新河北部勘查区地温场分布特征及其影响因素

范正博

（甘肃煤炭地质勘查院，甘肃 兰州 730000）

随着浅部煤炭资源的逐渐减少，煤矿的开采深度逐渐增加，导致矿井热害问题日益突出。地温是矿井热害的主要因素之一，因此对研究区地温方面的研究非常重要。第一可以确定地温梯度，地温梯度是指地下温度随深度变化的速率，是矿井设计和开采的重要参数。通过对研究区内钻孔地温的测量和分析，可以确定地下温度随深度变化的规律，为矿井设计和开采提供依据。第二可以预测矿井热害，地温是引发矿井热害的主要因素之一，通过对研究区地温的研究，可以预测矿井开采过程中可能出现的热害问题，为矿井安全生产提供保障。第三可以优化矿井设计，矿井设计需要考虑地下温度的影响，通过对勘查区地温的研究，可以优化矿井设计，减少矿井热害的发生，提高矿井的安全性和生产效率。

新河北部勘查区位于甘肃省河西地区张掖市山丹县山丹-永昌盆地，地处祁连山余脉大黄山北侧、龙首山以南，盆地内已生产矿井有花草滩煤矿、东水泉煤矿和平坡煤矿。其中花草滩煤矿和东水泉煤矿均处于花草滩向斜南翼、F1断层下盘，开采煤层埋深均相对较浅，对地温研究相对较少。新河北部勘查区处于F1断层上盘新河单斜，煤层赋存从南向北逐渐加深。新河北部勘查区地温的研究对于后期矿井建设和煤炭资源的开采具有重要意义，可以为矿井的安全和生产提供基础数据资料和科学依据。

1 地质背景

研究区大地构造位于柴达木-华北板块—祁连早古生代造山带—河西走廊新生代盆地—山丹-永昌盆地。山丹-永昌盆地划分了三个次级构造单元：山丹凹陷、大黄山凸起、永昌凹陷。根据基岩地层和含煤地层分布范围和特征分析认为，山丹凹陷及永昌凹陷为含煤地层及煤层赋存的有利地区，大黄山凸起剥蚀区内，则不利于煤系的赋存，仅在局部凹陷和断裂构造带残留有不连续的条带状串珠的太原组煤系分布，自西至东有山丹羊虎沟煤矿、永昌毛卜拉和马家湾等小煤矿区分布。

山丹凹陷属北祁连加里东坳陷带，整体构造形态呈东西走向的向斜和新河单斜组合，经历了先后多期次的构造运动，根据构造和赋煤地域特征，分成了山丹背斜、花草滩向斜和新河单斜三个次级构造单元。大地构造运动先后经历了前寒武纪的阜平运动、加里东运动、海西运动、印支运动和喜山运动，构造运动的复杂性和多期性，造就了各构造单元煤系赋存特征差异较大。花草滩向斜赋存有二叠系及下二叠统太原组煤系，但缺失中生界三叠系、侏罗系、白垩系沉积；山丹背斜缺失古生代及中生代地层；新河单斜则赋存了自古生代至中、新生界地层。

研究区属山丹凹陷中的次级构造单元新河单斜。研究区内主要含煤地层为下二叠统太原组（P1t），其中煤1-2 层为大部分可采煤层，煤2 层、煤3 层为局部可采煤层，煤层埋深介于0～1500 m，煤层整体倾向北东，煤层厚度0～2.34 m。研究区内及周边构造主要包括山丹背斜、花草滩向斜、新河单斜、龙首山南缘断裂、F1断裂、DF2、f12、f23及f22等（其分布位置见图1）。龙首山南缘断裂、F1断裂、DF2、f12、f23及f22等断裂带和褶皱带对研究区的地质构造和煤层分布都有着重要的影响。

图1 研究区地质构造简图

山丹凹陷内近东西走向的背向斜、新河单斜、龙首山南缘断裂、F1断裂和DF2断裂等较大的褶皱、断裂形态为地热资源的产生、运移和储存提供了有利条件，对地热资源的勘探和开发具有重要意义。

2 研究资料与方法

2.1 测温资料

研究区内共采用13 个测温钻孔来获取地温数据。其中，12 个是简易测温孔，1 个是近似稳态测温孔（ZK101）。近似稳态测温孔是一种测量地温的重要方法，即在钻进结束后，距离第一次测井后时间间隔为12 h、24 h、48 h 和72 h 进行4 次测温，共得到5 组测温数据。12 个简易测温孔是在施工结束后间隔数小时进行测量，采用点测法，在测井前和测井后各测量1 次，共得到1 组测温数据。

综合以上两种测量方法，可以初步了解研究区的地温分布情况。但是，这只是一个初步了解，未来研究中，需要进一步加强数据采集和分析工作，以提高研究区地温分布的准确性和全面性。

2.2 研究方法

2.2.1 恒温带温度及深度的确定

一般认为，在钻孔内泥浆停止循环72 h 以后测得的温度基本接近围岩的原始温度。根据近似稳态测温钻孔ZK101 第5 次（即钻孔内泥浆停止循环72 h 后）测温数据做出地温与深度关系图（图2），在埋深大于80 m 时，深度与温度为线性关系，埋深60 m 以上观测温度偏离了该直线，结合其余简易测温钻孔数据，初步确定研究区恒温带深度为70 m[1]。对ZK101 在间隔72 h 以后（即第5 次测温）测量60 m 和80 m 两处温度取算术平均值，即为恒温带温度。故确定研究区恒温带的深度为70 m，温度为12.85 ℃。

图2 研究区近似稳态测温钻孔地温与深度关系图

2.2.2 孔底测量温度的校正

简易测温是在钻进工作结束后，间隔数小时进行测温得到的温度数据。泥浆停止循环时间较短，所测温度与原始围岩自然温度有一定差异，需要对其进行校正。经校正后所得井底温度能够近似原岩的井底温度。

一般认为，钻孔第1 次测井后72 h（第5 次）测量的温度，非常接近原始地层的真实温度，所以把400 m 至井底这一深度完孔后即测的地温数据与第1 次测井后72 h 所测地温数据进行计算，可求得孔底岩层温度校正系数[2]。通过计算，研究区钻孔底部岩层温度校正系数为94.13%，由此可计算出各简易测温钻孔底部岩层的校正温度。

2.2.3 地温梯度的计算方法

地温梯度是指地球内部温度随深度变化的速率，地温梯度是地球内部热传导的结果，其大小取决于地球内部的热流量和热导率等因素。地温梯度的大小对地热资源的勘探和开发具有重要的影响。通常情况下，地温梯度越大，地热资源的温度也越高，开发利用的可能性也越大。对地温梯度的认识和研究有助于深入了解地球内部的热力学过程和地热资源的分布规律，为地热资源的勘探和开发提供科学依据。因此，在地热资源的勘探和开发中，需要对地温梯度进行精确的测定和分析。研究区地温梯度即为钻孔深度每增加100 m 地温变化的数值。即：

式中：H为测温点的深度，m；T为校正温度，（℃）；G为地温梯度值，℃/hm[3]。研究区13 个钻孔地温梯度值见表1。

表1 各钻孔地温梯度和煤3 层底板温度统计表

3 地温场分布特征

3.1 地温的分布特征

根据钻孔底部岩层温度校正系数对简易测温孔孔底温度进行校正，整理数据可得钻孔深度与地温的关系如图3。

图3 研究区钻孔深度与地温关系图

由图2、图3 可知，在垂直方向上，研究区内地层温度与埋深呈正相关，具有明显的线性关系和较好的拟合度，反映了传导型增温特点[4]。在平面上，根据钻孔测温数据可以得出，以埋深600 m 为例，ZK501 地温高达31.66 ℃，而ZK401 为26.24 ℃，相差5.42 ℃，其中ZK702 为26.67 ℃，ZK602 为27.30 ℃，其余钻孔地温均高于28.37 ℃。这种同一埋深地温差值较大的现象，表明在控制地温的主导因素地层深度之外，还存在着其他因素的影响。

根据统计计算（表1）得出煤3 层底板在研究区的南部属地温正常区（＜31 ℃），中部为一级热害区（31～37 ℃），北部为二级热害区（＞37 ℃）。

3.2 地温梯度的分布特征

研究区内近似稳态测温钻孔ZK101 地温梯度与深度关系如图4。

图4 研究区近似稳态测温钻孔地温梯度与深度关系图

由图4 可知，ZK101 在80～360 m 地温梯度值与埋深呈负相关性，并且数值较为分散；360 m、380 m 和400 m 三处测温点地温梯度相同，均为3.05℃/hm；超过400 m 以后地温梯度值变化幅度较小。

根据研究区内13 个钻孔的测温资料（表1），统计恒温带下地温梯度介于2.48～3.62 ℃/hm，平均3.08 ℃/hm，5 个钻孔地温梯度值小于3 ℃/hm（其中ZK101 孔地温梯度值为2.99 ℃/hm，ZK901 孔地温梯度值为2.95 ℃/hm），8 个钻孔地温梯度值大于3 ℃/hm。在平面分布来看，研究区整体地温梯度值偏高。研究区大部分属地温异常区，这充分说明研究区整体地温异常与区域构造分布特征存在密切联系。

4 地温场的影响因素

根据相关研究成果，影响地温场分布的因素主要包括地质构造、岩性变化、地下水活动和早期岩浆活动。初步分析研究区的地温场分布特征，可以发现研究区内地温场的主要影响因素为地质构造，其次为岩性变化，局部地温梯度值较低，与研究区整体分布特征不合，不排除为地下水因素的影响。

4.1 地质构造

地质构造运动是地球内部发生的一种强烈的运动，可以形成褶皱、断裂等多种构造形态，改变岩层的产状，引起岩石热物理性质在水平方向和垂直方向的变化。同时，地质构造运动还会引起地球深处的热能进行再分配，从而改变地下的温度分布，形成不同的地温场。深部断裂有利于深部热流向上运移，导致围岩温度升高，出现地温热异常。

经过研究分析，研究区地温场的分布与断层有密切关系，研究区位于F1逆断层和DF2逆断层之间，北侧有龙首山南缘深大断裂。龙首山南缘断裂是祁连造山带与阿拉善地块的分界断裂，该断裂呈北西西向展布，为大型右行走滑断层。F1逆断裂为区域性断层，形成时代喜山期，属走向逆掩断层，沿勘查区南缘呈走向NWW 展布。DF2走向逆断层为电法控制的全隐伏断层，该断层位于勘查区北部，呈走向NWW 向展布。研究区东侧有f12，西侧则为f22和f23。研究区为一独立构造单元，四周以断层为界线，地温整体偏高，因此，影响研究区地温场的主导因素为地质构造。

4.2 岩性变化

岩性变化能改变地温场分布的根本原因：不同岩性其热导率和热传导性能不尽相同[5]。普遍情况下，岩石粒度越小，越紧密，导热性能越好，其间热能的传递速度越快，相应该段的地温梯度值越小。

根据ZK101 钻探数据可知，中侏罗统新河组（J2x）和中间沟组（J2z）埋深0.0～184.0 m，上二叠统窑沟群（P3yg）埋深为184.0～420.5 m，中二叠统大黄沟组（P2d）埋深420.5～632.5 m，超632.5 m为下二叠统太原组（P1t）地层。中侏罗统地层上部岩性主要为砂岩和砂砾岩为主，夹泥岩、粉砂岩和薄煤层；中侏罗统地层下部为勘查区次要含煤地层，岩性主要为细粒砂岩和泥质粉砂岩为主，夹中粒砂岩和煤层。中、上二叠统的岩性主要为中砂岩为主，下二叠统地层岩性以细砂岩为主，由浅到深下二叠统地层岩性中粉砂岩、泥岩厚度增大。粉砂岩、泥岩和煤层热传导性能良好，使热能可以在其间快速传递，从而使地温梯度值偏小。

图4 表 明， 近 似 稳 态 测 温 钻 孔ZK101 在80～360 m 地温梯度值与埋深呈负相关性，并且数值较为分散；超过400 m 以后地温梯度值变化幅度较小。ZK101 地温梯度的变化与岩性的变化基本一致。

4.3 地下水活动

地下水的活动，可以运移热量，使围岩温度发生变化。如地下水是由浅向深运移的冷水，在向深部流动的过程中会吸收围岩的热能，从而会降低围岩的温度；如是由深向浅运移的热水，则会使浅部围岩温度增高，起增温作用。目前，研究区对地下水活动的研究程度不够，研究区部分钻孔地温值较低不排除地下水影响造成的结果。

5 结论

1）根据钻孔地温测量成果显示，研究区地温梯度值介于2.48～3.62 ℃/hm 之间，研究区大部分属高温异常区。

2）根据研究区内13 个钻孔地温数据可知，研究区煤3 层底板温度介于28.53～45.66 ℃之间。研究区南部属地温正常区（＜31 ℃），中部为一级热害区（31～37 ℃），北部为二级热害区（＞37 ℃）。在未来矿井建设和生产过程中，应采用科学合理的方法降低矿井温度。

3）研究区整体地温梯度值较高。影响研究区地温场的主导因素为地质构造，其次为岩性变化。