淮南煤田地热地质特征分析：以顾北煤矿为例

穆金霞

(中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北 邯郸 056004)

地热资源是一种珍贵的天然资源，尤其是对于能源日益短缺的现今而言，其重要性不言而喻[1]。在地热地质方面对于淮南煤田做了详细调查研究，研究表明淮南煤田地热的形成与岩性变化密切相关[2-3]，本文结合实际情况，就顾北煤矿地热地质条件进行了初步研究。

1 地热地质特征

顾北煤矿地形相对平坦，盖层厚度大，且断裂构造较发育[4-5]，燕山期由于岩浆岩的层状侵入，使顾北、顾桥、潘集等矿井出现地温异常[6]，经由综合性分析可得知顾北煤矿具有形成层状地热的地质背景条件。

1.1 盖层

顾北煤矿新生界覆盖于二叠纪煤系之上，厚390.35～509.10 m之间。整体上呈东南地层薄，西北相对较厚。区内松散层自上而下可分为三个盖层。

1) 第四系(Q)。地层一般厚116 m，主要岩性由上至下为：上部26 m以细粉砂为主，中部25 m为砂质黏土，下部65 m以中细砂为主，且多被泥质充填，地层具有良好的隔水保温性能，视为隔水层。

特殊的岩性特征决定了此地层的弱透水性，而且热导率较低，这有效地避免了地热能的大量散失，该层组成了地热储热层良好的保温隔热层。

1.2 热储层

根据区域水文地质资料，淮南煤田热储层即晚第三纪砂层热储和古生代奥陶系灰岩、太原组灰岩热储。

顾北煤矿热储层主要由第四系下伏第三系中新统砂层、石炭系太原组灰岩、奥陶系灰岩构成。

1) 上第三系中新统砂岩裂隙含水层。层厚0.20～74.35 m，平均22.45 m。底界埋深390.35～509.10 m，平均462.09 m。含水层(组)主要成分为浅灰色粉、细砂层且间夹紫红色砂砾层、砾石层、黏土砾石。q=0.524～1.935 L/(s·m)，富水性中等～强，水温28～31 ℃。

2) 石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层。层厚81.48～114.00 m，平均103.00 m。由灰岩、泥岩、粉砂岩和薄煤层组成，漏水点出现在F86以北的次级隆起带和F104以南的断层周围。单位涌水量q为0.00674～0.09 L/(s·m)，为弱富水性。

3) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。最大厚度109.16 m，由白云质灰岩、铝土团块组成，q为0.113 L/(s·m)，富水性中等。奥陶系与上覆石炭系呈不整合接触，说明地表曾有古岩溶发育，若岩溶沿不整合面大幅度延伸，则此不整合面为深部岩溶水富集区[6]。

1.3 地热导水通道

地热的主要导水通道为断裂和次生断裂[7]。顾北煤矿内发育走向北北西和北西为主的F104、F86、F211、F94、F92断层[8]，其中F86断层处于顾北煤矿北部边界，走向北东东至近东西，倾向南东至南，倾角55～70°，落差25～76 m，走向长度在矿井内2.5 km，向东延入顾桥煤矿，切割主要煤系地层；F211断层处于煤矿南部边界，走向北西，倾向南西，倾角50～70°，落差8～63 m，走向长度在矿井内6 km，切割至奥陶系地层；F92～F104断层组位于煤矿中部，均为落差大于50 m的大断层，且发育至奥陶系地层(图1)。由于受采动影响，破坏了压力平衡，断层裂隙发育成为地热的重要导水通道。并且在断层切割地段，会发育围岩裂隙，尤其在煤层与灰岩接触地段，将成为诱发突水的主要原因。

图1 矿井地质剖面略图Fig.1 Sketch of mine geological profile

2 地温场测温方法分析

地温场的研究方法通常为钻孔系统测温方法和数值模拟。

2.1 钻孔系统测温方法

钻孔系统测温方法是指在收集资料的基础上，先对数据进行校正处理，然后计算地温梯度值，最后进行预测。这种方法具有计算简单的优点。

2.1.1 恒温带的深度与温度

根据淮南九龙岗矿长期观测的钻孔资料以及其他大量统计资料可知,淮南煤田恒温带深度h0为30 m，温度T0为16.8 ℃[9-10]。

2.1.2 地温梯度计算及分析

本次研究地温梯度的求取公式见式(1)。

T=G(h-h0)+T0

(1)

式中：G为测温钻孔平均地温梯度，℃/hm；T为某点的温度，℃；T0为恒温带温度，℃；h为某点的深度，m；h0为恒温带深度，m[11]。

对顾北煤矿内选取25个钻孔进行测温，根据式(1)计算得出各个测温点的地温梯度(表1)，最小值为2.49 ℃/hm(九1孔)，最大值3.64 ℃/hm(七1孔)，平均值为3.02 ℃/hm。淮南煤田地温梯度值变化范围为0.70～4.78 ℃/hm，众值在2.50～3.50 ℃/hm之间[12]，顾北煤矿各个测温点的地温梯度在这一区域背景值范围内。由图2可以看出，煤矿中部的F92～F104断层组附近地温梯度值均<3.0 ℃/hm，南北两侧地温梯度值均≥3.0 ℃/hm，说明在煤矿中部存在地温异常。总体来说，顾北煤矿的地温梯度表现为中部F92～F104断层组低，向南北两侧逐渐增高，地温呈马鞍形分布。

表1 顾北煤矿测温资料统计表Table 1 Statistical chart of temperature measurement data of Gubei coal mine

图2 顾北煤矿构造纲要图及现今地温梯度分布Fig.2 Structure outline map and the distribution of current geothermal gradient in Gubei coal mine

2.2 地温数值模拟

在恒温带以下的增温带中，地温的变化主要受两个因素影响：①岩石传导至地壳表层幔源热；②地壳内放射性元素衰变产生的热。地温不随时间变化，形成一个稳态的地温场。地温场的成因机制包括传导型、对流型、高温热源型和放射性热源型四类[13-14]，据已掌握的资料，本区地层不存在放射性元素大量富集的情况，虽曾经发生过岩浆岩活动，但由于时间太长，岩浆余热散失殆尽，所以不属于放射性热源型和高温热源型；ANSYS二维有限元正适合热传导型问题的研究，若考虑对流型因素，可以在原有模型基础上，增加热对流载荷；ANSYS二维有限元，可根据具体需要灵活划分网格，并且还能根据岩性热导率，在软件中定义各种类型材料性能的参数，是一种能够真实反应地温场的模拟方法[15]。本次采用软件ANSYS 10.0版进行数值模拟。

本次研究的稳态地温场采用Laplace热传导公式(式(2))计算[13]。

(2)

式中：T为温度，℃；k为热传导系数，W/(m·K)；x、y、z为三维空间坐标，m。

地温数值模拟的本质就是把计算范围内的连续点分成控制点，然后求出控制点的温度值和热流，当控制点的间距小且个数多时，越靠近真实热流值和温度值[16]。

2.2.1 创建二维有限元模型

1) 对顾北煤矿地层进行分析。顾北煤矿地层由上至下为第四系、新近系、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组、本溪组、马家沟组，岩性主要为细砂岩、粉砂岩、黏土、中粗砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩等，详细情况见图3，在顾北煤矿内共布置四条穿过F92～F104断层组的勘探线(图4)，其中选取B-B’勘探线作为典型断面进行数值模拟。以钻孔资料为基础，按照关键点的方式，成比例创建模型。在建立与地层相对应的单元时，参考煤矿内中部F92～F104断层组等地质因素的影响。

图3 顾北煤矿地层柱状略图Fig.3 Pillar sketch of strata in Gubei coal mine

图4 顾北煤矿钻孔勘探线布置及控制点图Fig.4 Layout of borehole exploration line and control point chart in Gubei coal mine

2) 单元类型及材料热性能参数。顾北煤矿的数值模拟，属于传导型的稳态地温场，采用PLANE55单元类型进行模拟。根据收集的钻孔地层资料，计算得出矿井内岩性热导率值平均值为2.25 W/(m·K)(表2)，并且参考淮南煤田大地热流表(表3)[10]的岩性热导率值，淮南煤田平均热导率值2.36 W/(m·K)，将顾北煤矿地层划分成10种不同的材料，并且把这10种材料性能参数添加到与之相匹配的地层单元中。

3) 划分网格。因顾北煤矿的不规则性，所以本次采用自由网格方法进行划分。

2.2.2 边界条件

研究地热的边界条件分三类[13]：①给定下边界的热流值；②给定上边界的温度值；③给定四周边界的热交换系数。

本次主要研究热传导型问题，并且尚未发现其他异常热源，因此不考虑第三类边界条件。根据顾北煤矿的情况分析，该矿属于第一类和第二类边界条件，即下边界热流值和上边界恒温带的温度和深度。下边界热流值即淮南区域大地热流值，根据淮南煤田大地热流表(表3)[10]，下边界平均热流值为65.21 mW/m2，确定热流值后在模型下方施加相应的载荷；上边界温度值即淮南煤田恒温带深度30 m，温度16.8 ℃[8-9]，以面载荷形式在模型上方施加温度载荷。

2.2.3 求解与后处理

在创建二维有限元模型、设置材料热性能参数、划分网格和施加载荷完成后进行求解[15]，得出地温分布图和热流矢量图(图5)以及地温梯度值(表4)。模拟结果表明：剖面图5(a)中，大地热流明显向矿井中部偏转，产生了热流再分配；剖面图5(b)中，等温线呈上凸趋势，说明顾北煤矿同一深度上部地层的地温高于底部，并且数值模拟计算得出的平均地温梯度值3.00 ℃/hm(表4)与煤矿内钻孔测温的平均地温梯度值3.02 ℃/hm基本一致，说明本次采用软件ANSYS数值模拟方法对地温场研究是合适的。

2.2.4 地温场分布特征

在数值模拟得到的勘探线与等温线的交线上读出控制点的地温值，每两条剖面线之间和两侧剖面线之外的地温梯度根据变化趋势采用插值的办法确定[17]，运用式(1)计算出煤矿的温度，插值连成温度等值线，即矿井地温等值线图(图6)。由图6可知，以F92～F104断层组为界，向南北两侧地温逐渐增高，局部达到80 ℃以上，呈马鞍形分布。

表2 顾北煤矿钻孔岩性热导率Table 2 Lithological thermal conductivity of collected boreholes in Gubei coal mine

表3 淮南煤田大地热流值汇总表Table 3 The heat flow data of Huainan coalfield

表4 模拟勘探线控制点的地温梯度值Table 4 The geothermal gradient of the section control point

图5 B-B’模拟剖面地温和热流矢量图Fig.5 B-B’ vector diagram of ground temperature and heat flux

3 岩性对现今地温场的影响

淮南煤田岩性的热导率值各不相同，这是由岩石本身的成分决定的[18-19]。顾北煤矿新老地层的岩性差异较大，新生界地层岩性以黏土和砾石为主，热导率低，而地温梯度值较高；二叠系地层岩性以泥岩和砂岩为主，热导率高，地温梯度值低；石炭系煤系地层中煤层的热导率中等。

松散层既能起到增温作用又有保温功能[20-21]。松散层厚度越大，保温增温效果越好，地温梯度就会越大。顾北煤矿松散层厚度在500 m左右，为煤矿主要的盖层。由图7可知，煤矿内松散层厚度与地温梯度分布关系密切，松散层厚度呈南北厚中间薄的规律，地温梯度分布呈南北高中间低，总体来说松散层厚度与地温梯度均呈马鞍形分布。

图6 顾北煤矿地温等值线图Fig.6 Geothermal distribution map of base top in Gubei coal mine

图7 顾北煤矿松散层厚度与地温梯度分布图Fig.7 The distribution of loose layer thickness and geothermal gradient in Gubei coal mine

4 结 论

1) 顾北煤矿内地温场的研究采用钻孔系统测温和二维有限元数值模拟两种方法。采用系统测温计算得出地温梯度值为2.49～3.64 ℃/hm，平均值3.02 ℃/hm，总体表现为南北高、中间低，呈马鞍形分布；采用二维有限元数值模拟方法，对煤矿内大地热流传导及地温场进行了模拟。结果表明，大地热流在矿井中部进行了重新再分配，数值模拟的平均地温梯度3.00 ℃/hm与系统测温平均地温梯度3.02 ℃/hm基本吻合，并且绘制了矿井地温等值线图。

2) 顾北煤矿内松散层厚度与地温梯度分布关系密切，均为F92～F104断层组处低、南北两边高，地温呈马鞍形分布。