顧橋礦區(qū)地溫分布規(guī)律及其因素分析

王 康，姚多喜，魯海峰，邵亞紅

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

顧橋礦區(qū)地溫分布規(guī)律及其因素分析

王 康，姚多喜，魯海峰，邵亞紅

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

基于地質(zhì)學(xué)和熱力學(xué)理論, 系統(tǒng)地分析了顧橋礦區(qū)地溫變化規(guī)律及引起地溫異常的影響因素, 為顧橋礦區(qū)礦井熱害控制提供基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)。研究表明，顧橋礦井具有顯著的地溫異常特征，屬于高溫?zé)岷ΦV井?？v向上顧橋礦區(qū)地溫溫度隨深度的增加而增加，呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性趨勢(shì)，具有傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)；橫向上受構(gòu)造控制作用和松散層厚度影響，研究礦區(qū)呈現(xiàn)出西高東低的地溫趨勢(shì)。

顧橋礦區(qū)；地溫；分布規(guī)律；地溫異常；影響因素

GroundTemperatureDistributionRuleandInfluenceFactorAnalysisinGuqiaoMiningArea

隨著開(kāi)采深度的增加，地質(zhì)條件發(fā)生急劇變化，井下工作環(huán)境的溫度越來(lái)越高，導(dǎo)致采掘工作效率的降低，煤礦地溫研究受到了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者的高度關(guān)注[1-5]。本文以淮南顧橋礦為例，分析研究了其地溫分布規(guī)律及其影響因素，為礦井熱害的防治及安全生產(chǎn)提供重要的參考依據(jù)。

1 井田概況

顧橋礦井的總體構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，走向南北，向東傾斜，地層相對(duì)傾斜平緩，傾角5～15°，為發(fā)育不均勻的次級(jí)寬緩褶曲和斷層。礦井位于淮南煤田潘集背斜西部和陳橋背斜東翼的連接地帶。

顧橋礦井標(biāo)高-780m和-1000m分別為第一和第二生產(chǎn)水平。礦井建設(shè)時(shí)期北一采區(qū)為生產(chǎn)采區(qū)，現(xiàn)所采煤層為13-1和11-2煤，南二采區(qū)為基本的建設(shè)區(qū)域。

2 井田地溫

2.1 地溫參數(shù)

太陽(yáng)輻射熱與地球內(nèi)部熱相互作用達(dá)到平衡，溫度常年不變的層帶稱(chēng)之為恒溫帶，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稱(chēng)之為增溫帶，用地溫梯度表示，通常用每100m或1000m深度內(nèi)溫度增加的數(shù)值(℃/hm或℃/km)作為地溫梯度，地溫率是地溫梯度的倒數(shù)[6]。

地溫梯度為1.6～3.0℃/hm正常區(qū)，如果某地區(qū)的地溫梯度>3.0℃/hm，可視為高溫異常區(qū)，同時(shí)還規(guī)定原始巖溫在31～37℃內(nèi)的區(qū)域?yàn)橐患?jí)熱害區(qū)，原始巖溫高于37℃的區(qū)域?yàn)槎?jí)熱害區(qū)。

2.2 井田地溫變化特征

顧橋礦共有測(cè)溫孔15個(gè)。鉆孔測(cè)溫結(jié)果及地?zé)崽荻戎狄?jiàn)表1。從表1中可以看出，顧橋礦各鉆孔測(cè)溫深度為770～1500m，井底溫度值在39.5～62.51℃。根據(jù)全國(guó)的恒溫帶測(cè)試參數(shù)得知研究區(qū)的恒溫帶深度為30m，相應(yīng)的溫度數(shù)值為16.8℃，計(jì)算出各孔的平均地?zé)崽荻戎禐?.66～3.61℃/hm，全區(qū)平均地溫梯度值為3.1℃/hm，為地溫高溫異常區(qū)，增溫率為32.25m/℃。

表1 顧橋礦鉆孔地溫梯度統(tǒng)計(jì)

顧橋礦區(qū)的地溫場(chǎng)特征是該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)期地質(zhì)演化的反映，一般礦區(qū)隨著開(kāi)采深度的增加，溫度也增高。選取顧橋礦區(qū)6個(gè)鉆孔的近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫曲線(xiàn)(圖1)，在縱向上，地溫溫度隨著深度的增加而增加，呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性趨勢(shì)，具有傳導(dǎo)型增溫的特點(diǎn)[7]。

圖1 顧橋礦區(qū)鉆孔穩(wěn)態(tài)測(cè)溫曲線(xiàn)

2.3 井田地溫分布

顧橋礦鉆孔測(cè)溫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，13-1煤層底板標(biāo)高-402.93～-907.06 m，底板溫度為31.53～44.22℃，11-2煤層底板標(biāo)高-485.65～-929.99m，底板溫度為31.91～46.60℃。水平標(biāo)高-600m水平溫度值為33.66～38.03℃，平均值35.44℃，31℃一級(jí)熱害區(qū)標(biāo)高-386.86～-510.15m，37℃二級(jí)熱害區(qū)標(biāo)高-568.68～-711.49m，第一開(kāi)采水平-780m水平溫度>37℃,進(jìn)入二級(jí)熱害區(qū)。

表2 顧橋礦鉆孔測(cè)溫結(jié)果統(tǒng)計(jì)

顧橋礦13-1煤層底板標(biāo)高H′與溫度T的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖2。兩者之間具有較好的線(xiàn)性相關(guān)：T=-0.0252H′+20.711，相關(guān)系數(shù)R2=0.9308。顧橋礦11-2煤層底板標(biāo)高H′與溫度T的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖3。兩者之間具有較好的線(xiàn)性相關(guān)：T=-0.0273H′+19.475，相關(guān)系數(shù)R2=0.8883。

圖2 13-1煤底板標(biāo)高與溫度值相關(guān)性

圖3 11-2煤底板標(biāo)高與溫度值相關(guān)性

3 地溫異常因素分析

影響地殼淺部地溫場(chǎng)的主要因素有巖性、構(gòu)造形態(tài)、斷裂構(gòu)造及地下水活動(dòng)等[8-10]?，F(xiàn)對(duì)顧橋礦區(qū)引起地溫異常因素進(jìn)行分析。

3.1 巖石導(dǎo)熱性對(duì)地溫的影響

地球內(nèi)部的熱是通過(guò)巖石向外傳導(dǎo)的。不同的巖石具有不同的傳導(dǎo)熱的能力。非晶質(zhì)松軟的巖石相對(duì)結(jié)晶類(lèi)致密巖石具有傳熱慢、導(dǎo)熱性弱、增溫率大的特點(diǎn)。巖石導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱通常用導(dǎo)熱率來(lái)表示，巖石的導(dǎo)熱率是指在單位長(zhǎng)度熱傳導(dǎo)的方向上溫度降低1℃的情況下通過(guò)巖石的熱量，常見(jiàn)的巖石導(dǎo)熱率見(jiàn)表3。

表3 常見(jiàn)巖石的導(dǎo)熱率

根據(jù)收集的鉆孔資料，揭示了顧橋礦新地層厚度為323.5～491.42m；在同一深度地質(zhì)條件相同的情況下，上覆的新地層越厚地溫也越高，這是因?yàn)樾律w層導(dǎo)熱性能比較差，阻礙了深部上導(dǎo)的熱流向大氣散發(fā)而積聚在煤系地層內(nèi)，致使井田內(nèi)地溫變高。由圖4可知，新生代厚度西高東低，與溫度等值線(xiàn)圖呈現(xiàn)的西高東低的趨勢(shì)有良好的吻合性。

圖4 新地層厚度等值線(xiàn)

煤層中煤的氧化和熱解造成局部的熱異常現(xiàn)象，煤的導(dǎo)熱率只有0.21～0.58w/(m·℃)，比其他沉積巖低得多。本區(qū)13-1煤和11-2煤均為厚煤層，在煤層中，厚煤層對(duì)地下熱的阻礙效果遠(yuǎn)比薄煤層要好，常表現(xiàn)出較高的溫度值。

3.2 褶皺構(gòu)造對(duì)地溫的影響

從褶曲構(gòu)造形態(tài)來(lái)看, 靠近背斜軸部地溫較高[11]。因?yàn)閹r石熱物理性質(zhì)的不同，結(jié)晶基底的巖石要比上部沉積蓋層的導(dǎo)熱率高很多，所以，在同一水平上，背斜的軸部的地溫或者增溫率要比向斜軸部高。顧橋井田總體構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，越靠近背斜的地方溫度越高，從地溫等值線(xiàn)圖可以看出在同一標(biāo)高-600m，地溫等值線(xiàn)呈現(xiàn)出西高東低的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)。

圖5 -600m地溫等值線(xiàn)

3.3 地下水對(duì)地溫的影響

地下水易于流動(dòng)且熱容量大，廣泛地分布于地殼的淺部區(qū)域。其對(duì)地溫場(chǎng)的影響最為活躍。當(dāng)深部循環(huán)的水在被巖溫加熱以后在有利的地質(zhì)條件下如通過(guò)裂縫或者斷層通道得到運(yùn)移，就會(huì)對(duì)通道的周?chē)a(chǎn)生熱異?，F(xiàn)象。顧橋礦區(qū)在進(jìn)行的太灰+奧灰+寒灰段混合抽水試驗(yàn)中，地下水與灰?guī)r的聯(lián)通性很好而且補(bǔ)給相當(dāng)充沛，水溫測(cè)試高達(dá)59℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)顧橋礦區(qū)地溫變化規(guī)律及地溫異常影響因素分析，得出以下結(jié)論：

(1)顧橋礦各鉆孔測(cè)溫深度為770～1500m，井底溫度值在39.5～62.51℃，全區(qū)平均地溫梯度值為3.1℃/hm，為地溫異常區(qū)，增溫率為32.25m/℃，顧橋礦區(qū)的地溫溫度隨著深度的增加而增加，呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性趨勢(shì)，具有傳導(dǎo)型增溫的特點(diǎn)。

(2)顧橋礦第一開(kāi)采水平-780m的水平溫度>37℃，進(jìn)入二級(jí)熱害區(qū)。顧橋礦13-1煤和11-2煤層底板標(biāo)高與溫度具有較好的線(xiàn)性相關(guān)，并且采區(qū)溫度都在一二級(jí)熱害區(qū)范圍內(nèi)，熱害突出。

(3)從褶曲構(gòu)造形態(tài)來(lái)看，顧橋井田總體構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，增溫率由背斜一翼向軸部增高，呈現(xiàn)的西高東低的趨勢(shì)與新生代厚度西高東低有良好的吻合性。

(4)本區(qū)地溫較高的原因還包括：煤的氧化和熱解會(huì)造成局部的熱異?，F(xiàn)象，相對(duì)于其他沉積巖的導(dǎo)熱率，煤的導(dǎo)熱率要低得多。顧橋礦區(qū)，地下水與灰?guī)r的聯(lián)通性很好，而且補(bǔ)給相當(dāng)充沛，水溫測(cè)試較高。

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[責(zé)任編輯：李宏艷]

2013-11-15

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.039

王 康(1989-)，男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)與工程地質(zhì)。

王 康，姚多喜，魯海峰，等.顧橋礦區(qū)地溫分布規(guī)律及其因素分析[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(4)：130-132.

TD727.2

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1006-6225(2014)04-0130-03