黃河北煤田巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)礦井地溫分布規(guī)律研究
——以潘店井田為例

趙元強(qiáng)

(山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000)

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黃河北煤田巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)礦井地溫分布規(guī)律研究
——以潘店井田為例

趙元強(qiáng)

(山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000)

通常情況下，地溫會(huì)隨深度增加而呈線性增加，地溫影響著井下采掘工作面的環(huán)境溫度。隨著礦井深度的變化，空氣所受到的壓力狀態(tài)也隨之發(fā)生改變。當(dāng)風(fēng)流沿井巷向下流動(dòng)時(shí)，空氣的壓力值增大。空氣的壓縮會(huì)出現(xiàn)放熱(或吸熱)，從而使礦井溫度升高。隨著礦井向深部開(kāi)采，井下作業(yè)環(huán)境條件惡化，巖層溫度將達(dá)到攝氏幾十度的高溫。新汶孫村煤礦-800m水平部分工作面溫度高達(dá)30～33℃，巨野礦區(qū)龍固礦井-850m水平所有工作面溫度高達(dá)34～36℃，已嚴(yán)重影響了工人勞動(dòng)效率。黃河北煤田潘店井田東部有燕山期巖漿巖活動(dòng)，含煤地層的上中下部均有巖漿巖侵入，針對(duì)巖漿巖侵蝕地區(qū)采用鉆孔簡(jiǎn)易測(cè)溫和近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫等手段，詳細(xì)查明地溫分布規(guī)律，通過(guò)區(qū)內(nèi)地溫資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該區(qū)有巖漿巖侵蝕影響的地段比沒(méi)有巖漿巖侵蝕的地段地溫高2.6～7.2℃。

巖漿巖;地溫;恒溫帶；黃河北煤田；潘店井田

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)中高速穩(wěn)定發(fā)展，能源需求旺盛，煤炭在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中仍會(huì)占據(jù)較長(zhǎng)時(shí)間的主導(dǎo)地位，煤炭生產(chǎn)將繼續(xù)保持一定的產(chǎn)量，礦井開(kāi)采將不斷向深部延深。煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采后，熱害會(huì)成為礦井開(kāi)采的主要難題之一。特別是受巖漿巖侵蝕的礦區(qū)地溫分布狀態(tài)，更是地質(zhì)工作者面臨的一大課題。

通常情況下，地溫會(huì)隨深度增加而呈線性增加，地溫影響著井下采掘工作面的環(huán)境溫度。隨著礦井深度的變化，空氣所受到的壓力狀態(tài)也隨之發(fā)生改變。當(dāng)風(fēng)流沿井巷向下流動(dòng)時(shí)，空氣的壓力值增大?？諝獾膲嚎s會(huì)出現(xiàn)放熱(或吸熱)，從而使礦井溫度升高。隨著礦井向深部開(kāi)采，井下作業(yè)環(huán)境條件惡化，巖層溫度將達(dá)到攝氏幾十度的高溫。新汶孫村煤礦-800m水平部分工作面溫度高達(dá)30～33℃，巨野礦區(qū)龍固礦井-850m水平所有工作面溫度高達(dá)34～36℃，已嚴(yán)重影響了工人勞動(dòng)效率。

黃河北煤田作為目前山東省的后備資源基地，已被列入國(guó)家煤炭資源規(guī)劃區(qū)，目前，該區(qū)域內(nèi)煤炭資源正處于初期開(kāi)發(fā)或待開(kāi)發(fā)狀態(tài)，煤田內(nèi)絕大部分勘查區(qū)煤層埋藏較深，且受巖漿巖侵蝕嚴(yán)重。該文以受巖漿巖侵蝕較嚴(yán)重的潘店井田為例，對(duì)地溫分布情況進(jìn)行分析研究，以期能摸清區(qū)域內(nèi)礦井地溫的分布狀態(tài)，為礦井設(shè)計(jì)和開(kāi)采提供依據(jù)，避免生產(chǎn)中因熱害帶來(lái)的不必要的損失。

1 地質(zhì)背景

潘店井田位于山東省齊河縣境內(nèi)，屬于黃河北煤田，行政區(qū)劃隸屬于齊河縣和東阿縣。東西長(zhǎng)1.2～10.4km，南北寬1.0～7.4km，面積約52.97km2。

2 區(qū)內(nèi)巖漿巖侵蝕情況

潘店井田東部有燕山期巖漿巖活動(dòng)，根據(jù)區(qū)內(nèi)實(shí)際勘探資料，對(duì)巖漿巖的種類(lèi)、名稱(chēng)、產(chǎn)狀、侵入時(shí)代進(jìn)行了分析，并根據(jù)鉆孔穿見(jiàn)巖漿巖情況，確定其分布范圍、侵入方向。

據(jù)肉眼鑒定，井田內(nèi)侵入的巖漿巖均為酸性巖漿巖，灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為石英和斜長(zhǎng)石，基質(zhì)為淺灰—灰白色，隱晶質(zhì)。根據(jù)旦鎮(zhèn)井田資料，巖漿巖名稱(chēng)為花崗斑巖和花斑巖。

該區(qū)巖漿巖以巖床狀，局部順層狀，或呈巖脈狀不規(guī)則侵入石炭—二疊系含煤地層中。巖漿巖呈順層狀侵入主要集中在10～11煤附近，最高層位在相當(dāng)于1，2煤層位置。

根據(jù)南鄰的旦鎮(zhèn)井田精查地質(zhì)報(bào)告資料，該巖漿巖屬燕山晚期嶗山段。同位素年齡測(cè)定，絕對(duì)年齡為(83.92±1.89)～(89.51±3.13)Ma。

從巖漿巖侵入煤層層位平面分布圖來(lái)看(圖1)，該井田及靠近井田邊界的旦鎮(zhèn)井田有5個(gè)鉆孔揭露巖漿巖。主要分布在井田東部邊界和東北部。

圖1 巖漿巖侵蝕范圍示意圖

井田內(nèi)巖漿侵入層位可以分為1，2煤層、4煤層、7煤層、11煤層。單從11煤層位侵入情況分析，巖漿巖侵入由東北向西南逐漸變薄并消失，鉆孔揭露厚度為4.78～45.85m(P10-1)。巖漿侵入方向應(yīng)為東北方向，侵入位置從煤層中間至直接頂板，但未發(fā)現(xiàn)突破五灰，由此推斷，該層巖漿侵入受控于五灰。井田內(nèi)其他煤層，如1，2，4，7煤層，巖漿巖侵入規(guī)律基本和11煤層一致，主要侵入層位為各煤層頂板。巖漿巖厚度是東北厚，向西南逐漸消失。由此確定巖漿由東北向西南侵入[1-5]。

3 地溫分布規(guī)律研究

該區(qū)有巨厚的新生代地層，主采煤層埋藏深，含煤地層以太原組灰?guī)r及奧陶紀(jì)石灰?guī)r為基底，巖石的裂隙和溶洞較發(fā)育，且有巖漿巖的侵入，是影響地溫的主要因素，查明地溫的分布情況是煤礦生產(chǎn)建設(shè)中的一個(gè)重要問(wèn)題。因此，對(duì)區(qū)內(nèi)地溫的測(cè)量、分布規(guī)律及狀態(tài)等非常重要[6-8]。該區(qū)的恒溫點(diǎn)是根據(jù)相鄰的旦鎮(zhèn)井田和趙官鎮(zhèn)井田，參考PJ2-2穩(wěn)態(tài)孔確定的，深度為60m，溫度大致為18℃。在恒溫帶以下，地溫隨著埋藏深度的增大而逐漸增高[9-10]，稱(chēng)為增溫帶，帶主要受地球內(nèi)部熱量控制，各鉆孔主要可采煤層底板的測(cè)溫值見(jiàn)表1。

表1 區(qū)內(nèi)各可采煤層底板測(cè)溫值

3.1 垂向變化

全區(qū)平均地溫梯度在2.15～3.02℃/100m之間，平均為2.63℃/100m，即該區(qū)地?zé)嵩鰷芈蕿?℃/38.02m。其中含煤地層的地溫梯度為1.80～3.42℃/100m，平均2.70℃/100m。據(jù)11個(gè)測(cè)溫孔分析，全區(qū)實(shí)測(cè)地溫以P7-2孔最高，該孔在7煤層底板(標(biāo)高-875.23m)為43.9℃,13煤層底板溫度在該孔也最高，標(biāo)高-974.95m為47.2℃。

勘查階段所測(cè)定的地溫是鉆孔沖洗液與圍巖平衡狀態(tài)下的溫度，基本上能夠反映地下巖體的溫度，但由于巖性成分、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造裂隙、水文地質(zhì)條件等各種因素的影響，各地質(zhì)時(shí)代的巖石地溫亦各不相同。在地溫曲線對(duì)比圖上(圖2)表現(xiàn)為具有一定坡度的直線或折線，說(shuō)明熱源主要來(lái)源于深部的熱流，通過(guò)巖石以傳導(dǎo)方式形成的，因此測(cè)溫曲線呈傳導(dǎo)型形狀[11-13]。

從井田內(nèi)鉆孔測(cè)溫結(jié)果和圖2來(lái)看，位于巖漿巖侵入?yún)^(qū)的7個(gè)鉆孔含煤地層地溫梯度在2.53～3.42℃/100m之間，平均為2.93℃/100m，而位于侵入?yún)^(qū)之外3個(gè)鉆孔的地溫梯度1.80～2.32℃/100m之間，平均為2.11℃/100m，位于巖漿巖侵入?yún)^(qū)的含煤地層地溫和地溫梯度明顯高于其他區(qū)域。

圖2 鉆孔地溫曲線對(duì)比圖

根據(jù)鉆孔測(cè)溫資料，在巖漿巖侵入地段內(nèi)和巖漿巖侵入地段外。相同深度之間鉆孔內(nèi)的平均溫度差分別為5.5℃，4.6℃，4.7℃，4.0℃；相同深度最高〗溫度和最低溫度之間的最大差值分別為7.1℃，7.2℃，7.5℃，6.9℃；最小差值分別為2.6℃，2.6℃，2.6℃，3.0℃。垂向上，在巖漿巖侵入地段內(nèi)，-800m～-1178m之間溫度增加最快，增加速度為3.4℃/100m；其他區(qū)間溫度也在平穩(wěn)增加，增加速度一般為2.78℃，通過(guò)與鉆孔柱狀圖對(duì)比，增加速度最快的區(qū)間為巖漿巖侵入嚴(yán)重的區(qū)間(表2)。

在垂向上來(lái)看，在同一層煤中，地溫的變化基本上是隨著深度的增加而不斷升高，表現(xiàn)為傳導(dǎo)形增溫特點(diǎn)；而地溫梯度在縱向上隨深度的增加先增加后減小，最終趨于平穩(wěn)。但在受巖漿巖影響的區(qū)域，溫度增加明顯，地溫梯度也會(huì)出現(xiàn)異常升高[14-16]。在同一水平的各煤層，下部的11，13煤層平均溫度高于上部的7，10煤層。

表2 區(qū)內(nèi)各鉆孔測(cè)溫值

3.2 水平變化規(guī)律

地溫等值線圖是研究和分析地溫水平分布及變化規(guī)律的有效圖件，該等值線圖是按照煤層的埋藏深度及實(shí)測(cè)地溫值而進(jìn)行線性插值，這種分析方法在平原及低矮丘陵覆蓋的勘查區(qū)比較適宜。為此繪制了13煤層底板地溫等值線圖(圖3)，從圖上劃分出正常區(qū)和一、二級(jí)地溫?zé)岷^(qū)、高溫異常區(qū)的范圍。

圖3 13煤底板地溫等值線圖

從平面上來(lái)看，7煤層地溫為35.2～44.3℃，其中高于39.5℃的地溫主要集中在該區(qū)的東部區(qū)域，也就是全部位于巖漿巖侵入?yún)^(qū)域內(nèi)，此區(qū)域平均溫度為42℃，而在侵入?yún)^(qū)外平均溫度僅為35.4℃。兩者平均溫度相差6.6℃。

11煤層地溫為36.4～46.8℃，其中高于42.5℃的地溫主要集中在該區(qū)的東部區(qū)域,全部位于巖漿巖侵入?yún)^(qū)域內(nèi)，平均溫度為44.8℃，而在侵入?yún)^(qū)外，平均溫度僅為37.6℃。兩者平均溫度差達(dá)7.2℃。10煤層和13煤層也存在這樣的特點(diǎn)。

從井田內(nèi)P6-1和P6-5鉆孔測(cè)溫資料分析，在深度分布上，2個(gè)鉆孔的7煤層、13煤層各自底板標(biāo)高相差不大，其中處于巖漿巖侵入?yún)^(qū)的P6-1號(hào)孔7煤層底板標(biāo)高-805.28m，地溫40.8℃，而13煤層底板標(biāo)高-919.09m，地溫44.2℃。位于巖漿巖侵入?yún)^(qū)外邊界附近的P6-5鉆孔，7煤層底板標(biāo)高深度為-818.20m，地溫為35.2℃，而13煤層的底板標(biāo)高深度為-907.861m，地溫為38.2℃，兩者相差較大。位于巖漿巖侵入?yún)^(qū)的含煤地層地溫明顯高于其他區(qū)域。

全井田7，10煤層底板地溫大部分處于一級(jí)以上的高溫區(qū)，僅在井田內(nèi)中北部一小部分底板溫度小于31℃。13煤層底板地溫大部分處于二級(jí)高溫區(qū)，全井田地溫呈現(xiàn)中間高四周低的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)煤層底板等溫線和底板等高線基本呈平行關(guān)系，即地溫會(huì)隨煤層埋藏深度增加而升高。

(2)井田內(nèi)各煤層不同程度地受巖漿巖侵入的影響，巖漿巖以巖脈或?qū)訝钚问疆a(chǎn)出，雖然部分巖漿體活動(dòng)時(shí)間距離現(xiàn)在較為久遠(yuǎn)，但由于規(guī)模較大，仍然能提供部分余熱，加之較厚的松散層阻隔，使得深部地?zé)崃飨虼髿?，聚集在含煤地層?nèi)，使得周邊圍巖溫度升高[17-18]。

(3)在同一深度，由于所處構(gòu)造部位不同，以及受巖漿巖侵入等其他地質(zhì)因素影響不同，地溫梯度也就不同，傾向上的地溫梯度大于走向上的地溫梯度，巖漿巖噴出或侵入的地質(zhì)年代越新，所保留的余熱就越多，在高溫巖漿余熱的影響下對(duì)現(xiàn)今地溫場(chǎng)的影響就越強(qiáng)烈，并有可能形成地溫異常區(qū)[19-21]。通過(guò)區(qū)內(nèi)地溫資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有巖漿巖侵蝕影響的地段比沒(méi)有巖漿巖侵蝕的地段地溫高2.6～7.5℃。

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Study on Distribution Law of Mines in Magmatic Rocks Erosion Area in Huanghebei Coalfield —— Taking Pandian Coalfied as an Example

ZHAO Yuanqiang

(No.2 Exploration Brigade of Shandong Provincial Coal Geology Bureau, Shandong Jining 272000, China)

Typically, ground temperature will increase linearly with the increase of depth, and ground temperature affects the underground mining working face in ambient temperature. Accompanying with the change of the depth of the mine, the stress state will change. When the dissolute flows down the shaft, the air pressure value will increase. Compressed air will be exothermic or endothermic, and cause the increase of mine temperature. Accompanying with the mining to the deep of coal mine, underground work environment will deteriorate, and strata temperature will reach a high temperature as tens of degrees centigrade. The temperature of the working surface at the depth of -800m in Suncun coal mine in Xinwen is 30～33 ℃, and all working temperature at the depth of -850m in Longgu coal well in Juye mining area is 34～36 ℃. It has seriously affected the labor efficiency of workers. There are Yanshanian magmatic activity in eastern Pandian coal well in Huang hebei coalfield, and magma intruded in the upper, middle and lower parts of coal-bearing strata. In view of the magmatic rock erosion region, by using simple drilling test and approximate method of steady state temperature, distribution law of ground temperature has been identified in detail. Through comparision of ground temperature data in this area, it is found that the temperature in magma erosion area is higher as 2.6～7.2 ℃ than that in no magma erosion area.

Magmatic rocks; ground temperature; isothermal zone; the Yellow River coalfield; Pandian coalfield

2017-01-07；

2017-03-17；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

趙元強(qiáng)(1979—)，男，山東蒙陰人，工程師，主要從事水文與水資源工程工作；E-mail:zhaoyq2425@126.com

趙元強(qiáng).黃河北煤田巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)礦井地溫分布規(guī)律研究——以潘店井田為例[J].山東國(guó)土資源，2017,33(7)：50-54.ZHAO Yuanqiang.Study on Distribution Law of Mines in Magmatic Rocks Erosion Area in Huanghebei Coalfield—— Taking Pandian Coalfied as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：50-54.

TD727

B

①山東煤炭地質(zhì)工程勘察研究院,山東省齊河縣潘店區(qū)煤炭勘探,2006年。