大紅山銅礦西礦段地溫梯度測定及熱害地質(zhì)成因分析

陸博，喻曉麗，李杰林，黃沖紅，孫龍

(1.中鋁集團玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪市 653405；2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 前言

地下礦山深部開采已成為采礦業(yè)重要的發(fā)展方向之一，隨著開采深度的增加，井下濕熱環(huán)境日益惡化，嚴重影響礦工身體健康，降低勞動生產(chǎn)率，不利于井下安全生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國深部礦井中千米深礦井近百座，超1 km 深的金屬礦井已達16 座，一級熱害井占比達到24.64%。因此，亟需進行深部礦井熱害治理[1-3]。圍巖原始溫度即原巖地溫的測定是礦井熱害防治最重要的基礎工作，所取得的參數(shù)是進行礦井熱源分析及井下風流溫度預測計算的重要基礎參數(shù)，也是劃分礦井地溫類型的基本依據(jù)之一[4]。因此，地溫測量是了解熱源分布情況、掌握地溫對深部工程熱環(huán)境的作用影響、制定熱害防治措施等工作的重要基礎工作。

在礦山地溫測量和地溫梯度研究方面我國學者做了一系列的工作。張紹國等[5]利用淺孔測溫法測定原始巖溫，并結合Origin 回歸實測巖溫數(shù)據(jù)，分析了孔底溫度隨時間的變化特點；蔡增祥等[6]采用淺孔測溫法測定了滇東北鉛鋅礦山4 個水平的原巖溫度并進行擬合分析，得到礦山地溫梯度為1.449℃/100 m；劉凱等[7]采用深孔測量法測定了新城金礦圍巖溫度，鉆孔深度為30 m，從而獲得了地溫梯度變化規(guī)律。以上研究為礦山地溫分布規(guī)律提供了良好的理論基礎和實踐指導。

目前，關于金屬礦山地溫梯度的測定，大多采用淺孔測溫方法或采取深度較淺（約30 m）的深部測溫法，從而對深部地溫的分布規(guī)律掌握程度不夠精確。本文采取深孔測溫法，在200 m 鉆孔內(nèi)開展了地溫測量，獲取大紅山銅礦西礦段原巖溫度數(shù)據(jù)，分析其地溫變化規(guī)律，并從地質(zhì)方面對熱害成因進行分析。

1 大紅山銅礦地溫梯度測量及結果分析

大紅山銅礦位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治縣戛灑鎮(zhèn)，礦區(qū)屬山嶺地形，海拔標高為500～1850 m，大紅山銅礦海拔為700～1400 m。山脈總體南北走向，地形起伏大，切割激烈；區(qū)內(nèi)屬亞熱帶氣候區(qū)，氣候具垂直分帶的特點，氣溫最低為1℃，最高為45℃，平均為23℃，夏秋較為炎熱，冬春溫和。

對大紅山銅礦西礦段部分中段水平進行了空氣溫濕度、圍巖表面溫度及水溝水溫測量，結果見表1。從表1 可知，隨著開采深度的增加，西礦段區(qū)域巷道內(nèi)的空氣溫度和巖溫不斷上升，且400 m水平以下作業(yè)面的空氣濕度均處于80%以上，屬于典型的高溫高濕環(huán)境，礦井熱害問題突出。

表1 大紅山銅礦西礦段空氣溫濕度、圍巖表面溫度及水溫測量結果

1.1 地溫梯度測試過程

原巖溫度的具體數(shù)值取決于地溫梯度與埋藏深度，一般采用鉆孔測溫方法進行原巖溫度測量，深孔測溫法不受氣候變化的影響和井巷內(nèi)通風的干擾，測試的可靠性及數(shù)據(jù)準確性高[6]，因此，本次測量采用深孔測溫法，以期獲取準確可靠的原巖溫度數(shù)據(jù)，從而得到大紅山銅礦西礦段真實的地溫梯度。

深孔測溫鉆孔布置在大紅山銅礦西礦段140 m中段132 線探礦穿脈中，孔深為200 m，孔徑為50 mm。測量儀器主要包括溫度傳感器、數(shù)字地質(zhì)溫度測試儀、電纜、深度計數(shù)器及連接輪等。分別在冬季（12 月份）和夏季（8 月份）進行測試。測量現(xiàn)場如圖1 所示。

圖1 鉆孔地溫梯度測量現(xiàn)場

1.2 測試數(shù)據(jù)及結果分析

在夏季（8 月份）和冬季（12 月份）分別進行原巖溫度測試，測量所得的測點海拔高度與原巖溫度關系如圖2 所示。由圖2 可知，隨著探頭下降深度的增加，原巖溫度逐漸增加，大致呈線性變化規(guī)律，表現(xiàn)出傳導型增溫特征，且原巖溫度均超過37℃，為二級熱害區(qū)。此外，夏季與冬季測量結果相近，且隨著深度增加，兩者測量結果間的差距越小，幾乎重合，說明孔內(nèi)的原巖溫度不會隨著季節(jié)變化而改變，可以分析出西礦段井下高溫熱害的主要熱源為圍巖散熱。

圖2 溫度隨海拔高度的變化曲線

根據(jù)夏季和冬季地溫實測數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法分別得到了大紅山銅礦西礦段夏季和冬季的地溫梯度，其結果如圖3 所示，在夏季和冬季時，下降深度與溫度之間的關系可用式（1）、式（2）來表示。

圖3 平均地溫梯度擬合結果

經(jīng)計算，大紅山銅礦夏季和冬季的地溫梯度分別為2.96℃/100 m、2.92℃/100 m，兩者相差不大，說明季節(jié)變化對地溫梯度的影響較小。參照《礦井降溫技術規(guī)范》的規(guī)定，大紅山銅礦屬于常溫類地溫類型，接近高溫類地溫類型（≥3.0℃/100 m）。因此，大紅山銅礦西礦段原始地溫較高，地溫梯度較大，地熱災害嚴重。

2 大紅山銅礦西礦段地溫影響因素分析

通過分析前人研究成果發(fā)現(xiàn)，影響地溫場分布的地質(zhì)因素主要可分為地質(zhì)構造、巖性、地下水和巖漿活動4 類[8-11]。根據(jù)大紅山銅礦西礦段的地質(zhì)資料[12-14]，對大紅山銅礦西礦段地溫的主要影響因素進行分析。

2.1 地質(zhì)構造

地質(zhì)構造對地溫分布產(chǎn)生影響的主要原因是強烈的構造運動易產(chǎn)生褶曲和斷裂等構造，在水平方向或垂直方向上引起巖石熱物理性質(zhì)變化，從而改變溫度場。大紅山銅礦區(qū)位于南嶺緯向構造體系、藏滇“歹”字型構造體系及川滇經(jīng)向構造體系的復合部位，系云南山字型前弧西翼與北西向哀牢山構造的交接處。礦區(qū)構造運動強烈，巖漿活動頻繁，從太古代末期開始，不同時期、不同階段的構造運動在礦區(qū)內(nèi)均有不同程度的反映，所形成的構造形跡和與之相伴的巖漿活動、區(qū)域變質(zhì)作用相互繼承、疊加，使得地質(zhì)構造趨于復雜化。尤其是燕山運動末期，使整個中生代蓋層全面褶皺，產(chǎn)生較多的斷裂，從而形成了礦區(qū)現(xiàn)今的構造格局。

大紅山銅礦西礦段處于康滇地軸大紅山臺拱底巴都背斜南翼，大紅山群地層為走向北北西至南南東，向南西、南西西傾斜的單斜構造。蓋層明顯地繼承基底構造，亦為一單斜，僅南端有較小的次一級向、背斜褶皺。因此，大紅山銅礦的單斜整體構造阻礙熱量向上傳遞，成為熱害出現(xiàn)的一個重要地質(zhì)因素。

2.2 巖性

巖性影響地溫分布的根本原因是不同類別巖石的導熱率和熱傳導性能不盡相同，且地溫向深處的增加僅與巖石的導熱率成正比。西礦段的巖性主要以凝灰?guī)r為主，部分區(qū)域出現(xiàn)片巖、凝灰?guī)r夾雜片巖或大理巖、構造破碎帶，其具體分布如圖4 所示，圖中0 位置處代表140 m 水平B132線鉆孔起點。通過對凝灰?guī)r和片巖進行熱參數(shù)測試，獲得兩種巖石的導熱系數(shù)分別為 3.073 W/(m·k)、3.46 W/(m·k)。

圖4 地溫梯度隨鉆孔深度波動曲線

從圖4 可以看出，地溫梯度隨深度的增加而降低，在0～20 m 孔深范圍內(nèi)地溫梯度較大，且變化幅度較大，這是因為該區(qū)域距離孔口較近，測量的原巖溫度受到了巷道內(nèi)空氣環(huán)境的影響；隨后地溫梯度逐漸以3℃/100 m 為中心左右浮動，其中地溫梯度偏離該中心較大的區(qū)域，或是巖性發(fā)生了改變，或是出現(xiàn)了構造破碎帶。由于片巖的熱導率比凝灰?guī)r小，因此片巖區(qū)域的地溫梯度達到了6℃/100 m；此外，構造破碎帶處巖心破碎呈團塊狀，圍巖與斷層泥膠結，具有一定的保溫作用，因此構造破碎帶區(qū)域地溫梯度較小，接近于0?？梢姡瑤r性的改變對地溫的分布有較大的影響。

2.3 地下水

地下水是良好的熱量載體，對圍巖既有降溫又有增溫的效果。大紅山銅礦床西部礦段位于F3斷裂與曼崗河的夾持地帶，為弱裂隙脈狀含水層充水的水文地質(zhì)條件簡單的礦床。礦體賦存于大紅山群曼崗河組第三段（Ptdm3）地層中，埋藏深，處于當?shù)厍治g基準面之下。曼崗河組第三段（Ptdm3）、第四段（Ptdm4）巖層中含脈狀裂隙水，富水性弱，是礦床充水的主要水源。大紅山群紅山組（Ptdh）、曼崗河組第二段（Ptdm2）和曼崗河組第一段（Ptdm1）等巖層富水性極弱，為相對隔水層。大紅山群充水含水層上覆有隔水性較好的干海資組（T3g）泥巖隔水層，在無采礦引發(fā)地面塌陷的情況下，礦區(qū)大氣降水和地表河水不會對礦山形成充水影響；此外礦床充水層透水性弱、富水性弱，礦坑涌水量較小，地下水循環(huán)慢。由于礦區(qū)燕山運動末期使整個中生代蓋層全面褶皺，產(chǎn)生較多的斷裂，故認為深部的熱水通過這些斷裂、裂隙進入地層中，但受隔水層的阻止，難以向淺部運移，使熱量保存在深部地層中，為熱害形成提供了熱源。

2.4 巖漿活動

巖漿活動對地溫分布影響主要取決于巖漿侵入的地質(zhì)年代、侵入規(guī)模、產(chǎn)狀與性質(zhì)，巖漿巖侵入地帶，地溫明顯高于正常值，年代越新、侵入規(guī)模越大，對地溫分布影響越大。

大紅山礦區(qū)巖漿活動頻繁，具有多期、多旋回的特點。伴隨各期構造運動，均有不同程度的巖漿活動。如燕山期白堊紀、加里東期早古生代、晉寧期中元古代、龍川期早元古代、紅山期太古代等時期均發(fā)生了不同類型的巖漿活動，可見在一定程度上巖漿活動對大紅山銅礦的地溫分布存在影響。

3 結論

（1）通過深孔地溫測試，獲得大紅山銅礦140 m 水平及以下區(qū)域原巖溫度均超過37℃，為二級熱害區(qū)，擬合得到平均地溫梯度為2.92℃/100 m～2.96℃/100 m，屬于常溫類地溫類型，接近高溫類地溫類型，地溫異常，熱害嚴重。

（2）西礦段的巖性主要為凝灰?guī)r和片巖，兩種巖石的導熱系數(shù)存在差異，因而導致了地溫梯度不同。

（3）通過礦區(qū)的區(qū)域地質(zhì)資料分析，得出大紅山銅礦西礦段處于底巴都背斜南翼的單斜構造區(qū)。

（4）大紅山銅礦西礦段單斜構造、隔水層穩(wěn)定發(fā)育的水文地質(zhì)條件共同阻礙了熱量向上運移，使得熱量保存在地層中而形成熱害。大紅山礦區(qū)巖漿活動頻繁，具有多期、多旋回的特點，在一定程度上對地溫分布產(chǎn)生了影響。