信湖煤礦地溫分布特征及影響因素分析

張 劍 劉文中 劉勝軍 殷廣標

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001)

隨著對能源需求量的增加和煤炭開采強度的不斷加大，淺部煤炭資源日益減少，礦井開采深度的增加，國內外礦山都相繼進入深部煤炭資源開采狀態[1]。隨著開采深度的增加，地溫升高，當地溫超過某一溫度時，就會產生礦井的熱害問題。通常把37℃地溫作為一、二級熱害的界限值，即地溫在37℃以下、31℃以上，可能產生熱害，但此種程度的熱害一般靠通風降溫可以解決；在地溫達到37℃的地區，單靠加強通風降溫難以解決，應考慮人工制冷降溫系統[2]。深井地溫和熱害治理已成為在煤礦實際生產過程中一個亟待解決的問題，受到學者的廣泛關注。謝中朋等對張雙樓煤礦不同深度原巖鉆孔測溫，運用數學物理反演理論得出了礦井地溫分布規律，并且用三階多項式逼近的方法推導出調熱圈的函數式對深部地溫進行預測[3]。王洪義等闡述了平頂山煤礦的熱害成因、范圍，并提出了治理措施[4]。胡紹龍對淮南劉莊井田的地溫狀況、分布規律進行了研究和總結，分析了引起地熱異常的地質因素[5]。吳素珍等分析了皖北錢營孜煤礦主采煤層的地溫分布特征及地溫異常的影響因素[6]。李紅陽等分析了淮南礦區地溫變化規律及引起地溫異常的影響因素[7]。楊丁丁等分析了淮南煤田新區地溫的分布規律[8]。譚靜強等對淮北煤田宿臨礦區現今的地溫場分布特征，及其影響因素進行了分析[9]。蘇永榮等對淮南煤田潘謝礦區地溫狀況分析認為,基底起伏和地下水活動特別是石炭—奧陶紀灰巖巖溶裂隙水是影響礦區地溫場分布的主要因素[10]。張帥，劉文中等對渦北煤礦地溫分布規律及其影響因素進行了分析[11]。Zhang等分析了嘉禾煤礦深部地熱場特征[12]。

1 井田概況

信湖煤礦位于安徽省渦陽縣境內，距渦陽縣城約14km，東起礦權邊界，西至F5斷層；北起F8斷層或礦權邊界，南至石灰系太原組第一層灰巖露頭線，東西寬約9km，南北長約20km。井田總體上為一走向近南北，西傾的單斜構造，局部發育有小型褶曲或波狀起伏，地層傾角6~22°；14線以北、F1斷層以西地層走向逐漸轉為北西。本區含煤地層為二疊系下統山西組、下石盒子組和上統的上石盒子組，煤系地層被一系列近南北向正斷層切割形成階梯狀構造，僅在F9斷層附近的8線和12線出現煤層露頭(見圖1)。區內共發育斷層63條，其中正斷層62條，逆斷層1條。82煤層位于下石盒子組下部，煤層1.04~5.93m，平均2.76m，煤層結構簡單，多為1層夾矸，在受巖漿巖影響部位煤層結構復雜夾矸多為泥巖、炭質泥巖，少量粉砂巖、細砂巖。全區含煤面積93.29km2，其中可采面積 75.20km2，面積可采率 80.61km2，僅在 F9~DF3斷層之間和井田東南部露頭附近有兩個范圍不大的巖漿巖侵蝕不可采區。煤厚變異系數27.65%，可采系數100%，煤類為JM、1/3JM，煤類單一，煤質變化中等，屬大部分可采的較穩定煤層。煤層頂底板多以泥巖、炭質泥巖為主，次為細砂巖和粉砂巖。

圖1 信湖煤礦構造綱要及地溫等值線圖

2 地溫分布特征

2.1 地溫狀況

信湖煤礦共有有效測溫鉆孔34個，其中簡易測溫鉆孔29個，近似穩態測溫鉆孔5個，其中地溫梯度大于3℃/hm的測溫孔有6個，分別為 3-1、6-2、10-5、12-3、24-5、28-4 號測溫孔。 各鉆孔測溫深度在640~1480m，井底溫度值在34.05~57.57℃，根據恒溫帶深度和溫度(30m，17.1℃)，煤礦地溫梯度值為2.2~3.3℃/hm，全區平均地溫梯度值為2.72℃/hm，為正常地溫梯度區，地熱增溫率為36.76m/℃。

2.2 地溫分布規律

2.2.1 縱向上的分布情況

在縱向上煤礦地溫隨測溫深度的增加而增加，具有較好的線性相關性。井底地溫T(℃)與埋藏深度H(m)成正比關系，且呈現良好的線性趨勢。

82煤層測溫深度為-571.99~-1376.48m，底板溫度為33.3~57.22℃。-386m以下進入一級熱害區，-598m以下進入二級熱害區。-650m水平溫度值為31.54~38.7℃，平均值34.68℃；-950m水平溫度值為38.14~48.6℃，平均值42.84℃。該煤層底板溫度T(℃)與底板標高H(m)具有更好的線性相關性(見表1，圖2)。

圖2 信湖井田82煤底板標高與溫度值相關性

表1 信湖煤礦82煤層鉆孔測溫結果表

2.2.2 地溫在平面上的分布情況

信湖煤礦地溫在平面上主要受斷層和向斜構造控制(見圖1)。由F1斷層向東西兩側地溫逐漸減小，靠近F1斷層的測溫孔24-5地溫梯度值為3.30℃/hm；在F9斷層以北，F1斷層以西，井田北區地溫梯度明顯偏高，地溫梯度大于3℃/hm的測溫孔3-1、6-2、10-5、12-3都集中在F9斷層兩側；井田西南受軸向東西的向斜構造的控制，為地溫梯度低值區。

3 地溫分布的影響因素

3.1 巖石導熱性和新地層對地溫的影響

地球內部的熱是通過巖石向外傳導的。不同的巖石具有不同的傳導熱的能力。松軟的非晶質巖石，導熱性差、傳熱慢、增溫率大，在導熱性差的地段表現出地溫的高異常。信湖煤礦含煤地層為二疊系下統山西組、下石盒子組和上統的上石盒子組，該地層巖性主要為粉砂巖，泥巖，砂巖和煤層等，巖石導熱性差，不利于熱量的傳導；煤和硫化物氧化放熱會產生局部的熱異常；煤與其他的沉積巖相比具有極低的導熱率，煤層中通常具有較高的地溫梯度。另外，信湖煤礦覆蓋有較厚的新地層，厚度為420～520m，導熱性能差，阻礙了煤系地層中深部上導的熱流向大氣散發。

3.2 斷裂構造對地溫的影響

斷裂構造直接影響地下水的運移和富集，進而對地溫造成影響。張性和張扭性的斷裂為地下水和地下熱水的運移提供了良好的通道，一方面，可以使表層和上部涼水不斷地滲流到地下深層，降低原始地溫；另一方面，斷層產生的熱量和地下深處的熱水，通過該斷裂被輸送到上部，使原始地溫升高。壓性或壓扭性斷裂，結構面兩側巖石擠壓強烈，結構致密，在垂直斷面的方向上地下水不易滲透流過。當深部地下水向排泄區水平徑流時，遇到隔水的壓性斷裂，就造成了地下水的富集，而改變了徑流條件，地下熱水就沿著壓性結構面的相對開啟部分或派生的張性羽狀斷裂向上運移，因而改變了原來的地溫狀況。因此斷層帶，尤其是較大的斷層帶附近，常產生低溫或高溫異?，F象。信湖煤礦北區斷層發育，共有17條正斷層，無逆斷層。F9斷層落差70～260m，延展長度5km，其兩側斷層分布密集，造成煤礦北區的西部地溫梯度增高，在F9斷層附近形成高溫異常區(見圖1)。F1斷層位于井田中東部，縱貫全區，落差515～555m，F1斷層東側，18-7與18-8測溫孔，其地溫梯度值和-650m水平溫度值分別為2.67℃/hm、2.54℃/hm和 34.49℃、34.20℃；在 F1斷層西側，24-5 和 24-4 測溫孔，地溫梯度值和-650m 水平溫度值分別為 3.32℃/hm、2.64℃/hm 和 38.17℃、34.57℃，由此可見，靠近F1斷層，地溫梯度逐漸升高。

3.3 地下水對地溫的影響

地下水熱容量大，且易于流動，是最活躍的地質因素，對圍巖有保溫、降溫、增溫的作用，是圍巖溫度場的重要影響因素。地下水活動方式不同，對圍巖溫度場的影響就有很大差異。地下水在其運動方向上可分為水平運動和垂直運動。位于水平層狀巖層內的地下水沿等溫面或者靠近等溫面運動時，使得地下水溫度與圍巖溫度處于平衡狀態，圍巖溫度取決于地下水溫度。眾多研究表明，地下水的垂直運動對圍巖溫度場的影響要比水平運動大得多，因為，深循環的地下水在被深部圍巖加熱之后，通過張性和張扭性的斷裂及其他有利的地質條件向上涌流，引起通道及上部溫度較低的圍巖升溫，形成局部熱異常。

信湖煤礦含煤地層位于二疊系煤系地層下部，為灰巖裂隙巖溶含水層，這成為地下熱水儲存和運移的空間，也為地下水的活動提供了場所。煤礦內的地下水處于水平徑流緩滯狀態或壓力作用下深循環上升的垂直運動狀態，使深部地熱可以通過地下水向上傳導。地下高溫承壓水向上涌流，被上覆煤系地層阻隔，與通道圍巖及上覆煤層進行熱量交換，表現出地溫的正異常。煤礦北部斷層F9對地溫的控制作用明顯(見圖1)，F9斷層以南的煤礦中、南部區域斷層較少，與斷層密集的北部相比地溫梯度值較低，其原因是地下水在循環過程中被深部圍巖加熱，在壓力作用下向上，通過張性和張扭性的斷裂向上運移，或者由于壓性或壓扭性斷裂的阻水作用及上覆煤層的阻隔，導致斷層分布密集的地區出現局部地溫異常。

4 結論

1）信湖煤礦主采82煤層埋藏較深，-540m～-760m為一級熱害區，-760m以下為二級熱害區。

2）信湖煤礦地溫分布在平面上主要受F9斷層和F1斷層影響，在縱向上地溫隨埋藏深度的增加而增加。

3）影響本區地溫的因素主要有：①含煤地層巖石導熱性差，不利于熱量傳導。同時含煤地層上覆蓋420～520m的新生界松散層，阻礙了煤層熱量的散發；②煤礦地質構造比較復雜，斷層較多，在斷層密集和大斷層附近產生地溫梯度異?，F象；煤礦地溫主要受F1和F9斷層控制；③深循環上升的地下水是造成煤礦地溫異常的主要因素。

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