礦井地熱

一個礦區(qū)(礦井)的地溫場是當?shù)亻L期地質(zhì)歷史發(fā)展的結(jié)果，它受大地構(gòu)造性質(zhì)、巖石熱物理性質(zhì)、基底起伏與褶皺構(gòu)造、深大斷裂、地下水活動的狀況、局部熱源等多種地質(zhì)條件的影響。

大地構(gòu)造性質(zhì)在中、新生代造山帶等地殼強烈活動區(qū)，地溫場的特征是熱流值大，地溫高，平均地溫梯度大; 而在古老的地盾和地臺區(qū)等地殼運動相對穩(wěn)定區(qū)，地溫場的特征則正好相反，熱流值小，地溫梯度小，地溫低。但地臺區(qū)在中、新生代有由伸展運動引起的斷裂帶，地溫偏高。

巖石熱物理性質(zhì)巖石熱物理性質(zhì)包括熱導率、比熱和導溫系數(shù)等。它們決定著巖石傳導、儲存和擴散地熱的能力，是評價礦區(qū)地溫場不可缺少的重要參數(shù)。熱導率低的巖石，地溫梯度大;熱導率高的巖石，地溫梯度小。沉積巖中，煤的熱導率低，在煤層較厚或煤層集中分布的地段，地溫梯度大。

基底起伏與褶皺構(gòu)造在深度相同的條件下，基底隆起區(qū)比相鄰拗陷區(qū)，背斜部位比相鄰向斜部位的地溫高，地溫梯度大 (圖5)。

深大斷裂通達上地幔的深大斷裂，是深部巖漿、熱水等熱載體的上升通道。因此，鄰近深大斷裂的煤田，熱流值偏大，地溫偏高。但深大斷裂各段的力學性質(zhì)及圍巖的熱物理性質(zhì)有差異，熱載體活動不均勻，深大斷裂兩側(cè)的地熱狀況也存在差別。

地下水活動在地下水由地表向下強烈活動區(qū)，地下水起降溫作用，形成低地溫區(qū)。地下水在深部被地溫加熱后，又流向淺部，使附近地溫升高，把礦井變?yōu)楦邷氐V井。重慶北碚的北溫泉，廣西合山煤礦的熱水，就屬這種成因。

局部熱源①礦山附近有近期的巖漿活動時，火成巖體在冷卻過程中釋放的熱量，可使附近地溫升高。②礦山附近巖層和巖體內(nèi)有放射性元素富集時，它們的衰變熱可使地溫升高。③金屬硫化物的氧化，也可使局部地溫升高。

包括地溫測量、恒溫帶確定、地溫梯度計算，巖石熱物理性質(zhì)測定，熱流值計算和礦區(qū)深部地溫預測等。

地溫測量通過鉆孔或炮眼，利用測溫儀器測定地溫。鉆孔測溫方法分為穩(wěn)態(tài)測溫和非穩(wěn)態(tài)測溫兩種。穩(wěn)態(tài)測溫是指沖洗液溫度與圍巖溫度已達平衡，孔內(nèi)溫度處于完全穩(wěn)定狀態(tài)，鉆孔所測各段沖洗液溫度即代表圍巖溫度。非穩(wěn)態(tài)測溫是沖洗液溫度與圍巖溫度尚未達到完全平衡狀態(tài)時的鉆孔測溫。

恒溫帶確定恒溫帶的深度與溫度，一般通過恒溫帶觀測孔來確定，在冬季和夏季分別測溫，頂部的交點即恒溫帶 (圖2)。在沒有觀測孔的條件下，可根據(jù)地面氣象資料確定，即用當?shù)啬昶骄鶜鉁丶?.5～2℃。深度用一般測溫孔的曲線標定。2100433B

在地殼近地表的淺部，一方面把地球深處傳導上來的熱流散發(fā)到空間; 另一方面又接受來自太陽的輻射熱。這種放熱與吸熱的相互作用，構(gòu)成地殼淺部的地溫場。據(jù)地溫測量資料，地殼淺部地溫場呈現(xiàn)分帶現(xiàn)象，由上而下可分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶等三帶 (圖1、圖2)。

變溫帶位于地殼最上部，主要受太陽輻射熱影響，溫度發(fā)生周期性變化的層帶。它可分為日變溫帶和年變溫帶。一般。日變溫帶深度僅1～2m;年變溫帶則可達15～30m。變溫帶內(nèi)地溫場的變化特點是，地溫隨地表氣溫呈近似正弦曲線的周期變化，但是兩者變化不同步，地溫比氣溫滯后一段時間，同時地溫的變化幅度小于氣溫的變化幅度，并隨深度增加而銳減(圖3)。

恒溫帶位于變溫帶之下，太陽輻射熱與地球內(nèi)部熱相互作用達到平衡、溫度常年不變的層帶。恒溫帶一般很薄。它的溫度約比當?shù)啬昶骄鶜鉁馗?.5～2℃。恒溫帶的深度多數(shù)在地表下15～30m。恒溫帶的深度和溫度，在一定程度上反映一個地區(qū)的熱狀況和熱歷史，對評價深部地溫、地熱資源有參考意義。

增溫帶位于恒溫帶之下，主要受地球內(nèi)部熱流控制，溫度隨深度增加而增高的層帶。增溫帶的溫度隨深度的變化率，用地溫梯度或地溫率表示。地溫梯度又稱地熱梯度，是由地表向地心方向單位距離內(nèi)溫度增加的數(shù)值，通常用每100m或1000m深度內(nèi)溫度增加的數(shù)值表示(℃/100m或℃/1000m)。地溫率是地溫梯度的倒數(shù)。

地溫梯度受多種因素影響。不同地區(qū)或同一地區(qū)不同深度的地溫梯度均存在變化，但由地表向深部，地溫梯度有變小的趨勢，因而不能用淺部的地溫梯度無限下推。實測的地溫曲線可以反映一個地區(qū)的地熱狀況并計算相應(yīng)的地溫梯度 (圖4)。

中國科學院地質(zhì)研究所通過對中國東部各類礦山的地溫狀況的研究，于1978年提出了礦山地溫類型的初步劃分方案，1988年又作了修訂，把礦山分為低地溫梯度類(包括深源低熱型、地下水循環(huán)冷卻型)、中常地溫梯度類、高地溫梯度類(包括深源高熱型、局部聚熱型及基底隆起亞型和高熱阻巖蓋亞型以及高熱導巖帶亞型、附加熱源型及巖石高產(chǎn)熱亞型及熱水循環(huán)亞型)等三類、五型、五亞型，并提出了各類型礦山地溫場研究方法和礦山高溫對策的原則性考慮。

地熱在煤礦開采中普遍存在。解決地熱問題的傳統(tǒng)方法是加強礦井通風。但是當進入深礦井開采后，由于地熱大，僅靠通風有時不能使礦井溫度達到規(guī)定的環(huán)境標準。因此，在深礦井開采中，要有效地控制地熱，除了搞好礦井通風外，還要采取一些專門的方法和措施。

地熱控制就是控制礦井溫度，即把較高的礦井溫度降低到允許的溫度。地熱控制有效的方法是在礦井或采區(qū)安裝空調(diào)機，進行制冷降溫。安裝礦井空調(diào)需要增加制冷設(shè)備投資和制冷設(shè)備運行費用，從而增加礦井投資和煤炭成本。礦井空調(diào)在一些發(fā)達國家，如前蘇聯(lián)、前西德、英國等國家使用早、發(fā)展快 。

隨著對礦井空調(diào)研究的深入，安裝空調(diào)的礦井越來越多，礦井空調(diào)的總制冷量逐年增加。如前西德在20世紀70-80年代，大規(guī)模發(fā)展空調(diào)，空調(diào)制冷量平均每年增加30MW。前蘇聯(lián)、波蘭等國也在不同時期經(jīng)歷了大規(guī)模發(fā)展的階段。這些國家礦井空調(diào)技術(shù)都已達到了比較高的水平 。

我國在礦井空調(diào)發(fā)展方面與國外存在較大差距：

（1）礦井空調(diào)發(fā)展緩慢，我國從20世紀80年代開始研究礦井空調(diào)，“平頂山八礦礦井降溫技術(shù)研究”是“七五”國家科技攻關(guān)項目。但到僅有少數(shù)礦井采用空調(diào)，礦井空調(diào)總制冷量小。

（2）空調(diào)安裝多采用分散式，大多僅用于采掘工作面降溫。

（3）空調(diào)設(shè)備質(zhì)量不過關(guān)，使用中故障多，使用壽命短。

在礦井空調(diào)技術(shù)方面的以上差距也反映了我們在深礦井開采中的差距。對礦井空調(diào)的認識不足，重視不夠?？照{(diào)雖然會增加礦井負擔，但它是我們深礦井開采中解決熱害問題的一種必要手段 。2100433B