钱家营矿西翼热害地质成因探讨

2014-11-26奚方喆朱炎铭姚文涛

中国煤炭 2014年1期

奚方喆朱炎铭杭远姚文涛

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116)

钱家营矿井开采深度已进入-850m，部分掘进巷道温度已达31℃，工作面温度也达30℃。而根据《煤矿安全规程》规定，生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过30℃，机电设备硐室的空气温度不得超过34℃。相关调查表明，在我国高温矿井中，一般劳动生产率较低，部分矿山的劳动生产率仅为30%～40%，同时，工人的判断力和反应速度都明显地下降，极大地增加了发生工伤事故的危险性。因此，揭示钱家营矿热害成因、提出降温措施对保证矿井的正常生产活动有着十分重要的现实意义。

1 钱家营井田地质概况

钱家营井田隶属于开平煤田，位于开平向斜东南翼。开平煤田地层属于典型的华北型，古生代地层广泛发育，含煤层位为石炭-二叠系。煤系地层下部直接与奥陶系成不整合接触，直接被第四系松散堆积物覆盖。钱家营井田在构造上自东向西可划分为东北部褶皱区、中部单斜区和西南部褶曲区以及东北部-中部、中部-西南部两个过渡区。

图1 钱家营矿含水层示意图

钱家营井田含有7个含水层，见图1，可划分为奥灰水含水系统、含煤地层含水系统和第四系含水系统三大含水系统。奥灰水含水系统位于煤系基地，是本区重要的承压含水层，水量大，水压高；含煤地层含水系统主要由砂岩构成，以孔隙-裂隙承压水为主，水量较丰富，是矿井的直接充水水源；第四系含水系统直接不整合覆盖在煤系上部，为矿井间接充水水源，以孔隙水位为主，水量丰富。

钱家营井田在精查和补勘过程中共有12个钻孔见到了岩浆岩，均位于井田的西翼，多为岩墙，厚约0.40～2.50m，常发育在褶皱构造脆弱部位或者沿断层由深部向上侵入，岩性以基性侵入岩为主，形成时代为燕山晚期。

2 测试及实验数据分析

2.1 井下测温数据分析

钱家营井田共有38个钻孔进行了温度测量，但由于数据具有局限性，因此针对实际情况，选取了钱家营矿-850m西副巷和2873运输巷的巷道岩温。在进行测量时，选取新开炮眼进行岩温测试。

结合以前测温资料，钱家营矿东翼采区的巷道温度基本处于23℃，而-850m西副巷和2873运输巷所属的西翼采区的温度已超过28℃，甚至达到35℃以上，东翼采区地温异常不明显，所以主要研究井田西翼的东部。选取位于-850m西副巷W12北西方向钱补27＃孔进行地温梯度的拟合，见图2，拟合度达0.991，具有较高的可信度，得出钱家营矿热害区的平均地温梯度约为2.68℃／100m。

图2 钱补27＃孔温度随深度变化趋势图

综上所述，钱家营矿热害区域位于井田的中、西部，地温梯度较大，尤其是中部六采区和八采区及其附近区域。

2.2 水质检测数据分析

为了研究钱家营矿热害是否为深部奥灰热水上涌造成，故在钱家营矿的采区及待采区采集水样12个，其中水样地点1358E采区、十采一中巷道、2075采区泄水石门、十采四中巷道、2075E泄水巷、井观3＃孔和十一采轨道下山位于井田东翼，五采轨道上山、2871E运输巷、2872W泄水巷、2873W风巷和1693W运输巷老塘位于井田西翼，对水样进行常规元素 Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、SO42-、HCO3-6种离子含量测试。根据钱家营井田的含水层分类，选取2＃水源井作为奥灰水标准样，沙河桥水作为浅部水标准样。将12个水样的上述6种离子作为变量利用SPSS软件进行聚类分析。

水质类型聚类分析谱系图如图3所示，谱系图节点的距离越小，表明两个水样的离子成份越相似；离子成份越相似，表明不同位置的水样存在一定程度的水力联系。十采一中巷道、十采四中巷道、2075E泄水巷和十一采轨道下山4个水样距离接近0，表明东翼采区的水样其内部关联性较好，并且与奥灰水、浅部含水层的水样关联性均较小；而五采轨道上山、2872W泄水巷和2873W风巷3个水样的距离十分接近2.5，且与作为奥水标样的2＃水源井的距离尤其接近，从而表明西翼采区的水样其内部关联性也较好，与浅部含水层的相关性也较小，但与奥灰水有一定程度的关联。综上所述，整个钱家营井田含煤地层未与浅部含水层连通，但在井田西翼与奥灰水有一定程度的导通。

图3 水质类型聚类分析谱系图

3 钱家营矿西翼热害地质成因

3.1 构造对钱家营井田西翼热害的影响

钱家营井田的热害主要出现在中部单斜区。地下水常顺着断层运移，导致不同深度的地层进行热交换，即断层发育的区域有利于热量在层间传导。钱家营井田中部单斜构造区与东北部褶皱区相比，断层不发育，地层倾角小，使其成为热量保存的良好场所。与开平向斜其他井田相比，唐山矿开采深度已达千米却未出现热害，其断裂构造极为发育，且地层倾角大，有利于热量顺层传递；开平向斜南东翼的唐家庄矿、范各庄矿等断裂构造也较为发育，为热量由深部向浅部传递提供了良好的通道，故也未出现热害。因此，钱家营井田的中部简单单斜整体构造阻碍热量向上传递，成为热害出现的一个重要地质因素。

3.2 岩浆岩侵入对钱家营井田西翼热害的影响

钱家营井田所揭露的岩浆岩主要位于井田西翼，与热害位置重合，表现出较好的相关性。评定岩浆岩活动对现今地温场的影响，主要从两个方面来考虑:其一，岩浆侵入和喷出的地质年代，时代越新所保留的余热就越多；其二，岩浆体规模、几何形态以及围岩产状和热性质等，规模越大或者放射性元素含量越高的岩浆岩体带来的热量越多。钱家营井田的岩浆岩发育于燕山晚期，在局部地段对围岩进行了较大程度的加热，虽经历长时间的热交换，但残存热量仍导致其地温明显高于邻区同类地层常规温度，也是造成钱家营矿热害的又一重要因素。

3.3 地层对钱家营井田西翼热害的影响

地层对地温场的影响主要是指各地层的厚度、岩性、空间分布关系等。钱家营井田煤系地层之上的第四系地层的厚度由北东向南西逐渐增大，其厚度增幅在40～120m／km，平均可达60m／km，至钱家营井田西翼最大厚度可达800m。矿井深部热量向上传导介质包括煤系地层及上覆第四系松散堆积物。第四系松散盖层的平均热阻值大于煤系地层，故在两套地层分界处，形成了一个热阻界面。热量向上传导时，在两套地层分界处受阻。因此，钱家营井田煤系地层上覆第四系松散堆积物形成了一个盖层，为热量保存提供了良好条件。此外，热量沿垂向传导，而钱家营井田中部地层倾角较小，地层组合方式近于叠层式，直接阻碍了热量顺地层传导。

综上所述，钱家营井田煤系地层上覆巨厚第四系盖层以及两套地层简单的叠层式结构，使热量难以散失，在井田西翼的东部地区出现热害。第四系松散堆积物形成了一个良好的沉积盖层。

3.4 地下水活动对钱家营井田西翼热害的影响

钱家营井田存在三大含水系统，第四系地层中发育多层黏土层，厚度稳定且分布广泛，阻隔了煤系地层和第四系地层的水力联系。同时煤系地层顶部含有一层强氧化带，透水性差，阻隔了煤系地层与上部地层的水力联系，使钱家营矿煤系地层内的地下水难以向上运移将热量带走。而奥灰水含水系统与井田西部的含煤地层的含水系统有一定程度的联系，说明奥灰水含水系统对含煤地层含水系统在井田西翼有一定的补给，导致深部热水进入西部含煤地层，井田西翼出现热害，东翼采区温度正常。由于井田的单斜构造区域未发育有大规模的断裂，故认为是岩浆岩侵入对地层的连续性造成破坏，形成少量裂隙通道，使深部奥灰水向上运移进入煤系地层。

因此，井田西翼奥灰热水通过岩浆岩侵入形成的裂隙进入含煤地层，但难以向浅部运移，使热量保存在含煤地层中，为热害形成提供了热源。