宿县矿区地温特征及控制因素分析

2015-03-07吴基文冯松宝

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年5期

郭艳，吴基文，冯松宝

（1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州 234000；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001）

0 引言

随着我国浅部煤炭资源的日益减少，许多矿山将相继进入深部煤炭开采状态，且深部煤炭储量占煤炭总量的70%以上，进入深部开采是必然趋势。随着开采深度的增加，井下地温也相应增加，这对煤矿的开采带来更多的困难与挑战。所以研究矿区地温分布特征和地温异常影响因素，对矿区煤炭的安全开采具有重要意义［1］。

宿县矿区位于淮北煤田东南部，大地构造环境处在华北古大陆板块东南缘，豫淮坳陷带东部、徐宿弧形推覆构造南端。东邻宿东向斜，南有光武－固镇断裂，西接童亭背斜，北有宿北断裂，区内褶皱主要包括南坪向斜、宿南背斜和宿南向斜，断层主要包括南坪断层和西寺坡逆断层。本矿区共12个井田，分别为龙王庙煤矿（LWM）、龙王庙（南部）煤矿勘探（LWMN）、骑路孙煤矿勘探（QLS）、钱营孜煤矿（QYZ）、邹庄勘查区煤矿勘探（ZZH）、祁东煤矿（QD）、祁南煤矿（QN）、桃园祁南煤矿深部详查（TYQN）、桃园煤矿（TY）、朱仙庄煤矿（ZHXZH）、芦岭煤矿（LL）和芦岭煤矿深部详查（LLSH）。本文对矿区地温相关资料进行汇总，测温孔数目共计260个，其中近似稳态测温孔29个，简易测温孔201个，巷道测温30个，测深范围750～1 640m。

1 矿区地温特征

1.1 矿区地温校正

本文采用三点法对简易测温孔数据进行校正，三点法是指将校正后的恒温点、中性点和井底岩温3点连接起来近似组成近似稳态曲线，并近似地代表该孔的井温状况。而对于校正后数据的利用需从校正曲线上查得［2－5］。宿县矿区校正后地温数据见表1所列。

有些矿区地面缺少近似稳态孔或简易测温孔，需进行井下巷道测温修正。同一构造块段内，段块温度基本相近，两者相距越近，地温差距越小［6］，可通过修正近似得到本块段地温。同一构造段块内，井下稳定测温数据与用三点法校正简易测温孔所得数据进行比较，进而修正三点法校正数据。以芦岭矿为例，矫正情况见表2所列。

表2中t恒巷由从恒温带算起的巷道地温梯度1.80℃／hm计算所得，t趋巷由根据巷道测温随深度变化的趋势图得出的巷道地温梯度2.32℃／hm计算所得，t基巷由从基岩面算起的巷道地温梯度1.73℃／hm计算所得，t基孔由从基岩面算起的测温孔地温梯度2.30℃／hm计算所得，t恒孔由从恒温带算起的测温孔地温梯度2.24℃／hm计算所得。通过测量可知巷道地温梯度G巷＝2.32℃／hm，测温孔地温梯度G孔＝2.24℃／hm，利用G巷＝G孔（1＋α）公式，算出芦岭煤矿测温孔地温梯度修正系数为0.036。

表1 宿县矿区地温汇总

表2 芦岭煤矿井下巷道测温及地面钻孔测温对比 ℃

1.2 矿区地温梯度

区内地温梯度在1.1～3.7℃／hm范围内变化，平均地温梯度为2.2℃／hm，大部分为2.0～2.8℃／hm，属于地温梯度比较稳定的地温正常区，地温梯度示意图如图1所示。

从图1可以看出，矿区西南部和东北部地温梯度偏小，多数低于1.9℃／hm，其中西南部的钱营孜煤矿、邹庄煤矿和东北部的芦岭煤矿、芦岭深部勘查区等局部地区地温梯度小于1.6℃／hm，出现负异常。矿区中部地温梯度相对较高，多数为2.2～2.8℃／hm，其中祁南、骑路孙矿区内局部地区地温梯度达到3℃／hm，出现正异常。

不同深度地温梯度也不一样，这主要是由于不同岩性的岩层导热率不同所致。地球内部的热量是通过岩石向外传导的，岩石的导热率，主要反映岩石导热的快慢，不同的岩石具有不同的传导热的能力。

松散层是相对于岩石来说的，一般是沙层、土层，有时包括砂砾石层，但是软岩不一定是松散层，地质上松散层的定义是指地质年代中的第四系和第三系的较新地层，导热率较小。

风化作用发生以后，原来高温高压下形成的矿物被破坏，形成一些在常温常压下较稳定的新矿物，构成陆壳表层风化层，风化层之下的完整的未被风化的岩石称为基岩，其导热率相对较大。即同一矿井基岩面以下地温梯度相对全井段地温梯度较小［7］。

图1 宿县矿区地温梯度示意图

1.3 分水平地温特征

根据地层剖面温度特点和区域性特征，可区分出一级热害和二级热害存在的深度和范围。据煤炭资源地质勘探地温测量若干规定，原始岩温高于31℃的地区为一级热害区；原始岩温高于37℃的地区为二级热害区［3］。本文作出－500m和－1 000m地温分布趋势图，如图2所示。

在－500m地温分布趋势图上，西南部的钱营孜煤矿地温最低，为19℃；矿区中部地温相对比较稳定，地温多在25～29℃；从西南部往东北部地温逐渐增加，东北部的朱仙庄煤矿和卢岭煤矿达到最高，为34℃，并出现了一级热害，南部祁东煤矿地温为31℃，也开始出现一级热害。

－1 000m地温分布趋势图中，地温分布趋势与－500m地温分布趋势相似，主要区别是在这一水平上，龙王庙煤矿地温较低，为32℃，但也已出现二级热害，即全矿区均出现一级热害，并在西南部和北部边缘地区出现二级热害。

在整个矿区内，同一水平上地温呈现出西南部钱营孜煤矿地温最低，东北部和东南部的祁东、朱仙庄煤矿地温相对较高；而矿区中部地温变化不大，比较稳定。

图2 －500m、－1 000m地温分布趋势图

对各矿区－500、－800、－1 000、－1 500m水平的地温进行整理和分析。

宿县矿区分水平平均地温见表3所列。

部分矿区剖面地温示意图，如图3所示。

由表3和图3可看出，各水平地温和地温梯度的分布趋势基本保持一致。

表3 宿县矿区分水平平均地温℃

图3 矿区各煤矿分水平地温对比图

1.4 垂直方向地温特征

地温（t）与其标高（h）具有较好的线性关系，其相关系数大部分都在0.90以上，关系式为t＝t0＋ah（t0为常数，a为回归系数），详见表4所列，地温与埋藏深度呈正相关。

另从表3和图3也可看出随深度的增加，地温明显增大。在骑路孙—钱营孜和芦岭深部—朱仙庄煤矿，－1 000m地温曲线比其他水平地温曲线斜率要大，地温变化较快。这是由于不同地区地温梯度不尽相同，即使同一地区也会因不同深度而不同，地温梯度随深度而增加的快慢不一样。

表4 地温t与其深度h回归分析

2 地温控制因素分析

一个地区的地温场特征是该区地质结构与长期地质演化的反映。即一个地区的地温状况首先取决于该区所处的大地构造部位及地壳的活动性。在宿县矿区这一特定大地构造条件下，地壳浅部地温场的影响因素主要有基底构造、松散层厚度、岩浆活动、地下水活动、地形、岩性等。

2.1 构造对地温的影响

热流值的大小与地壳的稳定性有关，不同的大地构造单元其热流值是不同的，越年轻的活动性地带热流值越高。该区大地构造环境处在华北古大陆板块东南缘，豫淮坳陷带东部、徐宿弧形推覆构造南端，又处于郯庐断裂带的西侧。因此，该区较高的热流值可能与中生代（三叠纪末）南、北两大板块碰撞、新生代郯庐断裂活动等因素有关［8］。

从褶曲构造形态来看，在同一水平背斜核部比向斜核部地温及增温率要高。由于岩层结构的变化改变了热流方向，垂直层理方向的导热性能小于沿层理方向的导热性能，从而导致了井田不同地带温度场分布的差异，这是造成背斜核部地温高的主要原因［9］。AA′是跨越矿区南部东西走向的剖面（其剖面线位置如图1所示），过AA′剖面作其构造及地温、地温梯度分布趋势如图4所示。从图4可看出，从南坪向斜，经宿南背斜，到宿南向斜，温度和地温梯度先呈增加趋势，再缓慢降低。南坪向斜的东翼钱营孜煤矿地温和地温梯度最低，宿南背斜核部达到最大。南坪向斜核部向东翼地温和地温梯度逐渐增加，从背斜核部向两翼逐渐减少。所以，矿区地温和地温梯度的分布受基底的影响比较大［10－12］。

从地温梯度等值线图（图1）上也可以看出，祁南煤矿位于宿南向斜西南部转折端处，为一走向近南北转至东西，向西南凸出，倾向东转至倾向北的弧形构造。矿区内地温梯度从东北往西南逐渐增大，即从宿南向斜核部向西南翼地温梯度逐渐增高。这与基底凹陷带的地温分布相一致。即一般下部地层比上部地层、基岩比松散沉积物的热导率要高，热阻小；同时平行层面方向比垂直层面方向热导率要高，热阻小。因此，在褶曲条件下，同一水平上背斜轴部的热导性优于翼部，形成热流向背斜轴部集中，靠近背斜轴部出现高梯度，向两翼深部出现低梯度。

另外矿区东北部松散层厚度比较小，此处基岩面温度却比较大，这里恰是徐宿弧形逆冲推覆构造区，后来居上的地层压覆在原有地层之上，呈叠瓦状构造，地层下新上老，即地温相对较高的老地层覆盖在较新地层之上，使此处基岩面温度较高，也是由于构造的影响。

本矿区地温分布趋势与在起伏构造明显的区域的起伏趋势基本保持一致，因此基底构造是影响地温分布的主要因素之一。

图4 矿区AA′剖面构造及地温、地温梯度分布趋势图

2.2 松散层对地温的影响

岩石的热导率一般来说随岩石的固结和结晶程度的增高而增高，即岩层的热导率随地质年龄的增加而增加，古代的结晶基底及较古老的致密岩石热导率高、热阻小；上覆较新的沉积层，特别是新生界的半固结的或松散的沉积物热导率低、热阻大［13］。

宿县矿区内从东北到西南方向松散层厚度逐渐增大，芦岭、朱仙庄等矿所在的东北部松散层厚度约190m，且比较稳定。西南部邹庄煤矿松散层厚度变化幅度较大，从220m过渡到400m，相差较大。矿区南部松散层普遍较厚，均在300m以上，局部地区达430m。整体上，南部比北部厚，区内松散层厚度在170～430m范围内变化，平均厚约为298m。

基岩面温度的分布情况和松散层厚度变化趋势基本保持一致。在矿区西南部和南部地区基岩面温度较高，达到28℃，中间地区温度比较稳定，大多在22～25℃之间变化，而中部松散层厚度大部分为230～310m，平均为275m，这充分体现了松散层对地温的影响。只有在东北部芦岭深部煤矿边缘地区，温度较高，这主要是由于逆冲推覆构造的影响。

松散层就像“锅盖”一样，对岩层地温起着保护作用，较厚的第四系松散层热导率较低，形成锅盖效应，阻碍了深部热流向大气散发而积聚在煤系地层内，致使井田地温变高，容易形成热异常。特别是邹庄煤矿新生界松散层的沉积厚度受古地形控制，厚度变化大，自东北向西南厚度逐渐增加，从梯度等值线图上也可以看出，邹庄的地温梯度变化也比较大。而从基岩面以下地温梯度明显降低，也充分验证了这一因素的影响。

2.3 地下水对地温的影响

受冷水源补给的地下水，不断吸取围岩的热量，从而降低围岩的温度。当深循环的地下水在循环过程中被围岩加热，并在有利的地质条件下涌流时，将在通道及其上方引起局部温度升高［14－16］。

矿区内桃园、祁南、祁东等矿灰岩水质差异性大，地下水径流强烈，岩溶发育相对较强，其他地区地下水径流相对较弱，特别是矿区东北部水质差异性最小，地下水径流处于很微弱的状态，水质更新最慢，岩溶发育情况也最差。而在这一区域这一深度的地温梯度也比浅部大，可推测这一区域地下水对地温的影响较大。

钱营孜煤矿松散层、二叠系及奥陶系地下水含量大，富水性强，断层、岩层裂隙也较发育，地下水导水裂隙带较丰富，地下水流动带走围岩热量，致使钱营孜煤矿地温梯度比较小，局部地区地温梯度达1.1℃／hm，出现负异常，则钱营孜煤矿受地下水影响也比较大［15］。

2.4 岩浆岩对地温的影响

从地质时期来讲，直径1km及1km以内的岩浆体规模很小，即使全新世早期活动的岩浆体，余热已全部散失，对今日地温场无影响。直径2～4km的规模较大的、在全新世至更新世末期活动的岩浆体，现今仍可能提供部分余热［1，17］。本矿区煤层主要有3煤层、5煤层、8煤层与10煤层，其中10煤层受岩浆侵入较多，以岩脉或层状形式产出。矿区南部祁东、祁南等矿有印支期时侵入的岩浆岩，西部钱营孜、邹庄、骑路孙和东北部朱仙庄、芦岭等矿有燕山期时侵入的岩浆岩。本矿区内岩浆岩侵入时代都比较早，岩浆岩对现今地温影响较小。

3 结论

本区地温梯度总体变化幅度不大，在矿区南部祁南煤矿等局部地区出现正异常，在矿区西南部和东北部等局部地区出现负异常，其余地区大多在1.9～2.5℃／hm范围内变化。矿区中部骑路孙煤矿和南部祁东、祁南等矿约在－500m出现一级热害，其他地区约在－800m出现一级热害；但在－800m深度，骑路孙、祁东煤矿局部地区已经出现二级热害。沿垂直方向，地温随深度的增加而增大，且相关性较好。

本区地温主要控制因素是矿区构造、松散层和地下水，其中矿区构造包括大地构造和基底构造，松散层对地温的影响也即表现在岩性方面。地下水对地温影响也比较大。

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