焦家金成礦帶礦區地溫場研究

劉詩鵬，邱 天，吳志超，楊 新

（1.山東黃金地質礦產勘查有限公司，山東 萊州 261400；2.中國地質大學（武漢）環境學院，湖北 武漢 430000）

礦產資源是珍貴的自然資源，對于現階段我國社會發展的進步至關重要。近年來，隨著相關行業對礦產資源的需求的增加，礦井逐年加深，導致礦井熱害問題愈發突出。本文結合焦家金成礦帶礦區實際情況，模擬礦區地溫場，預測可能會產生熱害的礦井開采深度，并且分析人為抽水對地溫場的影響。

1 研究區概況

膠東地區地質歷史較為復雜，受早白堊紀巖漿熱隆影響，侏羅紀形成的玲瓏巖基強烈隆升，其上覆的變質巖層形成拆離斷層，膠東地區三山島—倉上斷裂、新城—焦家斷裂和招遠—平度斷裂均是鏟形下滑斷裂，屬拆離斷層的組成部分[1]。本文研究對象是新城—焦家斷裂帶，是膠東地區三大金礦成礦帶之一。本文的地溫場數值模擬中包含達西滲流場，依據水文地質邊界條件，在研究區劃分出模擬區作為三維數值模擬對象（圖1）。

圖1 研究區范圍及測溫孔位置圖

2 礦區地溫場特征研究及控制因素分析

收集及匯總焦家金成礦帶礦區地溫資料，共整理出15個測溫孔數據，來源于礦區各個時期的勘探資料，測溫孔位置如圖1所示。

2.1 地溫梯度特征

地溫梯度受地層結構及熱物理性質的影響比較明顯，所以它能較好地反映地層的溫度變化情況。部分測溫孔ZK509和ZK652地溫梯度為1.85℃/hm和2.4℃/hm，統計其他測溫孔地溫梯度值，均在1.6～3.0℃/hm的正常分布范圍內，因此模擬區中出現地熱異常區概率較低。

2.2 水平及垂直地溫分布特征

為進一步研究礦區地溫場，分析水平和垂直方向的地溫分布特征。根據測溫孔數據，分別繪制了-400m、-800m標高水平溫度等值線圖，兩個標高水平地溫分布特征相似，-800m標高溫度等值線圖如下所示。

圖2 模擬區-800m標高溫度等值線圖

等值線圖上最大和最小溫度值之間都是相差10℃左右，南北方向上看，地溫西低東高；東西方向上看，地溫等值線北疏南密，總體上從西到東，溫度逐漸升高。

垂直方向上，地溫與深度之間呈一元線性相關。設一元線性方程擬合數據，鉆孔ZK509擬合公式為y=-0.0183x+8，R2值為0.996。

統計其他測溫孔數據擬合的R2值，均大于0.95，表明擬合出的一元回歸方程可信度非常高，證明地溫在垂向上是隨深度均勻增大的。

2.3 地溫場控制因素分析

巖石在地球與大氣層的熱交換中起著介質的作用，是影響地球內部熱量向外傳遞或地球內部熱交換的重要因素[2]。根據鉆孔揭露，研究區地層巖性中花崗巖和變輝長巖所占范圍及比例都較大，而這兩種巖性熱導率也較大，所以在研究區范圍內，因巖性而導致的地溫熱異常概率較低。

巖漿活動對地溫場會產生影響，評定主要從兩方面，一個是時間，一個巖漿體規模[3]。研究區內巖漿巖廣布，但形成時期都比較早，對現今研究區內地溫幾乎沒影響不大。

地下水是最活躍的地質因素，在地殼淺部廣泛分布，熱容量大易于流動，是圍巖溫度的重要影響因素[4]。研究區補給和徑流條件較差，主要判斷人為抽水活動是否對地溫場有影響。

3 礦區地溫場數值模擬

3.1 地溫場數值模型建立

本次模擬范圍為圖1中模擬區，模擬區三條邊界定為西北的萊州海岸線，東北的朱橋河，東南的地下分水嶺。模型共分為4個地層，上覆巖層、斷層上盤碎裂巖、斷層下盤碎裂巖和基底巖層，再設置薄壁斷層建立三維地質模型。為模擬礦區抽水條件，采用大井法概化各個礦區抽水井為一個主抽水井，并將其設置在模擬區中間位置，通過控制該井水位，來模擬井群抽水產生的水位下降效果。

本文設置有三種模擬模型：①初始模型，模型中的地下水位為自然水位；②驗證模型，用于驗證模型模擬精度模型；③預測模型：模擬抽水井水位為-1400m時情況。

達西滲流場模擬中共有三類邊界，模擬采用定水頭邊界和隔水邊界。模擬區朱橋河和地下分水嶺定為隔水邊界，萊州海岸線為定水頭邊界，水頭為0.05m。

地溫場模擬中有三種類型的邊界條件，模擬采用給定溫度值和給定熱流值兩種邊界。模擬區上邊界為給定溫度值邊界，下邊界為給定熱流值邊界。

表1 各巖層主要參數

3.2 地溫場數值模擬結果分析

驗證模型主要是驗證模擬結果精度，測溫孔數據是礦區開采過程中測出的，因此，通過條件概化，將模型地下水位設為-400m。該模型模擬結果作為與實際溫度數據的對比數據。

在標高-100m位置，孔JFZK1和孔FJZK1實測值為14.81℃和15.2℃，模擬值為15.38℃和15.38℃，分別相差0.57℃和0.18℃，相對誤差在3.85%和1.18%。統計不同深度模擬值實際值誤差得出，兩個測溫孔溫度值的平均相對誤差為4.92%，相關系數均在0.99以上。綜上所述，本次模擬結果產生的數據是可靠的。

初始模型為參照模型，模擬結果如圖3所示，模擬的地溫場為自然條件下，未受人類擾動的地溫場。模型自上而下，溫度值由標高23.62m的12.9℃逐漸增加到標高-2500m的64.4℃。

圖3 三維數值模型及初始模型模擬結果（網格線為xyz坐標軸；抽水井位置）

預測模型主要是預測抽水井水位到-1400m標高時地溫場的變化，以及可能發生熱害的標高位置。

根據模擬結果顯示，對比不同水位下抽水井和鉆孔JFZK1不同深度的溫度值，-400m和-1400m標高水位的抽水井溫度值均大于初始水位抽水井不同深度的溫度值；鉆孔JFZK1不同深度的溫度值在初始水位、-400m和-1400m標高水位差別不大。

模擬區大概會在-720m的標高位置達到我國《礦山安全條例》中規定的井下工人工作最高溫度28℃。

4 結論

（1）抽水對于地溫場會產生影響，但是影響非常小，基本可以忽略。并且，抽水對地溫的影響與距抽水井距離有關，距離越遠，地溫場所受影響越小。

（2）結合實際測溫孔數據及模擬結果，焦家金成礦帶礦區開采標高從-625m到-1090m都有可能產生地溫熱害，標高從-720m到-1090m產生熱害的概率更高，在實際開采過程中應密切注意，采取相應防護措施。