三都矿区地温分布规律及矿井冷负荷计算方法研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 三都矿区地温分布规律及矿井冷负荷计算方法研究三都矿区地温分布规律及矿井冷负荷计算方法研究 学位类型学位类型 学术性学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 供热、供燃气、通风及空调工程 作者姓名作者姓名 曹瑜 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 邹声华 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 邹声华 教授 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 1 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD727 三都矿区地温分布规律及矿井冷负荷计算方法研究三都矿区地温分布规律及矿井冷负荷计算方法研究 学位类型学位类型 学术性学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 供热、供燃气、通风及空调工程 作者姓名作者姓名 曹瑜 作者学号作者学号 12010202041 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 邹声华 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 邹声华 教授 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 1 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 Research on Ground Temperature Distribution Law And Cooling Load Calculation In SanDu Mine Type of Degree Academic Degree Discipline Heating， Gas Supply， Ventilating and Air Conditioning Engineering Candidate Cao Yu Student Number 12010202041 Supervisor and Professional Title Prof. Zhou Shenghua Practice Mentor and Professional Title Prof. Zhou Shenghua School School of Energy and Safety Engineering Date June 1，2015 University Hunan University of Science and Technology 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 i 摘摘 要要 浅部煤炭资源即将枯竭，煤炭的深部开采势在必行，然而越靠近地心，岩石的温度 越高，由此产生了深井热害现象，严重影响到了生产效率和工人的身体健康，三都矿区 目前最深开采深度为﹣800m 水平，热害现象突显，由于以前矿区开采深度不大，地质 勘探时并不太重视地温升高对矿井正常生产的负面效果。 本课题首先对三都矿区地水文地质资料进行了收集整理， 现场调查了三都矿区的唐 洞矿和周源山矿，并且现场采集了两个矿井的一些地温数据，第二，对收集和现场实测 的地温数据和地质资料进行了处理分析，对一些近似稳态测温钻孔的数据进行了修正， 确定了三都矿区恒温带的深度，使用 MATLAB 分别对周源山矿和唐洞矿的地温数据进 行拟合，分别得出两矿井的地温预测公式，并使用 surfer 专业绘图软件绘制了三都矿区 四煤煤层底板等高线图、四煤煤层底板等温线图、四煤煤层底板等地温梯度线图和三都 矿区一、 二级热害的区域划分图； 由所绘制的等值线图可知 矿区地温梯度在正常范围， 一级热害区的范围为﹣420m 水平～﹣650m 水平，二级热害区在﹣650m 水平以下。第 三， 对三都矿区的矿井热害的热源进行了分析， 并以 3212 回采工作面为例， 计算了 3212 回采工作面的各个热源的放热量，分析了各个热源放出的热量占总放热量的比例，其中 围岩放热占 60以上，因为上述各个热源放热计算比较复杂，本文第五章所编写的三都 矿区地温预测及矿井冷负荷计算软件，采用的是深井空调冷负荷计算反分析法。第四， 基于三都矿区的水文地质资料、三都矿区地温预测公式和深井空调冷负荷反分析算法， 使用快速应用程序开发软件 Delphi，编写了一个针对三都矿区的矿井空调冷负荷计算及 地温预测软件 ，使用效果达到预期目标，研究为三都矿区进一步向深部开采过程中， 为深井热害防治提供了技术性的参考。 关键词深部开采，深井热害，地温，热源，矿井空调冷负荷，Delphi； ii ABSTRACT The coal that was not buried deep, will be mined-out. However, the clooser to the center of the earth, the higher the temperature of the rocks, resulting the phenomenon of heat disaster in deep mine. Heat disaster is serious impact on the productivity and health of workers. Currently, the depth of deepest mining area in SanDu mine was﹣800 meters. Phenomenon of heat disaster was obvious. Previously, the mining area is not deep, not paid much attention to the temperature rise of the mine area during the geological exploration. In this paper, firstly, investigated TangDong mine and ZhouYuanShan mine, collected hydrological data and geological data of SanDu mine. Secondly, processing and analysis these data, corrected the approximate steady-state temperature borehole data. Determine the depth of thermostat area in SanDu mine. Used MATLAB fiting geothermal data, prediction ulas of geothermal in two mines were derived, use professional graphics software named surfer, to draw contour chart of 4th coal seam in SanDu mine, isotherm chart of 4th coal seam, the contour chart of geothermal gradient of 4th coal seam , and the mining area is divided into first order heat disaster area and second order heat disaster area. The figure shows geothermal gradient in the normal range, first order heat disaster areas level ranges for -420m to -650m; second order heat disaster areas level was -650m below. Thirdly, Analyzed Heat Source of Sandu mine, take 3212 mining area for example, calculated the value of each Heat Source of the 3212 mining area, analyzed the proportion of each Heat Sources value in total Heat Sources value, value of the heat emitting from the Wall Rock accounted for more than 60, because the calculation of each Heat Sources value were complex, the software of cooling load calculation and geothermal forecasting for Sandu mine mentioned in chapter five was based on the back analysis algorithm of cooling load in deep mines .Fourthly, based on hydrological data, geological data, ula of earth temperature prediction and back analysis algorithm of cooling load, use rapid application development software named Delphi, wrote a software of cooling load calculation and geothermal forecasting for Sandu mine, it meets the achieve the desired goals. This paper provides technical reference to deep mining heat disaster prevention in Sandu mine. Keywords Deep Mining; Deep heat injury; Ground temperature; Heat source; Cooling load in deep mines; Delphi 目录目录 摘摘 要要 ...................................................................................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................................................................................ii 第一章第一章 绪论绪论 ....................................................................................................................................... ‐ 1 ‐ 1.1 论文的选题依据以及研究的意义 .......................................................................................... ‐ 1 ‐ 1.1.1 论文的选题依据 ................................................................................................................ ‐ 1 ‐ 1.1.2 论文的研究意义 ............................................................................................................... ‐ 1 ‐ 1.2 国内外矿山热环境的研究历史及现状 .................................................................................. ‐ 3 ‐ 1.2.1 国外研究历史及现状 ....................................................................................................... ‐ 3 ‐ 1.2.2 国内研究历史及现状 ....................................................................................................... ‐ 4 ‐ 1.2.3 三都矿区热害与治理现状 ................................................................................................ ‐ 6 ‐ 1.3 论文研究的主要内容及方法 ................................................................................................... ‐ 6 ‐ 1.3.1 研究的主要内容 ................................................................................................................ ‐ 6 ‐ 1.3.2 主要研究方法及思路 ........................................................................................................ ‐ 7 ‐ 第二章第二章 三都矿区工程地质与水文地质条件分析三都矿区工程地质与水文地质条件分析 ........................................................................... ‐ 9 ‐ 2.1 三都矿区概况 .......................................................................................................................... ‐ 9 ‐ 2.2 三都矿区工程地质特征 ........................................................................................................ ‐ 10 ‐ 2.2.1 地层与煤层特征 .............................................................................................................. ‐ 10 ‐ 2.2.2 主要地质构造 .................................................................................................................. ‐ 11 ‐ 2.3 三都矿区水文地质条件分析 ................................................................................................. ‐ 14 ‐ 2.3.1 地表水体及井泉分布 ...................................................................................................... ‐ 14 ‐ 2.3.2 含水层和涌水 .................................................................................................................. ‐ 15 ‐ 2.4 本章小结 ................................................................................................................................. ‐ 16 ‐ 第三章第三章 三都矿区的地温分布规律研究三都矿区的地温分布规律研究 ......................................................................................... ‐ 17 ‐ 3.1 勘探及现场钻孔测温资料分析 ............................................................................................. ‐ 17 ‐ 3.1.1 井巷钻孔测温 .................................................................................................................. ‐ 17 ‐ 3.1.2 地面钻孔测温 .................................................................................................................. ‐ 17 ‐ 3.2 恒温带深度和温度 ............................................................................................................. ‐ 19 ‐ 3.3 地温梯度的计算 ..................................................................................................................... ‐ 20 ‐ 3.4 三都矿区地温预测 ................................................................................................................. ‐ 21 ‐ 3.5 煤层底板等高线和等温线图 ................................................................................................. ‐ 24 ‐ 3.6 影响三都矿区地温分布的因素 ............................................................................................. ‐ 25 ‐ 3.7 本章小结 ................................................................................................................................. ‐ 27 ‐ 第四章第四章 矿井热源调查分析矿井热源调查分析 ............................................................................................................. ‐ 29 ‐ 4.1 矿井热源调查 ......................................................................................................................... ‐ 29 ‐ 4.2 三都矿区各热源分析 ............................................................................................................. ‐ 36 ‐ 4.3 深井热荷载计算反分析法 ..................................................................................................... ‐ 37 ‐ 4.4 本章小结 ................................................................................................................................. ‐ 38 ‐ 第五章第五章 三都矿区地温预测及矿井冷负荷计算软件设计与实现三都矿区地温预测及矿井冷负荷计算软件设计与实现 ................................................. ‐ 39 ‐ 5.1 软件开发工具的选择 ............................................................................................................ ‐ 39 ‐ 5.1.1 delphi ................................................................................................................................ ‐ 39 ‐ 5.1.2 Access 数据库 .................................................................................................................. ‐ 41 ‐ 5.2 软件设计原则 ......................................................................................................................... ‐ 42 ‐ 5.3 架构设计 ................................................................................................................................ ‐ 43 ‐ 5.3.1 体系结构 ......................................................................................................................... ‐ 43 ‐ 5.3.2 功能结构 ......................................................................................................................... ‐ 43 ‐ 5.4 用户界面的设计思想 ............................................................................................................ ‐ 44 ‐ 5.4.1 可用性设计 ..................................................................................................................... ‐ 44 ‐ 5.4.2 模块化设计 ..................................................................................................................... ‐ 44 ‐ 5.5 三都矿区地温预测及矿井冷负荷计算软件的设计 ............................................................. ‐ 44 ‐ 5.5.1 登录界面设计 .................................................................................................................. ‐ 44 ‐ 5.5.2 主菜单界面设计 .............................................................................................................. ‐ 44 ‐ 5.5.3 各窗口界面的设计 ......................................................................................................... ‐ 45 ‐ 5.6 本章小结 ................................................................................................................................ ‐ 53 ‐ 第六章第六章 结论与展望结论与展望 ......................................................................................................................... ‐ 55 ‐ 6.1 结论 ......................................................................................................................................... ‐ 55 ‐ 6.2 展望 ......................................................................................................................................... ‐ 56 ‐ 参考文献参考文献 ........................................................................................................................................... ‐ 57 ‐ 致谢致谢 ................................................................................................................................................... ‐ 59 ‐ 硕士培养期间的主要成果硕士培养期间的主要成果 ............................................................................................................... ‐ 61 ‐ - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 论文的选题依据以及研究的意义论文的选题依据以及研究的意义 1.1.1 论文的选题依据论文的选题依据 随 着 采 矿 业 的 发 展 和 现 代 化 社 会 对 资 源 的 需 求 量 的 增 加 ， 越 来 越 多 的 矿 井 开 采 将 往 深 部 延 伸 ； 矿 井 热 害 如 今 成 为 和 瓦 斯 、 水 、 火 灾 、 粉 尘 和 冒 顶 并 称 为 矿 井 生 产 的 六 大 灾 害 。 深 部 矿 井 中 的 热 害 现 象 是 当 今 矿 井 安 全 生 产 过 程 中 不 容 忽 视 的 问 题 。 随 着 采 煤 深 度 的 加 大 ， 三 都 矿 区 的 煤 矿 出 现 高 温 热 害 ， 井 下 作 业 地 点 的 高 温 环 境 直 接 威 胁 到 广 大 职 工 的 身 体 健 康 ，致 使 工 作 效 率 大 为 降 低 ， 对 矿 井 进 行 原 岩 温 度 的 测 定 和 热 源 分 析 以 及 工 作 面 空 调 冷 负 荷 计 算 对 于 改 善 矿 井 环 境 具 有 重 大 意 义 ， 为 以 后 的 进 一 步 向 深 部 开 拓 遇 到 更 加 严 重 的 高 温 现 象 时 ， 提 供 解 决 矿 井 热 害 问 题 的 技 术 参 考 。 1.1.2 论文的研究意义论文的研究意义 采 矿 工 业 的 迅 速 发 展 使 得 矿 物 开 采 必 须 往 深 部 开 拓 ； 采 矿 矿 井 巷 道 内 风 流 温 度 升 高 明 显 。 由 此 可 见 ， 在 不 久 的 将 来 许 多 矿 井 不 得 不 面 对 井 内 高 温 热 害 问 题 [ 1]。 前 苏 联 煤 矿 、 德 国 煤 矿 、 波 兰 煤 矿 和 南 非 金 矿 是 全 球 矿 井 高 温 热 害 最 严 重 的 几 个 国 家 。 开 采 深 度 己 超 过3km 的 南 非 金 矿 ， 原 岩 温 度 超 过 36℃ ，甚 至 达 到 58℃ 。由 于 我 国 的 煤 炭 资 源 相 对 其 他 化 石 能 源 储 量 较 多 ， 所 以 煤 炭 开 采 量 居 全 球 第 一 ， 也 是 出 现 高 温 热 害 矿 井 最 多 的 国 家 。 随 着 机 械 使 用 率 提 高 和 开 采 趋 向 深 部 ，我 国 高 温 热 害 矿 井 数 量 呈 现 递 增 态 势 ， 热 害 现 象 日 益 加 重 。据 相 关 资 料 显 示 ，我 国 煤 矿 开 采 平 均 深 度 以 每 年 11m 的 速 率 增 加 ， 根 据 全 国 平 均 地 温 梯 度 值 35℃/km 来 预 测 ， 一 年 时 间 内 井 巷 围 岩 温 度 预 计 提 高 0.5℃， 超 过 1000 米 深 井 的 原 岩 温 度 预 计 超 过 35℃。 上 世 纪 七 十 年 代 中 期 ，我 国 有 24 座 矿 井 或 多 或 少 有 热 害 现 象 。九 十 年 代 初 ，我 国 统 计 资 料 显 示 有 65 座 矿 井 存 在 高 温 热 害 现 象 ，之 后 的 几 年 时 间 增 加 到 67 座 ，采 掘 作 业 面 风 温 在 29℃ 以 上 的 有 38 座 。到 2003 年 截 止 [ 2 ]， 查 看 统 计 数 据 可 知 ， 全 国 已 超 过 150 座 矿 井 采 掘 作 业 面 的 风 温 超 过 30℃。 预 计 我 国 煤 炭 总 储 量 的 70埋 藏 在 1000m 以 下 ， 所 以 ， 高 温 热 害 现 象 在 - 2 - 将 来 的 煤 炭 生 产 中 会 更 加 突 显 。 矿 井 深 部 热 害 给 生 产 和 人 身 安 全 所 带 来 的 危 害 和 影 响 [ 3 ]， 可 概 括 为 以 下 四 点 （ 1）井 下 高 温 对 人 体 的 影 响 。人 们 工 作 在 高 温 环 境 下 的 排 汗 量 是 地 面 平 常 工 作 的 5～ 10 倍 ， 在 排 汗 过 程 中 排 出 了 大 量 的 盐 ， 正 常 的 水 盐 代 谢