彭　濤，樊　敏，吳　佩，任自強(qiáng)(.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安70054; .安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南300)

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淮南朱集井田現(xiàn)今地溫場特征及其影響因素分析*

彭濤1，樊敏1，吳佩1，任自強(qiáng)2
(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054; 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要:礦井熱害是目前淮南煤田煤礦地質(zhì)工作的主要研究內(nèi)容之一。文中在匯總和分析井田內(nèi)32個地面鉆孔井溫測井?dāng)?shù)據(jù)和2個井下巷道巖溫測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪制了地溫－深度關(guān)系圖、地溫梯度－深度關(guān)系圖以及井田現(xiàn)今地溫梯度分布圖，并探討了該區(qū)現(xiàn)今地溫場特征及其影響因素。研究表明:朱集井田現(xiàn)今地溫梯度介于1. 7～3. 8℃/hm，平均2. 83℃/hm，地溫整體較高，在垂向上表現(xiàn)為傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)，在平面上表現(xiàn)為南高北低、東高西低的特點(diǎn);地質(zhì)構(gòu)造對區(qū)內(nèi)現(xiàn)今地溫場起著主要控制作用，巖性特征和地下水活動對地溫場的分布也有一定的影響。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)今地溫場;地溫特征;分布特征;影響因素;朱集井田

0　引言

隨著煤礦開采深度的增加，地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，高溫問題突出，煤礦研究領(lǐng)域越來越關(guān)注礦區(qū)的地溫研究工作［1－2］。文中在系統(tǒng)收集和整理淮南朱集井田各類地面鉆孔井溫測井?dāng)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合井下巷道巖溫測試結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)今地溫場分布特征，對探索淮南煤田深部地溫的分布規(guī)律和礦井熱害防治工作都有重要的意義［3－4］。

1　地質(zhì)概況

淮南煤田地處華北板塊東南緣，在中生代受大別—蘇魯碰撞造山作用影響，在其演化歷史中遭受多期構(gòu)造變形，因此構(gòu)造形態(tài)較復(fù)雜。煤田東起郯廬斷裂，西至麻城阜陽斷層;北接蚌埠隆起，南以壽縣－老人倉斷層與合肥坳陷相鄰。該區(qū)主要構(gòu)造為古運(yùn)動時期受南北向應(yīng)力形成的眾多近東西向褶皺、深大斷裂和逆沖推覆構(gòu)造等［5－6］，煤田中部的潘集背斜是該區(qū)主要的正向褶皺構(gòu)造，其南北2側(cè)均為推覆構(gòu)造構(gòu)成的迭瓦扇。

朱集井田位于淮南煤田的東北部，井田總體構(gòu)造形態(tài)為一連續(xù)的北西向背、向斜，為淮南復(fù)向斜的次級褶皺，南北2側(cè)被一組北西向逆斷層切割。在井田西部，北端為朱集－唐集背斜，南端為尚塘－耿村集向斜;東部構(gòu)造由一系列小型寬緩背斜組成，系朱集－唐集背斜的自然延伸［7］(圖1)。

圖1　朱集井田構(gòu)造綱要圖及現(xiàn)今地溫梯度分布Fig．1 Structure outline map and the distribution of current geothermal gradient in Zhuji Mine Area

2　研究資料和研究方法

2. 1測溫資料

本次研究共收集到32個朱集井田鉆孔井溫測井?dāng)?shù)據(jù)，其中近似穩(wěn)態(tài)測溫孔3個，簡易測溫孔29個，分別位于研究區(qū)不同的構(gòu)造單元，具有很好的代表性;此外，為驗(yàn)證地面井溫測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本次研究還對2個井下巷道圍巖溫度進(jìn)行了實(shí)測(表1)。

表1　井下測溫結(jié)果表Tab．1 Results of underground temperature

2. 2測溫資料處理

在煤田勘探中，為研究井田地溫場特征、預(yù)防礦井熱害以及為通風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，主要依靠地面井溫測井獲取地溫?cái)?shù)據(jù)［8－9］。本次研究鉆孔測溫資料包括近似穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù)和簡易測溫?cái)?shù)據(jù)2種，因測溫方法和過程的不同，所以這2種數(shù)據(jù)的處理和利用過程也不同。

1)近似穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù):即完井后靜井至少3天后所測得的溫度數(shù)據(jù)，此時井液和巖溫已經(jīng)基本達(dá)到平衡，所測數(shù)據(jù)能客觀地反映地層的真實(shí)溫度，可直接使用［10］。圖2為井田內(nèi)近似穩(wěn)態(tài)孔中溫度與深度的關(guān)系曲線，由圖可知，地溫隨深度的增加逐漸升高，表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

圖2　朱集井田系統(tǒng)連續(xù)測溫曲線Fig．2 Systematic and continuous temperature curves in Zhuji Mine Area

圖3　朱集井田現(xiàn)今地溫梯度—深度關(guān)系圖Fig．3 Relation between the current geothermal gradient and depth in Zhuji Mine Area

本次研究，地溫梯度的求取公式為

式中G為測溫鉆孔平均地溫梯度，℃/hm; T為某點(diǎn)的溫度，℃; T0為恒溫帶溫度，℃; h為某點(diǎn)的深度，m; h0為恒溫帶深度，m［10］。

根據(jù)淮南九龍崗礦長期觀測的鉆孔資料以及其它大量統(tǒng)計(jì)資料，可知淮南礦區(qū)恒溫帶深度: h0=30 m，溫度: h0=16. 8℃．利用公式(1)可求取各個近似穩(wěn)態(tài)孔的平均地溫梯度。圖3為朱集井田地溫梯度隨深度的變化曲線。

2)簡易測溫?cái)?shù)據(jù):在鉆孔測溫工作中，由于近似穩(wěn)態(tài)測溫耗時長、操作復(fù)雜，一般采用的都是簡易測溫。其數(shù)據(jù)在利用時與近似穩(wěn)態(tài)測溫資料不同，需要根據(jù)附近近似穩(wěn)態(tài)孔熱恢復(fù)規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的校正［8－9］。本次研究采用“三點(diǎn)法”對簡易測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正，即利用孔底、中性點(diǎn)(段)和恒溫帶溫度三點(diǎn)的連線作為地溫曲線;對于孔底平衡溫度的確定是采用“校正曲線法”［10－11］。

與地面鉆孔測溫相比，井下實(shí)測地溫?cái)?shù)據(jù)因受擾動程度小、熱平衡時間短，更能精確地反映巖層溫度［10］。本次利用淺鉆孔測溫法［12］在朱集井田開展了井下巷道圍巖溫度的實(shí)測工作，測溫結(jié)果見表1．對比分析井下實(shí)測和地面鉆孔測溫所得地溫梯度值可知，利用井下測溫點(diǎn)計(jì)算的地溫梯度和地面鉆孔平均地溫梯度差異甚小，驗(yàn)證了地面井溫測井結(jié)果的可靠性。

3　現(xiàn)今地溫梯度的分布特征

在近似穩(wěn)態(tài)孔中，同深度的溫度以井田東部的7－2孔最大，且在縱向上，地溫隨測溫深度的增加逐漸升高，呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，為傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)(圖2)。地溫梯度隨深度的增加而遞減，并逐漸趨于一致(圖3)。在400 m以淺，地溫梯度分布較為離散，呈逐漸變小的趨勢;當(dāng)深度至400 m以下時，地溫梯度變化較小，在2. 6～3. 4℃/hm之間，低于400 m以淺的地溫梯度值。

在平面上，朱集井田現(xiàn)今地溫梯度介于1. 7～3. 8℃/hm之間，平均2. 83℃/hm，略高于相鄰朱集西井田2. 78℃/hm的地溫梯度值［13］(圖1)，且具有明顯的分段性。從南北向看，由南至北地溫梯度呈減小的趨勢，從F72斷層附近的3. 6℃/hm以上向北到明龍山斷層附近地溫梯度減小至2. 2以下，部分地區(qū)甚至小于2℃/hm．從東西向看，20線以西地溫梯度呈減小的趨勢，絕大部分區(qū)域地溫梯度在2. 8℃/hm以下，且至井田西端減小至2. 2℃/hm以下; 20線以東地溫梯度總體上呈先增大后減小的趨勢，20線附近地溫梯度在2. 6℃/hm以下，在10線和13線之間南部部分區(qū)域達(dá)3. 6 ℃/hm以上，至井田東端地溫梯度減小至2. 4℃/ hm以下。

總體上，朱集井田地溫梯度等值線延伸方向主要為北西向和近南北向，表現(xiàn)為南高北低、東高西低的特點(diǎn)。

4　現(xiàn)今地溫場的控制因素分析

根據(jù)井溫測井資料和井田內(nèi)其它地質(zhì)資料分析表明，研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)今地溫場主要受構(gòu)造分布、巖性變化和地下水運(yùn)動等因素的影響，現(xiàn)分述如下。

4. 1構(gòu)造對現(xiàn)今地溫場的影響

強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的隆起與拗陷、背斜與向斜等不同的構(gòu)造形態(tài)使巖石熱導(dǎo)率在垂直和水平方向發(fā)生變化，使熱流產(chǎn)生折射與重新分配，導(dǎo)致背斜軸部熱流值容易集中［15－16］，具有較高的地溫和地溫梯度，相反則較低?；茨厦禾飿?gòu)造主要受印支、燕山期地質(zhì)運(yùn)動的影響，形成一復(fù)式向斜構(gòu)造，位于向斜北部并與之平行發(fā)育的潘集背斜是該區(qū)主要的正向褶皺構(gòu)造，深部熱流的向上傳遞和地溫場的變化必然受其影響。朱集井田位于潘集背斜北翼，其南邊界隔潘北礦與背斜軸部平行(圖1)，井田內(nèi)北西向的地溫梯度等值線延伸形式明顯是受到背斜軸部走向的影響，這與淮南煤田高溫區(qū)的分布和潘集背斜軸線走勢一致的情況相符。同樣，井田內(nèi)地溫梯度值南高北低的變化特征也是受背斜軸部聚熱的影響所致。

圖4　第5勘探線剖面圖Fig．4　Cross section of 5thexploratory grid

華北與華南板塊對接過程中，在淮南煤田南部形成舜耕山斷裂及阜鳳斷裂等一系列北西向展布的上疊式逆沖推覆構(gòu)造，在逆沖推覆構(gòu)造由南向北的推擠過程中，受到的北緣反向阻力超過巖石的強(qiáng)度極限時，產(chǎn)生了明龍山等反向逆沖斷裂［17〗，如圖4所示為朱集井田第5勘探線(圖1)剖面圖。由圖可知，明龍山以北地層被動抬升，上覆石炭二疊系地層被剝蝕，致使下部奧陶系灰?guī)r直接與新生界地層接觸。深部熱流向上直接傳遞至較高熱導(dǎo)率的灰?guī)r中，且上覆松散層較薄，隔熱作用差，熱量散失較快，致使明龍山斷層附近地溫梯度明顯降低。這是井田內(nèi)地溫梯度南高北低，且等值線沿北西向伸展，與明龍山逆斷層走向一致的原因之一。

井田內(nèi)主要構(gòu)造是一北西走向的寬背斜，在井田西部表現(xiàn)明顯，并向東延伸，其南翼向南延伸與潘集背斜的北翼形成同樣北西走向的尚塘－耿村向斜，在井田西部表現(xiàn)出凹凸相間的構(gòu)造特征(圖1)。區(qū)內(nèi)，東部地溫場主要受潘集背斜和朱集－唐集背斜影響，高溫異常區(qū)分布明顯，多處地溫梯度大于3℃/hm，部分地區(qū)在3. 6℃/hm以上;西部地溫是朱集－唐集背斜和尚塘－耿村向斜相互影響的結(jié)果，明顯低于東部，無高溫異常區(qū)的分布。因此，朱集井田內(nèi)地溫梯度東高西低的特點(diǎn)同樣是受褶皺構(gòu)造分布影響的結(jié)果。

4. 2巖性對現(xiàn)今地溫場的影響

不同的巖石具有不同的熱傳導(dǎo)率，對熱量的傳導(dǎo)和聚散性能也各不相同，從而使得巖性也能夠?qū)ΜF(xiàn)今地溫場產(chǎn)生影響。圖3中地溫梯度值隨深度變化的關(guān)系表明研究區(qū)內(nèi)淺部的低熱導(dǎo)率巖石阻礙了熱量的傳遞，致使其地溫梯度明顯高于深部的高熱導(dǎo)率巖層。

深部熱流向上傳至低熱導(dǎo)率的上覆松散層時將發(fā)生折射和淺部再分配，同時松散層中也含有一定量的生熱元素，因此松散層既是保溫層也是增溫層［10，15－16］，其厚度越小保溫增溫作用越差，地溫梯度越小。如圖5所示，朱集井田松散層厚度在150～400 m之間，總體上呈西厚東薄、南厚北薄的趨勢。研究區(qū)內(nèi)，以20線附近松散層厚度最大，在360 m以上。20線往東松散層逐漸變薄，特別是17線以東其厚度向北東方向遞減，至明龍山斷層附近減至最小，這是造成該區(qū)地溫梯度由南向北遞減，致使其等值線與明龍山斷層走向一致的原因之一; 20線以西區(qū)域，松散層厚度等值線的延伸趨勢與地溫梯度的分布一致，都以開口向西的曲線形式向西遞減，且在松散層最薄的23線與F13斷層相交處地溫梯度值最小。但是，由區(qū)內(nèi)20線以東地溫梯明顯高于20線以西，而松散層厚度分布相反的情況可知，井田內(nèi)上覆松散層對地溫場的影響小于構(gòu)造分布對其的影響。

由圖5可知朱集井田內(nèi)大部分區(qū)域均受巖漿巖侵蝕，據(jù)實(shí)測資料可知其侵入時代應(yīng)屬燕山期，侵入時代較遠(yuǎn)，殘余熱量基本發(fā)散完，因此其主要以巖石熱導(dǎo)率的差異對現(xiàn)今地溫場產(chǎn)生影響。在煤系地層中，巖漿巖多順煤層侵入，拱開、吞蝕地層、煤層，表現(xiàn)為巖漿巖對煤巖層的置換，由實(shí)測資料可知，兩淮煤田巖漿巖的熱導(dǎo)率是煤的3～4倍［18］，因此，相同厚度的巖層中，巖性為煤巖時的地溫梯度值大于以巖漿巖為主要巖性的值。故在朱集井田內(nèi)巖漿巖對現(xiàn)今地溫場的影響主要為使地溫梯度降低，但是巖漿巖與煤層的厚度相對于幾百米甚至上千米的煤系地層來說，可以忽略不計(jì)，因而其對地溫場的影響很小。

圖5　朱集井田松散層厚度等值線與巖漿巖侵蝕范圍分布圖Fig．5　Distribution diagram of erosion range of magmatite and contour of loose bed in Zhuji Mine Area

4. 3地下水活動對現(xiàn)今地溫場的影響

地下水是最活躍的地質(zhì)因素，在地殼淺部分布廣泛，易于流動，且熱容量大，對圍巖溫度場有重要影響。地下水活動方式不同，對圍巖溫度場產(chǎn)生影響的結(jié)果也不同。如由淺部向深部流入的冷水，帶走圍巖的熱量，起到降溫作用;而由深部向上的熱水，其流動過程會加熱圍巖，起到增溫的作用。

明龍山斷層以北奧陶紀(jì)灰?guī)r直接與新生界地層接觸(圖1，圖4)甚至出露地表，下部以石灰?guī)r為主的巖溶溶隙－裂隙含水層常年受上部松散含水層和大氣降水補(bǔ)給，冷水下降的過程中帶走熱量，在補(bǔ)給區(qū)形成地溫負(fù)異常。這是明龍山斷層附近地溫梯度明顯降低的原因之一。此外，井田內(nèi)發(fā)育多條落差大、延伸長的張性正斷層，成為導(dǎo)通地下水的主要通道，深部高承壓熱水可沿巖石斷裂通道向上運(yùn)動，致使斷裂通道附近形成高溫異常，地溫梯度升高［19－20］。

5　結(jié)論

1)朱集井田現(xiàn)今地溫梯度介于1. 7～3. 8℃/ hm，平均值為2. 83℃/hm，井田地溫整體偏高，總體表現(xiàn)為南高北低、東高西低的特點(diǎn);

2)朱集井田地溫在縱向上隨深度增加而增加，表現(xiàn)為良好的傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)，地溫梯度值隨深度的增加而減小，且在400 m以下逐漸趨于一致，介于2. 4～3. 6℃/hm之間;

3)朱集井田現(xiàn)今地溫場主要受地質(zhì)構(gòu)造的控制，巖性特征和地下水的活動對地溫場的分布也有一定的影響。

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Distribution characteristics and influential factors of
present geo-temperature field in Zhuji Mine Area of Huainan

PENG Tao1，F(xiàn)AN Min1，WU Pei1，REN Zi-qiang2
(1．College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2. School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

Abstract:Mine heat hazard is one of the main research content of the coal mine geology work in Huainan Coalfield．On the basis of collecting and analyzing 32 logging temperature data of surface boreholes and 2 temperature test data of surrounding rock of underground roadway in Zhuji Coalfield，the present geothermal field distribution characteristics of the area is discussed，which include the relation curves of geo-temperature and its gradients with depth，and the distribution of present geothermal gradients，and its influential factors are analyzed．The results indicate that present geo-temperature gradients of this area are between 1. 7℃/hm and 3. 8℃/hm，the average geo-temperature gradient is about 2. 83℃/hm，which slightly higher than the adjacent mines．It show the transmitting characteristics of warming in depths，and on the plane show the characteristics of geo-temperature lowering from south to north，east to west．The geothermal field in the area is mainly affected by the geological structure，and the lithology and groundwater movement can also have affect on it．

Key words:present geo-temperature field; characteristics of geo-temperature; distribution characteristics; influential factors; Zhuji mine area

通訊作者:彭濤(1988－)，男，河南固始人，博士，講師，E-mail: pt200610036@163. com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(41272278) ;安徽省國土資源科技項(xiàng)目(2011－K－13)

*收稿日期:2015－11－20責(zé)任編輯:李克永

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0215

文章編號:1672－9315(2016) 02－0243－06

中圖分類號:P 314

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A