深部岩石热力学及热控技术

2017 年 9 月 21 日 科学出版社 何满潮郭平业

我国一次能源的主体是煤炭，随着开采强度的加大，浅部资源越来越少，深部煤炭资源成为我国未来主体能源的主要保障。随着开采深度的加深，岩温升高，高温热害问题不可必免。高温热害不仅影响工人身心健康，使其劳动力下降，而且还会诱发深部工程岩体塌方事故和瓦斯爆炸事故，对矿井安全造成巨大威胁。目前，矿井高温热害已经成为继煤矿顶板、瓦斯、水、火、粉尘五大灾害之后的第六大灾害，但其危害程度超过其他五大灾害。

高温热害的普遍性

《全国煤炭资源预测和评价（第三次全国煤田预测）研究报告》表明，我国已探明煤炭资源总量为5.57万亿t，其中，埋深-1000m以内的煤炭资源总量为2.86万亿t，已采储量约为70%。

今后我国的主体能源后备储量将主要是埋深为-2000～-1000m的深部煤炭资源（见图1.1）。

图1.1我国煤炭资源采出量按深度分布情况

在深部高地应力、高渗流场和高温度场的耦合作用及强烈开采扰动因素影响下，深部煤炭开采工程灾害显著加剧，尤其是煤与瓦斯突出、矿井火灾、顶板塌方、矿井水害、冲击地压、高温热害六大灾害严重制约深部煤炭资源开采，其中，高温热害则是深部矿井普遍面临的持续性灾害。

我国中东部大部分矿井已经面临高温热害，目前已有47对矿井开采深度超过-1000m，该47对矿井生产都已经严重受高温热害影响，例如，我国的两淮矿区、徐州矿区、鲁西南矿区等所有矿井都面临高温热害。而且，近年来随着开采强度的加大，我国中西部矿井也出现高温热害，如义马矿区等。据不完全统计，我国已有超过100对矿井工作面温度高达30~40℃。

近年来，国内外学者针对围岩与风流的传热机理、工作面温度场分布、高温热害防治技术等方面开展了大量的研究工作，取得了丰富的成果。但是在深部工程中，在温度场、应力场和渗流场的耦合作用下，各种灾害相互耦合作用，机理十分复杂，需要系统地开展深部高温度场作用下各种灾害致灾机理及防治技术。为此，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室（北京）在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”、国家自然科学基金重点项目“深井热害防治与矿井热能利用”、国家基础研究计划（973计划）项目“深部煤岩体温度场特征及热害防治对策”的资助下，系统开展高温环境下岩石物理力学性质变化和成灾机理以及灾害防治技术，《深部岩石热力学及热控技术》主要内容为以上研究成果。

《深部岩石热力学及热控技术》主要围绕煤矿高温热害及次生灾害开展研究，首先通过我国地温场资料分析总结我国煤田主要地温场纵向和横向分布特征，然后通过试验分析深部岩石在高温高湿环境作用下的热力学效应，揭示深部岩石高温软化和吸附瓦斯逸出效应，在此基础上，开展高温热害控制技术研究，从冷负荷的计算到热控技术分类、评价，再到适合中国煤矿特色的热控技术研发以及现场试验结果分析，以期为我国矿井热害控制提供科学依据和理论指导。

目录

《岩石力学与工程研究著作丛书》序

《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话

前言

第1章绪论

1.1高温热害的普遍性

1.2高温热害的严重性

1.3与热害相关的法律法规

1.4高温热害研究现状

1.5本书主要内容

参考文献

第2章我国煤矿的地温场特征

2.1我国煤矿地温场纵向分布特征

2.2我国煤矿地温场横向分布特征

2.3我国主要热害矿井分布特征

参考文献

第3章深部岩石热力学效应

3.1深部岩石热效应试验系统

3.2高温软化效应

3.3高温吸附气体逸出效应

参考文献

第4章热害控制冷负荷计算方法

4.1深部围岩导热过程分析

4.2矿井降温冷负荷传统算法

4.3矿井降温冷负荷计算反分析法

参考文献

第5章矿井降温系统的构成、分类和评价

5.1矿井降温系统的构成

5.2矿井降温系统的分类

5.3矿井降温系统有效性评价方法

5.4矿井降温系统设计步序

参考文献

第6章 HEMS热害控制模式及技术

6.1HEMS介绍

6.2HEMS热控模式

6.3HEMS关键技术

6.4热控系统自动化监控技术

参考文献

第7章现场试验Ⅰ——张双楼煤矿

7.1热害特征及冷源分析

7.2热害控制方案

7.3热能利用方案

7.4现场试验参数分析

7.5效果评价

参考文献

第8章现场试验Ⅱ——三河尖煤矿

8.1热害特征及冷源分析

8.2热害治理方案设计

8.3现场试验参数分析

8.4热力平衡参数分析

8.5降温系统热排放对生态环境影响评估

参考文献

第9章现场试验Ⅲ——夹河煤矿

9.1热害特征及冷源分析

9.2热害治理方案设计

9.3高差冷却效果分析方法

9.4冷却效果分析

9.5效果评价

参考文献

第10章现场试验Ⅳ——张小楼矿

10.1热害特征及冷源分析

10.2热害治理方案

10.3现场试验参数分析

10.4效果评价

参考文献

本文摘编自何满潮郭平业著《深部岩石热力学及热控技术》前言及第1章，内容有删减。

深部岩石热力学及热控技术

何满潮郭平业著

责任编辑：刘宝莉张晓娟

北京：科学出版社 2017.02

ISBN 978-7-03-051801-9

《深部岩石热力学及热控技术》是一部介绍矿井高温热害及次生灾害研究控制的专著。全书共10章，第1章和第2章介绍矿井高温热害研究现状及煤田地温场分布特征；第3~6章以热力学为基础，介绍深部岩石在高温高湿环境作用下的热力学效应，开展高温热害控制技术研究，包括冷负荷的计算到热控技术分类、评价，以及适合中国煤矿特色的热控技术HEMS系统的研发；第7~10章介绍不同的冷源条件下具体应用工程案例。

（本期编辑：安静）