貴州小屯煤礦現(xiàn)代地溫場特征及煤層溫度分析

盧玲玲，時(shí)文文，潘春娟

(中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西 西安 710199)

地球內(nèi)部熱能通過導(dǎo)熱率不同的巖石在地殼運(yùn)移分配形成地溫場。地層溫度是煤炭資源開采的重要地質(zhì)條件之一，也是煤層氣開采方式選擇所要考慮的重要地質(zhì)因素(秦勇 等，2012；趙麗娟 等，2010)，前人對此開展過較多的研究(張連強(qiáng)，2012；任自強(qiáng) 等，2015；彭濤 等，2018；方尚武 等，2020；李文，2021；朱敬忠 等，2021)。本文以貴州西部小屯煤礦為研究對象，分析了區(qū)內(nèi)14口鉆孔測溫資料，其中包括近似穩(wěn)態(tài)測溫孔5口。通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算了各測溫鉆孔的地溫梯度，分析了研究區(qū)垂向上和平面上地溫分布特征及影響因素，預(yù)測了煤層出現(xiàn)熱害區(qū)的開采標(biāo)高。取得的成果對分析貴州西部淺部地溫場地質(zhì)影響因素具有參考價(jià)值，對厘定礦井熱害等級、指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)等也有所幫助。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于貴州西部大方縣境內(nèi)，南北長約8 km，東西寬約7 km，面積54.881 7 km2。距離大方縣城6.0 km左右，行政區(qū)劃隸屬貴州省大方縣小屯鄉(xiāng)、大方鎮(zhèn)、羊場鎮(zhèn)管轄。區(qū)內(nèi)地形總體北高南低，地形陡峻，高差較大。

圖1 小屯礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of Xiaotun mining area1—三疊系夜郎組九級灘段；2—三疊系夜郎組玉龍山段；3—三疊系夜郎組沙堡灣段；4—三疊系茅草鋪組；5—二疊系長興組；6—二疊系茅口組；7—二疊系龍?zhí)督M；8—峨眉山玄武巖組；9—背斜；10—向斜；11—逆斷層；12—正斷層；13—第四系坡殘積層

區(qū)內(nèi)主要揭露地層由下至上依次為：二疊系茅口組(P2m)、峨眉山玄武巖組(P2-3emβ)、龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)；三疊系夜郎組(T1y)，茅草鋪組(T1m)；第四系(Q)。

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為龍?zhí)督M，含可采煤層6層。上煤組6上、6中、6下及7號煤層全區(qū)可采，煤層層數(shù)、間距及厚度變化較??；下煤組煤層較多，可采煤層為33、34煤，分別為大部可采和局部可采。

2 數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 測溫?cái)?shù)據(jù)處理

研究工作共收集了區(qū)內(nèi)14口鉆孔的井溫測井?dāng)?shù)據(jù)，其中包括5口近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔、9口簡易測溫鉆孔(各鉆孔平面位置分布如圖2所示)。

圖2 測溫鉆孔平面分布圖Fig.2 Layout plan of the temperature measurement boreholes1—測溫鉆孔；2—逆斷層；3—正斷層；4—向斜；5—背斜

因?yàn)閮煞N測溫的過程和方法不同，所以兩種數(shù)據(jù)的處理方法也不同：

1.近似穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù)：一般是在完井72 h以后測得，理論上井液和巖石的溫度已經(jīng)基本達(dá)到平衡狀態(tài)，測得的數(shù)據(jù)能客觀反映地層的真實(shí)溫度，因此穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù)可以直接使用(譚靜強(qiáng) 等，2009)。

2.簡易測溫?cái)?shù)據(jù)：簡易測溫為在終孔后立即測量的數(shù)據(jù)，測溫時(shí)井液和巖石的溫度尚未完全達(dá)到平衡狀態(tài)，需要經(jīng)過校正處理后才能使用。一般采用“三點(diǎn)法”對簡易測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正，即孔底溫度、中性點(diǎn)溫度和恒溫帶溫度三點(diǎn)連線作為測溫曲線(盧玲玲 等，2013)。

處理后的測溫?cái)?shù)據(jù)如圖3、圖4所示：在總體上，地層溫度隨著深度的增加逐漸升高，呈現(xiàn)出較好的近似線性關(guān)系，顯示該區(qū)地溫在縱向上主要以傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)為主。

圖3 鉆孔深度-溫度關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of the borehole depth and temperature

圖4 測溫鉆孔溫度-埋深曲線圖Fig.4 The curve of measured borehole depth and temperature

2.2 地溫梯度求取

根據(jù)黔西煤田長期的測溫鉆孔觀測資料以及其他統(tǒng)計(jì)資料，大方縣多年年平均氣溫11.9℃，恒溫帶溫度取14.2℃，恒溫帶深度取50 m。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)某一深度為Z，該深度地溫為T，地溫梯度為G，則有(譚靜強(qiáng) 等，2009)：

表1 地溫梯度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of geothermal temperature gradients

2.3 地溫梯度分布特征

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地溫梯度存在如下變化特征：

結(jié)合以往井田測溫情況及本次鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)成果分析，區(qū)內(nèi)地溫總體隨地層埋藏深度的增加而增加，平均地溫梯度3.21℃/100 m。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究結(jié)果

3.1.1 地溫場特征

進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)地溫梯度總體較高，平均值3.21℃/100 m(大于3.00℃/100 m)，為地溫異常區(qū)，但又存在一定的差異，在局部地帶略偏低。主要存在如下特征：

(2)地溫梯度平面分異較大，總體分布格局為“北高南低”。在中部偏南區(qū)域地溫梯度差異明顯，存在地溫梯度異常低區(qū)(1004孔、1101孔、B1002孔)。

3.1.2 主煤層溫度預(yù)測

基于地溫梯度與鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)，預(yù)測了上組7號煤和下組34號煤的溫度分區(qū)情況(圖5，圖6)。

根據(jù)本次鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)，按照井田平均地溫梯度3.21℃/100 m統(tǒng)計(jì)分析：本井田開采上、下組煤在標(biāo)高約+949 m之下地溫大于31℃，進(jìn)入一級高溫區(qū)。上組煤最低標(biāo)高約+880 m，地溫約33.6℃，即開采上組煤層時(shí)地溫均小于37℃，無二級高溫區(qū)。下組煤在標(biāo)高約+759 m之下地溫大于37℃，進(jìn)入二級高溫區(qū)，而下組煤最低標(biāo)高約+720 m，故下組煤存在二級高溫區(qū)(圖5、圖6)。

圖5 上組7煤地溫分區(qū)圖Fig.5 Upper group 7 coal geothermal zoning map1—小屯預(yù)留區(qū)范圍；2—7煤露頭線；3—正常地溫區(qū)；4—一級高溫區(qū)

圖6 下組34煤地溫分區(qū)圖Fig.6 Lower group 34 coal geothermal zoning map1—小屯預(yù)留區(qū)范圍；2—34煤露頭線；3—正常地溫區(qū)；4—一級高溫區(qū)；5—二級高溫區(qū)

3.2 有關(guān)討論

3.2.1 地溫梯度偏高的原因

小屯煤礦處在第五熱儲單元封閉條件良好的大方背斜中，背斜的北部亦稱鍋廠穹隆，本身就是貴州省地?zé)嵩鰷芈首罡叩膮^(qū)域之一。

(2)與斷裂帶構(gòu)造有關(guān)。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極易產(chǎn)生褶皺和斷裂等形態(tài)，不僅會(huì)引起巖石熱物理性質(zhì)在水平方向和垂直方向上的變化，而且影響淺部熱流與深部熱流的運(yùn)移交換，致使地溫場發(fā)生改變，導(dǎo)致局部地溫出現(xiàn)異常(朱紹軍 等，2008；張晗彬 等，2018)。

3.2.2 熱害防治的措施及建議

本井田屬于地溫梯度異常區(qū)，隨著深度的增加，溫度上升較快。在地溫31℃以上，37℃以下時(shí)，也就是一級熱害區(qū)，主要降溫措施為礦井通風(fēng)：即加大通風(fēng)強(qiáng)度，改革通風(fēng)方式，選擇合理的通風(fēng)系統(tǒng)等。在地溫大于37℃以上時(shí)，單靠礦井通風(fēng)難以達(dá)到降溫目的，需要對礦井空氣進(jìn)行調(diào)整也就是增加人工制冷降溫系統(tǒng)，采用制冷設(shè)備對礦內(nèi)空氣進(jìn)行冷卻。