潘三井田煤系地层岩石热导率参数特征及大地热流研究

鲁海峰, 姚多喜, 翁荔玉

(安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001)

岩石热导率是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量，表征了岩石传到热量的能力大小[1-3]，同时岩石的热导率也是计算获取大地热流值所必不可少的基础数据[4-8]。淮南煤田是我国东部最大的矿区，潘三煤矿位于淮南煤田潘谢矿区的中部，含有十分丰富的煤炭资源。随着开采深度的增加，原岩温度不断升高，采掘工作面的高温热害日益严重，严重影响了煤矿的安全开采，因此必须高度重视矿井地热及地温的研究工作。近年来，针对矿井的地温分布特征等的研究成果较丰富，但关于井田煤系地层的岩石热导率参数的研究成果还较少[9-11]。部分学者对淮南矿区煤系地层的岩石热导率进行了分析[12-15]，但缺乏系统性针对某一煤矿而开展的岩层热力学参数的研究，这给具体分析矿井的热害问题带来了不便。

针对上述问题，为掌握潘三井田煤系地层整体的岩石热传导性能以及热流分布，为后续的矿井热害防治提供具体的且有针对性的防治措施，本次通过潘三矿补勘钻孔采集了77个岩样进行了热导率参数的测试，通过这些可靠的数据进行岩石热导率参数特征及大地热流的研究，研究成果可为矿井热害防治提供必要的基础理论数据。

1 矿井概况

潘三煤矿位于安徽省淮南市的西北部，为全隐蔽式煤田，含煤地层为石炭二叠系，主采煤层为13-1、11-2和8煤。井田为淮南复向斜(陈桥-潘集背斜)的南翼，地层走向：北西西-南东东，地层倾角：50°～100°，具浅部陡深部缓的趋势，总体形态为一单斜构造，在此基础上发育有次一级宽缓褶曲。

井田范围内以断裂构造为主要构造样式，按走向可分为近东西向、北西西向和北东东向三组，其中，井田东北部主要为近东西向正断层，西北部发育北东东-近东西向逆断层，而中部则基本为近东西向断层，图1为潘三矿井田地质构造纲要图。

图1 潘三煤矿地质构造纲要图

2 岩石热导率变化特征

2.1 样品采集与测试方案

本次研究选择潘三煤矿13东陷落柱1号孔及13陷落柱1号孔作为本次研究的测试对象。为了使样品分布具有均匀性，本次研究在充分调研文献和地质资料的情况下，考虑了不同岩性热物理性质的差异，采集了不同地层层位的样品，总共77个岩样。所采岩样的深度范围介于400.5～1 020.2m之间，每0.2m取一个样。所取岩样的岩石类型住有：粘土、砂质粘土、砂质泥岩、细砂岩、粉细砂岩、中砂岩、灰岩、泥岩、粉砂岩及煤等，基本代表了潘三井田煤系地层的主要岩石类型。本次岩样的热导率的测试由中国科学院地质与地球物理研究所完成。

2.2 测试数据分析

1)数据总体规律

本次研究的岩样热导率测试结果如表1所示，从表中可以看出13东陷落柱1号孔对应煤系地层的岩石热导率介于0.491～4.437W/(m·K)，平均值为2.582 W/(m·K)，13陷落柱1号对应煤系地层的岩石热导率介于1.421～4.583W/(m·K)，平均值为2.698 W/(m·K)。综合此两个钻孔求得潘三井田的平均热导率为2.64 W/(m·K)。

图2为所测岩样的热导率频率分布直方图，从图中可以看出其热导率值大部分介于2.0～4.0W/(m·K)之间，其次为1.5～2.0 W/(m·K)和4.0～4.5 W/(m·K)之间，极大值及极小值均较少，总体上煤系地层的岩石热导率近似呈正态分布。岩石热导率的大小受多种因素的控制，包括密度、岩性、深度等，以下将重点分析各因素对热导率的影响规律。

表1 潘三矿煤系地层岩石热导率测试数据统计

热导率/(W·m-1·K-1)图2 潘三井田热导率分布直方图

2)热导率与岩性的关系

统计潘三井田13东陷落柱1号孔和13陷落柱1号内各种不同岩石类型的热导率表明(见图3)，不同岩性的岩石热导率值存在较大的差别，其中煤岩、天然焦的热导率最低，其值仅为0.681W/(m·K)，热导率最高的为中砂岩，其平均值为4.069W/(m·K)；泥岩、砂质泥岩、砂质粘土、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的热导率平均值分别为2.414W/(m·K)、2.352W/(m·K)、1.373W/(m·K)、2.961W/(m·K)、3.684W/(m·K)，3.455W/(m·K)。井田内煤系地层的岩石类型主要为砂岩及泥岩，泥岩的热导率相对较低且较稳定，其平均值为2.414W/(m·K)；砂岩包括粉砂岩、粉细砂岩、细砂岩、中细砂岩、中砂岩、粗砂岩，其热导率的大小变化较大，平均值为3.542W/(m·K)； 钻孔底部太原组上部第一层灰岩的热导率平均值为3.064W/(m·K)，以上不同岩性岩石的热导率特征很好的表明了岩石岩性的特征对其热导率的控制作用。

岩性图3 潘三井田岩石热导率岩石样品岩性对比

3)热导率和密度的关系

岩石的热导率在很大程度上受岩石密度的控制。通常岩石的密度与其空隙的大小及多少有关，空隙大而多的密度较小，而致密坚硬的岩石则密度较大。本次研究在测试了岩样的热导率的同时，对其密度也进行了测试。通过分析二者之间的关系得到图4。从图4中可以看出，潘三井田内岩石的热导率随着密度的增大而增大，而在岩石组成成分相同时，其致密度和孔隙度将成为其热导率大小的决定性因素。

密度/(g·cm-3)图4 潘三井田内岩石热导率与密度的关系

4)热导率在垂向上的分布

统计潘三井田内13东陷落柱1号孔及13陷落柱1号孔所测岩样的热导率与深度关系，得到图5。从图5中可以看出，潘三井田内岩石热导率总体上随着深度的增大而增大，特别是在浅部地层中这种关系表现得比深部要明显。

同时通过本次测试得的岩石热导率值，对潘三井田内不同时代地层的热导率进行了对比。潘三井田内岩石的热导率随着地层由新生界到二叠系石盒子组逐渐增大。对比钻孔岩样对应的岩性可以看出，不同时代地层岩样热导率之间的差异与其地层的岩性有关。由前所述可知，砂岩的热导率普遍高于泥岩，而在潘三井田的煤系地层中，浅部地层中的砂岩所占的比例相当大，故浅部地层热导率随着深度的增加而增大得较明显。但是在井田深部的太原组与山西组地层，泥岩与煤占比增大，故深部的老地层其热导率随深度增加的趋势较浅部减小。本次测试所获得的研究成果与文献[5]的分布规律取得了一致。

图5 潘三井田岩石热导率与随深度变化

3 大地热流的计算

大地热流是反映研究区地温场特征的一个重要地热参数，通常与岩性、岩石的厚度、热导率及地温梯度等密切相关，是指地球内部向地表(或近地表)单位面积上传输的热量，其计算公式为[16]。

式中：Q为大地热流，mW·m-2；k为热导率，W·m-1·K-1；dT/dZ为地温梯度，℃/(hm)。

计算大地热流值需要知道地温梯度参数，如果选取恒温带到井底的地温梯度值(也称为钻孔全井段地温梯度)，涉及到松散层与基岩的热导率参数差异较大，故本次在计算大地热流时为了提高准确性，热导率范围和地温梯度的计算范围均为基岩面下部。而求取地温梯度时，选择具有代表性的近似稳态测温孔进行计算，如果井田没有近似稳态测温孔时，可选用两次测温差值最小的简易孔代替。

选取潘三矿的近似稳态孔及两次测温差值最小的简易测温孔，对基岩面下部的温度—深度数据，进行线性拟合求取其地温梯度值，并计算其大地热流值，计算结果如表2所示。

根据计算结果可知，潘三矿的平均大地热流值为73.14mW/m2。研究区大地热流值的计算结果，与淮南煤田的大地热流分布情况相吻合[16]，略高于安徽省大地热流值[17]，呈现出较高的地热状态。

表2 研究区大地热流值汇总

4 结论

本次研究通过对潘三煤矿补勘钻孔进行取样，并对其岩样进行热导率进行测试，依据测试结果对研究区内煤系地层的岩石热导率特征进行了分析，得出以下结论：

(1)潘三井田内煤系地层的岩石类型主要为砂岩及泥岩，泥岩的热导率相对较低且较稳定，其平均值为2.414W/(m·K)；砂岩包括粉砂岩、粉细砂岩、细砂岩、中细砂岩、中砂岩、粗砂岩，其热导率的大小变化较大，平均值为3.542W/(m·K)； 钻孔底部一灰的热导率平均值为3.064W/(m·K)，以上不同岩性岩石的热导率特征很好的表明了岩石岩性的特征对其热导率的控制作用。

(2)潘三井田内岩石热导率整体上随着深度的增大而增大，特别是在浅部地层中这种关系表现得较明显，在深部则表现得并不明显，其热导率随着深度的变化并不大。

(3)潘三井田内岩石的热导率随着密度的增大而增大，而在岩石组成成分相同时，其致密度和孔隙度将成为其热导率大小的决定性因素。

(4)潘三井田内平均大地热流值为73.14mW/m2，与淮南煤田的大地热流分布情况相吻合，略高于安徽省大地热流平均值，呈现出较高的地热状态。