潘三井田煤系地層巖石熱導率參數(shù)特征及大地熱流研究

魯海峰, 姚多喜, 翁荔玉

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001)

巖石熱導率是指當溫度垂直向下梯度為1℃/m時，單位時間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量，表征了巖石傳到熱量的能力大小[1-3]，同時巖石的熱導率也是計算獲取大地熱流值所必不可少的基礎數(shù)據(jù)[4-8]?；茨厦禾锸俏覈鴸|部最大的礦區(qū)，潘三煤礦位于淮南煤田潘謝礦區(qū)的中部，含有十分豐富的煤炭資源。隨著開采深度的增加，原巖溫度不斷升高，采掘工作面的高溫熱害日益嚴重，嚴重影響了煤礦的安全開采，因此必須高度重視礦井地熱及地溫的研究工作。近年來，針對礦井的地溫分布特征等的研究成果較豐富，但關于井田煤系地層的巖石熱導率參數(shù)的研究成果還較少[9-11]。部分學者對淮南礦區(qū)煤系地層的巖石熱導率進行了分析[12-15]，但缺乏系統(tǒng)性針對某一煤礦而開展的巖層熱力學參數(shù)的研究，這給具體分析礦井的熱害問題帶來了不便。

針對上述問題，為掌握潘三井田煤系地層整體的巖石熱傳導性能以及熱流分布，為后續(xù)的礦井熱害防治提供具體的且有針對性的防治措施，本次通過潘三礦補勘鉆孔采集了77個巖樣進行了熱導率參數(shù)的測試，通過這些可靠的數(shù)據(jù)進行巖石熱導率參數(shù)特征及大地熱流的研究，研究成果可為礦井熱害防治提供必要的基礎理論數(shù)據(jù)。

1 礦井概況

潘三煤礦位于安徽省淮南市的西北部，為全隱蔽式煤田，含煤地層為石炭二疊系，主采煤層為13-1、11-2和8煤。井田為淮南復向斜(陳橋-潘集背斜)的南翼，地層走向：北西西-南東東，地層傾角：50°～100°，具淺部陡深部緩的趨勢，總體形態(tài)為一單斜構造，在此基礎上發(fā)育有次一級寬緩褶曲。

井田范圍內(nèi)以斷裂構造為主要構造樣式，按走向可分為近東西向、北西西向和北東東向三組，其中，井田東北部主要為近東西向正斷層，西北部發(fā)育北東東-近東西向逆斷層，而中部則基本為近東西向斷層，圖1為潘三礦井田地質構造綱要圖。

圖1 潘三煤礦地質構造綱要圖

2 巖石熱導率變化特征

2.1 樣品采集與測試方案

本次研究選擇潘三煤礦13東陷落柱1號孔及13陷落柱1號孔作為本次研究的測試對象。為了使樣品分布具有均勻性，本次研究在充分調研文獻和地質資料的情況下，考慮了不同巖性熱物理性質的差異，采集了不同地層層位的樣品，總共77個巖樣。所采巖樣的深度范圍介于400.5～1 020.2m之間，每0.2m取一個樣。所取巖樣的巖石類型住有：粘土、砂質粘土、砂質泥巖、細砂巖、粉細砂巖、中砂巖、灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及煤等，基本代表了潘三井田煤系地層的主要巖石類型。本次巖樣的熱導率的測試由中國科學院地質與地球物理研究所完成。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

1)數(shù)據(jù)總體規(guī)律

本次研究的巖樣熱導率測試結果如表1所示，從表中可以看出13東陷落柱1號孔對應煤系地層的巖石熱導率介于0.491～4.437W/(m·K)，平均值為2.582 W/(m·K)，13陷落柱1號對應煤系地層的巖石熱導率介于1.421～4.583W/(m·K)，平均值為2.698 W/(m·K)。綜合此兩個鉆孔求得潘三井田的平均熱導率為2.64 W/(m·K)。

圖2為所測巖樣的熱導率頻率分布直方圖，從圖中可以看出其熱導率值大部分介于2.0～4.0W/(m·K)之間，其次為1.5～2.0 W/(m·K)和4.0～4.5 W/(m·K)之間，極大值及極小值均較少，總體上煤系地層的巖石熱導率近似呈正態(tài)分布。巖石熱導率的大小受多種因素的控制，包括密度、巖性、深度等，以下將重點分析各因素對熱導率的影響規(guī)律。

表1 潘三礦煤系地層巖石熱導率測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

熱導率/(W·m-1·K-1)圖2 潘三井田熱導率分布直方圖

2)熱導率與巖性的關系

統(tǒng)計潘三井田13東陷落柱1號孔和13陷落柱1號內(nèi)各種不同巖石類型的熱導率表明(見圖3)，不同巖性的巖石熱導率值存在較大的差別，其中煤巖、天然焦的熱導率最低，其值僅為0.681W/(m·K)，熱導率最高的為中砂巖，其平均值為4.069W/(m·K)；泥巖、砂質泥巖、砂質粘土、粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的熱導率平均值分別為2.414W/(m·K)、2.352W/(m·K)、1.373W/(m·K)、2.961W/(m·K)、3.684W/(m·K)，3.455W/(m·K)。井田內(nèi)煤系地層的巖石類型主要為砂巖及泥巖，泥巖的熱導率相對較低且較穩(wěn)定，其平均值為2.414W/(m·K)；砂巖包括粉砂巖、粉細砂巖、細砂巖、中細砂巖、中砂巖、粗砂巖，其熱導率的大小變化較大，平均值為3.542W/(m·K)； 鉆孔底部太原組上部第一層灰?guī)r的熱導率平均值為3.064W/(m·K)，以上不同巖性巖石的熱導率特征很好的表明了巖石巖性的特征對其熱導率的控制作用。

巖性圖3 潘三井田巖石熱導率巖石樣品巖性對比

3)熱導率和密度的關系

巖石的熱導率在很大程度上受巖石密度的控制。通常巖石的密度與其空隙的大小及多少有關，空隙大而多的密度較小，而致密堅硬的巖石則密度較大。本次研究在測試了巖樣的熱導率的同時，對其密度也進行了測試。通過分析二者之間的關系得到圖4。從圖4中可以看出，潘三井田內(nèi)巖石的熱導率隨著密度的增大而增大，而在巖石組成成分相同時，其致密度和孔隙度將成為其熱導率大小的決定性因素。

密度/(g·cm-3)圖4 潘三井田內(nèi)巖石熱導率與密度的關系

4)熱導率在垂向上的分布

統(tǒng)計潘三井田內(nèi)13東陷落柱1號孔及13陷落柱1號孔所測巖樣的熱導率與深度關系，得到圖5。從圖5中可以看出，潘三井田內(nèi)巖石熱導率總體上隨著深度的增大而增大，特別是在淺部地層中這種關系表現(xiàn)得比深部要明顯。

同時通過本次測試得的巖石熱導率值，對潘三井田內(nèi)不同時代地層的熱導率進行了對比。潘三井田內(nèi)巖石的熱導率隨著地層由新生界到二疊系石盒子組逐漸增大。對比鉆孔巖樣對應的巖性可以看出，不同時代地層巖樣熱導率之間的差異與其地層的巖性有關。由前所述可知，砂巖的熱導率普遍高于泥巖，而在潘三井田的煤系地層中，淺部地層中的砂巖所占的比例相當大，故淺部地層熱導率隨著深度的增加而增大得較明顯。但是在井田深部的太原組與山西組地層，泥巖與煤占比增大，故深部的老地層其熱導率隨深度增加的趨勢較淺部減小。本次測試所獲得的研究成果與文獻[5]的分布規(guī)律取得了一致。

圖5 潘三井田巖石熱導率與隨深度變化

3 大地熱流的計算

大地熱流是反映研究區(qū)地溫場特征的一個重要地熱參數(shù)，通常與巖性、巖石的厚度、熱導率及地溫梯度等密切相關，是指地球內(nèi)部向地表(或近地表)單位面積上傳輸?shù)臒崃?，其計算公式為[16]。

式中：Q為大地熱流，mW·m-2；k為熱導率，W·m-1·K-1；dT/dZ為地溫梯度，℃/(hm)。

計算大地熱流值需要知道地溫梯度參數(shù)，如果選取恒溫帶到井底的地溫梯度值(也稱為鉆孔全井段地溫梯度)，涉及到松散層與基巖的熱導率參數(shù)差異較大，故本次在計算大地熱流時為了提高準確性，熱導率范圍和地溫梯度的計算范圍均為基巖面下部。而求取地溫梯度時，選擇具有代表性的近似穩(wěn)態(tài)測溫孔進行計算，如果井田沒有近似穩(wěn)態(tài)測溫孔時，可選用兩次測溫差值最小的簡易孔代替。

選取潘三礦的近似穩(wěn)態(tài)孔及兩次測溫差值最小的簡易測溫孔，對基巖面下部的溫度—深度數(shù)據(jù)，進行線性擬合求取其地溫梯度值，并計算其大地熱流值，計算結果如表2所示。

根據(jù)計算結果可知，潘三礦的平均大地熱流值為73.14mW/m2。研究區(qū)大地熱流值的計算結果，與淮南煤田的大地熱流分布情況相吻合[16]，略高于安徽省大地熱流值[17]，呈現(xiàn)出較高的地熱狀態(tài)。

表2 研究區(qū)大地熱流值匯總

4 結論

本次研究通過對潘三煤礦補勘鉆孔進行取樣，并對其巖樣進行熱導率進行測試，依據(jù)測試結果對研究區(qū)內(nèi)煤系地層的巖石熱導率特征進行了分析，得出以下結論：

(1)潘三井田內(nèi)煤系地層的巖石類型主要為砂巖及泥巖，泥巖的熱導率相對較低且較穩(wěn)定，其平均值為2.414W/(m·K)；砂巖包括粉砂巖、粉細砂巖、細砂巖、中細砂巖、中砂巖、粗砂巖，其熱導率的大小變化較大，平均值為3.542W/(m·K)； 鉆孔底部一灰的熱導率平均值為3.064W/(m·K)，以上不同巖性巖石的熱導率特征很好的表明了巖石巖性的特征對其熱導率的控制作用。

(2)潘三井田內(nèi)巖石熱導率整體上隨著深度的增大而增大，特別是在淺部地層中這種關系表現(xiàn)得較明顯，在深部則表現(xiàn)得并不明顯，其熱導率隨著深度的變化并不大。

(3)潘三井田內(nèi)巖石的熱導率隨著密度的增大而增大，而在巖石組成成分相同時，其致密度和孔隙度將成為其熱導率大小的決定性因素。

(4)潘三井田內(nèi)平均大地熱流值為73.14mW/m2，與淮南煤田的大地熱流分布情況相吻合，略高于安徽省大地熱流平均值，呈現(xiàn)出較高的地熱狀態(tài)。