錢家營礦西翼熱害地質(zhì)成因探討

奚方喆 朱炎銘 杭 遠(yuǎn) 姚文濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116)

錢家營礦井開采深度已進(jìn)入-850m，部分掘進(jìn)巷道溫度已達(dá)31℃，工作面溫度也達(dá)30℃。而根據(jù) 《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過30℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過34℃。相關(guān)調(diào)查表明，在我國高溫礦井中，一般勞動生產(chǎn)率較低，部分礦山的勞動生產(chǎn)率僅為30%～40%，同時，工人的判斷力和反應(yīng)速度都明顯地下降，極大地增加了發(fā)生工傷事故的危險性。因此，揭示錢家營礦熱害成因、提出降溫措施對保證礦井的正常生產(chǎn)活動有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1 錢家營井田地質(zhì)概況

錢家營井田隸屬于開平煤田，位于開平向斜東南翼。開平煤田地層屬于典型的華北型，古生代地層廣泛發(fā)育，含煤層位為石炭-二疊系。煤系地層下部直接與奧陶系成不整合接觸，直接被第四系松散堆積物覆蓋。錢家營井田在構(gòu)造上自東向西可劃分為東北部褶皺區(qū)、中部單斜區(qū)和西南部褶曲區(qū)以及東北部-中部、中部-西南部兩個過渡區(qū)。

圖1 錢家營礦含水層示意圖

錢家營井田含有7個含水層，見圖1，可劃分為奧灰水含水系統(tǒng)、含煤地層含水系統(tǒng)和第四系含水系統(tǒng)三大含水系統(tǒng)。奧灰水含水系統(tǒng)位于煤系基地，是本區(qū)重要的承壓含水層，水量大，水壓高；含煤地層含水系統(tǒng)主要由砂巖構(gòu)成，以孔隙-裂隙承壓水為主，水量較豐富，是礦井的直接充水水源；第四系含水系統(tǒng)直接不整合覆蓋在煤系上部，為礦井間接充水水源，以孔隙水位為主，水量豐富。

錢家營井田在精查和補(bǔ)勘過程中共有12個鉆孔見到了巖漿巖，均位于井田的西翼，多為巖墻，厚約0.40～2.50m，常發(fā)育在褶皺構(gòu)造脆弱部位或者沿斷層由深部向上侵入，巖性以基性侵入巖為主，形成時代為燕山晚期。

2 測試及實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 井下測溫數(shù)據(jù)分析

錢家營井田共有38個鉆孔進(jìn)行了溫度測量，但由于數(shù)據(jù)具有局限性，因此針對實際情況，選取了錢家營礦-850m西副巷和2873運(yùn)輸巷的巷道巖溫。在進(jìn)行測量時，選取新開炮眼進(jìn)行巖溫測試。

結(jié)合以前測溫資料，錢家營礦東翼采區(qū)的巷道溫度基本處于23℃，而-850m西副巷和2873運(yùn)輸巷所屬的西翼采區(qū)的溫度已超過28℃，甚至達(dá)到35℃以上，東翼采區(qū)地溫異常不明顯，所以主要研究井田西翼的東部。選取位于-850m西副巷W12北西方向錢補(bǔ)27?？走M(jìn)行地溫梯度的擬合，見圖2，擬合度達(dá)0.991，具有較高的可信度，得出錢家營礦熱害區(qū)的平均地溫梯度約為2.68℃／100m。

圖2 錢補(bǔ)27?？诇囟入S深度變化趨勢圖

綜上所述，錢家營礦熱害區(qū)域位于井田的中、西部，地溫梯度較大，尤其是中部六采區(qū)和八采區(qū)及其附近區(qū)域。

2.2 水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)分析

為了研究錢家營礦熱害是否為深部奧灰熱水上涌造成，故在錢家營礦的采區(qū)及待采區(qū)采集水樣12個，其中水樣地點1358E采區(qū)、十采一中巷道、2075采區(qū)泄水石門、十采四中巷道、2075E泄水巷、井觀3?？缀褪徊绍壍老律轿挥诰飽|翼，五采軌道上山、2871E運(yùn)輸巷、2872W泄水巷、2873W風(fēng)巷和1693W運(yùn)輸巷老塘位于井田西翼，對水樣進(jìn)行常規(guī)元素 Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、SO42-、HCO3-6種離子含量測試。根據(jù)錢家營井田的含水層分類，選取2＃水源井作為奧灰水標(biāo)準(zhǔn)樣，沙河橋水作為淺部水標(biāo)準(zhǔn)樣。將12個水樣的上述6種離子作為變量利用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析。

水質(zhì)類型聚類分析譜系圖如圖3所示，譜系圖節(jié)點的距離越小，表明兩個水樣的離子成份越相似；離子成份越相似，表明不同位置的水樣存在一定程度的水力聯(lián)系。十采一中巷道、十采四中巷道、2075E泄水巷和十一采軌道下山4個水樣距離接近0，表明東翼采區(qū)的水樣其內(nèi)部關(guān)聯(lián)性較好，并且與奧灰水、淺部含水層的水樣關(guān)聯(lián)性均較??；而五采軌道上山、2872W泄水巷和2873W風(fēng)巷3個水樣的距離十分接近2.5，且與作為奧水標(biāo)樣的2＃水源井的距離尤其接近，從而表明西翼采區(qū)的水樣其內(nèi)部關(guān)聯(lián)性也較好，與淺部含水層的相關(guān)性也較小，但與奧灰水有一定程度的關(guān)聯(lián)。綜上所述，整個錢家營井田含煤地層未與淺部含水層連通，但在井田西翼與奧灰水有一定程度的導(dǎo)通。

圖3 水質(zhì)類型聚類分析譜系圖

3 錢家營礦西翼熱害地質(zhì)成因

3.1 構(gòu)造對錢家營井田西翼熱害的影響

錢家營井田的熱害主要出現(xiàn)在中部單斜區(qū)。地下水常順著斷層運(yùn)移，導(dǎo)致不同深度的地層進(jìn)行熱交換，即斷層發(fā)育的區(qū)域有利于熱量在層間傳導(dǎo)。錢家營井田中部單斜構(gòu)造區(qū)與東北部褶皺區(qū)相比，斷層不發(fā)育，地層傾角小，使其成為熱量保存的良好場所。與開平向斜其他井田相比，唐山礦開采深度已達(dá)千米卻未出現(xiàn)熱害，其斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，且地層傾角大，有利于熱量順層傳遞；開平向斜南東翼的唐家莊礦、范各莊礦等斷裂構(gòu)造也較為發(fā)育，為熱量由深部向淺部傳遞提供了良好的通道，故也未出現(xiàn)熱害。因此，錢家營井田的中部簡單單斜整體構(gòu)造阻礙熱量向上傳遞，成為熱害出現(xiàn)的一個重要地質(zhì)因素。

3.2 巖漿巖侵入對錢家營井田西翼熱害的影響

錢家營井田所揭露的巖漿巖主要位于井田西翼，與熱害位置重合，表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。評定巖漿巖活動對現(xiàn)今地溫場的影響，主要從兩個方面來考慮:其一，巖漿侵入和噴出的地質(zhì)年代，時代越新所保留的余熱就越多；其二，巖漿體規(guī)模、幾何形態(tài)以及圍巖產(chǎn)狀和熱性質(zhì)等，規(guī)模越大或者放射性元素含量越高的巖漿巖體帶來的熱量越多。錢家營井田的巖漿巖發(fā)育于燕山晚期，在局部地段對圍巖進(jìn)行了較大程度的加熱，雖經(jīng)歷長時間的熱交換，但殘存熱量仍導(dǎo)致其地溫明顯高于鄰區(qū)同類地層常規(guī)溫度，也是造成錢家營礦熱害的又一重要因素。

3.3 地層對錢家營井田西翼熱害的影響

地層對地溫場的影響主要是指各地層的厚度、巖性、空間分布關(guān)系等。錢家營井田煤系地層之上的第四系地層的厚度由北東向南西逐漸增大，其厚度增幅在40～120m／km，平均可達(dá)60m／km，至錢家營井田西翼最大厚度可達(dá)800m。礦井深部熱量向上傳導(dǎo)介質(zhì)包括煤系地層及上覆第四系松散堆積物。第四系松散蓋層的平均熱阻值大于煤系地層，故在兩套地層分界處，形成了一個熱阻界面。熱量向上傳導(dǎo)時，在兩套地層分界處受阻。因此，錢家營井田煤系地層上覆第四系松散堆積物形成了一個蓋層，為熱量保存提供了良好條件。此外，熱量沿垂向傳導(dǎo)，而錢家營井田中部地層傾角較小，地層組合方式近于疊層式，直接阻礙了熱量順地層傳導(dǎo)。

綜上所述，錢家營井田煤系地層上覆巨厚第四系蓋層以及兩套地層簡單的疊層式結(jié)構(gòu)，使熱量難以散失，在井田西翼的東部地區(qū)出現(xiàn)熱害。第四系松散堆積物形成了一個良好的沉積蓋層。

3.4 地下水活動對錢家營井田西翼熱害的影響

錢家營井田存在三大含水系統(tǒng)，第四系地層中發(fā)育多層黏土層，厚度穩(wěn)定且分布廣泛，阻隔了煤系地層和第四系地層的水力聯(lián)系。同時煤系地層頂部含有一層強(qiáng)氧化帶，透水性差，阻隔了煤系地層與上部地層的水力聯(lián)系，使錢家營礦煤系地層內(nèi)的地下水難以向上運(yùn)移將熱量帶走。而奧灰水含水系統(tǒng)與井田西部的含煤地層的含水系統(tǒng)有一定程度的聯(lián)系，說明奧灰水含水系統(tǒng)對含煤地層含水系統(tǒng)在井田西翼有一定的補(bǔ)給，導(dǎo)致深部熱水進(jìn)入西部含煤地層，井田西翼出現(xiàn)熱害，東翼采區(qū)溫度正常。由于井田的單斜構(gòu)造區(qū)域未發(fā)育有大規(guī)模的斷裂，故認(rèn)為是巖漿巖侵入對地層的連續(xù)性造成破壞，形成少量裂隙通道，使深部奧灰水向上運(yùn)移進(jìn)入煤系地層。

因此，井田西翼奧灰熱水通過巖漿巖侵入形成的裂隙進(jìn)入含煤地層，但難以向淺部運(yùn)移，使熱量保存在含煤地層中，為熱害形成提供了熱源。

4 熱害防治建議

對于礦井熱害的治理方法可以選擇改變通風(fēng)方式，增加巷道面積，例如上行通風(fēng)改為下行通風(fēng)，可使工作面的溫度降低1～2℃；對巷道的巖壁采用高爐硅渣、厚玻璃纖維等進(jìn)行隔熱處理；安裝空調(diào)設(shè)備制冷等。

5 結(jié)論

(1)通過分析巷道巖溫和鉆孔測溫資料，得出錢家營井田熱害主要位于井田西翼的東部即單斜構(gòu)造區(qū)。

(2)燕山晚期侵入的巖漿巖加熱了圍巖，深部的奧灰水沿侵入巖裂隙向上運(yùn)移帶來熱量導(dǎo)致圍巖的溫度升高，即侵入的巖漿巖和深部的奧灰熱水成為熱害源。

(3)錢家營井田簡單的疊層式的單斜構(gòu)造、上覆巨厚第四系松散堆積物和隔水層穩(wěn)定發(fā)育的水文地質(zhì)條件共同作用阻礙了熱量繼續(xù)向上運(yùn)移，使熱量在煤系地層中得以保存而形成熱害。

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