原岩温度测试与热害治理实例

一、泉店煤矿原岩温度测试

随着矿井开采深度的增加，矿井高温热害问题越来越严重。导致井下空气温度升高的主要因素是地热、空气压缩热等。通过对泉店煤矿煤系地层原岩温度进行全面测试，明确了热害区域及地温梯度，提出了通过治理井下热水并采用机械降温消除矿井热害的综合治理方法。

（一）泉店煤矿未进行恒温带深度观测，只是在地质勘探期间，分2次施工23个钻孔进行了地温测试，其中，21个钻孔均为简易测温孔，其中性点不明显，无法进行温度校正，所测温度可能与实际温度有差异，所以需要对原岩温度进行补充测试。研究泉店煤矿煤系地层原岩温度及其分布规律和采区的地温梯度，为井下降温工程提供科学依据。

1.井田概况

泉店煤矿设计生产能力1.20Mt／a，水平大巷标高为－540m，采用立井单水平上下山开拓方式，主要开采山西组二1.二3煤层以及下石盒子组的四6煤层，井田整体为一走向北西、倾向南西的单斜构造，地质构造复杂程度为中等；水文地质类型：二1.二3煤层为第三类第二亚类第二型，也就是以底板岩溶充水为主的水文地质条件，底板灰岩水温度在32～36℃之间。

2.原岩温度测试方案

（1）测温探头选定

原岩测温方法普遍采用接触测量和非接触测量，通常采用基于热电效应制作的热电偶接触测量法，即用2种不同金属制成的导线连接成闭合回路，若热端和冷端存在温差，就会在闭合回路中产生一个电动势，通过测量此温差电势的大小，得出测量端温度的高低。

经综合分析，在0～100℃范围内的各种热电偶中，铜—铜镍型（T型）热电偶精度最高，价格相对较低。因此，本次选用T型热电偶进行测试与研究。

（2）测温探头标定

使用热电偶测试温度前，必须先进行标定，通常采用冰点法进行标定。研究表明，温差电动势取决于2种材料的性质和热电偶两端的温差，而与导线的截面大小、长度无关，其对应关系为：

T＝mV＋T0

式中，T为热电偶热端的温度；T0为热电偶冷端的温度；m为热电偶热电常数的倒数；V为冷端和热端之间的温差电动势。

（3）测试方法

在设计测温地点施工Φ42mm左右的钻孔，钻孔深度可根据具体测温方法进行选取。钻孔施工完成后，送入已预先标定好的热电偶，并进行全孔长密封。封孔完成后，即可对热电偶的初始温差电动势测定，传热稳定一般需24h，然后进行最终温差电动势测量，并将测量结果带入热电性能拟合曲线，可得到测定地点的原岩温度。

①深孔测温法。在井下巷道中，利用钻机等设备向围岩中打沿岩层略向上倾斜的钻孔（其深度应不小于5m），再将测温热电偶探头送入钻孔底部，然后进行全孔长封孔，待热交换稳定后，可得到测定地点的原岩温度。

②浅孔测温法。浅孔测温是一种快速的测温方法，即在井下正常推进的岩巷掘进工作面，在刚刚揭露出的岩石上，专门施工深度不小于1m的钻孔，将测温探头送入钻孔底部，用黄泥等材料进行封孔，经过一段时间，待孔内热交换稳定后，测得孔内稳定的温度值即为原岩温度。

此方法的理论依据是，井下围岩可认为均质各向同性、以巷壁面为边界的岩体沿测温钻孔方向可视为半径无限大的。

所以在岩巷连续施工的掘进面，施工深度大于1m的钻孔进行原岩温度测试方法是可行的。在岩壁暴露24h之内，将距离岩壁1m以外所测温度可视为岩石原始温度。实际测量中，为增加测温准确性，施工钻孔深度均不小于3m。

3.方案实施

原岩温度测定的地点尽量选择靠近掘进面的位置，并要求围岩完整、四周无渗水或渗水量极小。此次测温方法以浅孔测温为主、深孔测温为辅。浅孔测温点主要布置在二1煤12010运输巷、12050运输巷、－540m西翼轨道大巷、－540m东翼胶带巷，二3煤11070运输巷、11采区轨道上山；深孔测温点布置在12050回风巷、12采区轨道上山。

4.测试结果分析

根据井下布置的8个测点测试煤系地层的原岩温度表11－12得到以下结论。

根据《煤炭资源地质勘探地温测量若干规定》：平均地温梯度不超过3℃／hm的地区为地温正常区，超过3℃／hm为高温异常区；原始岩温高于31℃的地区为一级热害区，原始岩温高于37℃的地区为二级热害区。因此，12采区属于一级热害区，另外12采区主要巷道沿二1煤层底板布置，与底板灰岩水温度有较大关系；11采区测点温度已经非常接近一级热害区限值，并且在开采过程中，必将进入二1煤层，届时地温不可避免要受到底板高温灰岩水的影响，所以在开采过程中要按照一级热害区进行预防和管理，做好防治热害的准备工作。

表12－12　泉店煤矿井下测温结果汇总

从地温梯度上看，12采区的地温梯度在2.40～4.86℃／hm，有高温异常区存在；11采区的地温梯度在2.19～2.30℃／hm之间，属于正常地温区。

5.结语

（1）泉店煤矿水文地质条件较为复杂，石炭系太原群上段灰岩溶裂隙水含水层为二1煤开采时的主要充水来源，且因DF04正断层的导通作用，造成12采区煤系地层与深部高温含水层相接，进而导致该区域地温增大，地温梯度明显增高。

（2）热害治理方法可以采用以下几种：

①综合治理井下热水。泉店煤矿由于存在热水活动，矿井热害治理比非热水型要复杂和困难得多。钻场放水直接用管路引入水仓，减少与岩石的热交换和散热；井下巷道和各采区开掘巷道全部采用加盖板的水沟排水，使用隔热管道排放热水；巷道布置时尽量选在二1煤层顶板中，减少底板灰岩水对巷道温度的影响；如巷道必须布置在二1煤层底板时，掘进时应合理加大通风量。

②采取机械制冷措施。从实际测试结果分析，地面温度26.2℃时，在副井底气温已升高至30.0℃，所以工作面不可避免会出现热害，只有采用机械设备制冷降温，才能降低采掘工作面温度，使其符合《煤矿安全规程》要求。

二、梁北煤矿热害治理

梁北煤矿位于禹州市城南6km，为煤与瓦斯突出矿井，于1997年7月开工建设，2004年12月竣工投产，设计生产能力0.9Mt／a。主要煤层为二叠系山西组底部二1煤，煤层平均厚度4.2m，井田东西平均走向长12km，南北平均倾向宽4.0km，面积48km2，地质储量2.57亿吨，可采储量1.34亿吨。

该矿为立井单水平上、下山开拓方式，地面标高＋130m，水平大巷标高－550m，煤层赋存稳定，埋深在530－930m。

目前矿井布置有1个生产采区和2接替采区。

生产采区为11采区，在－550m水平以上，安排有1个采煤工作面，2个煤巷掘进工作面，有11中部变电所、11绞车房变电所、三专变电所和1＃、2＃瓦斯抽放泵站等主要机电硐室。

接替采区为21采区和32采区，各安排有2个岩巷掘进工作面。

（一）矿井通风系统

矿井为中央分列与中央并列混合抽出式通风系统，副井和混合井进风，东风井、中央风井回风，其中东风井担负11采区回风任务，中央风井主要担负21采区和32采区回风任务。目前矿井总进风量16840m3／min，总回风量17050m3／min。

采煤工作面（140～200m采用U型通风）配风量在2400～2800m3／min，超长采煤工作（200m以上采用E型通风）配风量在3000～3500m3／min，掘进工作面均采用2×37KW或2×30KW高效对旋局部通风机压入式供风，工作面风量在420～580m3／min。

（二）矿井热害情况

1.热害状况

在采取冰冷低温辐射降温系统前，基于矿井地温、水温的影响及夏季高温的作用，在5～10月份井下普遍存在高温现象，尤其是7～9月采掘工作面及设备硐室温度一般都超过30℃，局部作业地点最高环境温度40℃，均超过《煤矿安全规程》的规定，现场作业环境差，影响劳动者身体健康，严重的出现身体不适，影响人员操作安全，降低劳动效率，高温场所设备故障率提高，对机电设备安全可靠运行产生较大影响。

2.热害分析

梁北煤矿是典型的深热矿井，热害来源主要有三个方面，即原岩、疏放的高温寒灰水和排水泵房等大型设备运行产生的热量，其中岩热和压缩热是主要热源；受水温影响，水的散热、散温作用明显。

（1）根据梁北煤矿地质勘探时期测温资料，井田内地温随埋深增加而升高，同时断层对地温的分布也有明显影响，越接近断层地温就越低，地温梯度越高，越远离断层地温越高。2001年6、7、8月平煤集团地测处、武汉平汉矿业制冷空调工程有限公司分别对井下原始岩温、气温、水温进行了测定，通过分析表明，－550m水平以上属I级热害区、以下属II级热害区。

（2）矿井涌水主要为寒武系灰岩水，水温42℃，在排水过程中，无论是自流散热，还是管路散热，通过热交换均对井下风流进行传热，造成采掘工作面等地点风流温度升高，作业环境湿热现象明显。

（3）矿井主排水泵房由于排水泵运行产生热量多，受泵房通风条件的限制，泵房风量较小，散热条件差，当泵房内开2台泵时硐室回风流温度达到38℃，硐室内运行泵附近的局部区域温度有时高达40℃。

（三）热害综合治理措施

1.冰冷低温辐射降温措施

梁北煤矿冰冷低温辐射降温系统原理及工艺流程：在地面建立制冰中心，生产的片冰通过副井井筒一趟Φ325输冰保温管路，靠自重被送至融冰池融化后，供冷泵将池中0～4℃的冰水通过管道输送至需要降温的机电硐室或掘进工作，采用空冷器、喷淋水幕等多元方式进行散冷，降低机电硐室或掘进工作面温度。对于输送至掘进工作面的剩余水再返回融冰池用于融冰。

2.矿井制冰降温系统

梁北煤矿建有一套制冰降温系统，该系统由地面制冷站、井下供冷系统和现场空冷器三部分组成，服务于井下中央泵房、21采区排水泵房、2＃瓦斯抽放泵站及受热害影响的采掘工作面等高温场所。

（1）地面制冰站

地面制冰站由制冰机组和输冰线路组成。

站内共装配了8套由山东新雪股份有限公司生产的一拖三制冷机组。每套设备由一台Y－2B型压缩机、三台X60T型片冰机及一台散热蒸发冷凝器组成，电动机功率为450KW，机组制冷量为990KW，理论制冰量180t／日。矿井制冰系统最大制冰量为1440t／日。

输冰方式采用WLS型无轴螺旋输送机输送至副井井口，再经副井井筒内敷设的一趟Φ325输冰保温管下至融冰池。

（2）井下供冷水系统(www.xing528.com)

井下供冷水系统由融冰池、供冷水泵、供冷管路和空气冷却器组成。

融冰池位于副井底2＃泵房南出口绕道，水池容量286m3；供冷水泵选用MD280型和MD155型供水泵各2台，配套电动机功率分别为355KW和185KW。供冷管路为一进一加的闭合管网系统，分供冷管和回水管，主管均为Φ273钢管，采区支管为Φ159钢管，供冷管路均采取了保温措施。

融冰池泵房安装有本安型可编程监测控制箱，实现了对水池水位、下冰口温度、加水温度和池水温度的连续监测和实时显示。

（3）空气冷却器

根据作业场所热害情况，选择安装不同数量的MK－50KL型、MK－30KL型或MK－400型空气冷却器进行环境降温。

空气冷却器主体结构由外壳、进出风口、进回水分配器、热交换管、保温层等组成，其中热交换管采用纯铜制作，提高热交换效果。空气冷却器额定水压4.0Mpa，设计进水温度6～8℃，回水温度16～18℃，设计进风温度32℃，设计出风温度25℃。

空气冷却器工作原理为：冷水通过分配器到达热交换管，在热交换管内流动的同时将携带的冷量逐渐地传递给在热交换管外面流通的空气，冷却下来的空气在风机作用下送到需要降温的地方。整个过程是单向的空气的流向和冷水的流向的互逆的。

3.降温措施和降温效果

矿井制冰降温系统一般在5月份上旬开始运行至10月中旬结束，主要担负井底3个主排水泵房及变电所、11采区1个底抽巷掘进工作面、21采区中部泵房和32采区掘进工作面的降温任务。期间根据需冷量的变化，同时运行5～7台制冷机组，日制冰量在600～840t，日耗水量约1200m3，日耗电量为5.6～8.1万度。运行期间有专职运行工和维护维修工，根据井下融冰池水温（控制在4℃）调整机组运行数量。

（1）主排水泵房降温：在泵房的入风口分别安装了一台MK－300KL型空冷器，对进入泵房内的空气首先进行了整体降温；同时，每台排水泵配置了MK－50KL型空冷器，对运行中的排水泵就近供冷降温。

（2）掘进工作面降温：在供冷管道的末端，根据作业地点的初始温度、风量等不同情况，分别配备了不同数量的MK－300KL型或MK－400型空冷器，配合局部通风机对掘进工作面风流进行降温，从而改善作业地点的环境温度。

（3）降温效果

从冰冷低温辐射降温系统现场应用来看，该系统在风量、供冷量、供冷距离等因素同时满足下可实现降温5～8℃。

降温系统运行后现场测温结果如下：掘进工作面采取降温措施后，巷道环境温度平均可降低6℃左右；主排水泵房在采取降温措施后，泵房温度可降低6～8℃，对高温作业场所降温取得显著效果，基本解决了高温作业场所的热害问题，改善了职工作业环境。

4.冷水喷淋措施

供冷回水管内的冷水温度一般在16～20℃，水压达到1.0Mpa以上。根据热害场所实际情况，在掘进工作面巷道内、机电硐室排风侧或矿井进风大巷内安装喷淋水幕，与供冷回水管连接，利用回水管内较低温度的冷水通过喷淋水幕雾化，对巷道风流温度进行降温处理，喷淋水幕前后风流可降低1～2℃，起到改善热害场所劳动条件，提高作业人员的舒适度的作用。在降温措施进行中应坚持以下制度。

（1）坚持定期测风制度，加强通风管理和设施维护，科学计算风量，合理分配，确保各用风地点供风量满足要求。加强巷道维修和日常工作检查，防止巷道失修或巷内物料堆放面积超过巷道断面的1／3。

（2）坚持测温制度。每班由瓦斯检查员对作业地点温度进行测定，每旬由测风员对矿井环境温度进行测定。根据测温结果，采取针对性措施进行处理。

（3）巷道水沟全部加盖水沟盖板。对于损坏、缺失的，及时更换或补齐，尽可能减少流水散热影响。

（4）对主副井泵房水仓来水道进行封闭，隔绝水仓热源，防止大量热量进入大巷进风流中。

三、城郊煤矿热害分析及防治措施

城郊矿井为永城矿区建设第三对大型矿井，设计生产能力为240万t／a，主副井深分别为540m和565m，于2002建成投产，在生产初期在矿井西北各采区，存在出水温度38.8℃到40℃的二级热害区矿采取了适合本矿条件的通风，制冷降温措施，为解决矿井热害难题收到较好效果，叙述于后：

（一）矿井热源

1.地面大气。夏季高温季节，地面平均气温27℃，湿度高达70%。矿井进风温度高且湿度大。

2.地热。根据《城郊煤矿原岩温度测定及矿井热源分析报告》，从原岩温度测试结果来看，城郊煤矿西北二2煤层测点的原岩温度表现出较大的复杂性，在各个测点中，西北翼轨道运输石门和胶带运输石门的原岩温度测试结果均高于31℃，存在有一级热害区；西北翼胶带运输石门C7和西北翼胶带运输石门C21测点的测试结果大于37℃，最高达38.38℃，存在有二级热害区。

3.氧化热。井下煤、含炭、含硫围岩及支护材料的氧化散热，也会使矿井气温升高。

4.摩擦生热。空气沿巷道向需风地点流动时，风流与巷道壁摩擦生热。西北翼通风路线长，最大阻力路线长达10000m，使矿井气温升高。

5.水热。根据《城郊煤矿原岩温度测定及矿井热源分析报告》，对于矿井西翼地温异常问题，测试时对周边巷道观察发现，测试温度高的地点巷道顶板一般淋水较大，说明西翼12采区煤系地层原岩温度受热水涌出的影响大。受热水分布不均的影响，该区域内的原岩温度分布表现出不均衡性，结合区域内的地质构造情况，认为与F4断层的影响有关。受F4断层的影响，附近衍生出DF23、DF27、DWF19、DEF22及DWF23等小断层，且受这些断层的影响，二2煤层与底板围岩含水层相连接，造成该区域地温异常。西北各采掘地点施工地质钻孔时，钻孔出水温度高达40℃，水直接流入巷道水沟；另外，西北的供水源出水温度达37℃，水直接用于巷道冲尘，增加巷道温度及湿度。虽然大巷水沟设有盖板，但各采掘工作面的水沟无盖板，造成顶板淋水严重。

6.其他热害。爆破热、人体散热、煤矸运输过程散热、照明灯具散热，电缆、电线、机电设备散热等，亦会使矿井气温升高。

综上所述，城郊煤矿西北各采掘工作面等地点的高温主要来源于围岩高地温和高温水。

（二）矿井热源危害

矿井热源对人体造成伤害，直接损害职工的身心健康。高温、高温一旦达到一定程度、超出人体承受能力，就会严重伤害职工身体，引发疾病，造成出勤率低、职工工作效率低下。

（三）矿井热害防治措施

1.改善通风环境

夏季高温季节，井下各施工地点的温度、湿度也随之升高，为保证井下通风系统稳定可靠，有效避免因人为使用不当而造成的风量漏失，防止职工中暑等现象，制订了《夏季高温季节通风管理补充措施》。风量已经满足作业规程需要时，可采用增加风量、提高风速的办法来改善作业环境。增加风量、提高风速，可以调节人体散热条件。该矿21402轨道运输巷、21402胶带运输巷、西北胶带巷等掘进工作面使用FBD№6.3／2×22型通风机、直径为800mm的风筒供风，掘进工作面风量400～450m3／min，21201采煤工作面风量1236m3／min。回风巷道增加风量、风速后，围岩及水等产生的热源迅速被带走，同时也不同程度地降低了湿度，同比后巷温度下降了1～2℃，湿度下降3%左右。

2.控制水量和外放热量

矿井西翼由于风温受热水涌出影响较大，井下大巷和采区巷道应全部采用加盖板的水沟排水；在采掘工作面利用聚乙烯排水管路将涌水直接排至大巷水沟，避免涌水漫流巷道；切实做好顶底板水的防治工作。对开采煤层顶、底板水，在开采之前必须加强探放与堵截相结合的防治水措施，通过堵截可以避免深部承压水上涌，减少了开采过程中涌水量。

通过采取各种方法防治水向外释放热源，大巷温度下降了1～2℃。

3.采用机械制冷技术

在西风井工业场地内建立地面制冷站，通过两级电制冷在地面制成0℃的19.8%的乙二醇溶液，西进风井井筒内安装2趟DN300保温管道，西进风井井底附近分别安装高低压换冷器，地面制冷站与井下换热器之间形成高压乙二醇溶液循环；井下换热器与采掘工作面空冷器之间形成低压冷水循环。制冷站排热采用冷却塔，直接排往大气。

（1）降温方式

①采煤工作面。针对采煤工作面热源特点，采面轨道巷内布置15台HPSCC－50型空冷器，采面下口往轨道巷600m范围内布置3组空冷器，每组5台。每组串联运行，配置2×11kW局部通风机1台。空冷器循环水量为62m3／h。冷冻水供水温度6℃，闭式水系统回水温度18℃。

②掘进工作面。在每个掘进工作面配用2台HPSCC－150型空冷器，安设在局部通风机后100m处。空冷器循环水量为22m3／h。

（2）降温系统投入情况

降温Ⅰ期工程投资3173万元。21202采面单独使用降温制冷系统时，整个制冷系统每天共计用电量为12862kW·h，电费按0.56元／（kW·h）（税前）计算，平均电费为7202.72元／日。

21402轨道运输巷、21402胶带运输巷2个掘进工作面共同使用时，整个制冷系统每天用电量共计9973kW·h，电费按0.56元／（kW·h）（税前）计算，平均电费5584.88元／日。

（3）降温系统效果分析

①21202采煤工作面安装5组空冷器，配备2台2×15kW风机、直径为600mm风筒，2012年8月10日制冷系统投入运行。降温系统使用效果见表12－13由表可知，制冷系统运行前后，工作面温度下降3.4℃，湿度下降10%。

表12－13　降温系统使用效果

备注：2013年9月l7日后地面温度下降到18～25℃，停止使用降温系统。

②21402轨道运输巷、21402胶带运输巷掘进工作面各安装1组空冷器，配备l台2×22kW风机、直径为800mm风筒，2013年7月1日制冷系统投入运行。使用效果如图12－7所示。

图12－7　制冷系统在21402两运输巷的使用效果

（四）结语

城郊煤矿部分区域存在高温热害，此次降温主要针对－495m水平西北区域的1个回采工作面和2个掘进工作面，回采工作面环境温度为26.0～30.4℃，湿度达96%；掘进工作面环境温度为27.0～30.0℃，湿度达89%。通过多种措施，使采掘工作面温度下降3～5℃，湿度下降10%左右。

城郊煤矿热害治理采用电一乙二醇低温制冷降温系统，不仅有效地降低了工作面空气温度，大大改善了工作环境，保证了作业人员的生产安全，而且为解决永城矿区的井下热害问题提供了充分的理论和现实依据，具有良好的社会效益和经济效益。