岩温对曹家洼金矿深部开采热环境的影响.pdf

2 0 1 4年第 6期／ 第 3 5卷 黄金 GOLD 岩温对曹 家洼金矿深部开采热环境 的影 响 赵小稚 ， 崔嵛 ， 王敬志 1 ． 山东理工大学资源与环境工程学院； 2 ． 招远市曹家洼金矿 摘要 曹家洼金矿小尹格庄矿段 已进入深部开采 ， 岩温是影响采场热环境 的主要 热源； 根据热 传导理论分析 ， 采用浅孔测量岩温的方法合理可行 ， 通过测量得 出了曹家洼金矿岩温随深度 变化的 规律 ； 在此基础上 ， 计算分析 了岩温对井下风流温度升高的作 用， 认 为该矿深部开采存在一定程度 的热害， 热环境有进一步恶化的趋势， 需加强通风降温措施 ， 切实改善井下作业环境。 关键词 深部开采 ； 岩体温度 ； 热环境 ； 热害 中图分类号 T D 7 2 7 文章编 号 1 0 0 1 1 2 7 7 2 0 1 4 0 6 0 0 3 3 0 3 文献标志码 A d o i 1 0 ． 1 1 7 9 2 ／ h j 2 0 1 4 0 6 0 8 0 引 言 中国采矿界一般认为 ， 地下开采深度超过 6 0 0 m 即进入深井 开采 J 。与浅井采矿 相 比， 随着 开采深 度的增加 ， 采矿作业条件和环境会发生十分复杂的变 化， 普遍会遇到冲击地压、 岩爆等岩体力学问题， 以及 水文地质条件恶化 、 井下高温和有毒有害气体超标等 环境控制问题 J 。深井开采 中， 尤为突出的一个 问 题是井下热环境恶化 。矿 井热环境是指地下采掘空 间中的微气候对人体散热的综合影响与作用， 人们习 惯把恶劣的热环境称为热害 。 招远 市 曹家 洼 金 矿 下 称 “ 曹 家洼 金 矿 ” 于 1 9 8 9年 1 1月投 产 ， 为采选联合企业 ， 历经 2次扩建 工程改造 ， 采选 规模达到 5 0 0 t ／ d 。 目前正在开采的 小尹格庄矿段开采深度超过 8 0 0 m， 六 、 七 、 八 中段的 风温接近 3 O℃ ， 个别作业面风温甚至达到 3 2 c 【 。因 此 ， 曹家洼金矿已出现一定程度 的高温热害状况。据 统计 J ， 由于井下 不 良的热 环境 ， 工 人身 体状 况欠 佳 、 注意力不集 中而导致 的安 全事故呈 现上升 的趋 势 ， 同时， 不断恶化的工作条件使工人劳动生产效率 逐年降低 。高温热害已成为制约曹家洼金矿安全高 效开采的一个亟待解决的问题 。 曹家洼金矿小尹格庄矿段 内主要断裂为招平 断 裂带 ， 矿体赋存于主裂面以下 5 0 m范围内； 构造带 自 上而下分别为碎裂岩、 糜棱岩、 断层泥、 绢英岩、 绢英 岩化花 岗质碎裂岩 、 钾化碎裂状花 岗岩等。小尹格庄 矿段所处构造破碎带富水性差 ， 补给条件差 ， 属水文 地质条件简单的矿床。曹家洼金矿所在的山东省招 远市属 于暖温带季风 型大陆型半湿润 气候 区， 多年 1 9 7 1 --2 0 0 0年 平均气温为 1 2℃。 1 岩温预测 在引起井下温度升高的各种热源中， 通常以岩石 的放热量为最大。因此， 预测岩石温度 、 了解开采地 段地温的分布状况和温度场的分布规律 ， 对金属矿山 深部开采热环境的研究是十分必要的。 1 ． 1 岩温测定方法 由于地下岩体 的增温带 内原岩温度随深度的增 加而成线性增加 ， 围岩温度场是非稳态温度场， 只需 测定增温带内不同深度处的原岩温度， 便可得到岩温 随深度变化的规律 。 测定矿 内不同深度 的原始岩温的方法有 2种 一 种方法是利用地面上 的钻孔 ， 测定全孑 L 段的稳定温 度 ， 或者测定孔底温度 、 中性点 段 及恒温带的位置 及温度 ， 得出近似真实的地温 曲线 ， 反求得各个深度 的温度； 另一种方法是在井巷围岩内钻凿浅眼直接测 定不同深度岩石 的初始温度。对于生产矿 山， 在井巷 围岩内钻凿浅眼直接测定岩温的方法更为简单易行。 使用这一方法的前提条件是 测温地点宜选在受通风 冷却影响最小的地方 ， 如矿岩采掘工作面 回风巷道 ， 长期不通风的旧巷 ， 采矿掘进刚拉开 的新鲜矿岩面。 这时可把岩体看作半无限大的物体 ， 按热传导理论 ， 其温度分布为 A磐 1 。 a 、 边界条件及初始条件为 T ，t0 TTb。t0 0 收稿 日期 2 0 1 31 1 2 6 基金项 目 山东省安全生产监督 管理局 2 0 1 2年安全生产科技发展计划项 目 L A K 2 0 1 2 3 作 者简介 赵小稚 1 9 5 4 一 ， 男 ， 湖北应城人 ， 教授 ， 从事金属矿山采矿工程教学与科研工 作 ； 山东省淄博市张 店区张周路 1 2号 ， 山东理工大学 资 源与环境工程学院 ， 2 5 5 0 4 9 圈臣西 豆 黄 金 式 中 为岩石温度 K ； T s 为初始岩温 K ； 7 1 h 为岩 壁壁面温度 K ； t 为时间 h ； 为测点距岩壁面的 距离 m ； A为热导率[ W／ m K ] 。 式 1 的解可用式 2 表示 。 r f e 2 7 1 b 2 由于新开掘的巷道 、 长期不通风的旧巷 中， 与 相差不大 ， 因此也可认 为 T ， 即互补误差 函数 e r f c 接近于零 。这可以作为在长期不通风的旧 2 At 巷 、 采矿掘进刚拉开的新鲜矿岩面用浅眼直接测定岩 石初始温度 的理论依据。 1 ． 2 岩温测定 根据所确定的测定方法 ， 曹家洼金矿现场岩温测 点主要布置在各 中段 中长期不通风的旧巷 ， 或采掘工 作面的围岩 中。采掘工作面测岩温时直接利用 刚钻 出的爆破作业炮Il iO N量， 长期不通风的旧巷中另行钻 眼测定岩温 。为此， 分别在浅部早 已开采完毕的大尹 格庄矿段第九中段至第十五中段 和深部有掘进工程 的小尹格庄矿段第三至第六 中段进行岩温测量。剔 除了 3个奇高奇低 明显不合理的测点数字 ， 如小尹格 庄矿段第五 中段所测岩温 4 7 ． 3℃ ， 可能是 由于钻凿 测量用炮眼眼底 因钻头摩擦所产生 的热量没有完全 散发而致奇高 ， 大尹格庄矿段有 2个测点的Nf L 有水 而使测量数据过低。岩温测量数据见表 l 。 表 1 岩温测量数据表 标高／ m 一8 5 1 6 9 2 0 2 2 3 6 2 7 0 5 l 0 5 4 0 6 0 0 岩温／ ℃ 1 9 ． 2 2 0 ． 4 2 1 ． 8 2 1 ． 5 2 2 ． 0 2 7 ． 7 2 6 ． 9 2 8 ． 3 如前述 ， 地下岩体的增温带 内原岩温度随深度的 增加而成线性增加。应用最小二乘法对表 1的数据 进行 回归 ， 则曹家洼金矿深部开采的岩温变化规律可 表达为 ￡ 1 7 ． 5 3 3 0 ． 0 1 8 2 4 Z 3 式中 为标高为 z处的岩温 ℃ ； z为标高 13 1 。 例如 ， 曹家洼金矿设计开采深度 一 6 9 0 m， 预计岩 温 可达 3 0 ． 1℃ 。 2 岩温对风温的影响 2 ． 1 围岩散热的基本规律 当巷道中无其他热源时， 向巷道风流热移动 的机 理是 ， 在原岩中开凿巷道后 ， 有 比原岩温度低的风流 流动时 ， 因存在温差 ， 原岩 内部 以热传导方式 ， 通过巷 道壁 向风流产生热移动而使风流温升； 同时， 巷道周 围岩体也相应被冷却而形成冷却带 ； 随着时 间的延 长 ， 原岩给予巷道风流的热量逐渐减少。可见 ， 巷道 风温随流动距离及时间而变化 ， 是一种不稳定的换热 过程， 即使是在井巷壁面温度保持不变的情况下， 由 于岩体本身就是热源， 所以 自围岩深处向外传导的热 量值也随时问而变化 。随着时问的推移 ， 被冷却的岩 体逐渐扩大 ， 因而需要从 围岩更深处将 热量传递 出 来 。 研究表 明， 风流沿井巷流动时 ， 其温度波动幅度 的衰减量约与两点之间的距离成正比； 与巷道的等效 半径成反 比； 与风温 的波动周期成反 比， 波动的周期 越短， 其衰减量越大 J 。 当围岩的原始岩温与井巷 中流动 的空气的温度 存在温差时 ， 就要产生换热。热流或者 自风流传 向岩 体 ， 或者 自围岩传 给风流。即使是在 不太深的矿井 里 ， 原始岩温一般也要高于该处 的风温 ， 因而热流一 般来 自围岩。在深部矿井里 ， 热流值将 相当大 ， 甚至 超过其他热源热流量的总和。 对于干燥的围岩 ， 热量主要通过导热的方式 由围 岩深处向巷壁传导 ； 当岩体向外渗流 、 喷水时 ， 则存在 着对流换热。而后这些热量又通过对流换热和热辐 射的方式加热巷道 内的风流。由于湿空气 中的水蒸 气分子要截取一些辐射能量 ， 在潮湿的井下， 热辐射 能量几乎在数米之 内便被水蒸气分子截取殆尽 ， 因此 不会传播很远 作为矿井最大热源的井巷 围岩向风流 的散热量 计算 ， 是整个矿井风温预测计算 中的主要部分 ， 但 围 岩 向风流的传热过程复杂且具有不确定性 ， 计算 十分 繁琐。不少学者为使理论计算成为可能 ， 一般需进行 多项假设 ， 如假设井巷 围岩是均质且各 向同性 ； 在分 析开始时， 岩石温度均一 ， 都等于原始岩温； 还假设在 所分析的巷道里 ， 空气的温度恒定不变等。因此而得 出的计算方法不够实用。 2 ． 2 岩温对风温的影响 参考文献 [ 9 ] 的计算方法 ， 设深部开采的某 中段 进风温度为 、 岩体温度 和风量 Q ， 空气流经 ， J 长 巷道后温度 由 变化为 ， 则有 一 一 4 1 03 0 24 Q 式中 为某中段进风温度 K ； T r 为岩体温度 K ； 为空气流经 长巷道后温度 K ； L为空气流经巷 道长度 m ； P为巷道 断面周 长 m ； K为传热 系数 [ w／ m K ] ；Q为风量 m ／ s 。 岩石与空气的传热系数 K可按经验公式估算 1 3 3 A ． 2 0 1 4 年 第6 期 ／ 第3 5 卷 匝耍[三 式 中 V为 巷 道 内 的 平 均 风 速 m ／ s ； A 为 热 导 率[ W／ m K ] 。 小尹格庄矿段第六 中段 一6 0 0 m 为新开采 中 段 ， 包括采场 换算 为 标准 断面 2 ． 3 m x 2 ． 3 m 巷 道的长度 L8 9 2 m， P9 ． 2 m； 通 过 的风量 Q 6 ． 5 m ／ s ， V 1 ． 2 3 m ／ s ； 测得 中段进风道风温 2 5℃ ， 计算 得 第 六 中段 岩温 为 2 8 ． 5℃ ； 根 据 第 六 中段 围岩岩性 ， 参照有关岩石手册 ， 取岩体 的热导率 A 2 ． 5 9 W／ m K 。因此， 计算小尹格庄矿段第六中 段风温 ， 特别是该 中段用风段末端采场的温度将达到 2 8 ． 4 c I 二 ， 已超 出安全规程对井下温度 的规定。 3 结论 随着采深的增加 ， 岩温也逐渐升高 ， 当岩温超过 某一温度时 ， 就将引起矿井高温热害问题 。因此可 以 说 ， 高温热害是矿井生产向深部开采过程 中难 以避免 的问题。在已存在一定程度热害的情况下 ， 弄清岩温 对井下热环境的影响， 及时采取强化通风降温措施， 做好通风系统优化工作。 1 岩温的浅孔测量从理论 和实践两个方 面都具 有可行性 ， 与其他测温方法相 比， 费用低 、 技术要求不 高 ， 具有简单易行 的优点 ， 对于生产矿井的岩温测定 具有较强的适用性 。 2 通过岩温测量 ， 得到 了曹家洼金矿深部 开采 时岩温的变化规律 ， t 1 7 ． 5 3 30 ． 0 1 8 2 4 Z， 为井下 热害的防治提供了一定理论依据。 3 经过对曹家洼金矿小尹格庄矿段 一6 0 0 m中 段风温的分析 ， 认为该 中段开采的热环境有恶化的趋 势 ， 需加大风量 ， 切实改善井下气候条件 。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 姚香 ． 关 于深部开采技术的探讨[ J ] ． 黄金 ， 1 9 9 8 2 l 72 0 ． [ 2 ] 田运 生 ， 高荫桐 ， 张义平． 深井开采有关 问题与解决途径 [ J ] ． 煤 矿开采 ， 1 9 9 9 4 1 2一l 5 ． [ 3 ] 刘 晓 明， 罗 周 全 ， 夏 长 念 ， 等 ． 深井 高 温 矿 山 热 害控 制 新 技 术[ J ] ． 安全与环境工程 ， 2 0 0 6 3 8 58 8 ． [ 4] 欧晓英 ， 杨胜强 ， 于宝 海 ， 等． 矿 井热环境 评价及 其应用 [ J ] ． 中 国矿业 大学学报 ， 2 0 0 5 5 3 2 3 3 2 6 ． ’ [ 5 ] 中华人 民共 和国煤炭 工业部． 关于 高温矿井调 查报告 [ R] ． 北 京 煤炭工业部 ， 1 9 8 5 ． [ 6 ] 中国科 学院地 质研究 所地热 组． 地热 研究论 文集 地 热研究方 法 、 大地热流、 区域地 温 及矿 山地 热 [ c] ． 北京 科 学 出版社 ， l 9 7 8 ． [ 7 ] V a n d e r Wa l t ， Wh i l l i e r A ． T h e C o o l i n g E x p e r i me n t a t t h e H a r t e b e e s t f o n t e i n G o l d Mi n e [ J ] ． J o u r n a l o f t h e Mi n e V e n t i l a t i o n S o c i e t y o f S o u t h A f r i c a ， 1 9 7 8， 3 1 8 1 2 01 2 5 ． [ 8 ] 余恒昌． 矿山地热与热害治理[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 91 ． [ 9] 王 英敏 ， 王金波． 冶金矿 山地温预 热节能 技术 [ J ] ． 冶金能 源 ， 1 9 8 2 f 1 1 1 01 4 ． I n fl u e n c e o f r o c k t e mp e r a t u r e o n t h e r ma l e n v i r o n me n t o f d e e p mi n i n g o f Ca o j i a wa Go l d Mi n e Z h a o Xi a o z h i ． C u i Yu ， Wa n g J i n g z h i 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e a t a l E n g i n e e i n g， S h a n d o n g U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ； 2 ． C a o j i a w a G o l d Mi n e ， Z h a o y u a n C i t y A b s t r a c t T h e X i a o y i n g e z h u a n g s e c t i o n o f C a o j i a w a G o l d M i n e h a s e n t e r e d i t s d e e p mi n i n g p h a s e ． T h e r o c k t e m p e r a t u r e i s t h e k e y f a c t o r t h a t i n flu e n c e s t h e t he r ma l e nv i r o n me n t ． Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t h e r ma l c o n d u c t i o n t h e - o r y， t h e s h a l l o w h o l e r o c k t e mpe r a t u r e me a s u r e me n t me t h o d wa s c o ns i d e r e d t o b e f e a s i b l e ．T h e t e mp e r a t u r e v a ria t i o n r e g u l a rit y wi t h d e p t h wa s O b t a i n e d b y me a s u r e me n t ． Th e t e mpe r a t u r e r i s e o f mi n e a i r fl o i n fl u e n c e d b y r o c k t e mpe r a t u r e wa s c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t he r e i s a d e g r e e o f t h e r ma l h a z a r d i n t he g o l d mi n e a n d t h e t h e r ma l e n v i r o n me n t ma y d e t e r i o r a t e f u r t h e r ． T he v e n t i l a t i o n mu s t b e e n h a n c e d t o c o o l t h e t e mpe r a t u r e a n d t o i mp r o v e t h e wo r k i n g e n v i r o n me n t ． K e y w o r d s d e e p m i n i n g ；r o c k t e m p e r a t u r e ；t h e r m a l e n v i r o n me n t ； t h e r ma l h a z a r d 编辑 邢万芳 中国黄金协会荣获 5 A级社会组织荣誉称号 2 0 1 4年5月2 2日， 中华人民共和国民政部2 0 1 3年度全国性行业协会商会、 学术类社团、 联合类社团、 公益类社团、 基金会 、 非内地居民担任法定代表人的基金会和民办非企业单位的等级评估工作 ， 经初评、 终评、 公示， 终于揭晓， 中国黄金协会与中国施 工企业管理协会、 中国教育国际交流协会、 中国期货业协会、 中国家用电器协会等 1 O家协会一起荣获最高等级 5 A级。2 0 1 3年 度 ， 共有 1 7 7家全国性协会参评。 按照国家民政部关于社会组织评估管理的相关要求 ， 协会完成了 1 0 9项评估要点准备工作。经过严格评审， 中国黄金协会 评估成绩在 1 7 7家社会组织中排名第五， 评委会全票表决通过。中国黄金协会将以此为起点， 不断加强自身建设， 努力提高服务 水平， 继续以创新精神， 积极探索和建立现代社会组织制度， 进一步发挥示范和带队作用， 向更高的目标迈进， 在为政府、 为行业、 为企业的服务中做出更好的成绩 ， 推动各项工作再上新台阶。 来源 中国黄金协会网h t t p ／ ／ w w w ． c n g o l d ． o r g ． c n ／ n e w s i n f o ． a s p x I D1 1 1 0 2 0 1 4 0 5 2 3