新郑市赵家寨煤矿测温资料的整理与利用

杨长保，杨玉琦，梁海峰，梁跃伟

(1.河南省煤田地质局一队 河南 新郑 451150；2.防灾科技学院 河北 三河 101601；3.河南省煤田地质局二队 河南 洛阳 471000)

新郑市赵家寨煤矿测温资料的整理与利用

杨长保1，杨玉琦2，梁海峰1，梁跃伟3

(1.河南省煤田地质局一队 河南 新郑 451150；2.防灾科技学院 河北 三河 101601；3.河南省煤田地质局二队 河南 洛阳 471000)

在赵家寨煤矿详查和勘探期间，发现该区有地热异常，因此对该区地温资料进行了详细分析和整理。根据分析和对比通过确定恒温带、中性点、孔底温度绘制校正曲线，利用校正曲线量出不同深度的温度及全孔或某一层段的地温梯度。据此确定了赵家寨煤矿地温类型、地温梯度及存在热害的区域。该区测温资料的处理方法与成果利用对于其它矿区开展地温勘查与地温研究工作具有借鉴意义。

赵家寨煤矿;测温资料;资料整理;资料利用

目前，我国找矿工作的重点是深部找矿，随着矿产资源勘查、开采深度的增加，必然面临着地温增高的热害问题，因此，加强对矿区地热的研究是非常必要的。地温勘查是资源勘查工作的一部分，目前的勘查报告在地温正常区其地温勘查内容是非常简单的，甚至在地温异常区也存在着地温地质工程量不足、地温研究程度不够深入的状况，仅大致估算了地温梯度、划分出热害区等，对地温场类型及地热异常产生的原因等极少涉及。赵家寨煤矿在详查和勘探期间，布置了大量的测温钻孔，取得了大量的测温资料。通过对钻孔测温资料的分析、整理，查明了矿区的地温场类型、地热异常产生的原因及热害发育程度，对矿区资源的顺利开发具有重要的意义；同时地热又是一种绿色的清洁能源，开发利用地热资源对调整能源结构、节能减排、生态环保也具有重要意义。

1 煤矿地温地质

赵家寨煤矿位于郑州市南40km的新郑市，面积49 km2，资源储量4.7亿t。该区为新密向斜岩溶地下水的排泄区，从上游汇流来的地下水在径流途中不断吸收围岩热量而增温，到达赵家寨煤矿后具有高水头、高地温梯度的特点，水文地质及地温条件比较复杂，开采二1煤层受到高温地下水的威胁。为此，在详查和勘探期间本区共完成有效的稳态测温孔42孔，简易测温孔34孔，近似稳态测温孔2孔，并取得大量测温资料。

2 测温资料的整理

根据钻孔停钻后冲洗液稳定时间的长短将钻孔测温分为简易测温、近似稳态测温和稳态测温三种类型[1]。由于稳态测温和近似稳态测温不易进行，所以大量的钻孔测温采用简易测温。近似稳态测温和稳态测温为稳态钻孔温度，资料可以直接利用，而简易测温为非稳态钻孔温度，这类资料要根据近似稳态孔热恢复规律进行校正，即以井底温度、中性点温度和恒温带温度推求出近似稳态曲线，才能予以利用。测温资料的整理内容可分为恒温带、中性点、孔底温度的确定及校正曲线的绘制等。

2.1 恒温带的确定

在图1(a)中可发现最大离差绝对值变化幅度从上到下是不同的，在一定深度以上，离差绝对值变化幅度较大，且逐渐增大，显然是受地表温度和测量误差共同影响的结果，此深度以下，最大离差绝对值变化幅度较小，且在一定范围内变化。该深度可视为恒温带深度，对应的平均温度即为恒温带温度。在图1(b)上，可发现16m以下，深度与温度呈直线相关关系，此即为内热带，在此深度以上，观测的平均温度渐偏离该直线，这是地面温度变化影响的结果，因而，这一深度即为恒温带深度。通过以上两种方法的互相对照，就可确定603孔恒温带深度和温度分别是16m、16.4℃。

图1 603钻孔恒温带分析图Figure 1 Analysis of constant temperature zone in borehole No.603

2.2 中性点(段)的确定

达到一定深度的钻孔，当孔底的原始岩温高于冲洗液的温度时，热恢复在钻孔深部和浅部的变化是不同的。在深部原始地温场的破坏是被冲洗液冷却，热恢复过程是朝着温度增加的方向回升。在浅部，原始地温场的破坏是被冲洗液加热，热恢复过程是朝着温度下降的方向恢复。因此在温度变化方向相反的上下两段之间必然存在着温度与围岩原始岩温相近或平衡的点，这就是两次简易测温曲线相交的点，这个点即为中性点，如图2所示。当冲洗液停止循环时间较长时，其中性点向上下两个方向延展，成为中性段(图3)。两次测温时间间隔在10h以上时，其中性点(段)都较明显[2]。

图2 简易测温曲线中性点Figure 2 Neutral point in facility temperature measuring curve

图3 简易测温曲线中性段Figure 3 Neutral sector in facility temperature measuring curve

2.3 孔底温度的确定

在煤田勘查中，利用简易测温资料推算钻孔孔底平衡温度(即原始岩温)的方法主要有对数回归法、指数回归法、耶格方法、量板法等。根据本区12个既有简易测温又有稳态测温钻孔的资料，利用上述四种不同方法对钻孔孔底温度进行了校正，经与稳态测温资料对比，对数回归法、指数回归法、耶格方法、量板法计算的标准差分别为0.48、0.86、0.83、0.73，对数回归法误差最小，因此本区采用对数回归方法。因用60h稳定时间计算出的简易测温的孔底平衡温度，80%的误差在±0.6℃以内(表1)，故确定本区近似稳态测温恢复平衡所需时间为60h。利用的对数回归方程为：

T=T0+B·lnt

式中：T—任一稳定时间t的孔底温度；T0—刚停泵时的孔底温度；B—回归系数。T0、B均为常数[3]。

表1 孔底温度校正方法对比表

对数回归方法的计算步骤是：据简易测温的两次不同稳定时间t1、t2所测得的孔底温度T1、T2分别代人孔底温度恢复方程T=T0+B·lnt，可得如下方程组：

T1=T0+B·lnt1

T2=T0+B·lnt2

从方程组中求出T0、B值，令t=60时(本区近似稳态资料确定恢复平衡所需的时间为60h)，代人T=T0+B·lnt，即可求出孔底平衡温度T∞。

对于只有一条测温曲线的简易测温孔，可利用上述方法推导出公式T∞=T1+B·ln(60/t1)计算孔底平衡温度。其B值可利用本区其他稳态测温、近似稳态测温或经过两次测温的简易测温钻孔资料，求出平均B值或一般B值，本区B值取0.65[4]。

2.4 校正曲线的绘制和利用

简易测温为非稳态钻孔温度，这类资料要校正后才能利用。简易测温校正曲线是在二维坐标系中以纵坐标为深度，横坐标为温度，由恒温点、中性点(段)和校正后的孔底温度圆滑连接而成。如果测温钻孔无中性点，则将恒温点和校正后的孔底温度直线连接而成。校正曲线即为近似稳态曲线，利用校正曲线，可以量出不同深度的温度值或计算全孔、某一层段的地温梯度。近似稳态测温和稳态测温曲线可以直接利用。

3 测温资料的利用

在勘查中取得的原始资料经过整理、汇总，绘制成图。一般需要编绘的图件是：钻孔温度—深度图，地温剖面图，主要煤层温度等值线图，开采水平等温线图等[5]。通过分析不同图件可以得出矿区各类温度场特征。

3.1 利用钻孔温度曲线图确定矿山地温场类型

钻孔温度曲线形态及其变化反映了地温场控制条件的特点。根据对矿区地温场特点的形成起主要作用的热传递方式，将矿区地温类型划分为传导型、对流型和混合型三种[6]。

传导型的地温场是深部热流以传导方式通过岩石形成的，其受控于背景热流值和岩石热导率，温度曲线是具有一定斜率的直线或近似直线(图4中b线)。

对流型地温场是在流体的热对流作用控制下形成的，其与所在区的水文地质环境及水动力条件有关，温度梯度值极小或为零，温度曲线近乎竖直(图4中a线)，与传导型温度梯度形成明显对照。

图4 传导型、对流型地温类型示意图Figure 4 A schematic diagram of transmitting,convective geothermal types

混合型地温场是在岩石热传导和地下水活动双重作用下形成的，其特点是在正常地温背景下叠加了地下水运动的影响。在没有地下水活动时，围岩温度场受控于传导作用的影响，围岩温度随深度的变化是一条倾斜直线。而在受地下水活动的影响时，围岩温度同时受传导和对流两种作用控制，地下水的垂直对流运动使钻孔的温度分布不再保持直线，呈现曲线[7]。且当地下水垂直下渗时，温度曲线呈下凹型，地温梯度自上而下由小变大(图5中b线)；当地下水向上运动时，温度曲线呈上凸型，地温梯度自下而上由小变大(图5中a线)。

图5 混合型地温类型示意图Figure 5 A schematic diagram of hybrid geothermal type

赵家寨煤矿911孔温度曲线呈上凸型，自下而上，地温梯度逐渐由小变大(图6)，这是伴有奥灰承压热水上升流活动的传导与对流混合传热温度场的特征，是混合型的典型实例，也是导致本区产生地热异常的主要原因。

图6 911钻孔温度曲线图Figure 6 Temperature curve of borehole No.911

3.2 计算地温梯度

根据钻孔温度—深度图可以计算出钻孔平均地温梯度或不同层段的地温梯度，根据钻孔平均地温梯度值判定该区地温状况。赵家寨煤矿地温梯度按层段统计，二叠系平均为3.38℃/100 m，太原组平均为4.62℃/100 m，奥陶系、寒武系平均为1.95℃/100 m。全孔地温梯度为2.0～5.39℃/100m，平均3.50℃/100 m，赵家寨煤矿应为高温异常区。

3.3 划分一、二级热害区

分析二1煤层底板等温线图可看出矿区是否存在热害, 若存在热害应圈出一级、二级热害区。赵家寨煤矿一级热害区主要位于矿区的东部和西部，面积15.7km2，占矿区面积的32%，二级热害区主要分布在矿区的东部，面积4.5km2，占矿区面积的9%(图7)[8]。

4 地热资源的利用

赵家寨煤矿于2004年10月开始动工建设，2009年9月联合试运转，主要开采二1煤层，年产量300万t。本区热储由浅部新生界热储层和深部古生界热储层构成。其中古生界热储层主要有长山组(∈3ch)白云质灰岩岩溶承压水热储层、马家沟组(O2m)灰岩岩溶裂隙承压水热储层、太原组下段(C2tL1-4)灰岩岩溶裂隙承压水热储层、太原组上段(C2tL7-8)灰岩岩溶裂隙承压水热储层、山西组(P1s)二1煤层之上砂岩孔隙承压水热储层等组成。

该矿以井下排水作为本矿井的供水水源，不但能够满足煤矿生产生活用水，多余排水还作为地方水厂供水水源。

井下排水的主要来源为太原组下段(C2tL1-4)灰岩热储层、马家沟组(O2m)灰岩热储层、太原组上段(C2tL7-8)灰岩热储层及山西组(P1s)二1煤层之上砂岩热储层，目前主要对该4层热储进行利用。

图7 地温梯度及一级、二级热害区分布图Figure 7 Geothermal gradient and heat hazard categories I and II areas distribution

热储水温32～37℃，属低温地热资源，主要用于洗浴，各热储排水量及温度特征见表2。

表2 热储特征一览表

本区年平均气温为14.4℃，以此作为地热流体最后温度，将热水降低到平均气温时所利用热能的公式为：

Q=c·M·(T2-T1)

式中：Q为热能，kJ；c为水的比热容，kJ/kg·℃；M为一定时间内利用地热流体的质量。

井下排水一部分作为生产用水，一部分作为洗浴用水，洗浴用水按50%进行计算。赵家寨煤矿每年利用地热水5.184×106t，利用热量4.59×1011kJ，相当于节煤量1.566万t/a。

矿井排水及地热资源的利用，既节省了排水费用，又减少了煤炭的燃烧与污染物的排放，开创了资源节约集约和循环利用的新模式，建立了发展绿色矿山的新机制，符合国家的资源与环保政策。

5 结论

①通过对非稳态钻孔测温资料进行整理，从而确定井底温度、中性点温度和恒温带温度三个重要特征点，依据三个特征点绘制出近似稳态曲线图。综合分析钻孔测温成果可以确定矿山地温类型、矿山地温梯度及是否存在地温异常或热害、确定异常或热害产生的原因。

②关于钻孔测温资料的整理方法，已有一些研究工作，但方法比较简单且不系统，本文根据自己的工作经验进行了分析整理，对于其它矿区开展地温勘查与研究工作具有借鉴意义。

③井下排水既是矿井生产的供水水源，又是提供矿工生活及地方居民洗浴用热水的重要来源。矿井排水的综合利用，既节省了排水费用，又充分利用了地热资源，符合国家的资源与环保政策。

[1]全国矿产储量委员会.煤炭资源地质勘探规范[S].北京: 煤炭工业部,1986.

[2]杨惠中.简易井温曲线的近似稳态校正方法探讨[J].能源技术与管理,2007,(3):49.

[3]王天佑,李保来.地温工作在煤田地质工作中的应用 [J].中国煤炭地质(原中国煤田地质),1993,5(3):55.

[4]河南省煤田地质公司一队,河南省煤田地质公司物测队.河南省新密煤田新郑矿区水文地质及地温综合勘探报告[R].河南郑州: 河南省煤田地质公司一队,河南省煤田地质公司物测队,1990.

[5]余恒昌,陈墨香.矿山地热概论[M].北京:煤炭工业出版社,1981:141.

[6]余恒昌,邓孝,陈碧琬,等.矿山地热与热害治理[M].北京:煤炭工业出版社,1991:129-130.

[7]邓孝.地下水垂直运动的地温场效应与实例剖析[J].地质科学,1989, (1):79.

[8]河南省煤田地质局一队.河南省新郑煤电有限责任公司赵家寨煤矿生产地质报告[R].河南新郑:河南省煤田地质局一队,2014.

SortOutandUtilizationofTemperatureMeasurementDatainZhaojiazhaiCoalmine

Yang Changbao1, Yang Yuqi2, Liang Haifeng1and Liang Yuewei3

(1.The First Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Xinzheng, Henan 451150;2.Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 101601; 3.The Second Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Luoyang, Henan 471000)

During the general exploration and detailed exploration stages in the Zhaojiazhai coalmine, have found geothermal anomaly in the area, thus should carry out geothermal data detailed analysis and sort out. Based on analysis and correlation of determined zone of constant temperature, neutral point and borehole bottom temperature three-point method mapped out calibration curve. Using the calibration curve can work out temperature of different depths and geothermal gradient of full borehole or a sector. Through temperature measured result analysis determined geothermal type, gradient and existing heat hazard region. The processing method of measured data and result utilization have guiding or reference significances in other mine areas to carry out geothermal exploration and geothermal research works.

Zhaojiazhai coalmine; temperature measured data; data sort out; data utilization

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.03

1674-1803(2017)08-0012-05

杨长保(1971—)，男，河南夏邑人，1993年毕业于长春地质学院，高级工程师，从事煤田地质工作，研究方向为地质矿产勘查。

2017-05-10

A

责任编辑：宋博辇