宿縣礦區(qū)地溫特征及控制因素分析

郭 艷， 吳基文， 馮松寶

（1.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著我國淺部煤炭資源的日益減少，許多礦山將相繼進入深部煤炭開采狀態(tài)，且深部煤炭儲量占煤炭總量的70%以上，進入深部開采是必然趨勢。隨著開采深度的增加，井下地溫也相應(yīng)增加，這對煤礦的開采帶來更多的困難與挑戰(zhàn)。所以研究礦區(qū)地溫分布特征和地溫異常影響因素，對礦區(qū)煤炭的安全開采具有重要意義［1］。

宿縣礦區(qū)位于淮北煤田東南部，大地構(gòu)造環(huán)境處在華北古大陸板塊東南緣，豫淮坳陷帶東部、徐宿弧形推覆構(gòu)造南端。東鄰宿東向斜，南有光武－固鎮(zhèn)斷裂，西接童亭背斜，北有宿北斷裂，區(qū)內(nèi)褶皺主要包括南坪向斜、宿南背斜和宿南向斜，斷層主要包括南坪斷層和西寺坡逆斷層。本礦區(qū)共12個井田，分別為龍王廟煤礦（LWM）、龍王廟（南部）煤礦勘探（LWMN）、騎路孫煤礦勘探（QLS）、錢營孜煤礦（QYZ）、鄒莊勘查區(qū)煤礦勘探（ZZH）、祁東煤礦（QD）、祁南煤礦（QN）、桃園祁南煤礦深部詳查（TYQN）、桃園煤礦（TY）、朱仙莊煤礦（ZHXZH）、蘆嶺煤礦（LL）和蘆嶺煤礦深部詳查（LLSH）。本文對礦區(qū)地溫相關(guān)資料進行匯總，測溫孔數(shù)目共計260個，其中近似穩(wěn)態(tài)測溫孔29個，簡易測溫孔201個，巷道測溫30個，測深范圍750～1 640m。

1 礦區(qū)地溫特征

1.1 礦區(qū)地溫校正

本文采用三點法對簡易測溫孔數(shù)據(jù)進行校正，三點法是指將校正后的恒溫點、中性點和井底巖溫3點連接起來近似組成近似穩(wěn)態(tài)曲線，并近似地代表該孔的井溫狀況。而對于校正后數(shù)據(jù)的利用需從校正曲線上查得［2－5］。宿縣礦區(qū)校正后地溫數(shù)據(jù)見表1所列。

有些礦區(qū)地面缺少近似穩(wěn)態(tài)孔或簡易測溫孔，需進行井下巷道測溫修正。同一構(gòu)造塊段內(nèi)，段塊溫度基本相近，兩者相距越近，地溫差距越?。?］，可通過修正近似得到本塊段地溫。同一構(gòu)造段塊內(nèi)，井下穩(wěn)定測溫數(shù)據(jù)與用三點法校正簡易測溫孔所得數(shù)據(jù)進行比較，進而修正三點法校正數(shù)據(jù)。以蘆嶺礦為例，矯正情況見表2所列。

表2中t恒巷由從恒溫帶算起的巷道地溫梯度1.80℃／hm計算所得，t趨巷由根據(jù)巷道測溫隨深度變化的趨勢圖得出的巷道地溫梯度2.32℃／hm計算所得，t基巷由從基巖面算起的巷道地溫梯度1.73℃／hm計算所得，t基孔由從基巖面算起的測溫孔地溫梯度2.30℃／hm計算所得，t恒孔由從恒溫帶算起的測溫孔地溫梯度2.24℃／hm計算所得。通過測量可知巷道地溫梯度G巷＝2.32℃／hm，測溫孔地溫梯度G孔＝2.24℃／hm，利用G巷＝G孔（1＋α）公式，算出蘆嶺煤礦測溫孔地溫梯度修正系數(shù)為0.036。

表1 宿縣礦區(qū)地溫匯總

表2 蘆嶺煤礦井下巷道測溫及地面鉆孔測溫對比 ℃

1.2 礦區(qū)地溫梯度

區(qū)內(nèi)地溫梯度在1.1～3.7℃／hm范圍內(nèi)變化，平均地溫梯度為2.2℃／hm，大部分為2.0～2.8℃／hm，屬于地溫梯度比較穩(wěn)定的地溫正常區(qū)，地溫梯度示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，礦區(qū)西南部和東北部地溫梯度偏小，多數(shù)低于1.9℃／hm，其中西南部的錢營孜煤礦、鄒莊煤礦和東北部的蘆嶺煤礦、蘆嶺深部勘查區(qū)等局部地區(qū)地溫梯度小于1.6℃／hm，出現(xiàn)負異常。礦區(qū)中部地溫梯度相對較高，多數(shù)為2.2～2.8℃／hm，其中祁南、騎路孫礦區(qū)內(nèi)局部地區(qū)地溫梯度達到3℃／hm，出現(xiàn)正異常。

不同深度地溫梯度也不一樣，這主要是由于不同巖性的巖層導(dǎo)熱率不同所致。地球內(nèi)部的熱量是通過巖石向外傳導(dǎo)的，巖石的導(dǎo)熱率，主要反映巖石導(dǎo)熱的快慢，不同的巖石具有不同的傳導(dǎo)熱的能力。

松散層是相對于巖石來說的，一般是沙層、土層，有時包括砂礫石層，但是軟巖不一定是松散層，地質(zhì)上松散層的定義是指地質(zhì)年代中的第四系和第三系的較新地層，導(dǎo)熱率較小。

風(fēng)化作用發(fā)生以后，原來高溫高壓下形成的礦物被破壞，形成一些在常溫常壓下較穩(wěn)定的新礦物，構(gòu)成陸殼表層風(fēng)化層，風(fēng)化層之下的完整的未被風(fēng)化的巖石稱為基巖，其導(dǎo)熱率相對較大。即同一礦井基巖面以下地溫梯度相對全井段地溫梯度較?。?］。

圖1 宿縣礦區(qū)地溫梯度示意圖

1.3 分水平地溫特征

根據(jù)地層剖面溫度特點和區(qū)域性特征，可區(qū)分出一級熱害和二級熱害存在的深度和范圍。據(jù)煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測量若干規(guī)定，原始巖溫高于31℃的地區(qū)為一級熱害區(qū)；原始巖溫高于37℃的地區(qū)為二級熱害區(qū)［3］。本文作出－500m和－1 000m地溫分布趨勢圖，如圖2所示。

在－500m地溫分布趨勢圖上，西南部的錢營孜煤礦地溫最低，為19℃；礦區(qū)中部地溫相對比較穩(wěn)定，地溫多在25～29℃；從西南部往東北部地溫逐漸增加，東北部的朱仙莊煤礦和盧嶺煤礦達到最高，為34℃，并出現(xiàn)了一級熱害，南部祁東煤礦地溫為31℃，也開始出現(xiàn)一級熱害。

－1 000m地溫分布趨勢圖中，地溫分布趨勢與－500m地溫分布趨勢相似，主要區(qū)別是在這一水平上，龍王廟煤礦地溫較低，為32℃，但也已出現(xiàn)二級熱害，即全礦區(qū)均出現(xiàn)一級熱害，并在西南部和北部邊緣地區(qū)出現(xiàn)二級熱害。

在整個礦區(qū)內(nèi)，同一水平上地溫呈現(xiàn)出西南部錢營孜煤礦地溫最低，東北部和東南部的祁東、朱仙莊煤礦地溫相對較高；而礦區(qū)中部地溫變化不大，比較穩(wěn)定。

圖2 －500m、－1 000m地溫分布趨勢圖

對各礦區(qū)－500、－800、－1 000、－1 500m水平的地溫進行整理和分析。

宿縣礦區(qū)分水平平均地溫見表3所列。

部分礦區(qū)剖面地溫示意圖，如圖3所示。

由表3和圖3可看出，各水平地溫和地溫梯度的分布趨勢基本保持一致。

表3 宿縣礦區(qū)分水平平均地溫℃

圖3 礦區(qū)各煤礦分水平地溫對比圖

1.4 垂直方向地溫特征

地溫（t）與其標高（h）具有較好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)大部分都在0.90以上，關(guān)系式為t＝t0＋ah（t0為常數(shù)，a為回歸系數(shù)），詳見表4所列，地溫與埋藏深度呈正相關(guān)。

另從表3和圖3也可看出隨深度的增加，地溫明顯增大。在騎路孫—錢營孜和蘆嶺深部—朱仙莊煤礦，－1 000m地溫曲線比其他水平地溫曲線斜率要大，地溫變化較快。這是由于不同地區(qū)地溫梯度不盡相同，即使同一地區(qū)也會因不同深度而不同，地溫梯度隨深度而增加的快慢不一樣。

表4 地溫t與其深度h回歸分析

2 地溫控制因素分析

一個地區(qū)的地溫場特征是該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與長期地質(zhì)演化的反映。即一個地區(qū)的地溫狀況首先取決于該區(qū)所處的大地構(gòu)造部位及地殼的活動性。在宿縣礦區(qū)這一特定大地構(gòu)造條件下，地殼淺部地溫場的影響因素主要有基底構(gòu)造、松散層厚度、巖漿活動、地下水活動、地形、巖性等。

2.1 構(gòu)造對地溫的影響

熱流值的大小與地殼的穩(wěn)定性有關(guān)，不同的大地構(gòu)造單元其熱流值是不同的，越年輕的活動性地帶熱流值越高。該區(qū)大地構(gòu)造環(huán)境處在華北古大陸板塊東南緣，豫淮坳陷帶東部、徐宿弧形推覆構(gòu)造南端，又處于郯廬斷裂帶的西側(cè)。因此，該區(qū)較高的熱流值可能與中生代（三疊紀末）南、北兩大板塊碰撞、新生代郯廬斷裂活動等因素有關(guān)［8］。

從褶曲構(gòu)造形態(tài)來看，在同一水平背斜核部比向斜核部地溫及增溫率要高。由于巖層結(jié)構(gòu)的變化改變了熱流方向，垂直層理方向的導(dǎo)熱性能小于沿層理方向的導(dǎo)熱性能，從而導(dǎo)致了井田不同地帶溫度場分布的差異，這是造成背斜核部地溫高的主要原因［9］。AA′是跨越礦區(qū)南部東西走向的剖面（其剖面線位置如圖1所示），過AA′剖面作其構(gòu)造及地溫、地溫梯度分布趨勢如圖4所示。從圖4可看出，從南坪向斜，經(jīng)宿南背斜，到宿南向斜，溫度和地溫梯度先呈增加趨勢，再緩慢降低。南坪向斜的東翼錢營孜煤礦地溫和地溫梯度最低，宿南背斜核部達到最大。南坪向斜核部向東翼地溫和地溫梯度逐漸增加，從背斜核部向兩翼逐漸減少。所以，礦區(qū)地溫和地溫梯度的分布受基底的影響比較大［10－12］。

從地溫梯度等值線圖（圖1）上也可以看出，祁南煤礦位于宿南向斜西南部轉(zhuǎn)折端處，為一走向近南北轉(zhuǎn)至東西，向西南凸出，傾向東轉(zhuǎn)至傾向北的弧形構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)地溫梯度從東北往西南逐漸增大，即從宿南向斜核部向西南翼地溫梯度逐漸增高。這與基底凹陷帶的地溫分布相一致。即一般下部地層比上部地層、基巖比松散沉積物的熱導(dǎo)率要高，熱阻??；同時平行層面方向比垂直層面方向熱導(dǎo)率要高，熱阻小。因此，在褶曲條件下，同一水平上背斜軸部的熱導(dǎo)性優(yōu)于翼部，形成熱流向背斜軸部集中，靠近背斜軸部出現(xiàn)高梯度，向兩翼深部出現(xiàn)低梯度。

另外礦區(qū)東北部松散層厚度比較小，此處基巖面溫度卻比較大，這里恰是徐宿弧形逆沖推覆構(gòu)造區(qū)，后來居上的地層壓覆在原有地層之上，呈疊瓦狀構(gòu)造，地層下新上老，即地溫相對較高的老地層覆蓋在較新地層之上，使此處基巖面溫度較高，也是由于構(gòu)造的影響。

本礦區(qū)地溫分布趨勢與在起伏構(gòu)造明顯的區(qū)域的起伏趨勢基本保持一致，因此基底構(gòu)造是影響地溫分布的主要因素之一。

圖4 礦區(qū)AA′剖面構(gòu)造及地溫、地溫梯度分布趨勢圖

2.2 松散層對地溫的影響

巖石的熱導(dǎo)率一般來說隨巖石的固結(jié)和結(jié)晶程度的增高而增高，即巖層的熱導(dǎo)率隨地質(zhì)年齡的增加而增加，古代的結(jié)晶基底及較古老的致密巖石熱導(dǎo)率高、熱阻小；上覆較新的沉積層，特別是新生界的半固結(jié)的或松散的沉積物熱導(dǎo)率低、熱阻大［13］。

宿縣礦區(qū)內(nèi)從東北到西南方向松散層厚度逐漸增大，蘆嶺、朱仙莊等礦所在的東北部松散層厚度約190m，且比較穩(wěn)定。西南部鄒莊煤礦松散層厚度變化幅度較大，從220m過渡到400m，相差較大。礦區(qū)南部松散層普遍較厚，均在300m以上，局部地區(qū)達430m。整體上，南部比北部厚，區(qū)內(nèi)松散層厚度在170～430m范圍內(nèi)變化，平均厚約為298m。

基巖面溫度的分布情況和松散層厚度變化趨勢基本保持一致。在礦區(qū)西南部和南部地區(qū)基巖面溫度較高，達到28℃，中間地區(qū)溫度比較穩(wěn)定，大多在22～25℃之間變化，而中部松散層厚度大部分為230～310m，平均為275m，這充分體現(xiàn)了松散層對地溫的影響。只有在東北部蘆嶺深部煤礦邊緣地區(qū)，溫度較高，這主要是由于逆沖推覆構(gòu)造的影響。

松散層就像“鍋蓋”一樣，對巖層地溫起著保護作用，較厚的第四系松散層熱導(dǎo)率較低，形成鍋蓋效應(yīng)，阻礙了深部熱流向大氣散發(fā)而積聚在煤系地層內(nèi)，致使井田地溫變高，容易形成熱異常。特別是鄒莊煤礦新生界松散層的沉積厚度受古地形控制，厚度變化大，自東北向西南厚度逐漸增加，從梯度等值線圖上也可以看出，鄒莊的地溫梯度變化也比較大。而從基巖面以下地溫梯度明顯降低，也充分驗證了這一因素的影響。

2.3 地下水對地溫的影響

受冷水源補給的地下水，不斷吸取圍巖的熱量，從而降低圍巖的溫度。當深循環(huán)的地下水在循環(huán)過程中被圍巖加熱，并在有利的地質(zhì)條件下涌流時，將在通道及其上方引起局部溫度升高［14－16］。

礦區(qū)內(nèi)桃園、祁南、祁東等礦灰?guī)r水質(zhì)差異性大，地下水徑流強烈，巖溶發(fā)育相對較強，其他地區(qū)地下水徑流相對較弱，特別是礦區(qū)東北部水質(zhì)差異性最小，地下水徑流處于很微弱的狀態(tài)，水質(zhì)更新最慢，巖溶發(fā)育情況也最差。而在這一區(qū)域這一深度的地溫梯度也比淺部大，可推測這一區(qū)域地下水對地溫的影響較大。

錢營孜煤礦松散層、二疊系及奧陶系地下水含量大，富水性強，斷層、巖層裂隙也較發(fā)育，地下水導(dǎo)水裂隙帶較豐富，地下水流動帶走圍巖熱量，致使錢營孜煤礦地溫梯度比較小，局部地區(qū)地溫梯度達1.1℃／hm，出現(xiàn)負異常，則錢營孜煤礦受地下水影響也比較大［15］。

2.4 巖漿巖對地溫的影響

從地質(zhì)時期來講，直徑1km及1km以內(nèi)的巖漿體規(guī)模很小，即使全新世早期活動的巖漿體，余熱已全部散失，對今日地溫場無影響。直徑2～4km的規(guī)模較大的、在全新世至更新世末期活動的巖漿體，現(xiàn)今仍可能提供部分余熱［1，17］。本礦區(qū)煤層主要有3煤層、5煤層、8煤層與10煤層，其中10煤層受巖漿侵入較多，以巖脈或?qū)訝钚问疆a(chǎn)出。礦區(qū)南部祁東、祁南等礦有印支期時侵入的巖漿巖，西部錢營孜、鄒莊、騎路孫和東北部朱仙莊、蘆嶺等礦有燕山期時侵入的巖漿巖。本礦區(qū)內(nèi)巖漿巖侵入時代都比較早，巖漿巖對現(xiàn)今地溫影響較小。

3 結(jié) 論

本區(qū)地溫梯度總體變化幅度不大，在礦區(qū)南部祁南煤礦等局部地區(qū)出現(xiàn)正異常，在礦區(qū)西南部和東北部等局部地區(qū)出現(xiàn)負異常，其余地區(qū)大多在1.9～2.5℃／hm范圍內(nèi)變化。礦區(qū)中部騎路孫煤礦和南部祁東、祁南等礦約在－500m出現(xiàn)一級熱害，其他地區(qū)約在－800m出現(xiàn)一級熱害；但在－800m深度，騎路孫、祁東煤礦局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)二級熱害。沿垂直方向，地溫隨深度的增加而增大，且相關(guān)性較好。

本區(qū)地溫主要控制因素是礦區(qū)構(gòu)造、松散層和地下水，其中礦區(qū)構(gòu)造包括大地構(gòu)造和基底構(gòu)造，松散層對地溫的影響也即表現(xiàn)在巖性方面。地下水對地溫影響也比較大。

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