應(yīng)力對(duì)背斜構(gòu)造中地?zé)岬目刂谱饔醚芯?/h1>
2020-08-26 05:06:30饒家健張文濤劉啟蒙
饒家健，張文濤，劉啟蒙
( 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)
礦井熱害是現(xiàn)今礦井深部開采的過程中一個(gè)重大的安全隱患。同時(shí)，礦井地?zé)嵋彩且环N寶貴的礦產(chǎn)資源，其清潔可再生的特性使得它與煤、石油、天然氣及其它礦產(chǎn)一樣，具有重大的開采意義。不同煤田地?zé)岱植嫉挠绊懸蛩夭煌?，?gòu)造是影響地?zé)岱植嫉囊粋€(gè)重要因素，特別是背斜構(gòu)造對(duì)地?zé)岱植加绊戄^為明顯，背斜構(gòu)造有明顯的地?zé)峒行?yīng)，會(huì)導(dǎo)致此處的地溫及地溫梯度異常。如北京西山谷積山背斜[1]、淮南潘集、丁集煤礦[2-4]、河南平頂山煤礦[5]均發(fā)現(xiàn)有背斜核部地溫明顯高于其它地區(qū)的熱聚效應(yīng)。后眾多學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，基于地層中熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)，得出地?zé)岱植寂c熱導(dǎo)率的聯(lián)系，因巖層順層熱傳遞比穿過地層要快，即順層熱導(dǎo)率高于過層熱導(dǎo)率，地?zé)釙?huì)因熱導(dǎo)率各向異性順層傳遞集聚于背斜核部導(dǎo)致此處地?zé)岙惓6-9]。而熱導(dǎo)率作為影響地?zé)岱植嫉囊粋€(gè)重要因素，其本身也受多方面因素的影響，自20世紀(jì)90年代以來，通過對(duì)巖石熱物理學(xué)性質(zhì)的多方面研究表明，巖石熱導(dǎo)率會(huì)受到巖性、孔隙率、溫度等因素的影響[10-13]。綜合來說，背斜受壓應(yīng)力發(fā)生形態(tài)上的凸起，再結(jié)合巖石熱傳導(dǎo)方式得到背斜的熱集中效應(yīng)而導(dǎo)致地溫及地溫梯度異常。
以往研究忽略了背斜軸部并非單純受壓應(yīng)力，而是存在一個(gè)不受應(yīng)力影響的中和面，其上下應(yīng)力狀態(tài)的不同，導(dǎo)致熱導(dǎo)率變化，從而對(duì)地?zé)峥刂聘訌?fù)雜。
本文基于前人理論，從應(yīng)力角度分析背斜對(duì)地?zé)岬目刂谱饔?，?duì)背斜軸部地溫及地溫梯度異常提出不同解釋，深化對(duì)地層中地?zé)岱植嫉恼J(rèn)知，以期對(duì)礦區(qū)生產(chǎn)提供建議。
1 應(yīng)力對(duì)淮南煤田地?zé)岬挠绊懽饔?/h2>
淮南煤田位于華北板塊南緣，先后經(jīng)歷了加里東、印支、燕山、喜山、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多期構(gòu)造演化，其地應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，淮南煤田淺部地應(yīng)力場(chǎng)受華北板塊現(xiàn)代張性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大，最大主應(yīng)力近垂直方向，其地應(yīng)力場(chǎng)宏觀類型為大地靜力場(chǎng)型；淮南煤田深部地應(yīng)力場(chǎng)基本保持燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型。
徐勝平收集淮南各個(gè)礦區(qū)各水平的地溫?cái)?shù)據(jù)，得淮南煤田各礦區(qū)地溫分布圖[14]如圖1所示。
通過對(duì)淮南煤田各礦區(qū)的地溫分布分析，發(fā)現(xiàn)在淺部受地應(yīng)力影響較弱的大地靜力場(chǎng)類型地層中，各礦區(qū)地溫的差異不大；越往深部受地應(yīng)力影響越強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型地層中，各礦區(qū)的地溫差異明顯增大。且高溫異常區(qū)和低溫異常區(qū)基本集中于受構(gòu)造應(yīng)力影響較強(qiáng)的礦區(qū)。因此，推測(cè)地層中應(yīng)力分布對(duì)于地?zé)峋哂幸欢ǖ挠绊懽饔?，尤其是?gòu)造發(fā)育、應(yīng)力分布復(fù)雜的區(qū)域，地?zé)岱植紩?huì)受其應(yīng)力狀態(tài)的控制作用。
斷裂構(gòu)造可能溝通地層中不同的地?zé)崃黧w，導(dǎo)致地?zé)岱植紡?fù)雜，弱化應(yīng)力對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔?。而褶曲尤其是背斜?gòu)造，受地?zé)崃黧w影響較小，若背斜周邊無斷裂影響，其應(yīng)力分布對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔脤⒏鼮槊黠@，因此選取背斜做研究。
2 朱集東井田地?zé)崽卣餮芯?/h2>
朱集井田位于淮南煤田東北部，朱集東新生界松散層厚150.50～320.45m，平均厚度274.42m，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。受北部明龍山逆沖推覆影響，區(qū)域背、向斜發(fā)育，如唐集～朱集背斜、尚塘～耿村集向斜等。結(jié)合礦區(qū)剖面線如圖2所示，見朱集東基巖面以下有一角度較小的褶曲，距大斷層較遠(yuǎn)，周邊小斷層不發(fā)育，地?zé)崾軘嗔褬?gòu)造影響較??；小角度的褶曲使得背斜與水平地層的落差較小，有利于兩者的地溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析，因此選取此背斜作為研究對(duì)象，分析背斜應(yīng)力分布對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔谩Ｎㄒ蝗秉c(diǎn)是背斜角度較小，熱聚效應(yīng)較弱，水平地層與背斜的地溫?cái)?shù)據(jù)可能無明顯差異。
圖2 朱集東21線剖面圖
選取背斜軸部鉆孔6個(gè)、水平地層鉆孔6個(gè)，共計(jì)12個(gè)鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如表1～表2所示，得到水平地層及背斜軸部的地溫及地溫梯度分布曲線,如圖3～圖4所示。通過兩者的對(duì)比分析，可以排除受其它地質(zhì)因素影響導(dǎo)致的地溫及地溫梯度差異，從而驗(yàn)證背斜的應(yīng)力分布對(duì)地?zé)岬目刂谱饔谩?/p>
表1 水平地層各深度地溫 ℃
表2 背斜軸部各深度地溫 ℃
圖3 背斜與水平地層地溫曲線
圖4 背斜與水平地層地溫梯度曲線
分析背斜與水平地層地溫曲線，明顯可見兩者約在500～800m范圍差異值較大，此深度以上或以下差異值均有減小趨勢(shì)，推測(cè)此范圍為背斜地?zé)峒袇^(qū)域，表現(xiàn)出與水平地層明顯的地溫差異。
分析水平地層與背斜軸部地溫梯度曲線，可見背斜與水平地層的地溫梯度差異。
300～550m段，背斜地溫梯度高于水平地層，且兩者的差異值隨深度增大逐漸減小，在550m深度兩曲線出現(xiàn)重合。
550～700m段，背斜與水平地層地溫梯度曲線大致重合，無明顯差異。
700m以下，背斜地溫梯度低于水平地層，背斜與水平地層的地溫梯度差異值隨深度增大逐漸增大，但是850m以深差異值卻有減小趨勢(shì)。
若依據(jù)以往理論認(rèn)為，巖石中地?zé)醾鲗?dǎo)順高熱導(dǎo)率方向傳遞，而巖層熱導(dǎo)率各向異性，順層熱導(dǎo)率一般高于過層熱導(dǎo)率，加上背斜形態(tài)影響導(dǎo)致背斜軸部整體上的熱流集中效應(yīng)，所以導(dǎo)致背斜處高地溫和高地溫梯度異常，那么背斜軸部垂向上地溫和地溫梯度均因高于水平地層。而對(duì)朱集東背斜地溫?cái)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，背斜處地溫的確高于水平地層，但是地層越往淺或深，兩者差異值越小；背斜處地溫梯度相比水平地層其變化趨勢(shì)更加復(fù)雜。所以應(yīng)該存在另一種因素對(duì)背斜處的地?zé)岱植季哂锌刂谱饔?，并符合背斜地溫及地溫梯度變化趨?shì)，推測(cè)此因素為背斜處的應(yīng)力分布。
3 應(yīng)力對(duì)背斜構(gòu)造地?zé)峥刂谱饔?/h2>
背斜軸線部位所受應(yīng)力狀態(tài)并非為單純受壓，而是存在一條既不受張，也不受壓，且在背斜生成時(shí)長(zhǎng)度基本不變的“中和面”[15]，背斜在中和面以上部分表現(xiàn)為受張，背斜中和面以下表現(xiàn)為受壓，在背斜軸線上，越遠(yuǎn)離中和面，應(yīng)力越大，且?guī)r層越往深部，巖石壓實(shí)性越好，并逐漸脫離背斜應(yīng)力影響范圍，巖石熱導(dǎo)率受背斜應(yīng)力影響越小。背斜處應(yīng)力由淺到深變化趨勢(shì)基本與背斜處地溫梯度變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)，因此選取背斜應(yīng)力分布，結(jié)合前人理論和朱集東實(shí)測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)，具體分析背斜對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔谩?/p>
為方便分析，將朱集東背斜簡(jiǎn)化為圖5，并對(duì)背斜軸部每一段的地?zé)岱植寂c水平地層進(jìn)行具體的對(duì)比分析。
圖5 朱集東區(qū)域背斜構(gòu)造簡(jiǎn)化圖
(1)水平地層地?zé)岱植?/p>
在水平地層中，其地下熱流自下向上的傳遞過程如圖6所示，中和面上下所受應(yīng)力主要為垂向巖石自重產(chǎn)生，其地溫及地溫梯度分布趨勢(shì)較為簡(jiǎn)單。
圖6 水平地層地?zé)岱植?/p>
水平地層地溫梯度在松散層內(nèi)和基巖內(nèi)的變化趨勢(shì)受孔隙率和溫度兩方面因素的影響。松散層隨深度增加、孔隙率下降，松散層整體上孔隙率下降速率快，而松散層內(nèi)溫度較小，孔隙率相比較于溫度對(duì)熱導(dǎo)率起主控作用，整體地溫梯度下降。而到了基巖內(nèi)，基巖相比較與松散層孔隙率小，雖然隨著深度增加、孔隙率也會(huì)下降，但是孔隙率下降速率較小，而溫度增加較快，此時(shí)溫度相比較于孔隙率起主導(dǎo)作用，整體地溫梯度上升。
(2)背斜處地?zé)岱植?/p>
背斜處地?zé)岱植际芨魈幉煌瑧?yīng)力狀態(tài)影響，熱流傳遞過程如圖7所示，其地溫和地溫梯度分布較為復(fù)雜。
圖7 背斜處地?zé)岱植?/p>
1)應(yīng)力對(duì)背斜地溫分布的影響。當(dāng)?shù)叵聼崃饔上孪蛏蟼鬟f過程中，順層集聚于背斜軸部，但是其熱聚效應(yīng)效應(yīng)會(huì)受到背斜應(yīng)力影響而加強(qiáng)或減弱。
800m以下區(qū)域，大致為中和面以下。背斜受壓應(yīng)力的影響，裂隙度小，熱導(dǎo)率高，加強(qiáng)了背斜處的熱聚效應(yīng)，背斜此段地溫會(huì)明顯高于水平地層，但是巖層越往深部，達(dá)到最大壓應(yīng)力后，又逐漸脫離背斜應(yīng)力影響范圍，背斜與水平地層的地溫差異值會(huì)逐漸減小。
500m以上區(qū)域，大致為中和面以上。背斜受張應(yīng)力的影響，裂隙度大，熱導(dǎo)率低，減弱背斜處的熱聚效應(yīng)，因地溫為地?zé)釓南孪蛏蟼鬟f過程中能量顯現(xiàn)，背斜此段深部地?zé)峒?，所以背斜此段地溫依然高于水平地層，但是巖層越往淺部遠(yuǎn)離中和面，張應(yīng)力越大，裂隙度越大，熱導(dǎo)率越低，背斜處熱聚效應(yīng)提高地溫的作用的受張應(yīng)力影響減弱，背斜與水平地層的地溫差異值也會(huì)逐漸減小。
500～800m段，大致為中和面所在區(qū)域，下部受壓應(yīng)力影響為背斜軸線垂向上熱流最集中區(qū)域，上部受張應(yīng)力影響，形成低熱導(dǎo)率的“保溫蓋”，加上背斜形態(tài)特征，熱流向兩邊逸散的途徑也會(huì)受阻礙，此段為背斜軸部上垂向地?zé)醿?chǔ)存最好區(qū)域，背斜處地溫明顯高于水平地層。
正是由于背斜不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于聚熱效應(yīng)的影響，使地下熱流在背斜軸線垂向上的某處集聚，而非整體上都受相同的熱聚效應(yīng)，所以即使朱集東背斜角度較小，也能在500～800m段見到明顯的背斜與水平地層的地溫差異，此段以深或以淺地溫差異值逐漸減小。
2)應(yīng)力對(duì)背斜地溫梯度分布的影響。背斜處不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于地溫梯度分布同樣也會(huì)有影響，但不同處是地溫為某一處巖層能量值的反映，其數(shù)值受周圍溫度尤其是由下部傳遞而來的熱量影響較大；地溫梯度則是熱流穿過某區(qū)域的能量損耗體現(xiàn)，其數(shù)值受巖層本身的性質(zhì)影響較大。所以地溫梯度數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)能更好地反映應(yīng)力對(duì)于背斜處地?zé)岬目刂谱饔谩?/p>
地溫梯度數(shù)值主要受熱聚效應(yīng)和熱流能量損耗影響。分析熱聚效應(yīng)對(duì)于地溫梯度的影響與熱流補(bǔ)給的位置有關(guān)如圖8所示，第一種影響補(bǔ)給位置主要在熱流起點(diǎn)A，則A、B兩點(diǎn)段地溫差異值大，熱聚效應(yīng)提高了地溫梯度；第二種影響補(bǔ)給位置主要為A-B熱流傳遞過程中，則A、B兩點(diǎn)地溫差異值小，熱聚效應(yīng)降低了地溫梯度。背斜整體上熱聚效應(yīng)對(duì)地溫梯度為第一種影響，而對(duì)于每一分段來說，主要為第二種影響。熱流能量損耗與地溫梯度呈正相關(guān)性，損耗大地溫梯度高，損耗小地溫梯度低。
圖8 熱聚效應(yīng)對(duì)地溫梯度影響
300～550m段，為中和面以上，且距離中和面較遠(yuǎn)。巖層主要受張應(yīng)力影響、且張應(yīng)力較大，裂隙度大、熱導(dǎo)率低。低熱導(dǎo)率的巖層減弱甚至消除了背斜軸部熱流傳遞過程中的熱聚效應(yīng)，部分熱流有可能繞過此區(qū)域傳遞；剩下的熱流穿過此區(qū)域也會(huì)因低熱導(dǎo)率的巖層造成較大的能量損耗，相比于水平地層，背斜的熱聚效應(yīng)不明顯，但是存在高能量損耗，使得背斜此段的地溫梯度高于水平地層。
但隨深度增大，張應(yīng)力因逐漸靠近中和面而降低，對(duì)地?zé)岬目刂谱饔靡仓饾u減弱，表現(xiàn)為背斜與水平地層的地溫差異值減小。
所謂計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)服務(wù)化，也就是說在未來，軟件產(chǎn)品將直接面向客戶，能夠根據(jù)客戶的實(shí)際需求和真正應(yīng)用目的，將更加成熟有效的計(jì)算簡(jiǎn)軟件產(chǎn)品提供出來，這樣用戶就可以體驗(yàn)到更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，這是未來軟件開發(fā)技術(shù)不斷應(yīng)用的一個(gè)必然趨勢(shì)，也是最主要的發(fā)展方向。
550～700m段，仍為中和面以上，但是相比上一段離中和面較近。巖層受張應(yīng)力影響、裂隙度大、熱導(dǎo)率低，但是張應(yīng)力較小，對(duì)巖層熱導(dǎo)率影響也較小。低熱導(dǎo)率的巖層依然在減弱背斜軸部熱流傳遞過程中的熱聚效應(yīng)，但其減弱的效果不如上一段；熱流穿過此區(qū)域也會(huì)因低熱導(dǎo)率的巖層造成能量損耗，但損耗也不如上一段，相比于水平地層被輕微減弱的熱聚效應(yīng)與較高的能量損耗，兩者對(duì)于地溫梯度的影響相互抵消，反而使得背斜此段的地溫梯度與水平地層大致相當(dāng)。
700m以下，為中和面以下。巖層受壓應(yīng)力影響、裂隙度小、熱導(dǎo)率高。高熱導(dǎo)率的巖層對(duì)周圍地?zé)崃鞯奈訌?qiáng)了背斜軸部熱流傳遞過程中的熱聚效應(yīng)，且熱流穿過此區(qū)域也會(huì)因高熱導(dǎo)率的巖層產(chǎn)生很小的能量損耗，相比于水平地層被加強(qiáng)的熱聚效應(yīng)與極小的能量損耗，兩者對(duì)于地溫梯度降低作用相互加強(qiáng)，所以背斜此段的地溫梯度低于水平地層。
且隨深度增大，壓應(yīng)力因逐漸遠(yuǎn)離中和面而升高，對(duì)地?zé)岬目刂谱饔靡仓饾u加強(qiáng)，表現(xiàn)為背斜與水平地層的地溫差異值增大。
但是背斜的應(yīng)力影響深度也有一定范圍，越往深部，背斜產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)峰值后會(huì)逐漸衰減，直至脫離背斜應(yīng)力影響范圍，表現(xiàn)為與水平地層相當(dāng)，壓應(yīng)力對(duì)地?zé)岬目刂谱饔靡仓饾u減弱，所以背斜與水平地層的地溫差異值在850m深度出現(xiàn)減小趨勢(shì)。
700m處，中和面位置。背斜應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔冒l(fā)生轉(zhuǎn)變，所以此處背斜與水平地層的地溫梯度差異值出現(xiàn)明顯變化。
綜合來說，朱集東背斜處的地溫和地溫梯度異常若將其簡(jiǎn)單歸結(jié)為巖層熱導(dǎo)率各向異性和背斜形態(tài)導(dǎo)致的熱聚效應(yīng)，很難出現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，若加入背斜的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地?zé)岱植歼M(jìn)行分析，則表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。說明背斜處的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)對(duì)地?zé)岱植籍a(chǎn)生控制作用，甚至在背斜形態(tài)特征較弱，熱聚效應(yīng)不明顯時(shí)表現(xiàn)為主控作用。
4 結(jié)論
其控制作用為：背斜中和面上張應(yīng)力減弱熱聚效應(yīng)，提高地?zé)崮芰繐p耗；中和面下壓應(yīng)力加強(qiáng)熱聚效應(yīng)，降低地?zé)崮芰繐p耗；中和面應(yīng)力狀態(tài)與水平地層大致相當(dāng)，地?zé)崮芰繐p耗也相當(dāng)，但是其熱聚效應(yīng)依然存在，且中和面受上下不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地?zé)岬挠绊懗蔀榈責(zé)峒袇^(qū)，使得背斜軸線垂向上的地溫和地溫梯度分布更為復(fù)雜。
(2)通過朱集東背斜與水平地層實(shí)測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)和地溫梯度的對(duì)比分析，得到朱集東背斜應(yīng)力分布狀態(tài)，并推測(cè)中和面深度約在700m，背斜軸部應(yīng)力狀態(tài)在此深度發(fā)生變化。
(3)背斜中和面區(qū)域受應(yīng)力影響較小，且具備地?zé)岣患皟?chǔ)存的良好條件，當(dāng)進(jìn)行地?zé)峄蚱渌V產(chǎn)資源開采時(shí)，可直接通過地溫及地溫梯度數(shù)據(jù)得到受應(yīng)力影響較小的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)安全開采。
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饒家健，張文濤，劉啟蒙
( 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)
礦井熱害是現(xiàn)今礦井深部開采的過程中一個(gè)重大的安全隱患。同時(shí)，礦井地?zé)嵋彩且环N寶貴的礦產(chǎn)資源，其清潔可再生的特性使得它與煤、石油、天然氣及其它礦產(chǎn)一樣，具有重大的開采意義。不同煤田地?zé)岱植嫉挠绊懸蛩夭煌?，?gòu)造是影響地?zé)岱植嫉囊粋€(gè)重要因素，特別是背斜構(gòu)造對(duì)地?zé)岱植加绊戄^為明顯，背斜構(gòu)造有明顯的地?zé)峒行?yīng)，會(huì)導(dǎo)致此處的地溫及地溫梯度異常。如北京西山谷積山背斜[1]、淮南潘集、丁集煤礦[2-4]、河南平頂山煤礦[5]均發(fā)現(xiàn)有背斜核部地溫明顯高于其它地區(qū)的熱聚效應(yīng)。后眾多學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，基于地層中熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)，得出地?zé)岱植寂c熱導(dǎo)率的聯(lián)系，因巖層順層熱傳遞比穿過地層要快，即順層熱導(dǎo)率高于過層熱導(dǎo)率，地?zé)釙?huì)因熱導(dǎo)率各向異性順層傳遞集聚于背斜核部導(dǎo)致此處地?zé)岙惓6-9]。而熱導(dǎo)率作為影響地?zé)岱植嫉囊粋€(gè)重要因素，其本身也受多方面因素的影響，自20世紀(jì)90年代以來，通過對(duì)巖石熱物理學(xué)性質(zhì)的多方面研究表明，巖石熱導(dǎo)率會(huì)受到巖性、孔隙率、溫度等因素的影響[10-13]。綜合來說，背斜受壓應(yīng)力發(fā)生形態(tài)上的凸起，再結(jié)合巖石熱傳導(dǎo)方式得到背斜的熱集中效應(yīng)而導(dǎo)致地溫及地溫梯度異常。
以往研究忽略了背斜軸部并非單純受壓應(yīng)力，而是存在一個(gè)不受應(yīng)力影響的中和面，其上下應(yīng)力狀態(tài)的不同，導(dǎo)致熱導(dǎo)率變化，從而對(duì)地?zé)峥刂聘訌?fù)雜。
本文基于前人理論，從應(yīng)力角度分析背斜對(duì)地?zé)岬目刂谱饔?，?duì)背斜軸部地溫及地溫梯度異常提出不同解釋，深化對(duì)地層中地?zé)岱植嫉恼J(rèn)知，以期對(duì)礦區(qū)生產(chǎn)提供建議。
1 應(yīng)力對(duì)淮南煤田地?zé)岬挠绊懽饔?/h2>
淮南煤田位于華北板塊南緣，先后經(jīng)歷了加里東、印支、燕山、喜山、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多期構(gòu)造演化，其地應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，淮南煤田淺部地應(yīng)力場(chǎng)受華北板塊現(xiàn)代張性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大，最大主應(yīng)力近垂直方向，其地應(yīng)力場(chǎng)宏觀類型為大地靜力場(chǎng)型；淮南煤田深部地應(yīng)力場(chǎng)基本保持燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型。
徐勝平收集淮南各個(gè)礦區(qū)各水平的地溫?cái)?shù)據(jù)，得淮南煤田各礦區(qū)地溫分布圖[14]如圖1所示。
通過對(duì)淮南煤田各礦區(qū)的地溫分布分析，發(fā)現(xiàn)在淺部受地應(yīng)力影響較弱的大地靜力場(chǎng)類型地層中，各礦區(qū)地溫的差異不大；越往深部受地應(yīng)力影響越強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型地層中，各礦區(qū)的地溫差異明顯增大。且高溫異常區(qū)和低溫異常區(qū)基本集中于受構(gòu)造應(yīng)力影響較強(qiáng)的礦區(qū)。因此，推測(cè)地層中應(yīng)力分布對(duì)于地?zé)峋哂幸欢ǖ挠绊懽饔?，尤其是?gòu)造發(fā)育、應(yīng)力分布復(fù)雜的區(qū)域，地?zé)岱植紩?huì)受其應(yīng)力狀態(tài)的控制作用。
斷裂構(gòu)造可能溝通地層中不同的地?zé)崃黧w，導(dǎo)致地?zé)岱植紡?fù)雜，弱化應(yīng)力對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔?。而褶曲尤其是背斜?gòu)造，受地?zé)崃黧w影響較小，若背斜周邊無斷裂影響，其應(yīng)力分布對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔脤⒏鼮槊黠@，因此選取背斜做研究。
2 朱集東井田地?zé)崽卣餮芯?/h2>
朱集井田位于淮南煤田東北部，朱集東新生界松散層厚150.50～320.45m，平均厚度274.42m，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。受北部明龍山逆沖推覆影響，區(qū)域背、向斜發(fā)育，如唐集～朱集背斜、尚塘～耿村集向斜等。結(jié)合礦區(qū)剖面線如圖2所示，見朱集東基巖面以下有一角度較小的褶曲，距大斷層較遠(yuǎn)，周邊小斷層不發(fā)育，地?zé)崾軘嗔褬?gòu)造影響較??；小角度的褶曲使得背斜與水平地層的落差較小，有利于兩者的地溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析，因此選取此背斜作為研究對(duì)象，分析背斜應(yīng)力分布對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔谩Ｎㄒ蝗秉c(diǎn)是背斜角度較小，熱聚效應(yīng)較弱，水平地層與背斜的地溫?cái)?shù)據(jù)可能無明顯差異。
圖2 朱集東21線剖面圖
選取背斜軸部鉆孔6個(gè)、水平地層鉆孔6個(gè)，共計(jì)12個(gè)鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如表1～表2所示，得到水平地層及背斜軸部的地溫及地溫梯度分布曲線,如圖3～圖4所示。通過兩者的對(duì)比分析，可以排除受其它地質(zhì)因素影響導(dǎo)致的地溫及地溫梯度差異，從而驗(yàn)證背斜的應(yīng)力分布對(duì)地?zé)岬目刂谱饔谩?/p>
表1 水平地層各深度地溫 ℃
表2 背斜軸部各深度地溫 ℃
圖3 背斜與水平地層地溫曲線
圖4 背斜與水平地層地溫梯度曲線
分析背斜與水平地層地溫曲線，明顯可見兩者約在500～800m范圍差異值較大，此深度以上或以下差異值均有減小趨勢(shì)，推測(cè)此范圍為背斜地?zé)峒袇^(qū)域，表現(xiàn)出與水平地層明顯的地溫差異。
分析水平地層與背斜軸部地溫梯度曲線，可見背斜與水平地層的地溫梯度差異。
300～550m段，背斜地溫梯度高于水平地層，且兩者的差異值隨深度增大逐漸減小，在550m深度兩曲線出現(xiàn)重合。
550～700m段，背斜與水平地層地溫梯度曲線大致重合，無明顯差異。
700m以下，背斜地溫梯度低于水平地層，背斜與水平地層的地溫梯度差異值隨深度增大逐漸增大，但是850m以深差異值卻有減小趨勢(shì)。
若依據(jù)以往理論認(rèn)為，巖石中地?zé)醾鲗?dǎo)順高熱導(dǎo)率方向傳遞，而巖層熱導(dǎo)率各向異性，順層熱導(dǎo)率一般高于過層熱導(dǎo)率，加上背斜形態(tài)影響導(dǎo)致背斜軸部整體上的熱流集中效應(yīng)，所以導(dǎo)致背斜處高地溫和高地溫梯度異常，那么背斜軸部垂向上地溫和地溫梯度均因高于水平地層。而對(duì)朱集東背斜地溫?cái)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，背斜處地溫的確高于水平地層，但是地層越往淺或深，兩者差異值越小；背斜處地溫梯度相比水平地層其變化趨勢(shì)更加復(fù)雜。所以應(yīng)該存在另一種因素對(duì)背斜處的地?zé)岱植季哂锌刂谱饔?，并符合背斜地溫及地溫梯度變化趨?shì)，推測(cè)此因素為背斜處的應(yīng)力分布。
3 應(yīng)力對(duì)背斜構(gòu)造地?zé)峥刂谱饔?/h2>
背斜軸線部位所受應(yīng)力狀態(tài)并非為單純受壓，而是存在一條既不受張，也不受壓，且在背斜生成時(shí)長(zhǎng)度基本不變的“中和面”[15]，背斜在中和面以上部分表現(xiàn)為受張，背斜中和面以下表現(xiàn)為受壓，在背斜軸線上，越遠(yuǎn)離中和面，應(yīng)力越大，且?guī)r層越往深部，巖石壓實(shí)性越好，并逐漸脫離背斜應(yīng)力影響范圍，巖石熱導(dǎo)率受背斜應(yīng)力影響越小。背斜處應(yīng)力由淺到深變化趨勢(shì)基本與背斜處地溫梯度變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)，因此選取背斜應(yīng)力分布，結(jié)合前人理論和朱集東實(shí)測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)，具體分析背斜對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔谩?/p>
為方便分析，將朱集東背斜簡(jiǎn)化為圖5，并對(duì)背斜軸部每一段的地?zé)岱植寂c水平地層進(jìn)行具體的對(duì)比分析。
圖5 朱集東區(qū)域背斜構(gòu)造簡(jiǎn)化圖
(1)水平地層地?zé)岱植?/p>
在水平地層中，其地下熱流自下向上的傳遞過程如圖6所示，中和面上下所受應(yīng)力主要為垂向巖石自重產(chǎn)生，其地溫及地溫梯度分布趨勢(shì)較為簡(jiǎn)單。
圖6 水平地層地?zé)岱植?/p>
水平地層地溫梯度在松散層內(nèi)和基巖內(nèi)的變化趨勢(shì)受孔隙率和溫度兩方面因素的影響。松散層隨深度增加、孔隙率下降，松散層整體上孔隙率下降速率快，而松散層內(nèi)溫度較小，孔隙率相比較于溫度對(duì)熱導(dǎo)率起主控作用，整體地溫梯度下降。而到了基巖內(nèi)，基巖相比較與松散層孔隙率小，雖然隨著深度增加、孔隙率也會(huì)下降，但是孔隙率下降速率較小，而溫度增加較快，此時(shí)溫度相比較于孔隙率起主導(dǎo)作用，整體地溫梯度上升。
(2)背斜處地?zé)岱植?/p>
背斜處地?zé)岱植际芨魈幉煌瑧?yīng)力狀態(tài)影響，熱流傳遞過程如圖7所示，其地溫和地溫梯度分布較為復(fù)雜。
圖7 背斜處地?zé)岱植?/p>
1)應(yīng)力對(duì)背斜地溫分布的影響。當(dāng)?shù)叵聼崃饔上孪蛏蟼鬟f過程中，順層集聚于背斜軸部，但是其熱聚效應(yīng)效應(yīng)會(huì)受到背斜應(yīng)力影響而加強(qiáng)或減弱。
800m以下區(qū)域，大致為中和面以下。背斜受壓應(yīng)力的影響，裂隙度小，熱導(dǎo)率高，加強(qiáng)了背斜處的熱聚效應(yīng)，背斜此段地溫會(huì)明顯高于水平地層，但是巖層越往深部，達(dá)到最大壓應(yīng)力后，又逐漸脫離背斜應(yīng)力影響范圍，背斜與水平地層的地溫差異值會(huì)逐漸減小。
500m以上區(qū)域，大致為中和面以上。背斜受張應(yīng)力的影響，裂隙度大，熱導(dǎo)率低，減弱背斜處的熱聚效應(yīng)，因地溫為地?zé)釓南孪蛏蟼鬟f過程中能量顯現(xiàn)，背斜此段深部地?zé)峒?，所以背斜此段地溫依然高于水平地層，但是巖層越往淺部遠(yuǎn)離中和面，張應(yīng)力越大，裂隙度越大，熱導(dǎo)率越低，背斜處熱聚效應(yīng)提高地溫的作用的受張應(yīng)力影響減弱，背斜與水平地層的地溫差異值也會(huì)逐漸減小。
500～800m段，大致為中和面所在區(qū)域，下部受壓應(yīng)力影響為背斜軸線垂向上熱流最集中區(qū)域，上部受張應(yīng)力影響，形成低熱導(dǎo)率的“保溫蓋”，加上背斜形態(tài)特征，熱流向兩邊逸散的途徑也會(huì)受阻礙，此段為背斜軸部上垂向地?zé)醿?chǔ)存最好區(qū)域，背斜處地溫明顯高于水平地層。
正是由于背斜不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于聚熱效應(yīng)的影響，使地下熱流在背斜軸線垂向上的某處集聚，而非整體上都受相同的熱聚效應(yīng)，所以即使朱集東背斜角度較小，也能在500～800m段見到明顯的背斜與水平地層的地溫差異，此段以深或以淺地溫差異值逐漸減小。
2)應(yīng)力對(duì)背斜地溫梯度分布的影響。背斜處不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于地溫梯度分布同樣也會(huì)有影響，但不同處是地溫為某一處巖層能量值的反映，其數(shù)值受周圍溫度尤其是由下部傳遞而來的熱量影響較大；地溫梯度則是熱流穿過某區(qū)域的能量損耗體現(xiàn)，其數(shù)值受巖層本身的性質(zhì)影響較大。所以地溫梯度數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)能更好地反映應(yīng)力對(duì)于背斜處地?zé)岬目刂谱饔谩?/p>
地溫梯度數(shù)值主要受熱聚效應(yīng)和熱流能量損耗影響。分析熱聚效應(yīng)對(duì)于地溫梯度的影響與熱流補(bǔ)給的位置有關(guān)如圖8所示，第一種影響補(bǔ)給位置主要在熱流起點(diǎn)A，則A、B兩點(diǎn)段地溫差異值大，熱聚效應(yīng)提高了地溫梯度；第二種影響補(bǔ)給位置主要為A-B熱流傳遞過程中，則A、B兩點(diǎn)地溫差異值小，熱聚效應(yīng)降低了地溫梯度。背斜整體上熱聚效應(yīng)對(duì)地溫梯度為第一種影響，而對(duì)于每一分段來說，主要為第二種影響。熱流能量損耗與地溫梯度呈正相關(guān)性，損耗大地溫梯度高，損耗小地溫梯度低。
圖8 熱聚效應(yīng)對(duì)地溫梯度影響
300～550m段，為中和面以上，且距離中和面較遠(yuǎn)。巖層主要受張應(yīng)力影響、且張應(yīng)力較大，裂隙度大、熱導(dǎo)率低。低熱導(dǎo)率的巖層減弱甚至消除了背斜軸部熱流傳遞過程中的熱聚效應(yīng)，部分熱流有可能繞過此區(qū)域傳遞；剩下的熱流穿過此區(qū)域也會(huì)因低熱導(dǎo)率的巖層造成較大的能量損耗，相比于水平地層，背斜的熱聚效應(yīng)不明顯，但是存在高能量損耗，使得背斜此段的地溫梯度高于水平地層。
但隨深度增大，張應(yīng)力因逐漸靠近中和面而降低，對(duì)地?zé)岬目刂谱饔靡仓饾u減弱，表現(xiàn)為背斜與水平地層的地溫差異值減小。
所謂計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)服務(wù)化，也就是說在未來，軟件產(chǎn)品將直接面向客戶，能夠根據(jù)客戶的實(shí)際需求和真正應(yīng)用目的，將更加成熟有效的計(jì)算簡(jiǎn)軟件產(chǎn)品提供出來，這樣用戶就可以體驗(yàn)到更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，這是未來軟件開發(fā)技術(shù)不斷應(yīng)用的一個(gè)必然趨勢(shì)，也是最主要的發(fā)展方向。
550～700m段，仍為中和面以上，但是相比上一段離中和面較近。巖層受張應(yīng)力影響、裂隙度大、熱導(dǎo)率低，但是張應(yīng)力較小，對(duì)巖層熱導(dǎo)率影響也較小。低熱導(dǎo)率的巖層依然在減弱背斜軸部熱流傳遞過程中的熱聚效應(yīng)，但其減弱的效果不如上一段；熱流穿過此區(qū)域也會(huì)因低熱導(dǎo)率的巖層造成能量損耗，但損耗也不如上一段，相比于水平地層被輕微減弱的熱聚效應(yīng)與較高的能量損耗，兩者對(duì)于地溫梯度的影響相互抵消，反而使得背斜此段的地溫梯度與水平地層大致相當(dāng)。
700m以下，為中和面以下。巖層受壓應(yīng)力影響、裂隙度小、熱導(dǎo)率高。高熱導(dǎo)率的巖層對(duì)周圍地?zé)崃鞯奈訌?qiáng)了背斜軸部熱流傳遞過程中的熱聚效應(yīng)，且熱流穿過此區(qū)域也會(huì)因高熱導(dǎo)率的巖層產(chǎn)生很小的能量損耗，相比于水平地層被加強(qiáng)的熱聚效應(yīng)與極小的能量損耗，兩者對(duì)于地溫梯度降低作用相互加強(qiáng)，所以背斜此段的地溫梯度低于水平地層。
且隨深度增大，壓應(yīng)力因逐漸遠(yuǎn)離中和面而升高，對(duì)地?zé)岬目刂谱饔靡仓饾u加強(qiáng)，表現(xiàn)為背斜與水平地層的地溫差異值增大。
但是背斜的應(yīng)力影響深度也有一定范圍，越往深部，背斜產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)峰值后會(huì)逐漸衰減，直至脫離背斜應(yīng)力影響范圍，表現(xiàn)為與水平地層相當(dāng)，壓應(yīng)力對(duì)地?zé)岬目刂谱饔靡仓饾u減弱，所以背斜與水平地層的地溫差異值在850m深度出現(xiàn)減小趨勢(shì)。
700m處，中和面位置。背斜應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于地?zé)岬目刂谱饔冒l(fā)生轉(zhuǎn)變，所以此處背斜與水平地層的地溫梯度差異值出現(xiàn)明顯變化。
綜合來說，朱集東背斜處的地溫和地溫梯度異常若將其簡(jiǎn)單歸結(jié)為巖層熱導(dǎo)率各向異性和背斜形態(tài)導(dǎo)致的熱聚效應(yīng)，很難出現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，若加入背斜的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地?zé)岱植歼M(jìn)行分析，則表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。說明背斜處的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)對(duì)地?zé)岱植籍a(chǎn)生控制作用，甚至在背斜形態(tài)特征較弱，熱聚效應(yīng)不明顯時(shí)表現(xiàn)為主控作用。
4 結(jié)論
其控制作用為：背斜中和面上張應(yīng)力減弱熱聚效應(yīng)，提高地?zé)崮芰繐p耗；中和面下壓應(yīng)力加強(qiáng)熱聚效應(yīng)，降低地?zé)崮芰繐p耗；中和面應(yīng)力狀態(tài)與水平地層大致相當(dāng)，地?zé)崮芰繐p耗也相當(dāng)，但是其熱聚效應(yīng)依然存在，且中和面受上下不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地?zé)岬挠绊懗蔀榈責(zé)峒袇^(qū)，使得背斜軸線垂向上的地溫和地溫梯度分布更為復(fù)雜。
(2)通過朱集東背斜與水平地層實(shí)測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)和地溫梯度的對(duì)比分析，得到朱集東背斜應(yīng)力分布狀態(tài)，并推測(cè)中和面深度約在700m，背斜軸部應(yīng)力狀態(tài)在此深度發(fā)生變化。
(3)背斜中和面區(qū)域受應(yīng)力影響較小，且具備地?zé)岣患皟?chǔ)存的良好條件，當(dāng)進(jìn)行地?zé)峄蚱渌V產(chǎn)資源開采時(shí)，可直接通過地溫及地溫梯度數(shù)據(jù)得到受應(yīng)力影響較小的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)安全開采。
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