 44 m 3 /m in ,抽采 率达 45。 2. 5 采空区埋管抽采技术 随着工作面向前推进, 在工作面充填留巷墙垛 内向北每隔 20 m 埋设 1根直径 305 m m 的瓦斯抽采 管 L 3. 5 m , 其管口位置距离留巷墙垛内墙面大 于 0. 5 m , 管口端设置花管及金属网罩 ,高度大于巷 道高度的 2/3, 位于留巷墙垛中上部, 构成采空区尾 抽系统 。主要是防止上下邻近煤层的卸压瓦斯大量 涌入采空区造成回风瓦斯超限事故。自该面回采开 始 ,采空区抽采效果一直较好, 抽采瓦斯浓度 8 ～ 20,抽采量 5 m 3 /m i n ,最高达 13 m 3 /m i n 。 3 抽采系统的建立 工作面回采期间地面采用 3套永久抽采系统进 行瓦斯 抽采 , 分 别为 2B E I-355、 2B E F-6702、 2B E F- 72型抽采泵,抽采能力 600 m 3 /m i n 。工作面 上风巷接 2路瓦斯管 , 1路 Υ 356 m m 尾抽系统 , 1路 Υ305 m m钻孔抽采系统 ,采用 2B E F-72型瓦斯泵 抽采瓦斯 。机巷接 1 路 Υ 305 m m瓦斯 管, 采用 2B E F- 6702 型瓦斯泵进行上向穿层钻孔抽采瓦斯。 - 660 mC 13底板巷接 1路 Υ 254 m m瓦斯管 ,采用 2B E I - 355型瓦斯泵进行下向穿层钻孔抽采瓦斯。 - 720 m C 13、 -780 m B 10 底板巷分别接 1 路 Υ254 m m 瓦斯管 , 采用 2B E F-6702型瓦斯泵进行 下向穿层钻孔抽采瓦斯。该面回采期间, 月抽采瓦 斯量 380万 m 3 , 抽采的瓦斯作为民用和低浓度发 电 ,既节能又环保 ,取得了较好的经济效益 。 4 结束语 利用开采关键保护层形成的卸压作用 ,可数千 倍地提高被卸压煤层的透气性 [ 4] , 从而实现煤与瓦 斯共采。成功研发低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯 共采关键技术 ,是煤矿安全高效开采技术的重大突 破,对于解决我国煤矿开采中瓦斯灾害威胁 、 资源回 收率低等诸多难题, 推动实施煤矿瓦斯防治战略“先 抽后采、 煤气共采”具有重要的现实意义 1 彻底改变了传统煤矿采区开拓布局 , 采用 “Y ”型通风方式 , 解决了 “U ”型通风工作面上隅角 瓦斯积聚超限难题 。 2利 用采空区留 设的巷 道和矿 井现有 的 - 660, - 720, - 780 m 底板巷, 设计施工顶、底板立 体网格式穿层钻孔, 抽采上邻近层 B 11b 和下邻近层 B 9b 煤层的卸压瓦斯, 解决了低透气性煤层群先抽 后采问题 , 实现了煤与瓦斯共采 , 使瓦斯抽采率达 90 以上。 3 采用该技术减少了该面高 、 低抽巷等瓦斯治 理巷道,大大降低煤矿安全生产成本。 4 一定程度上解决了深井开采热害问题, 工作 面回风侧可以降温 3 ～ 5 ℃, 改善了煤矿职工作业 环境 。 5 实现无煤柱开采 ,沿空留设的巷道后期可再 利用 ,提高了煤炭资源的回采率。 参考文献 [ 1] 谢一矿 51采区地质说明书[ Z ] .淮南 淮南矿业集团 有限 公司, 2004. 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