淮南煤田劉莊礦區(qū)A組煤底板灰?guī)r地?zé)豳Y源特征分析

張帥 李靜 張克松 高志強(qiáng)

摘 要：對淮南煤田劉莊礦區(qū)A 組煤底板灰?guī)r地?zé)豳Y源進(jìn)行了調(diào)查研究，建立了地?zé)岣拍钅Ｐ?。研究區(qū)煤層底板灰?guī)r具有典型的熱傳導(dǎo)型層狀熱儲(chǔ)特征，通過鉆探與測井取得熱儲(chǔ)層頂?shù)装鍦囟?，估算其地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為171.17×1016 J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤58.48×106 t；抽水試驗(yàn)結(jié)果表明熱儲(chǔ)層富水性弱，涌水量小且熱損失大致出水溫度低。提出進(jìn)一步詳查及煤熱共采等建議。

關(guān)鍵詞：地?zé)豳Y源；熱儲(chǔ)層；煤層底板灰?guī)r；煤熱共采

中圖分類號(hào)：P641.4+61；P314.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2023）03-0068-06

安徽省煤炭資源豐富，主要包括淮南、淮北兩大煤田，其中淮南煤田煤層埋藏較深且開采利用時(shí)間較早，按可采煤層埋藏與開采條件分為A、B、C、D、E 五組，A 組煤是最下面的一個(gè)層組，各生產(chǎn)礦區(qū)隨著采煤深度的增加，“熱害”問題逐步突顯，已對礦井生產(chǎn)及井下工人身體健康造成影響。至此，科研人員發(fā)現(xiàn)煤礦區(qū)不單單只有煤炭這一種資源，還有地?zé)豳Y源這一清潔能源未引起重視加以研究。因此，安徽省地質(zhì)工作者從變“害”為“利”的角度出發(fā)，以淮南煤田為研究對象，從2000 年以后陸續(xù)開展了淮南煤田地?zé)豳Y源的調(diào)查評價(jià)以及煤、熱共采技術(shù)研究。

由于研究區(qū)內(nèi)的以往地質(zhì)工作大多未涉及到A 組煤底板灰?guī)r富水性及地溫分布規(guī)律和地溫梯度特征，因此本研究以淮南煤田劉莊礦區(qū)A 組煤底板灰?guī)r地?zé)豳Y源為研究對象，重點(diǎn)查明地?zé)豳Y源的賦存特征，為礦區(qū)煤熱共采提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況及地溫場分布特征

1.1 地質(zhì)概況

淮南煤田主體位于安徽省淮南市，向西延伸至阜陽東部地區(qū)，地表水系發(fā)育，淮河水對煤田水文條件有直接影響。研究區(qū)位于淮南煤田的西部，地表為第四系所覆蓋，地層層序與淮南煤田各井田相同，研究區(qū)地層巖性特征見表1。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要由阜鳳逆沖斷層組（F1）、陳橋—潁上正斷層（F5）和江口集正斷層（F12）組成的一個(gè)小的封閉的水文地質(zhì)單元內(nèi)。

研究區(qū)地下水類型根據(jù)地下水的補(bǔ)徑排條件、水力性質(zhì)、含水介質(zhì)和水化學(xué)環(huán)境特征可分為新生界松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水三類。碳酸鹽巖類巖溶裂隙水即為本次研究工作的目標(biāo)熱儲(chǔ)層位，又細(xì)分為石炭系太原組碳酸鹽巖類含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖類含水巖組，奧陶系灰?guī)r含水層在巖溶裂隙發(fā)育地區(qū)呈現(xiàn)富水性強(qiáng)特征。

1.2 工作方法簡介

本次工作主要通過對研究區(qū)的資料收集，加以分析研究后施工地?zé)狎?yàn)證鉆孔，在孔內(nèi)采取巖石樣品及水質(zhì)同位素分析樣品，分別送往實(shí)驗(yàn)室測定其參數(shù)；地溫梯度的確定通過收集的鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)和實(shí)測地?zé)峥拙疁財(cái)?shù)據(jù)計(jì)算得出。

巖石樣品生熱率委托中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石熱物性實(shí)驗(yàn)室測定，在實(shí)際測量中，通過測定巖石樣品中鈾、釷、鉀的含量計(jì)算得出巖石樣品生熱率。測試依據(jù)與方法為《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第30 部分：44 個(gè)元素量測定》（GB/T 14506.30—2010）和《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第11 部分：氧化鉀和氧化鈉量測定》（GB/T 14506.11—2010），儀器型號(hào)為NexION300D 等離子體質(zhì)譜儀。

水質(zhì)同位素委托原國土資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定，2H、18O 指標(biāo)依據(jù)波長掃描—光腔衰蕩光譜法，采用型號(hào)為L2130i 的同位素分析儀測定，3H、14C 指標(biāo)依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0064-1993，采用型號(hào)為Quantulus1220 的超低本底液體閃爍譜儀測定。

地溫梯度的測量依據(jù)井溫測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得出，測井設(shè)備采用上海地學(xué)儀器研究所研制的 JHQ-2D 數(shù)字綜合測井系統(tǒng)，配備小時(shí)間常數(shù)的PT100 鉑電阻作為傳感器，采樣間隔為0.02 m 連續(xù)測量。

1.3 地溫場分布特征

（1）淮南煤田地溫場特征

淮南煤田地溫場以阜鳳推覆體（F1）為界，南北地溫差異明顯，呈北高南低，且南部地溫梯度值明顯小于北部。淮南煤田地溫梯度大于3℃ /hm 的高溫異常區(qū)，從東部至西部基本連續(xù)成片分布，陳橋—潁上斷層（F5）以西地區(qū)分布有大范圍高溫異常區(qū)，區(qū)內(nèi)地溫梯度變化范圍在1.9～4.7 ℃ /hm，平均梯度達(dá)2.96 ℃ /hm。

（2）劉莊礦區(qū)地溫場特征

根據(jù)劉莊礦33 個(gè)測溫孔數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程中各水平地溫異常點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析表明，劉莊礦地溫場垂向上呈隨深度加大而升高，地溫梯度大于3 ℃ /hm 的有21 個(gè)測溫孔，占全部測溫孔的61%，有規(guī)律的分布于礦區(qū)北部。因此本區(qū)北部屬地溫異常區(qū)，南部為地溫正常區(qū)。地溫向深處的增加僅與巖石的熱導(dǎo)率呈正比關(guān)系，導(dǎo)熱性差的地方往往是地溫異常區(qū)域，熱導(dǎo)率大的巖層中地溫梯度小（2.3～2.6 ℃ /hm），熱導(dǎo)率小的巖層中地溫梯度大（2.8～3.7 ℃ /hm）；煤層的熱導(dǎo)率較其他巖層熱導(dǎo)率小，所以煤層有很好的隔熱作用，其地溫梯度要較其他巖層大的多。上部松散層由于熱導(dǎo)率低，深部熱流向上傳導(dǎo)至上部地層時(shí)，聚熱效果明顯，而研究區(qū)上覆巨厚的第四系、古近系松散層，地溫相對較高。

各煤層地溫隨深度加大而增高（表2），在走向方向上西部隨鞍部起伏而變化（圖2）。由于本區(qū)沒有巖漿巖，地層本身的生熱率也較低，影響地溫的主要原因是靠近陳橋背斜，距老地層近，熱源主要來源于深部熱流。

2 地?zé)岣拍钅Ｐ?/p>

綜研究區(qū)內(nèi)有較理想的二疊—第四系蓋層和石炭—奧陶系熱儲(chǔ)層，以及阜鳳逆沖斷層組（F1）推覆構(gòu)造帶及陳橋—潁上斷層（F5）構(gòu)成的控?zé)釋?dǎo)熱斷裂，使深部熱能沿?cái)嗔焉仙欣课粌?chǔ)存，構(gòu)成了淮南煤田劉莊礦區(qū)潛在的地?zé)岙惓^(qū)。

綜合本次研究工作成果，以地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)育特征為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)A 組煤底板灰?guī)r富水性特征，初步構(gòu)建了熱儲(chǔ)概念模型（圖3），現(xiàn)就地?zé)豳Y源要素：源、通、蓋、儲(chǔ)敘述如下：

2.1 熱源與地?zé)崃黧w通道

受阜鳳逆沖斷層組（F1）擠壓形成的推覆構(gòu)造、謝橋向斜、陳橋背斜等北東向正斷層組、北西西向斷層組，為熱能向上運(yùn)移、傳導(dǎo)也提供了有利條件，陳橋—潁上斷層（F5）是一個(gè)小范圍的分水嶺，熱流傳導(dǎo)至此形成高溫異常區(qū)的“滯點(diǎn)”。因此，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是工作區(qū)地下熱源之一。

研究區(qū)內(nèi)無巖漿侵入，實(shí)測泥巖生熱率為2.06 μw/m3、砂巖生熱率為1.78 μw/m3、灰?guī)r生熱率為0.83 μw/m3，平均生熱率為1.68 μw/m3，由此產(chǎn)生的熱能在整個(gè)熱源中的占比僅百分之幾。

因此，區(qū)內(nèi)的熱源主要為接受深部大地?zé)崃飨蛏系臒醾鲗?dǎo)補(bǔ)給，通過構(gòu)造溝通，被導(dǎo)熱系數(shù)低的覆蓋層（Q+N）和二疊系（P）地層所阻，而聚集在其下部的石炭系（C）、奧陶系（O）及寒武系（∈）地層成為熱儲(chǔ)。

2.2 地?zé)嵘w層

研究區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源蓋層主要由新生界和中生界地層組成，厚度達(dá)1029 m 之多，新生界地層巖性主要為細(xì)砂巖、礫巖、黏土、中細(xì)砂等；其下由中生界二疊系（P）山西組、石盒子組組成，巖性主要為砂巖泥巖相間、含鋁泥巖等，并夾有多層煤層，是地?zé)豳Y源的良好蓋層。

2.3 熱儲(chǔ)層

本次工作區(qū)熱儲(chǔ)層主要為A 組煤底板以下的石炭系太原組（C2t）與奧陶系馬家溝組（O1+2m）灰?guī)r組成，鉆探揭露厚度達(dá)350 m 左右。屬傳導(dǎo)型地?zé)幔瑸閷訝顭醿?chǔ)地?zé)崽铩?/p>

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度測井?dāng)?shù)據(jù)分析

本次溫度測井主要目的是測量不同深度的井溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算驗(yàn)證孔地溫梯度，獲取目標(biāo)熱儲(chǔ)層頂?shù)装鍦囟?，為?jì)算地?zé)豳Y源儲(chǔ)量提供參數(shù)。由于測取數(shù)據(jù)較多，本文對測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行每50 m 抽稀繪制測溫曲線（圖4）。

根據(jù)溫度測井資料，驗(yàn)證孔變溫帶深度為0～19 m，恒溫帶由19 m 過渡至30 m，溫度為16.8 ℃，30～1400 m為增溫帶，溫度隨深度的增加而逐漸增大，1358 m 處溫度顯示55.5 ℃。

計(jì)算全孔地溫梯度＝（井底溫度－恒溫帶溫度）÷（井底深度－恒溫帶底板深度）×100 ＝（55.5 － 16.8）÷（1358 － 30）×100 ＝ 2.91 ℃ /hm，略高于正常地溫梯度。

3.2 抽水試驗(yàn)成果分析

通過對抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，分別作出Q、s －t 過程曲線和Q － f（s） 曲線、q － f（s） 曲線如圖5 所示。

采用單井抽水試驗(yàn)時(shí)的Dupuit 公式及吉哈爾特抽水引用影響半徑經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行滲透系數(shù)（K）和影響半徑（R）計(jì)算。根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，該地區(qū)巖層滲透系數(shù)較小，單井出水量低（表3）。

根據(jù)DK01 孔抽水試驗(yàn)，在降深236 m 時(shí)涌水量小于3 m3/h，由于水量小，造成開采過程中水溫?fù)p失也相對較大，不具有開采價(jià)值。

對比劉莊礦已有石炭系、奧陶系地層水文勘探孔的抽水試驗(yàn)成果，分析其原因應(yīng)該是鉆孔所在位置地層泥質(zhì)含量高，斷層多為泥質(zhì)充填，而成為阻水?dāng)鄬?，地下水活?dòng)弱，巖溶溝通性較差，地下水為凈儲(chǔ)存量水。

3.3 地?zé)崃黧w同位素分析

本次同位素水樣只測定四種同位素，環(huán)境穩(wěn)定同位素2H、18O 和放射性同位素3H、14C（表4），主要用于研究地?zé)崃黧w的形成機(jī)制、地下水循環(huán)、更新途徑及地下水的年齡等。

一般情況下，淺層地下水的形成時(shí)間相對較短，3H值較高，基巖或深部的熱水通常情況下，3H 值較低。分析地?zé)崃黧w的放射性同位素特征，表明三個(gè)同位素樣品的3H 平均值為＜ 0.5 T.U，3H 值較小，這說明鉆孔內(nèi)的熱水為“古水”，屬于深部較封閉的環(huán)境。同位素14C 的測定的平均結(jié)果為3 萬多年，這也表明地下水形成于更新世時(shí)期，在沒有人類工程活動(dòng)的擾動(dòng)下（如煤層開采進(jìn)行的疏排水工作），地下水活動(dòng)較弱。

3.4 資源量估算

本次研究工作主要是對劉莊煤礦A 組煤底板灰?guī)r地?zé)豳Y源評價(jià)，而劉莊煤礦下部基巖是一個(gè)東、南、西三面封閉、地層向南緩傾、北部與新近系地層接觸的水文地質(zhì)單元。因此，計(jì)算地?zé)豳Y源時(shí)東部邊界以F5 為界，西部以F12 為界，南部以推覆體斷層組F1 和礦區(qū)邊界為界。為提高資源量計(jì)算準(zhǔn)確性，根據(jù)礦區(qū)地溫分布特征和地層傾向的變化，將整個(gè)區(qū)域分成三個(gè)區(qū)進(jìn)行計(jì)算：F19 以東為第一單元（東區(qū)），F(xiàn)19 以西至F8 以東為第二單元（中區(qū)），F(xiàn)8 以西為第三單元（西區(qū)）。

本次地?zé)豳Y源儲(chǔ)量估算采用體積法，該方法估算地?zé)醿?chǔ)量在研究區(qū)幾何、物理參數(shù)確定時(shí)，可以給出一個(gè)確定值，即地?zé)豳Y源儲(chǔ)量等于熱儲(chǔ)體積、巖體溫度、孔隙率和巖石與水的比熱、密度之積，各計(jì)算參數(shù)均為本次實(shí)測獲取（表5）。

經(jīng)計(jì)算，劉莊礦區(qū)A 組煤底板灰?guī)r（石炭系（C） 和奧陶系（O））的地?zé)醿?chǔ)量為171.17×1016 J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤58.48×106 t。（表6、圖6）

3.5 討論

本次研究工作施工的驗(yàn)證孔雖熱儲(chǔ)溫度較高，平均達(dá)50 ℃左右，但抽水井口溫度只有30.2 ℃，分析其原因可能有幾下幾方面：

（1）主要含水層段分布于石炭系太原組及奧陶系馬家溝組灰?guī)r中，下部奧陶系灰?guī)r雖偶有溶蝕發(fā)育，但其規(guī)模均較小且不相互連通，部分又為泥質(zhì)充填，富水性弱。

（2）熱儲(chǔ)水在向上運(yùn)移過程中，熱量通過井管向周圍地層擴(kuò)散，由于單位涌水量小使熱水在沿井管上升時(shí)，熱損失相對較大，致井口出水溫度大大低于熱儲(chǔ)層平均溫度。抽水試驗(yàn)時(shí)測得井口出水溫度為29.5 ℃，在抽水試驗(yàn)結(jié)束后繼續(xù)抽水23 天以后測得井口出水溫度達(dá)30.2℃，雖然出水溫度只升高了0.7 ℃，但也說明了熱水在向上運(yùn)移過程中熱量通過井管不斷向周圍地層擴(kuò)散，抽水時(shí)間較長時(shí)，熱量損失會(huì)逐漸減小。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)熱儲(chǔ)主要為A 組煤底板下灰?guī)r熱儲(chǔ)層，具有典型的熱傳導(dǎo)性層狀熱儲(chǔ)特征，估算地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為171.17×1016 J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤58.48×106 t。

（2）研究區(qū)A 組煤底板灰?guī)r熱水屬于深層地下古水，由于驗(yàn)證孔所在區(qū)域補(bǔ)給條件差，單井涌水量較小，雖熱儲(chǔ)溫度較高，但孔口溫度較低，單井無開采利用價(jià)值，但并不能代表整個(gè)劉莊礦區(qū)A 組煤底板灰?guī)r熱儲(chǔ)無開采利用價(jià)值。

（3）鑒于研究區(qū)地?zé)豳Y源的特殊性，一般情況下是不會(huì)被開采的，但在礦區(qū)開采到A 組煤時(shí)，為消除水害與熱害影響而采取降水、降溫措施，下部地?zé)崴畬?huì)被開采出來，對此建議應(yīng)通過工作進(jìn)一步查明A 組煤底板灰?guī)r賦水地帶并進(jìn)行驗(yàn)證。對于A 組煤底板灰?guī)r熱儲(chǔ)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r予以合理利用，同時(shí)注意加強(qiáng)開采過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測，避免因水位下降過快對地質(zhì)環(huán)境造成不良影響。

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