许疃煤矿地温分布规律及热害预测分析

2021-05-08朱敬忠刘启蒙琚棋定范佳俊

煤炭工程 2021年4期

朱敬忠，刘启蒙，琚棋定，范佳俊

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

随着浅部煤炭资源量开采殆尽，煤矿面临向深部开采的现状，井下作业环境的温度也随之升高。《煤矿安全规程》规定采掘工作面空气温度超过30℃，机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业，但我国大部分煤矿都出现不同程度的热害。近年来，国内一些学者对我国深部煤矿地温特点及热害影响因素进行研究[1-4]，提出了地温控制模式。同时郭江峰、徐胜平等学者利用数值模拟方法对控温因素进行研究，宏观上总结出两淮煤田的地温场分布特征[5，6]。还有部分学者从区域地质背景入手，对两淮煤田岩石热导率、地温梯度及大地热流值等的细致研究[7-15]，分析两淮煤田现今地温分布规律。本文在矿井前期的地勘资料和后期室内试验的基础上，利用数值模拟法分析致热因素，分析主采煤层地温分布特点，预测煤矿热害威胁程度，给煤矿热害治理工作提供合理化建议，对煤炭安全开采起到一定的指导作用。

1 研究区概况

淮北煤田地处华北型的中朝准地台石炭、二叠系聚煤区的东南部，位于鲁西断隆和华北断坳二级构造区内。淮北煤田的范围大致以EW向的宿北断裂为界，北部濉肖闸河矿区，南部宿北断裂和板桥—固镇断裂之间包含3个矿区，由东至西分别为宿县、临涣和涡阳矿区，本文研究分析的对象为临涣矿区许疃煤矿。

许疃煤矿位于宿北断裂、固镇长丰断裂和丰县-口孜集断裂组成的断块内。矿区整体上为近南北走向、向东倾斜的宽缓单斜构造，区内主要发育脆性正断层，褶曲不甚发育。其中，许疃断层为矿区的分割逆断层，该断层以NWW走向，倾向为 53°～63°，延展长度约8km，落差介于115～325m之间，控制了矿区地质构造的发育情况(如图1所示)。基岩上覆盖有较厚的松散层，厚度为294.9～378.8m。根据地质勘探资料分析，井田地层有奥陶系、石炭系、二叠系、古近系和第四系地层，总厚度约2080.5m。

图1 许疃煤矿构造纲要

2 地温研究

2.1 测温资料

煤田勘探期间主要通过分析地面钻孔的井温测试获取地温数据，本次研究共收集21个钻孔的井温测井数据，其中7个近似稳态测温孔。近似稳态测温数据一般在完井72h后测量，此时井液和岩温基本达到稳定，测量数据能较为准确地反映地层的真实温度。

2.2 岩石热导率测试和大地热流值计算

岩石热导率是表征岩石传热量的特性，为主要的岩石热物理参数之一。在井下不同巷道采集细砂岩、粉砂岩、泥岩、煤等岩石样本后，将测试样品送至实验室进行编号及加工处理，切割成符合要求的试样，利用激光热导仪完成测试。本次采用钻孔各岩性厚度加权平均法计算热导率。其计算公式为：

式中，k1，k2，…，kn为各类岩石的平均热导率；d1，d2，…，dn为各类岩石累计厚度；D为d1，d2，…，dn之和。本次研究将钻孔岩性分为泥岩、砂岩、煤三大类。

在计算钻孔的地温梯度和热导率时，研究范围均为基岩面以下地层，并同时绘制出钻孔温度随深度的变化情况(如图2所示)。

图2 钻孔测温曲线

大地热流值系指地表或近地表单位面积上由地球内部向地表传输的热量，其绝对值大小等于岩石热导率与地温梯度的乘积，即：

Q=-k·(dT/dZ)

式中，Q为大地热流值，mW/m2；k为岩石热导率，W/m·K；dT/dZ为地温梯度，℃/hm。

所以，确定岩石热导率与地温梯度，就可以计算出大地热流值见表1。

表1 大地热流值范围表

由表1可知，研究区内的地热流值介于50.18～75.99mW/m2之间，平均62.53mW/m2，而由于82、83采区测温钻孔分布在张家背斜、李楼-苏庄向斜，落差大于20m的DF337、F4、F9及F12等主要断层范围内，且断层的延展长度大于500m，因此受其复杂地质条件影响，其地热流值普遍高于其它采区，地热流值范围在70～74mW/m2。整体变化趋势呈现由西向东呈递减，在有断层、褶皱处出现极大值。

3 地温场分布规律及其控制因素

3.1 地温场分布规律

井田范围内的恒温带深度约为30m，温度为16.8℃，综合利用近似稳态测温孔及简易测温孔74-7、70-9、70-10、72-16、74-755、81-82-1、74-6、72-12、74-17、75-9、73-13、06观3、2017-1、2019-3的数据，由此计算出地温梯度值，绘制出地温梯度等值线(如图3所示)。

图3 地温梯度等值线

一般把地温异常分为两类，即正异常和负异常。在规定温度之上的为正异常，小于规定温度的为负异常。规定正常的地温梯度为1.6～3.0℃/hm，大于上限的地温梯度为正异常，而小于下限的地温梯度为负异常。

图3反映井田内的地温梯度变化范围在2.65～3.15℃/hm，属于地温梯度比较稳定的地温正常区。地温整体由北向南逐渐升高，在72-16孔、74-6孔和75-9孔附近地温均大于3.0℃/hm，出现地温正异常。

3.2 地温控制因素数值模拟

地温分布受多因素的影响，即区域地质背景，矿井地质构造，松散层覆盖厚度，岩石的热物理性质，早期的岩浆活动及深部地下水活动等因素。通过分析研究区的工程地质、水文地质条件后，本文着重从矿井地质构造因素方面研究，利用基于有限元原理的COMSOL Multiphysics 5.4软件对煤矿生产期间地温异常的83下采区和82下采区进行数值分析。

83下采区主要研究矿井内两大褶皱构造之一的李楼—苏庄向斜对采区的影响，在不考虑采区内中小型断层的影响作用，建立理想状态下的褶皱型控温模式模型。模拟剖面长度为1800m，深度范围为0～800m，厚度500m；82下采区主要研究矿井内两大褶皱构造之一的张家背斜、许疃断层及许疃支断层对采区的影响，建立理想状态下的褶皱—断层型控温模式模型。研究的模拟剖面长度为1500m，深度为0～1000m。最上部为松散层厚340m左右(恒温带约30m)。断层带岩石破碎，裂隙发育，以岩石角砾为主，断层面上发育磨擦镜面，挤压揉皱现象明显，岩性松软等。该层段导热性差，密度较小。

假设数值模型中地层为均匀连续岩体，相同层位的岩层各向热导率相同。边界条件为恒温带的温度16.8℃，深度为30m、底部热源的热流值61.78W/m2作为背景值，左右边界为开放性边界进行计算。

83下采区地温场数值模拟：通过网格剖分后得出地温模拟图，并绘制出地温场等温线图(如图4所示)。由图4可看出，模拟地温的模型分为三层。上部松散层的温度变化缓慢，且温度较小，基本为水平，松散层底部最高温度为299K，上部温度最低为289.8K。中部煤岩层的温度变化趋势和褶皱形态的起伏基本保持一致，即向斜轴部温度较低，往两翼逐渐升高，向两翼倾伏，但起伏幅度不大。在轴部-400～-800m之间的温度达到301K以上，两翼温度则相对高。下部老地层的温度较高，呈黄色转变为红色。最高温度为308.25K，最低为301.5K。等温线变化趋势与地形起伏的走势基本一致，且轴部略向下凹，符合褶皱构造热流传递的趋势。

同时在模拟研究区内有2个测温钻孔，即80-2及80-8钻孔。为验证模拟效果的真实性和准确性，将2个测温孔位置标注在地温场模型中(如图4所示)，预测钻孔所在7煤底板和8煤底板的模拟温度，并与实际地温数据对比分析(见表2)。

由图4和表2可知，实测地温与模拟地温的偏差较小。80-2钻孔7煤底板实测地温和模拟温度相差-0.71K，8煤底板实测地温和模拟温度相差-0.53K。80-8钻孔7煤底板实测地温和模拟温度相差-0.78K，8煤底板实测地温和模拟温度相差-0.72K。与实测地温之间存在微小的负偏差，其原因可能是由于未考虑区域内小断层的影响，但对模拟结果影响不大。

表2 实测孔与数值模拟验证对比

图4 83下采区地温模拟

82下采区地温场数值模拟：通过网格剖分后得出地温模拟图，并绘制出地温剖面等温线图(如图5所示)。由图5可知，模拟地温的模型分为三层。第一层上部松散层的温度变化非常缓慢，且温度较小，基本为水平，松散层底部最高温度为299.6K，上部温度最低为290.5K。中部煤岩层的温度变化趋势和张家背斜的起伏基本保持一致，即背斜轴部温度较高，往两翼逐渐降低，但变化不大。下部石炭系太原组灰岩地层温度较高，均超过308.2K。等温线在许疃断层两侧发生曲折变形，断层北部地层温度比南部地层的温度略有升高。

图5 82下采区地温模拟

4 热害预测分析评价

根据现有的测温钻孔温度及其埋深的关系，计算矿区范围内各主采煤层底板温度，并绘制煤层底板温度等值线图(如图6—图8所示)，对其变化规律进行分析。

图6 3煤底板等温

图7 7煤底板等温

图8 8煤底板等温

3煤层81采区、82采区温度均低于26℃，地温正常，无热害区；83采区和86采区温度范围均在26～29℃，属正常地温，无热害区域；83下采区和36采区地温值都小于31℃，也为无热害区；而在33采区温度值基本上大于31℃，在采区西边部分地段温度小于31℃，所占面积较小。总的来说，3煤层可能的热害区主要集中在东南部的大块区域。

7煤层温度在24～38℃之间，矿区81采区、82采区和83采区地温值均低于29℃，不属于热害分布区域，三采区分别位于矿区西南和西北地区，其余采区地温值均大于31℃，热害区主要分布在矿区东南和东北区域，所占面积较大，说明7煤层热害区分布范围较3煤层大。8煤层温度在28～38℃之间。与7煤层相似，温度大于等于31℃的热害区分布范围同样集中在矿区东南和东北区域，而相对于3煤层和7煤层，其地温异常分布面积所占比例最大。