新鄭市趙家寨煤礦測溫資料的整理與利用

楊長保，楊玉琦，梁海峰，梁躍偉

(1.河南省煤田地質(zhì)局一隊 河南 新鄭 451150；2.防災科技學院 河北 三河 101601；3.河南省煤田地質(zhì)局二隊 河南 洛陽 471000)

新鄭市趙家寨煤礦測溫資料的整理與利用

楊長保1，楊玉琦2，梁海峰1，梁躍偉3

(1.河南省煤田地質(zhì)局一隊 河南 新鄭 451150；2.防災科技學院 河北 三河 101601；3.河南省煤田地質(zhì)局二隊 河南 洛陽 471000)

在趙家寨煤礦詳查和勘探期間，發(fā)現(xiàn)該區(qū)有地熱異常，因此對該區(qū)地溫資料進行了詳細分析和整理。根據(jù)分析和對比通過確定恒溫帶、中性點、孔底溫度繪制校正曲線，利用校正曲線量出不同深度的溫度及全孔或某一層段的地溫梯度。據(jù)此確定了趙家寨煤礦地溫類型、地溫梯度及存在熱害的區(qū)域。該區(qū)測溫資料的處理方法與成果利用對于其它礦區(qū)開展地溫勘查與地溫研究工作具有借鑒意義。

趙家寨煤礦;測溫資料;資料整理;資料利用

目前，我國找礦工作的重點是深部找礦，隨著礦產(chǎn)資源勘查、開采深度的增加，必然面臨著地溫增高的熱害問題，因此，加強對礦區(qū)地熱的研究是非常必要的。地溫勘查是資源勘查工作的一部分，目前的勘查報告在地溫正常區(qū)其地溫勘查內(nèi)容是非常簡單的，甚至在地溫異常區(qū)也存在著地溫地質(zhì)工程量不足、地溫研究程度不夠深入的狀況，僅大致估算了地溫梯度、劃分出熱害區(qū)等，對地溫場類型及地熱異常產(chǎn)生的原因等極少涉及。趙家寨煤礦在詳查和勘探期間，布置了大量的測溫鉆孔，取得了大量的測溫資料。通過對鉆孔測溫資料的分析、整理，查明了礦區(qū)的地溫場類型、地熱異常產(chǎn)生的原因及熱害發(fā)育程度，對礦區(qū)資源的順利開發(fā)具有重要的意義；同時地熱又是一種綠色的清潔能源，開發(fā)利用地熱資源對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保也具有重要意義。

1 煤礦地溫地質(zhì)

趙家寨煤礦位于鄭州市南40km的新鄭市，面積49 km2，資源儲量4.7億t。該區(qū)為新密向斜巖溶地下水的排泄區(qū)，從上游匯流來的地下水在徑流途中不斷吸收圍巖熱量而增溫，到達趙家寨煤礦后具有高水頭、高地溫梯度的特點，水文地質(zhì)及地溫條件比較復雜，開采二1煤層受到高溫地下水的威脅。為此，在詳查和勘探期間本區(qū)共完成有效的穩(wěn)態(tài)測溫孔42孔，簡易測溫孔34孔，近似穩(wěn)態(tài)測溫孔2孔，并取得大量測溫資料。

2 測溫資料的整理

根據(jù)鉆孔停鉆后沖洗液穩(wěn)定時間的長短將鉆孔測溫分為簡易測溫、近似穩(wěn)態(tài)測溫和穩(wěn)態(tài)測溫三種類型[1]。由于穩(wěn)態(tài)測溫和近似穩(wěn)態(tài)測溫不易進行，所以大量的鉆孔測溫采用簡易測溫。近似穩(wěn)態(tài)測溫和穩(wěn)態(tài)測溫為穩(wěn)態(tài)鉆孔溫度，資料可以直接利用，而簡易測溫為非穩(wěn)態(tài)鉆孔溫度，這類資料要根據(jù)近似穩(wěn)態(tài)孔熱恢復規(guī)律進行校正，即以井底溫度、中性點溫度和恒溫帶溫度推求出近似穩(wěn)態(tài)曲線，才能予以利用。測溫資料的整理內(nèi)容可分為恒溫帶、中性點、孔底溫度的確定及校正曲線的繪制等。

2.1 恒溫帶的確定

在圖1(a)中可發(fā)現(xiàn)最大離差絕對值變化幅度從上到下是不同的，在一定深度以上，離差絕對值變化幅度較大，且逐漸增大，顯然是受地表溫度和測量誤差共同影響的結(jié)果，此深度以下，最大離差絕對值變化幅度較小，且在一定范圍內(nèi)變化。該深度可視為恒溫帶深度，對應的平均溫度即為恒溫帶溫度。在圖1(b)上，可發(fā)現(xiàn)16m以下，深度與溫度呈直線相關(guān)關(guān)系，此即為內(nèi)熱帶，在此深度以上，觀測的平均溫度漸偏離該直線，這是地面溫度變化影響的結(jié)果，因而，這一深度即為恒溫帶深度。通過以上兩種方法的互相對照，就可確定603孔恒溫帶深度和溫度分別是16m、16.4℃。

圖1 603鉆孔恒溫帶分析圖Figure 1 Analysis of constant temperature zone in borehole No.603

2.2 中性點(段)的確定

達到一定深度的鉆孔，當孔底的原始巖溫高于沖洗液的溫度時，熱恢復在鉆孔深部和淺部的變化是不同的。在深部原始地溫場的破壞是被沖洗液冷卻，熱恢復過程是朝著溫度增加的方向回升。在淺部，原始地溫場的破壞是被沖洗液加熱，熱恢復過程是朝著溫度下降的方向恢復。因此在溫度變化方向相反的上下兩段之間必然存在著溫度與圍巖原始巖溫相近或平衡的點，這就是兩次簡易測溫曲線相交的點，這個點即為中性點，如圖2所示。當沖洗液停止循環(huán)時間較長時，其中性點向上下兩個方向延展，成為中性段(圖3)。兩次測溫時間間隔在10h以上時，其中性點(段)都較明顯[2]。

圖2 簡易測溫曲線中性點Figure 2 Neutral point in facility temperature measuring curve

圖3 簡易測溫曲線中性段Figure 3 Neutral sector in facility temperature measuring curve

2.3 孔底溫度的確定

在煤田勘查中，利用簡易測溫資料推算鉆孔孔底平衡溫度(即原始巖溫)的方法主要有對數(shù)回歸法、指數(shù)回歸法、耶格方法、量板法等。根據(jù)本區(qū)12個既有簡易測溫又有穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔的資料，利用上述四種不同方法對鉆孔孔底溫度進行了校正，經(jīng)與穩(wěn)態(tài)測溫資料對比，對數(shù)回歸法、指數(shù)回歸法、耶格方法、量板法計算的標準差分別為0.48、0.86、0.83、0.73，對數(shù)回歸法誤差最小，因此本區(qū)采用對數(shù)回歸方法。因用60h穩(wěn)定時間計算出的簡易測溫的孔底平衡溫度，80%的誤差在±0.6℃以內(nèi)(表1)，故確定本區(qū)近似穩(wěn)態(tài)測溫恢復平衡所需時間為60h。利用的對數(shù)回歸方程為：

T=T0+B·lnt

式中：T—任一穩(wěn)定時間t的孔底溫度；T0—剛停泵時的孔底溫度；B—回歸系數(shù)。T0、B均為常數(shù)[3]。

表1 孔底溫度校正方法對比表

對數(shù)回歸方法的計算步驟是：據(jù)簡易測溫的兩次不同穩(wěn)定時間t1、t2所測得的孔底溫度T1、T2分別代人孔底溫度恢復方程T=T0+B·lnt，可得如下方程組：

T1=T0+B·lnt1

T2=T0+B·lnt2

從方程組中求出T0、B值，令t=60時(本區(qū)近似穩(wěn)態(tài)資料確定恢復平衡所需的時間為60h)，代人T=T0+B·lnt，即可求出孔底平衡溫度T∞。

對于只有一條測溫曲線的簡易測溫孔，可利用上述方法推導出公式T∞=T1+B·ln(60/t1)計算孔底平衡溫度。其B值可利用本區(qū)其他穩(wěn)態(tài)測溫、近似穩(wěn)態(tài)測溫或經(jīng)過兩次測溫的簡易測溫鉆孔資料，求出平均B值或一般B值，本區(qū)B值取0.65[4]。

2.4 校正曲線的繪制和利用

簡易測溫為非穩(wěn)態(tài)鉆孔溫度，這類資料要校正后才能利用。簡易測溫校正曲線是在二維坐標系中以縱坐標為深度，橫坐標為溫度，由恒溫點、中性點(段)和校正后的孔底溫度圓滑連接而成。如果測溫鉆孔無中性點，則將恒溫點和校正后的孔底溫度直線連接而成。校正曲線即為近似穩(wěn)態(tài)曲線，利用校正曲線，可以量出不同深度的溫度值或計算全孔、某一層段的地溫梯度。近似穩(wěn)態(tài)測溫和穩(wěn)態(tài)測溫曲線可以直接利用。

3 測溫資料的利用

在勘查中取得的原始資料經(jīng)過整理、匯總，繪制成圖。一般需要編繪的圖件是：鉆孔溫度—深度圖，地溫剖面圖，主要煤層溫度等值線圖，開采水平等溫線圖等[5]。通過分析不同圖件可以得出礦區(qū)各類溫度場特征。

3.1 利用鉆孔溫度曲線圖確定礦山地溫場類型

鉆孔溫度曲線形態(tài)及其變化反映了地溫場控制條件的特點。根據(jù)對礦區(qū)地溫場特點的形成起主要作用的熱傳遞方式，將礦區(qū)地溫類型劃分為傳導型、對流型和混合型三種[6]。

傳導型的地溫場是深部熱流以傳導方式通過巖石形成的，其受控于背景熱流值和巖石熱導率，溫度曲線是具有一定斜率的直線或近似直線(圖4中b線)。

對流型地溫場是在流體的熱對流作用控制下形成的，其與所在區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境及水動力條件有關(guān)，溫度梯度值極小或為零，溫度曲線近乎豎直(圖4中a線)，與傳導型溫度梯度形成明顯對照。

圖4 傳導型、對流型地溫類型示意圖Figure 4 A schematic diagram of transmitting,convective geothermal types

混合型地溫場是在巖石熱傳導和地下水活動雙重作用下形成的，其特點是在正常地溫背景下疊加了地下水運動的影響。在沒有地下水活動時，圍巖溫度場受控于傳導作用的影響，圍巖溫度隨深度的變化是一條傾斜直線。而在受地下水活動的影響時，圍巖溫度同時受傳導和對流兩種作用控制，地下水的垂直對流運動使鉆孔的溫度分布不再保持直線，呈現(xiàn)曲線[7]。且當?shù)叵滤怪毕聺B時，溫度曲線呈下凹型，地溫梯度自上而下由小變大(圖5中b線)；當?shù)叵滤蛏线\動時，溫度曲線呈上凸型，地溫梯度自下而上由小變大(圖5中a線)。

圖5 混合型地溫類型示意圖Figure 5 A schematic diagram of hybrid geothermal type

趙家寨煤礦911孔溫度曲線呈上凸型，自下而上，地溫梯度逐漸由小變大(圖6)，這是伴有奧灰承壓熱水上升流活動的傳導與對流混合傳熱溫度場的特征，是混合型的典型實例，也是導致本區(qū)產(chǎn)生地熱異常的主要原因。

圖6 911鉆孔溫度曲線圖Figure 6 Temperature curve of borehole No.911

3.2 計算地溫梯度

根據(jù)鉆孔溫度—深度圖可以計算出鉆孔平均地溫梯度或不同層段的地溫梯度，根據(jù)鉆孔平均地溫梯度值判定該區(qū)地溫狀況。趙家寨煤礦地溫梯度按層段統(tǒng)計，二疊系平均為3.38℃/100 m，太原組平均為4.62℃/100 m，奧陶系、寒武系平均為1.95℃/100 m。全孔地溫梯度為2.0～5.39℃/100m，平均3.50℃/100 m，趙家寨煤礦應為高溫異常區(qū)。

3.3 劃分一、二級熱害區(qū)

分析二1煤層底板等溫線圖可看出礦區(qū)是否存在熱害, 若存在熱害應圈出一級、二級熱害區(qū)。趙家寨煤礦一級熱害區(qū)主要位于礦區(qū)的東部和西部，面積15.7km2，占礦區(qū)面積的32%，二級熱害區(qū)主要分布在礦區(qū)的東部，面積4.5km2，占礦區(qū)面積的9%(圖7)[8]。

4 地熱資源的利用

趙家寨煤礦于2004年10月開始動工建設(shè)，2009年9月聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，主要開采二1煤層，年產(chǎn)量300萬t。本區(qū)熱儲由淺部新生界熱儲層和深部古生界熱儲層構(gòu)成。其中古生界熱儲層主要有長山組(∈3ch)白云質(zhì)灰?guī)r巖溶承壓水熱儲層、馬家溝組(O2m)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水熱儲層、太原組下段(C2tL1-4)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水熱儲層、太原組上段(C2tL7-8)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水熱儲層、山西組(P1s)二1煤層之上砂巖孔隙承壓水熱儲層等組成。

該礦以井下排水作為本礦井的供水水源，不但能夠滿足煤礦生產(chǎn)生活用水，多余排水還作為地方水廠供水水源。

井下排水的主要來源為太原組下段(C2tL1-4)灰?guī)r熱儲層、馬家溝組(O2m)灰?guī)r熱儲層、太原組上段(C2tL7-8)灰?guī)r熱儲層及山西組(P1s)二1煤層之上砂巖熱儲層，目前主要對該4層熱儲進行利用。

圖7 地溫梯度及一級、二級熱害區(qū)分布圖Figure 7 Geothermal gradient and heat hazard categories I and II areas distribution

熱儲水溫32～37℃，屬低溫地熱資源，主要用于洗浴，各熱儲排水量及溫度特征見表2。

表2 熱儲特征一覽表

本區(qū)年平均氣溫為14.4℃，以此作為地熱流體最后溫度，將熱水降低到平均氣溫時所利用熱能的公式為：

Q=c·M·(T2-T1)

式中：Q為熱能，kJ；c為水的比熱容，kJ/kg·℃；M為一定時間內(nèi)利用地熱流體的質(zhì)量。

井下排水一部分作為生產(chǎn)用水，一部分作為洗浴用水，洗浴用水按50%進行計算。趙家寨煤礦每年利用地熱水5.184×106t，利用熱量4.59×1011kJ，相當于節(jié)煤量1.566萬t/a。

礦井排水及地熱資源的利用，既節(jié)省了排水費用，又減少了煤炭的燃燒與污染物的排放，開創(chuàng)了資源節(jié)約集約和循環(huán)利用的新模式，建立了發(fā)展綠色礦山的新機制，符合國家的資源與環(huán)保政策。

5 結(jié)論

①通過對非穩(wěn)態(tài)鉆孔測溫資料進行整理，從而確定井底溫度、中性點溫度和恒溫帶溫度三個重要特征點，依據(jù)三個特征點繪制出近似穩(wěn)態(tài)曲線圖。綜合分析鉆孔測溫成果可以確定礦山地溫類型、礦山地溫梯度及是否存在地溫異?；驘岷?、確定異?；驘岷Ξa(chǎn)生的原因。

②關(guān)于鉆孔測溫資料的整理方法，已有一些研究工作，但方法比較簡單且不系統(tǒng)，本文根據(jù)自己的工作經(jīng)驗進行了分析整理，對于其它礦區(qū)開展地溫勘查與研究工作具有借鑒意義。

③井下排水既是礦井生產(chǎn)的供水水源，又是提供礦工生活及地方居民洗浴用熱水的重要來源。礦井排水的綜合利用，既節(jié)省了排水費用，又充分利用了地熱資源，符合國家的資源與環(huán)保政策。

[1]全國礦產(chǎn)儲量委員會.煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范[S].北京: 煤炭工業(yè)部,1986.

[2]楊惠中.簡易井溫曲線的近似穩(wěn)態(tài)校正方法探討[J].能源技術(shù)與管理,2007,(3):49.

[3]王天佑,李保來.地溫工作在煤田地質(zhì)工作中的應用 [J].中國煤炭地質(zhì)(原中國煤田地質(zhì)),1993,5(3):55.

[4]河南省煤田地質(zhì)公司一隊,河南省煤田地質(zhì)公司物測隊.河南省新密煤田新鄭礦區(qū)水文地質(zhì)及地溫綜合勘探報告[R].河南鄭州: 河南省煤田地質(zhì)公司一隊,河南省煤田地質(zhì)公司物測隊,1990.

[5]余恒昌,陳墨香.礦山地熱概論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1981:141.

[6]余恒昌,鄧孝,陳碧琬,等.礦山地熱與熱害治理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991:129-130.

[7]鄧孝.地下水垂直運動的地溫場效應與實例剖析[J].地質(zhì)科學,1989, (1):79.

[8]河南省煤田地質(zhì)局一隊.河南省新鄭煤電有限責任公司趙家寨煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告[R].河南新鄭:河南省煤田地質(zhì)局一隊,2014.

SortOutandUtilizationofTemperatureMeasurementDatainZhaojiazhaiCoalmine

Yang Changbao1, Yang Yuqi2, Liang Haifeng1and Liang Yuewei3

(1.The First Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Xinzheng, Henan 451150;2.Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 101601; 3.The Second Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Luoyang, Henan 471000)

During the general exploration and detailed exploration stages in the Zhaojiazhai coalmine, have found geothermal anomaly in the area, thus should carry out geothermal data detailed analysis and sort out. Based on analysis and correlation of determined zone of constant temperature, neutral point and borehole bottom temperature three-point method mapped out calibration curve. Using the calibration curve can work out temperature of different depths and geothermal gradient of full borehole or a sector. Through temperature measured result analysis determined geothermal type, gradient and existing heat hazard region. The processing method of measured data and result utilization have guiding or reference significances in other mine areas to carry out geothermal exploration and geothermal research works.

Zhaojiazhai coalmine; temperature measured data; data sort out; data utilization

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.03

1674-1803(2017)08-0012-05

楊長保(1971—)，男，河南夏邑人，1993年畢業(yè)于長春地質(zhì)學院，高級工程師，從事煤田地質(zhì)工作，研究方向為地質(zhì)礦產(chǎn)勘查。

2017-05-10

A

責任編輯：宋博輦