三都矿区地温分布规律.pdf

第３０卷第３期２０１５年９月矿业工程研究ＭｉｎｅｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＶｏｌ．３０Ｎｏ．３Ｓｅｐｔ．２０１５ｄｏｉ１０．１３５８２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７４－５８７６．２０１５．０３．０１５三都矿区地温分布规律 ① 曹瑜，邹声华，韩巧云（湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭４１１２０１）摘要通过现场实测地温数据，分析了三都矿区地温场、地温梯度分布特征以及影响矿区地温分布的因素．研究发现地温随煤层的埋深增加而增加，三都矿区的地温梯度值在正常范围内，井田－４２０～－６５０ｍ水平为一级热害区，二级热害区分布在－６５０ｍ水平以下，地质构造是影响地温分布的主因．低于原始岩温的地下水，渗流速度对岩壁的温度场的影响是随着渗流速度的增加，壁面温度降低，但当渗流速度大于约０．７１０－５ｍ／ｓ时壁面温度保持恒定．研究为三都矿区的深部开采过程中，对地温的预测以及热害防治工作提供了参考．关键词深部开采；地温分布；热害分区；热害防治中图分类号ＴＤ７２７．２文献标志码Ａ文章编号１６７２－９１０２（２０１５）０３－００７１－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＳａｎｄｕｃｏａｌｆｉｅｌｄＣＡＯＹｕ，ＺＯＵＳｈｅｎｇｈｕａ，ＨＡＮＱｉａｏｙｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１２０１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｇｒａｄｉｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＳａｎｄｕｃｏａｌｆｉｅｌｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆｃｏａｌ．ＧｅｏｔｈｅｒｍａｌｇｒａｄｉｅｎｔｏｆＳａｎｄｕｍｉｎｅｉｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｎｏｒｍａｌｌｉｍｉｔｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏａｌｆｉｅｌｄｂｅｔｗｅｅｎ－４２０ｍａｎｄ－６５０ｍａｌｔｉｔｕｄｅｂｅｌｏｎｇｓｔｏｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｃａｔｅｇｏｒｙＩ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｃａｔｅｇｏｒｙＩＩｗａｓｕｎｄｅｒ－６５０ｍ．Ｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｇｅｏｔｈｅｒｍａｌａｒｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｏｒｉｇｉｎａｌｒｏｃｋ，ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｓｅｅｐａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｈａｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｗａｌｌ，ｉ．ｅｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｕｎｎｅｌｗａｌｌｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ０．７１０－５ｍ／ｓ，ｔｈｅｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｋｅｐｔｃｏｎｓｔａｎｔ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｐｒｏｖｉｄｅｄｂｏｔｈｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔｆｏｒｔｈｅｇｒｏｕｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｈｅａｔｉｎｊｕｒｙｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｉｎＳａｎｄｕｃｏａｌｆｉｅｌｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ；ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａｌｉｎｊｕｒｙｄｉｖｉｓｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａｌｉｎｊｕｒｙｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ资兴三都煤田是湖南省三大煤田之一，属于晚三迭世的含煤建造，有周源山井田、宝源井田和唐洞八一井田，南邻鲤鱼江井田，唐一窿煤矿在其东面，西以三都平野大断层为界．三都煤田是一个向斜构造，其西北翼被三都平野断层破坏，现仅剩其东南翼，地层走向为北东倾向西北，倾角１８～２５［１］，以断层为主．二煤层和四煤层为该井田主要开采煤层，煤层倾角１２～２５．煤层厚度在０．２～２．０ｍ左右，赋存较稳定，其主要地质构造为断层、褶皱．由于开采早期，采深不大，热害现象并不明显，矿井热害相关研究很少，对三都煤田的地温场研究非常薄弱，目前三都矿区最深已经开采到－８００ｍ水平［２］，回采和掘进工作面温度超过３０℃，相对湿度甚至接近１００％，热害问题突显［３］，而矿区内地温的分布对矿井热害的形成具有决定性的影响，所以现在对矿区内的地温分布进行研究是非常有必要的． ① 收稿日期２０１５－０２－０３基金项目国家自然科学基金重点资助项目（５１１３４００５）通信作者邹声华（１９６２－），男，湖南衡阳人，教授，研究方向建筑室内环境与控制，矿山安全与环境．Ｅ－ｍａｉｌｚｓｈ１９９０７４＠２６３．ｎｅｔ矿业工程研究２０１５年第３０卷１三都矿区的地温特征１．１恒温带通过对简易测温孔数据和资兴气象资料进行分析，确定矿区恒温带深度为３３ｍ，恒温带温度２０．４℃．由当地的地质资料查得地面标高平均为１４２ｍ．１．２矿区地温状况本次对三都矿区的地温测量主要采用地面钻孔测温和井下巷道测温法［３］．地面钻孔测温法是指从地面打勘探钻孔，热电偶探头从地面钻口放入到孔底进行测量，是进行矿区地温调查常用的方法．浅孔测温法是指在连续工作的掘进工作面和回采工作面上，打１ｍ左右的浅孔，或利用现成的炮眼放入温度计，封住眼口，待孔内换热稳定后，测得的温度就是原始岩温，这种方法简便易行，且精确度有保障．本次调查共对３９个钻孔进行测量，其中近似稳态温度测量孔２个，井田勘探简易测量孔３２个，掘进工作面和回采工作面浅孔测温钻孔５个．测点分布如图１所示．由于勘探阶段简易测温是钻探停止后立刻测量的，而在钻探过程中钻孔受到钻头的冲击以及泥浆的干扰，钻孔处的原始地温分布遭到破坏，所测的温度与原始地温有出入，一般认为钻孔７２ｈ后测量的温度已经非常接近真实温度，因此所测温度需要修正［４］．掘进工作面和回采工作面所测的温度为新揭露的岩石或煤层，所测温度已经非常接近原岩温度，不需要修正．本文通过井田内的２个近似稳态测温钻孔所测的温度数据进行分析计算，得出孔底地温修正系数为 β ＝９５．５％（表１），由此系数就可以对各个简易温度测量孔的底端温度进行修正．简易温度测量孔和浅孔测温孔所测数据见表２．表１孔底温度校正系数计算孔号测量深度／ｍ温度／ ℃ 第１次Ｔ１７２ｈ后Ｔ２孔底地温修正系数（Ｔ１／Ｔ２）／％２００２Ｃ６０８１００２００３００４００５００６００１００２００３００４００５００２１．０２２．６２４．７２７．１２９．７３２．１２１．３２２．９２５．２２７．５２９．７２１．８２３．６２５．９２８．５３１．２３３．６２２．１２４．１２６．５２８．７３１．４９６．３９５．８９５．４９５．１９５．２９５．５９６．４９５．０９５．１９５．８９４．６平均值 β ＝９５．５％图１三都矿区主要地质构造及地温测点分布２７第３期曹瑜，等三都矿区地温分布规律Ｇ＝（ β Ｔ－Ｔ恒）／（Ｈ－Ｈ恒）．式中，Ｇ温度梯度； β 孔底地温修正系数；ＴＨ埋深所测的地温；Ｔ恒恒温带温度；Ｈ测点埋深；Ｈ恒恒温带深度．表２三都矿区四煤钻孔测温资料孔号测点埋深／ｍ测量孔底温度／ ℃修正孔底温度／ ℃温度梯度／（ ℃／１００ｍ）２２０３１９０５２４０１５０５１９０４８０２２４０２Ｃ２１０４２１２５回采Ｃ２００９６０４４０６２２４７掘进Ｃ２２０５２２２４回采Ｃ－８０９Ｃ５０６Ｃ４０８Ｃ２０１５Ｃ２０１４２４４７回采Ｃ７０７２４４８掘进Ｃ２０１６Ｃ９１０Ｃ８０７Ｃ－８０６６０６Ｃ１９０８Ｃ－８０８４０７Ｃ８０８Ｃ－８０７Ｃ７０９Ｃ５０９Ｃ５１０Ｃ６１０１１１１２５１５８２９２３１３３２２３４６４５０４６２４８３４９２５１２５１２５２２５４２５７２６１２６４２６６２６６３７０２７１２７１７７３５７４２７６２７９２７９２７９２８２２８４２８６２８９２９１２９４２９６２９７２２０．８２０．９２１．１２２．６２４．６２４．５２４．８２６．７２８．７２８．８２８．５２８．９２９．７２８．９３１．２２９．３３１．５３１．４２９．９３０．２３４．７３３．５３３．９３２．９３１．８３３．８３４．６３５．１３３．４３２．１３６．１３３．７３４．９３５．４３６．４３８．１３８．４２１．７８２１．８８２２．０９２３．６６２５．７６２５．６５２５．９７２７．９６３０．１６２９．８４３０．２６３０．２６３０．７０３２．９８３２．８８３１．３１３１．６２３５．０８３４．４５３３．３０３５．３９３６．２３３６．７５３４．９７３３．６０３７．８０３５．２９３６．５４３７．０７３８．１２３９．９０４０．２１１．７７１．６１１．３６１．２６１．９１１．８２１．７８１．８１１．９３２．１７２．０６２．０６１．９３２．００２．１２１．９１２．１７２．０５１．７３１．７８２．１５２．１６２．１１２．０１１．８２２．０６２．０８２．１５１．９２１．６７２．１５１．８０１．８８１．９０１．９５２．１０２．１１由表可知三都矿区地温梯度范围为１．２６～２．１７℃／ｈｍ，平均值为２．０８℃／ｈｍ，增温级平均为４８．０８ｍ／ ℃，属于正常地温梯度区域范围［５］．１．３地温分布规律由钻孔测温所得的数据进行回归分析可得，井田的地温随煤层埋深的增加而增加（如图２所示），呈现出比较好的线性关系，四煤的煤层底板地温计算公式为Ｔ＝０．０２０５５Ｈ＋１９．１９．（１）式中，Ｈ煤层埋深，ｍ；ＴＨ埋深处煤层的原始岩温， ℃．３７矿业工程研究２０１５年第３０卷图２三都矿区四煤底板标高与温度的相关性四煤底板温度井田四煤层测温范围为３１～－８５０ｍ，底板温度２１．７８～４０．２１℃，－４２０～－６５０ｍ水平的大部分区域为一级热害区，－６５０ｍ水平以下大部分属于二级热害区［６］．由于受三都平野断层、白石江断层、抬桥垄断层、唐垄系列断层和地下水活动以及等因素的影响，在同一等高线上温度不一定相同．但煤层底板等高线分布趋势与等温线的分布趋势相似，如图３所示．图３四煤煤层底板等温线２影响地温分布的因素从以上对三都矿区的地温分布规律的研究分析可知，影响井田地温分布的主要因素是由于地球内部热量通过岩石传导到地表形成的地温场，这是中国地温场形成的普遍形式［７］．同时还存在以下影响地温分布因素．２．１褶曲构造的影响查阅相关文献可知，温度高的区域在地层隆起部位与背斜区，同时背斜轴部区域地温梯度大；温度低的区域是地层坳陷部位与向斜区，而且地温梯度小［３］．图４三都矿区地温梯度等值线根据表２中各孔的地温梯度值，绘制出三都矿区地温梯度等值线图，如图４所示．结合图１的三都矿区的主要地质构造，可知，三都矿区地温梯度范围为１．２６～２．１７℃／ｈｍ，总体上深部的地温梯度要大于浅部的地温梯度，矿区内的上门村背斜的地温梯度比其他区域的明显偏大，达２．４℃／ｈｍ，而在周源山向斜以及张家垅向斜地温梯度则相对低，低至１．７℃／ｈｍ．４７第３期曹瑜，等三都矿区地温分布规律２．２断层构造的影响张扭性和张性断裂带是地下水运动的的通道［８］，地下水温度高低和水的运动方向、速度不同会影响地温场的分布，由于压扭性压性断裂结构，挤压剧烈，岩石密度大，断面的垂直方向，地下水比较难通过与渗透．当地下水遇到阻水的压性断裂，引起地下水的聚集，这就使得地下水沿着相对容易流动和渗透的方向运动，地温场的分布随之发生改变．通过采掘、勘探后证实压扭性质的断裂对三都矿区地下水聚集有影响［９］，如三都平野断层和抬一断层等，这些断层的特性是地层和断裂带走向几近平行，倾斜斜角比地层倾斜角大，含水层在不同的地方被分割．本次调查对周源山－７６０ｍ掘进巷道的一处有裂隙水作用的巷道进行了观测，观测了不同的渗流速度对巷道壁面温度的影响［１０］，巷道壁的温度随巷道壁的湿润度的增加而降低，随渗流速度的增加而降低，但是水渗流速度大于约０．７１０－５ｍ／ｓ时壁面温度保持恒定，这是因为此时壁面温度主要受渗流水的温度控制，渗流水的温度大约稳定在３０℃，所以巷道壁面温度稳定在３０℃，如表３所示．地质资料显示，周源山矿的新副井指示孔地温梯度出现异常，仅为０．４３～０．８０℃／ｈｍ，温度达到３６℃，其原因是这些涌水来自三都平野断层及以西的承压水的影响．表３不同渗流速度下巷道的壁温测点壁面温度／ ℃渗流速度／（１０－５ｍ／ｓ）１３０３．５７２３０１．８７３３００．７６４５６７８３１３１３１３２３３０．６２０．４８０．１６０（湿润）０（干燥）本矿区所属地区是亚热带季风气候，１２个月里，１月最冷，气温平均为６．５℃，７月最热，气温平均为２７．８℃，据过去３０年气象资料年平均降雨量１５０７．３ｍｍ，降水量充沛，降雨集中在３～６月，最大至２０５５．７ｍｍ，１２个月的降雨时间５～６个月左右，所以降水对水容易流通的断层附近的地温场有较大的影响．３结论１）三都矿区的地温随煤层的埋深增加而增加，地温梯度值在正常范围内，井田－４２０～－６５０ｍ水平为一级热害区，－６５０ｍ水平以下为二级热害区，这些区域在进行开采工作时必须采取人工制冷降温．２）影响井田地温分布的主要因素是由于地球内部热量通过岩石传导到地表形成的地温场，其次还受到周源山向斜、上门村背斜、张家垅向斜构造，通过三都平野等断层与其他断层联通的涌水和气候等因素的影响；在局部井巷，由于受到裂隙水的渗流影响，会产生局部的地温异常，对于有热害的矿井，来自深处承压热水通过裂隙对浅部井巷的影响要特别引起注意．３）随着开采深度的加大，做好详细的三都矿区的地温调查工作，加强矿井热害防治的研究力度，显得尤为重要．参考文献［１］卓越，谢声．湘南资兴三都晚三迭世含煤建造沉积特征和成煤模式［Ｊ］．湘潭矿业学院学报，１９８６，２（２）９－２３．［２］邹声华，杨如辉，余学云．ＨＥＭＳ深井降温系统在唐洞煤矿中的应用［Ｊ］．矿业工程研究，２０１２，２７（３）５２－５７．［３］李红，庞坤亮．周源山煤矿深井降温系统设计［Ｊ］．制冷与空调，２０１３，２７（５）４６９－４７２．［４］中国科学院地质研究所地热组．我国煤矿地温特征及研究方法［Ｊ］．煤田地质与勘探，１９７６（５）１－２０．［５］张连强．顺和西煤矿区地温特征及其影响因素分析［Ｊ］．中国煤炭地质，２０１２，２４（７）２９－３３．［６］邓孝．改进的矿山地温类型划分［Ｊ］．地质科学，１９９０，１（１）８１－８６．［７］冯中贵．煤田井温测量与煤层一、二级热害区的圈定［Ｊ］．中国煤炭地质，２０１１，２３（３）６６－６９．［８］袁玉松，马永生，胡圣标，等．中国南方现今地热特征［Ｊ］．地球物理学报，２００６，４９（４）１１１８－１１２６．［９］张帅，田道春，刘文中．涡北煤矿地温分布规律及其影响因素分析［Ｊ］．安徽理工大学学报（自然科学版），２０１２，３２（１）３５－３９．［１０］陈桂义，张登春，邹声华，等．裂隙水作用下巷道围岩体温度场的数值模拟［Ｊ］．矿业工程研究，２０１４，２９（２）２４－２８．５７