黑龍江礦區(qū)應(yīng)用儲(chǔ)冷降溫技術(shù)自然因素分析

周靜　劉錫明　崔利鋒

摘要：

在高緯度地區(qū)利用恒溫層開拓儲(chǔ)存冷源空間，利用所儲(chǔ)冷源為熱環(huán)境工作區(qū)輸送冷能量降溫是井下治理熱害的新思路.黑龍江礦區(qū)在緯度上基本跨越全省地域，自然條件隨緯度、地理、地質(zhì)等改變而變化.依托黑龍江的地理優(yōu)勢(shì)，從氣溫變化規(guī)律分析其對(duì)地溫、恒溫層深度、季節(jié)性凍土深度等參數(shù)的影響；通過整理觀測(cè)站數(shù)據(jù)，分析不同地區(qū)的恒溫層溫度、季節(jié)性凍土深度隨月份的變化規(guī)律，以及季節(jié)性凍土最大深度隨緯度的變化規(guī)律.從自然因素角度出發(fā)，分析了黑龍江礦區(qū)利用恒溫層儲(chǔ)冷的可行性，為恒溫層儲(chǔ)冷降溫理論研究提供了參考.

關(guān)鍵詞：

儲(chǔ)冷； 熱害； 恒溫層； 煤礦

中圖分類號(hào)： TD 163； TD 727文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

A new idea of underground heat harm control was proposed by delivering the storing cool energy from the constant temperature strata in the high latitude area to the thermal environment of the work zone in the mining area of Heilongjiang Province，which was across the whole province in terms of the latitude.The natural conditions changed with latitude，geography and geology.Depending on the geographic advantages of Heilongjiang province，the influence of air temperature on ground temperature，temperature of constant temperature strata and depth of seasonal frozen soil was analyzed.Based on the data from the meteorological observation station，the relationship between month and temperature of constant temperature strata as well as depth of seasonal frozen soil of different areas was found.The relationship between the maximum depth of seasonal frozen soil and latitude was found as ell.From the perspectives of natural factors，it was feasible to store cool energy in constant temperature strata for the utilization in the mining area of Heilongjiang Province.It could provide reference for the theoretical research on cool energy storage in constant temperature strata.

Keywords：

cool energy storage； heat harm； constant temperature strata； coal mine

由于黑龍江煤礦開采時(shí)間長、采深大、機(jī)械化程度高、生產(chǎn)集中等因素，致使一些煤礦，如東海、張辰、小恒山、城子河等，井下局部空氣持續(xù)高溫[1-2]，作業(yè)環(huán)境惡劣.黑龍江煤礦由于受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件限制，對(duì)熱害的處理方式基本上采取傳統(tǒng)的局部控制熱源降溫的措施，但其效果不明顯.

針對(duì)黑龍江礦區(qū)地理、氣候條件，在地下恒溫層開拓儲(chǔ)存冷源空間，以冬季天然綠色冰、雪作為冷源，為需冷工作地點(diǎn)輸冷降溫.恒溫層儲(chǔ)冷技術(shù)屬于物理儲(chǔ)能范疇，是利用天然資源實(shí)現(xiàn)的一種環(huán)保、綠色、廉價(jià)、可循環(huán)利用儲(chǔ)能方式[3].影響恒溫層儲(chǔ)冷降溫技術(shù)的關(guān)鍵因素是礦區(qū)自然條件.外界自然環(huán)境必須能夠保障長期儲(chǔ)存恒溫層中冰雪或減緩其消融速度，這樣才能達(dá)到儲(chǔ)冷效果.本文從自然因素角度分析、論證黑龍江礦區(qū)應(yīng)用儲(chǔ)冷降溫技術(shù)的可行性.

1影響恒溫層儲(chǔ)冷的關(guān)鍵因素

影響儲(chǔ)冷降溫效果的兩個(gè)主要因素分別為儲(chǔ)冷和輸冷.輸冷效果主要受后期人為技術(shù)水平因素影響；而儲(chǔ)冷效果受客觀因素影響最大，主要包括氣溫、地溫、恒溫層埋深和溫度、凍土層厚度和凍融周期等.冷凍巷道降溫影響因素如圖1所示.

根據(jù)黑龍江地理特點(diǎn)和礦區(qū)地質(zhì)條件，本文對(duì)影響儲(chǔ)冷效果的各個(gè)因素分別進(jìn)行分析.

2黑龍江礦區(qū)氣溫規(guī)律

黑龍江全省總體氣溫規(guī)律為：平原年平均氣溫高于山地，南部年平均氣溫高于北部，氣溫東西向變化不明顯，南北向變化較大.黑龍江1月最冷，平均氣溫為-30.9～-14.7℃；6～8月氣溫較高，平均氣溫約為18℃；全省年平均氣溫多在-5～5℃之間[3].每年從10月開始?xì)鉁孛黠@下降，并出現(xiàn)負(fù)溫，至翌年的l月氣溫下降至最低值，3月末氣溫明顯回升.

七臺(tái)河、鶴崗、雙鴨山、雞西等四個(gè)礦區(qū)的氣象站多年的觀測(cè)資料表明：七臺(tái)河、鶴崗及雙鴨山礦區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，溫差變化較大，冬季氣溫一般為-30～-20℃，最低為-39℃，夏季最高氣溫達(dá)38℃；雞西礦區(qū)處在中溫帶濕潤區(qū)，屬于大陸性多風(fēng)氣候，冬季最低氣溫為-34～-29℃，夏季最高氣溫為27～31℃.受地面溫度影響，四個(gè)礦區(qū)井下工作面6～9月風(fēng)流溫度較高，其中以7、8月最高.近10年黑龍江礦區(qū)年平均氣溫統(tǒng)計(jì)[4]如表1所示.

3黑龍江礦區(qū)地質(zhì)條件

3.1地溫條件

地殼按照地溫變化可分為三帶：變溫帶、恒溫帶和增溫帶.黑龍江日變溫帶的深度一般為1～2 m，年變溫帶的深度為15～30 m.恒溫帶是地球內(nèi)熱與太陽輻射熱相互影響達(dá)到平衡的一個(gè)層.恒溫帶很薄，帶內(nèi)溫度相對(duì)保持恒定.實(shí)際工作中，將恒溫層作為評(píng)定礦山地溫場(chǎng)的重要參數(shù)[5-7].年恒溫帶的溫度主要與地區(qū)的緯度、高度、巖性、地表水體分布、植被及小氣候條件等有關(guān).年恒溫帶的溫度一般高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?～2℃.根據(jù)礦區(qū)氣象站月平均溫度可以計(jì)算出黑龍江各礦區(qū)年恒溫帶平均溫度為1.4～6.9℃.黑龍江礦區(qū)年恒溫帶地溫統(tǒng)計(jì)如表2所示.經(jīng)過測(cè)量，黑龍江東部年恒溫帶平均深度為15～26 m.

在一定深度內(nèi)，增溫帶的溫度隨深度增加而增加.通過對(duì)地溫測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，黑龍江東部地區(qū)平均地溫增溫率為38.2 m·℃-1，平均地溫梯度為每100 m 2.7℃，地溫梯度小于3℃，基本屬于地溫正常區(qū)[8].

3.2凍土條件

凍土分為多年凍土和季節(jié)性凍土.黑龍江大興安嶺北部、中部及小興安嶺均屬于多年凍土地區(qū)，如大興安嶺礦區(qū)；其他地區(qū)屬于季節(jié)性凍土地區(qū)，如東部雞西、雙鴨山、七臺(tái)河及鶴崗.

多年凍土的年平均地溫為-1.5～0℃，最低為-4.2℃.凍土層大多在地表50 m以下，厚度為5～100 m，且隨緯度降低而減小[9].

黑龍江季節(jié)性凍土普遍發(fā)育的總的規(guī)律為：在時(shí)間上，凍土從10月開始凍結(jié)，至4月達(dá)到最大值，翌年3月底開始解凍，6～7月基本上全部融化；在地理位置上，最大凍結(jié)深度由東南向西北逐漸加深，隨緯度不同變化較大.全省最大凍結(jié)深度由1.2～2.0 m過渡到2.60～3.29 m，主要礦區(qū)最大凍結(jié)深度為1.9～2.9 m.

季節(jié)性凍土深度受氣候影響較大，且呈周期性變化.由伊春、湯原、雞西和牡丹江四個(gè)觀測(cè)站的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的四個(gè)地區(qū)每月平均凍土深度如圖2所示.由圖可知：四個(gè)地區(qū)每月平均凍土深度隨月份的變化規(guī)律基本相同，且與當(dāng)?shù)貧鉁刈兓?guī)律基本相同；四個(gè)地區(qū)每月平均凍土深度均呈現(xiàn)出溫度高的月份凍土深度小，溫度低的月份凍土深度大的規(guī)律；四個(gè)地區(qū)季節(jié)性凍土凍結(jié)時(shí)間較長，基本上均在10個(gè)月以上.

同時(shí)，季節(jié)性凍土最大深度受緯度的影響也較大.根據(jù)觀測(cè)站數(shù)據(jù)，黑龍江不同緯度地區(qū)季節(jié)性凍土最大深度相差較大.季節(jié)性凍土最大深度隨緯度變化如圖3所示.由圖可知，黑龍江季節(jié)性凍土最大深度隨緯度的提高基本上呈增加的趨勢(shì).

另外，地形地貌、地層巖性、土壤濕度、地表覆蓋條件等均對(duì)季節(jié)性凍土的深度有很大影響[10].

4結(jié)論

黑龍江礦區(qū)年平均氣溫較低，對(duì)當(dāng)?shù)氐販?、恒溫層溫度及深度影響較大，這是礦區(qū)恒溫層儲(chǔ)冷措施可行性的基礎(chǔ)條件.從礦區(qū)地溫條件分析來看，年恒溫層地溫較低，且埋藏較深.黑龍江礦區(qū)凍土深度大，凍結(jié)時(shí)間長，為恒溫層儲(chǔ)冷措施減緩能量損失提供了保障.綜上分析，黑龍江礦區(qū)氣溫、地溫、恒溫層、凍土層等自然因素對(duì)恒溫層儲(chǔ)冷措施治理井下熱害是有利的，即黑龍江礦區(qū)應(yīng)用儲(chǔ)冷降溫技術(shù)是可行的.

參考文獻(xiàn)：

[1]趙圣雷，王新艷，程立國.東海煤礦195隊(duì)高溫防治淺談[J].科技信息，2012（35）：405-406.

[2]侯仰國，劉德春.張辰煤礦深井開采熱害治理方案探討[J].黑龍江科技信息，2012（10）：58.

[3]陳玉和.儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展概況研究[J].能源研究與信息，2012，28（3）：147-152.

[4]楊鳳海，孫彥坤，于太義，等.近10年黑龍江省氣溫的時(shí)空變異分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11（5）：585-596.

[5]奚方喆，朱炎銘，杭遠(yuǎn)，等.錢家營礦西翼熱害地質(zhì)成因探討[J].中國煤炭，2012，40（1）：42-45.

[6]王康，姚多喜，魯海峰.淮南潘三礦區(qū)地溫分布規(guī)律及其影響因素分析[J].中國煤炭地質(zhì)，2014，26（5）：38-40.

[7]曹冰琪，王心義，張嘉樂.平頂山煤田地溫分布規(guī)律及其影響因素分析[J].煤炭技術(shù)，2014，33（7）：73-75.

[8]周靜，劉錫明，張國華.黑龍江省煤礦高溫?zé)岷Ψ治黾胺乐未胧J].中國礦業(yè)，2009，18（5）：104-106.

[9]周紹飛，胡寶軍，裴敬霞.黑龍江省凍土的時(shí)空分布[J].黑龍江水利科技，2009，37（1）：16-17.

[10]王興菊，許士國，李文義，等.扎龍濕地季節(jié)性凍土凍融規(guī)律及其生態(tài)水文功能研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，48（6）：897-903.