高地温矿井巷道围岩调热圈温度分布规律试验研究

高地温矿井巷道围岩调热圈温度分布规律试验研究
王亚超;王伟峰;韩力;周建
【摘要】矿井热害给井下作业人员健康和安全生产带来威胁.为了掌握高地温矿井巷道围岩调热圈温度分布规律,提出了巷道围岩测温钻孔及感温光缆的布置方式,通过分布式光纤测温系统的工业性试验,得出以下结论:随巷道围岩钻孔的延深,温度增长率不断减小,先上升后趋于平稳;通过加权平均与数据拟合方法,确定了巷道围岩温度和孔深的定量关系,测出1号、2号、3号钻孔的调热半径分别为
30.95,30.25,30.75 m,实测巷道围岩调热圈半径最大为33 m;通过巷道围岩调热圈计算软件,验证了预测值与围岩钻孔实测结果基本一致.研究结论对矿井热害科学防治、保障职工身体健康和提高矿井热害防治技术水平具有重大的现实意义.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2018(040)007
【总页数】5页(P44-48)
【关键词】高地温;巷道围岩;调热圈;温度分布
【作者】王亚超;王伟峰;韩力;周建
【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安 710054;陕西省煤火灾害防治重点实验室,陕西西安 710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安 710054;陕西省煤火灾害防治重点实验室,陕西西安 710054;山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽 274918;山东新巨龙能源有限责任公司,山东菏泽 274918【正文语种】中文
【中图分类】TD76
0 引言
随着矿井开采深度的增加，高温、高湿等矿井热害环境给煤矿安全生产及井下工作人员安全健康带来了极大的危害［1-4］。

矿井热害是指井下风流的温度、湿度、风速和焓值达到一定状态后，导致人体散热困难，作业人员感到闷热，劳动生产率下降，进而出现大汗不止、体温升高、头昏、虚脱、呕吐等症状，甚至造成作业人员伤亡［5-7］。

18世纪末，英国学者发现，随矿井开采深度增大，地温逐渐增高。

20世纪前苏联和德国调查研究表明，矿井的作业环境温度超标1℃，作业生
产率将会降低6.8%，当矿井作业环境温度超过28℃时，事故发生率将会增加20%［8］。

1979年，日本学者对7个矿井开展了调查研究，经对比分析发现，作业
人员在30～37℃的矿井作业环境中的事故发生概率比在30℃以下环境中高
1.15～
2.13倍［9］。

新巨龙公司龙固煤矿是典型高地温矿井，煤层原始温度高，涌水严重。

3号煤层处于一级高温区或二级高温区，且以二级高温区为主，煤层底板平均温度为41.38℃;涌水量可达1 700 m3/h，涌出水温度达48～51℃。

高地温、高温涌水等井下热
害环境，严重威胁着该矿的安全生产及职工身体健康。

本文以3号煤层为研究对象，研究巷道围岩测温钻孔及感温光缆的布置方式，开展调热圈温度分布规律测试与分析，为高地温矿井热害的治理提供基础依据。

1 巷道测温钻孔及感温光缆的布置方式
测温钻孔布置在辅二大巷和三采煤仓检修通道的联络巷中部，距辅二大巷50 m，分布式光纤测温主机位于联络巷上部风门外与三采煤仓检修通道连接处。

联络巷位于矿井的进风侧，通风时间为3年，由于两端有风门限制，使得通风量为80
m3/min。

联络巷的基本信息见表1。

表1 联络巷基本信息Tab.1 Information of crossheading通风时间形状3年 80 110 4.5 3.9 16.26风量/(m3·min －1)巷道长度/m巷道宽度/m巷道高度/m断面面积/m2半圆拱
感温光纤敷设在三采煤仓检修通道风门外50 m处的联络巷3个钻孔内。

其中，1号钻孔与巷道走向方向垂直，且水平夹角为6°，距巷道底板1.1 m，孔深55 m，感温光缆长100 m。

2号钻孔为中间钻孔，位于巷道弧顶中部，与巷道走向方向
成70°夹角，孔深50 m，感温光缆长170 m。

3号钻孔与巷道走向方向垂直，且水平夹角为55°，距底板2.6 m，孔深50 m，感温光缆长128 m。

通过单向固定装置将3根感温光缆固定于钻孔内，孔口用水泥封死。

分布式光纤测温主机通过
三采配电所环网交换机将数据传输至地面。

巷道测温钻孔布置如图1—图4所示。

图1 巷道测温钻孔的布置Fig.1 Layout of temperature measurement borehole in roadway
图2 1号钻孔的布置Fig.2 Layout of No.1 boreholes
图3 2号钻孔的布置Fig.3 Layout of No.2 boreholes
图4 3号钻孔的布置Fig.4 Layout of No.3 boreholes
2 钻孔的温度分布试验及分析
1号钻孔于2015年8月10日施工，8月11日完成，感温光缆于8月12日敷设于钻孔内测温，钻孔温度分布如图5所示。

由图5可知，随钻孔延深，温度增长
率不断减小，先上升后趋于平稳，在32.75 m达到最大值40.23℃。

8月14日后钻孔温度趋于稳定，钻孔深处的温度接近原岩的温度，即调热圈岩石的温度。

图5 1号钻孔的温度分布Fig.5 Temperature distribution of No.1 boreholes
2号钻孔于2015年8月3日施工，8月6日完成，感温光缆于8月7日敷设于钻孔内测温，钻孔温度分布如图6所示。

由图6可知，随钻孔延深，温度增长率不
断减小，先上升后趋于平稳，孔深超过30 m后温度趋于平缓，最大值40.3℃。

8
月10日后钻孔温度趋于稳定，孔深超过29.5 m后，钻孔深处的温度接近原岩的
温度，即调热圈岩石的温度。

3号钻孔于2015年8月7日施工，8月9日完成，感温光缆于8月10日敷设于钻孔内测温，钻孔温度分布如图7所示。

由图7可知，随钻孔延深，温度增长率
不断减小，先上升后趋于平稳，孔深超过30 m后温度趋于平缓，最大值为
40.8℃。

8月13日后钻孔温度趋于稳定，孔深超过30.5 m后，钻孔深处的温度
接近原岩的温度，即调热圈岩石的温度。

图6 2号钻孔的温度分布Fig.6 Temperature distribution of No.2 boreholes
图7 3号钻孔的温度分布Fig.7 Temperature distribution of No.3 boreholes
3 巷道围岩调热圈温度分布规律
3.1 巷道不同方位钻孔温度的变化规律
对1号钻孔温度稳定后的数据取加权平均值，以消除系统误差，提高准确度，然
后进行拟合，如图8所示，1号钻孔拟合函数:y= －6×10－7 x5+8×10－5x4－0.004x3+0.082x2－0.240x+33.53，拟合度R2=0.997，确定了围岩温度和孔深
的定量关系。

岩温随孔深的增加逐渐升高，温度增长率随孔深的增加而逐渐减小，当超过30 m后温度趋于稳定，1号钻孔调热半径为30.95 m。

孔深超过调热圈后，孔温趋于稳定(图8)。

对2号、3号钻孔温度数据取加权平均值，以消除系统误差，提高准确度，然后进行拟合，如图9—图10所示，巷道围岩2号、3号钻孔温度与钻孔深度的拟合公
式为:y= －5×10－7 x5+7×10－5 x4－0.003 4x3+0.060 8x2－0.022
9x+32.513，R2=0.998 5;y= －3×10－7x5+5×10－5 x4－0.002 8x3+0.058
8x2－0.135 4x+33.332，R2=0.999 5。

通过拟合公式确定了2号、3号围岩温度和孔深的定量关系。

岩温随孔深的增加逐渐升高，温度增长率随孔深的增加而逐渐减小，当超过30 m后温度趋于稳定，2号钻孔调热半径为30.25 m，3号钻孔调
热半径为30.75 m。

孔深超过调热圈后，孔温趋于稳定。

图8 1号钻孔温度与孔深之间的关系Fig.8 Relationship between temperature and hole depth of No.1 boreholes
图9 2号钻孔温度与孔深之间的关系Fig.9 Relationship between temperature and hole depth of No.2 boreholes
图10 3号钻孔温度与孔深之间的关系Fig.10 Relationship between temperature and hole depth of No.3 boreholes
3.2 巷道调热圈温度场分布规律
岩体在未开掘巷道前，各点温度均处于平衡状态，保持原始岩温。

当开掘巷道通风后，因围岩与风流间存在温度差，岩体从深部向巷壁发生热传递，围岩内各点的温度随风流流动而递减，但距井巷中心某一距离的围岩深部，岩体仍保持着原来的原始岩温，即原始岩温等温线所包围的区域称为巷道围岩调热圈。

调热圈内的温度分布称为调热圈温度场，调热圈温度场的等温线是一组近似的同心圆。

从井巷中心到调热圈极限边界的距离称为调热圈半径，其大小受原始岩温、风流温度、岩石热物性、风速及通风时间等多种因素的影响。

对于某一处巷道，随通风时间延长逐渐变大，当通风时间足够长时变化较小，基本相对稳定，即认为接近最大值。

将试验测得的钻孔测温数据向垂直于巷道的面上投影，将不同钻孔相同温度的点用类似于巷道半径的曲线连接，直到孔温与原始岩温相等，形成的温度场为巷道调热圈温度场。

达到原始岩温的等温线所包围的范围称为巷道围岩调热圈，三采煤仓检修通道与辅二大巷联络巷的围岩调热圈如图11所示。

图11 巷道围岩调热圈温度场分布Fig.11 Distribution of temperature field in heat transfer ring of roadway surrounding rock
由图11可知，围岩调热圈的温度场是相似的同心圆，距离巷道壁面越远则围岩温度越高，相同温差等温线之间的距离就越大。

岩温超过40.5℃后不再升高，判定
原始岩温为40.5℃。

巷道调热圈半径等于岩温未稳定段岩石的厚度加上巷道的等
效半径，得到被测巷道的围岩调热圈半径最大为33 m。

围岩的调热圈半径随通风时间的延长不断增加，增加速率不断减小。

当围岩调热圈趋于稳定后，调热圈内岩温因巷道风流温度的变化而变化，主要表现为调热圈浅部围岩温度随风流温度的变化而发生规律性的变化。

4 巷道围岩调热圈预测验证
将实测钻孔的温度值与围岩调热圈预测软件的预测值对比，结果如图12所示。

巷道围岩调热圈计算软件预测值与围岩钻孔实测结果基本一致，均随围岩深度的增加，岩温逐渐升高，围岩深度大于30 m后岩温趋于稳定，达到原始岩温。

调热圈预测软件预测结果验证了实际围岩调热圈内温度场的变化规律和调热圈半径。

该软件可对不同情况下巷道围岩调热圈温度场进行准确预测，为确定矿井围岩对风流的散热量以及风温预测提供依据。

图12 巷道围岩调热圈预测值与实测值对比Fig.12 Comparison between predicted value and measured value of surrounding rock in tunnel
5 结论
(1)通过工业性试验，提出了巷道围岩测温钻孔及感温光缆的布置方式，为现场应
用提供了科学指导与借鉴。

(2)随巷道围岩钻孔的延深，温度增长率不断减小，先上升后趋于平稳，钻孔深处
的温度接近原岩温度，即为调热圈岩石的温度。

(3)采用分布式光纤测温系统，通过围岩钻孔测量巷道围岩内温度场，测定了辅二
大巷与三采煤仓检修通道联巷围岩原岩温为40.5℃，通风3年巷道的调热圈半径
为33 m。

(4)通过对岩温与孔深的拟合公式，确定了巷道围岩温度和孔深的定量关系，1号、2号、3号钻孔的调热半径分别为30.95，30.25，30.75 m。

(5)围岩调热圈的温度场是相似的同心圆，距离巷道壁面越远则围岩的温度越高，相同温差的等温线之间的距离就越大，实测巷道围岩调热圈半径最大为33 m。

参考文献(References):
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