朱敬忠，劉啟蒙，琚棋定，范佳俊

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著淺部煤炭資源量開采殆盡，煤礦面臨向深部開采的現(xiàn)狀，井下作業(yè)環(huán)境的溫度也隨之升高?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定采掘工作面空氣溫度超過30℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過34℃時(shí)，必須停止作業(yè)，但我國(guó)大部分煤礦都出現(xiàn)不同程度的熱害。近年來，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)我國(guó)深部煤礦地溫特點(diǎn)及熱害影響因素進(jìn)行研究[1-4]，提出了地溫控制模式。同時(shí)郭江峰、徐勝平等學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對(duì)控溫因素進(jìn)行研究，宏觀上總結(jié)出兩淮煤田的地溫場(chǎng)分布特征[5，6]。還有部分學(xué)者從區(qū)域地質(zhì)背景入手，對(duì)兩淮煤田巖石熱導(dǎo)率、地溫梯度及大地?zé)崃髦档鹊募?xì)致研究[7-15]，分析兩淮煤田現(xiàn)今地溫分布規(guī)律。本文在礦井前期的地勘資料和后期室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬法分析致熱因素，分析主采煤層地溫分布特點(diǎn)，預(yù)測(cè)煤礦熱害威脅程度，給煤礦熱害治理工作提供合理化建議，對(duì)煤炭安全開采起到一定的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

淮北煤田地處華北型的中朝準(zhǔn)地臺(tái)石炭、二疊系聚煤區(qū)的東南部，位于魯西斷隆和華北斷坳二級(jí)構(gòu)造區(qū)內(nèi)?；幢泵禾锏姆秶笾乱訣W向的宿北斷裂為界，北部濉肖閘河礦區(qū)，南部宿北斷裂和板橋—固鎮(zhèn)斷裂之間包含3個(gè)礦區(qū)，由東至西分別為宿縣、臨渙和渦陽礦區(qū)，本文研究分析的對(duì)象為臨渙礦區(qū)許疃煤礦。

許疃煤礦位于宿北斷裂、固鎮(zhèn)長(zhǎng)豐斷裂和豐縣-口孜集斷裂組成的斷塊內(nèi)。礦區(qū)整體上為近南北走向、向東傾斜的寬緩單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育脆性正斷層，褶曲不甚發(fā)育。其中，許疃斷層為礦區(qū)的分割逆斷層，該斷層以NWW走向，傾向?yàn)?53°～63°，延展長(zhǎng)度約8km，落差介于115～325m之間，控制了礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況(如圖1所示)?；鶐r上覆蓋有較厚的松散層，厚度為294.9～378.8m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料分析，井田地層有奧陶系、石炭系、二疊系、古近系和第四系地層，總厚度約2080.5m。

圖1 許疃煤礦構(gòu)造綱要

2 地溫研究

2.1 測(cè)溫資料

煤田勘探期間主要通過分析地面鉆孔的井溫測(cè)試獲取地溫?cái)?shù)據(jù)，本次研究共收集21個(gè)鉆孔的井溫測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，其中7個(gè)近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫孔。近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)一般在完井72h后測(cè)量，此時(shí)井液和巖溫基本達(dá)到穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)能較為準(zhǔn)確地反映地層的真實(shí)溫度。

2.2 巖石熱導(dǎo)率測(cè)試和大地?zé)崃髦涤?jì)算

巖石熱導(dǎo)率是表征巖石傳熱量的特性，為主要的巖石熱物理參數(shù)之一。在井下不同巷道采集細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、煤等巖石樣本后，將測(cè)試樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行編號(hào)及加工處理，切割成符合要求的試樣，利用激光熱導(dǎo)儀完成測(cè)試。本次采用鉆孔各巖性厚度加權(quán)平均法計(jì)算熱導(dǎo)率。其計(jì)算公式為：

式中，k1，k2，…，kn為各類巖石的平均熱導(dǎo)率；d1，d2，…，dn為各類巖石累計(jì)厚度；D為d1，d2，…，dn之和。本次研究將鉆孔巖性分為泥巖、砂巖、煤三大類。

在計(jì)算鉆孔的地溫梯度和熱導(dǎo)率時(shí)，研究范圍均為基巖面以下地層，并同時(shí)繪制出鉆孔溫度隨深度的變化情況(如圖2所示)。

圖2 鉆孔測(cè)溫曲線

大地?zé)崃髦迪抵傅乇砘蚪乇韱挝幻娣e上由地球內(nèi)部向地表傳輸?shù)臒崃?，其絕對(duì)值大小等于巖石熱導(dǎo)率與地溫梯度的乘積，即：

Q=-k·(dT/dZ)

式中，Q為大地?zé)崃髦担琺W/m2；k為巖石熱導(dǎo)率，W/m·K；dT/dZ為地溫梯度，℃/hm。

所以，確定巖石熱導(dǎo)率與地溫梯度，就可以計(jì)算出大地?zé)崃髦狄姳?。

表1 大地?zé)崃髦捣秶?/p>

由表1可知，研究區(qū)內(nèi)的地?zé)崃髦到橛?0.18～75.99mW/m2之間，平均62.53mW/m2，而由于82、83采區(qū)測(cè)溫鉆孔分布在張家背斜、李樓-蘇莊向斜，落差大于20m的DF337、F4、F9及F12等主要斷層范圍內(nèi)，且斷層的延展長(zhǎng)度大于500m，因此受其復(fù)雜地質(zhì)條件影響，其地?zé)崃髦灯毡楦哂谄渌蓞^(qū)，地?zé)崃髦捣秶?0～74mW/m2。整體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)由西向東呈遞減，在有斷層、褶皺處出現(xiàn)極大值。

3 地溫場(chǎng)分布規(guī)律及其控制因素

3.1 地溫場(chǎng)分布規(guī)律

井田范圍內(nèi)的恒溫帶深度約為30m，溫度為16.8℃，綜合利用近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫孔及簡(jiǎn)易測(cè)溫孔74-7、70-9、70-10、72-16、74-755、81-82-1、74-6、72-12、74-17、75-9、73-13、06觀3、2017-1、2019-3的數(shù)據(jù)，由此計(jì)算出地溫梯度值，繪制出地溫梯度等值線(如圖3所示)。

圖3 地溫梯度等值線

一般把地溫異常分為兩類，即正異常和負(fù)異常。在規(guī)定溫度之上的為正異常，小于規(guī)定溫度的為負(fù)異常。規(guī)定正常的地溫梯度為1.6～3.0℃/hm，大于上限的地溫梯度為正異常，而小于下限的地溫梯度為負(fù)異常。

圖3反映井田內(nèi)的地溫梯度變化范圍在2.65～3.15℃/hm，屬于地溫梯度比較穩(wěn)定的地溫正常區(qū)。地溫整體由北向南逐漸升高，在72-16孔、74-6孔和75-9孔附近地溫均大于3.0℃/hm，出現(xiàn)地溫正異常。

3.2 地溫控制因素?cái)?shù)值模擬

地溫分布受多因素的影響，即區(qū)域地質(zhì)背景，礦井地質(zhì)構(gòu)造，松散層覆蓋厚度，巖石的熱物理性質(zhì)，早期的巖漿活動(dòng)及深部地下水活動(dòng)等因素。通過分析研究區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件后，本文著重從礦井地質(zhì)構(gòu)造因素方面研究，利用基于有限元原理的COMSOL Multiphysics 5.4軟件對(duì)煤礦生產(chǎn)期間地溫異常的83下采區(qū)和82下采區(qū)進(jìn)行數(shù)值分析。

83下采區(qū)主要研究礦井內(nèi)兩大褶皺構(gòu)造之一的李樓—蘇莊向斜對(duì)采區(qū)的影響，在不考慮采區(qū)內(nèi)中小型斷層的影響作用，建立理想狀態(tài)下的褶皺型控溫模式模型。模擬剖面長(zhǎng)度為1800m，深度范圍為0～800m，厚度500m；82下采區(qū)主要研究礦井內(nèi)兩大褶皺構(gòu)造之一的張家背斜、許疃斷層及許疃支斷層對(duì)采區(qū)的影響，建立理想狀態(tài)下的褶皺—斷層型控溫模式模型。研究的模擬剖面長(zhǎng)度為1500m，深度為0～1000m。最上部為松散層厚340m左右(恒溫帶約30m)。斷層帶巖石破碎，裂隙發(fā)育，以巖石角礫為主，斷層面上發(fā)育磨擦鏡面，擠壓揉皺現(xiàn)象明顯，巖性松軟等。該層段導(dǎo)熱性差，密度較小。

假設(shè)數(shù)值模型中地層為均勻連續(xù)巖體，相同層位的巖層各向熱導(dǎo)率相同。邊界條件為恒溫帶的溫度16.8℃，深度為30m、底部熱源的熱流值61.78W/m2作為背景值，左右邊界為開放性邊界進(jìn)行計(jì)算。

83下采區(qū)地溫場(chǎng)數(shù)值模擬：通過網(wǎng)格剖分后得出地溫模擬圖，并繪制出地溫場(chǎng)等溫線圖(如圖4所示)。由圖4可看出，模擬地溫的模型分為三層。上部松散層的溫度變化緩慢，且溫度較小，基本為水平，松散層底部最高溫度為299K，上部溫度最低為289.8K。中部煤巖層的溫度變化趨勢(shì)和褶皺形態(tài)的起伏基本保持一致，即向斜軸部溫度較低，往兩翼逐漸升高，向兩翼傾伏，但起伏幅度不大。在軸部-400～-800m之間的溫度達(dá)到301K以上，兩翼溫度則相對(duì)高。下部老地層的溫度較高，呈黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色。最高溫度為308.25K，最低為301.5K。等溫線變化趨勢(shì)與地形起伏的走勢(shì)基本一致，且軸部略向下凹，符合褶皺構(gòu)造熱流傳遞的趨勢(shì)。

同時(shí)在模擬研究區(qū)內(nèi)有2個(gè)測(cè)溫鉆孔，即80-2及80-8鉆孔。為驗(yàn)證模擬效果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，將2個(gè)測(cè)溫孔位置標(biāo)注在地溫場(chǎng)模型中(如圖4所示)，預(yù)測(cè)鉆孔所在7煤底板和8煤底板的模擬溫度，并與實(shí)際地溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析(見表2)。

由圖4和表2可知，實(shí)測(cè)地溫與模擬地溫的偏差較小。80-2鉆孔7煤底板實(shí)測(cè)地溫和模擬溫度相差-0.71K，8煤底板實(shí)測(cè)地溫和模擬溫度相差-0.53K。80-8鉆孔7煤底板實(shí)測(cè)地溫和模擬溫度相差-0.78K，8煤底板實(shí)測(cè)地溫和模擬溫度相差-0.72K。與實(shí)測(cè)地溫之間存在微小的負(fù)偏差，其原因可能是由于未考慮區(qū)域內(nèi)小斷層的影響，但對(duì)模擬結(jié)果影響不大。

表2 實(shí)測(cè)孔與數(shù)值模擬驗(yàn)證對(duì)比

圖4 83下采區(qū)地溫模擬

82下采區(qū)地溫場(chǎng)數(shù)值模擬：通過網(wǎng)格剖分后得出地溫模擬圖，并繪制出地溫剖面等溫線圖(如圖5所示)。由圖5可知，模擬地溫的模型分為三層。第一層上部松散層的溫度變化非常緩慢，且溫度較小，基本為水平，松散層底部最高溫度為299.6K，上部溫度最低為290.5K。中部煤巖層的溫度變化趨勢(shì)和張家背斜的起伏基本保持一致，即背斜軸部溫度較高，往兩翼逐漸降低，但變化不大。下部石炭系太原組灰?guī)r地層溫度較高，均超過308.2K。等溫線在許疃斷層兩側(cè)發(fā)生曲折變形，斷層北部地層溫度比南部地層的溫度略有升高。

圖5 82下采區(qū)地溫模擬

4 熱害預(yù)測(cè)分析評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)溫鉆孔溫度及其埋深的關(guān)系，計(jì)算礦區(qū)范圍內(nèi)各主采煤層底板溫度，并繪制煤層底板溫度等值線圖(如圖6—圖8所示)，對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行分析。

圖6 3煤底板等溫

圖7 7煤底板等溫

圖8 8煤底板等溫

3煤層81采區(qū)、82采區(qū)溫度均低于26℃，地溫正常，無熱害區(qū)；83采區(qū)和86采區(qū)溫度范圍均在26～29℃，屬正常地溫，無熱害區(qū)域；83下采區(qū)和36采區(qū)地溫值都小于31℃，也為無熱害區(qū)；而在33采區(qū)溫度值基本上大于31℃，在采區(qū)西邊部分地段溫度小于31℃，所占面積較小?？偟膩碚f，3煤層可能的熱害區(qū)主要集中在東南部的大塊區(qū)域。

7煤層溫度在24～38℃之間，礦區(qū)81采區(qū)、82采區(qū)和83采區(qū)地溫值均低于29℃，不屬于熱害分布區(qū)域，三采區(qū)分別位于礦區(qū)西南和西北地區(qū)，其余采區(qū)地溫值均大于31℃，熱害區(qū)主要分布在礦區(qū)東南和東北區(qū)域，所占面積較大，說明7煤層熱害區(qū)分布范圍較3煤層大。8煤層溫度在28～38℃之間。與7煤層相似，溫度大于等于31℃的熱害區(qū)分布范圍同樣集中在礦區(qū)東南和東北區(qū)域，而相對(duì)于3煤層和7煤層，其地溫異常分布面積所占比例最大。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)井田內(nèi)巖石熱導(dǎo)率和地溫梯度，計(jì)算出大地?zé)崃髦担Y(jié)果為：許疃煤礦大地?zé)崃髦底兓秶鸀?0.18～75.99mW/m2，平均62.53mW/m2，大地?zé)崃髦涤晌飨驏|呈遞減趨勢(shì)，高值點(diǎn)處常伴有斷層、褶皺分布，受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。

2)對(duì)83下采區(qū)地溫場(chǎng)模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差較小，80-2孔處8煤底板實(shí)測(cè)地溫和模擬溫度相差-0.53K，80-8孔8煤底板實(shí)測(cè)地溫和模擬溫度相差-0.72K。李樓-蘇莊向斜在地溫場(chǎng)分布中起主要作用，區(qū)域內(nèi)小型斷層影響對(duì)模擬結(jié)果影響不大。

3)對(duì)82下采區(qū)地溫場(chǎng)模擬，其地溫場(chǎng)分布規(guī)律與主要地質(zhì)構(gòu)造具有關(guān)聯(lián)性，表現(xiàn)在斷層及背斜軸部處地溫相對(duì)較高。張家背斜、許疃斷層及許疃支斷層起到阻熱、蓄熱、“保溫層”作用。

4)對(duì)研究區(qū)主采煤層熱害進(jìn)行了區(qū)劃，7煤層與8煤層開采熱害區(qū)主要分布在礦區(qū)東南和東北區(qū)域，所占面積大?？傮w上3煤、7煤、8煤熱害區(qū)主要集中82下、83下。