由于黑龙江煤矿开采时间长、采深大、机械化程度高、生产集中等因素,致使一些煤矿,如东海、张辰、小恒山、城子河等,井下局部空气持续高温^{[1, 2]},作业环境恶劣.黑龙江煤矿由于受经济、技术条件限制,对热害的处理方式基本上采取传统的局部控制热源降温的措施,但其效果不明显.

针对黑龙江矿区地理、气候条件,在地下恒温层开拓储存冷源空间,以冬季天然绿色冰、雪作为冷源,为需冷工作地点输冷降温.恒温层储冷技术属于物理储能范畴,是利用天然资源实现的一种环保、绿色、廉价、可循环利用储能方式^[3].影响恒温层储冷降温技术的关键因素是矿区自然条件.外界自然环境必须能够保障长期储存恒温层中冰雪或减缓其消融速度,这样才能达到储冷效果.本文从自然因素角度分析、论证黑龙江矿区应用储冷降温技术的可行性.

影响储冷降温效果的两个主要因素分别为储冷和输冷.输冷效果主要受后期人为技术水平因素影响;而储冷效果受客观因素影响最大,主要包括气温、地温、恒温层埋深和温度、冻土层厚度和冻融周期等.冷冻巷道降温影响因素如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 冷冻巷道降温影响因素 Fig. 1 Factors concerning with the cooling effect of freezing roadway

根据黑龙江地理特点和矿区地质条件,本文对影响储冷效果的各个因素分别进行分析.

黑龙江全省总体气温规律为:平原年平均气温高于山地,南部年平均气温高于北部,气温东西向变化不明显,南北向变化较大.黑龙江1月最冷,平均气温为-30.9～-14.7℃;6~8月气温较高,平均气温约为18℃;全省年平均气温多在-5～5℃之间^[3].每年从10月开始气温明显下降,并出现负温,至翌年的l月气温下降至最低值,3月末气温明显回升.

七台河、鹤岗、双鸭山、鸡西等四个矿区的气象站多年的观测资料表明:七台河、鹤岗及双鸭山矿区属于寒温带大陆性气候,温差变化较大,冬季气温一般为-30～-20℃,最低为-39℃,夏季最高气温达38℃;鸡西矿区处在中温带湿润区,属于大陆性多风气候,冬季最低气温为-34～-29℃,夏季最高气温为27～31℃.受地面温度影响,四个矿区井下工作面6～9月风流温度较高,其中以7、8月最高.近10年黑龙江矿区年平均气温统计^[4]如表 1所示.

表 1 (Tab. 1)

表 1 近10年黑龙江矿区年平均气温统计 Tab. 1 Annual average air temperature in the mining areas of Heilongjiang Province in recent 10 years 矿区 气温最低值/℃ 气温最高值/℃ 年平均气温/℃ 鸡西 3.0 4.5 3.9 鹤岗 0.9 3.7 2.7 双鸭山 2.6 4.6 3.6 七台河 4.0 4.8 4.4 牡丹江 3.2 5.7 4.2 大兴安岭 -4.1 0.0 -2.5 全省 -4.1 5.7 2.2

表 1 近10年黑龙江矿区年平均气温统计 Tab. 1 Annual average air temperature in the mining areas of Heilongjiang Province in recent 10 years

地壳按照地温变化可分为三带:变温带、恒温带和增温带.黑龙江日变温带的深度一般为1～2 m,年变温带的深度为15～30 m.恒温带是地球内热与太阳辐射热相互影响达到平衡的一个层.恒温带很薄,带内温度相对保持恒定.实际工作中,将恒温层作为评定矿山地温场的重要参数^{[5, 6, 7]}.年恒温带的温度主要与地区的纬度、高度、岩性、地表水体分布、植被及小气候条件等有关.年恒温带的温度一般高于当地年平均气温1～2℃.根据矿区气象站月平均温度可以计算出黑龙江各矿区年恒温带平均温度为1.4～6.9℃.黑龙江矿区年恒温带地温统计如表 2所示.经过测量,黑龙江东部年恒温带平均深度为15～26 m.

表 2 (Tab. 2)

表 2 黑龙江矿区年恒温带地温统计 Tab. 2 Annual average ground temperature of thermostatic zones in the mining areas of Heilongjiang Province 矿区 鸡西 鹤岗 双鸭山 七台河 牡丹江 大兴安岭 全省 年恒温带地温/℃ 4.9～5.9 3.7～4.7 4.6～5.6 5.4～6.4 5.2~6.2 -1.5~0.5 3.2~4.2

表 2 黑龙江矿区年恒温带地温统计 Tab. 2 Annual average ground temperature of thermostatic zones in the mining areas of Heilongjiang Province

在一定深度内,增温带的温度随深度增加而增加.通过对地温测量结果进行计算分析发现,黑龙江东部地区平均地温增温率为38.2 m·℃^-1,平均地温梯度为每100 m 2.7℃,地温梯度小于3℃,基本属于地温正常区^[8].

冻土分为多年冻土和季节性冻土.黑龙江大兴安岭北部、中部及小兴安岭均属于多年冻土地区,如大兴安岭矿区;其他地区属于季节性冻土地区,如东部鸡西、双鸭山、七台河及鹤岗.

多年冻土的年平均地温为-1.5～0℃,最低为-4.2℃.冻土层大多在地表 50 m以下,厚度为5～100 m,且随纬度降低而减小^[9].

黑龙江季节性冻土普遍发育的总的规律为:在时间上,冻土从10月开始冻结,至4月达到最大值,翌年3月底开始解冻,6～7月基本上全部融化;在地理位置上,最大冻结深度由东南向西北逐渐加深,随纬度不同变化较大.全省最大冻结深度由1.2～2.0 m过渡到2.60～3.29 m,主要矿区最大冻结深度为1.9～2.9 m.

季节性冻土深度受气候影响较大,且呈周期性变化.由伊春、汤原、鸡西和牡丹江四个观测站的测量数据统计得到的四个地区每月平均冻土深度如图 2所示.由图可知:四个地区每月平均冻土深度随月份的变化规律基本相同,且与当地气温变化规律基本相同;四个地区每月平均冻土深度均呈现出温度高的月份冻土深度小,温度低的月份冻土深度大的规律;四个地区季节性冻土冻结时间较长,基本上均在10个月以上.

图 2

Fig. 2

图 2 黑龙江东部冻土深度随月份的变化 Fig. 2 Relationship between the depth of frozen soil and month in eastern Heilongjiang Province

同时,季节性冻土最大深度受纬度的影响也较大.根据观测站数据,黑龙江不同纬度地区季节性冻土最大深度相差较大.季节性冻土最大深度随纬度变化如图 3所示.由图可知,黑龙江季节性冻土最大深度随纬度的提高基本上呈增加的趋势.

图 3

Fig. 3

图 3 季节性冻土最大深度随纬度的变化 Fig. 3 Relationship between the maximum depth of seasonal frozen soil and latitude

另外,地形地貌、地层岩性、土壤湿度、地表覆盖条件等均对季节性冻土的深度有很大影响^[10].

黑龙江矿区年平均气温较低,对当地地温、恒温层温度及深度影响较大,这是矿区恒温层储冷措施可行性的基础条件.从矿区地温条件分析来看,年恒温层地温较低,且埋藏较深.黑龙江矿区冻土深度大,冻结时间长,为恒温层储冷措施减缓能量损失提供了保障.综上分析,黑龙江矿区气温、地温、恒温层、冻土层等自然因素对恒温层储冷措施治理井下热害是有利的,即黑龙江矿区应用储冷降温技术是可行的.