安徽理工大學地球與環(huán)境學院 李婧，魏娜娜

一、背景分析

在我國，煤炭資源的開發(fā)與利用是經(jīng)濟發(fā)展中主要的動力。在礦井開發(fā)的過程中，高熱害和礦井水災的影響越來越嚴重。從某種程度上來看，地質構造直接決定著煤礦的安全以及能否順利地進行建設和生產(chǎn)[1]。因而要保證煤礦生產(chǎn)的安全，就要對礦區(qū)的構造體進行研究，尤其是其對于研究區(qū)地溫場和地下水流場的影響。本文開展了斷裂構造控水控熱的相似模型的設計研究，通過研究斷裂構造對地溫場和地下水流場的影響，為斷裂構造控水控熱提供一種新的研究思路與方法。該模型可用于探測地下空間的斷裂體的發(fā)育情況，及時探測出研究區(qū)域因斷裂的發(fā)生而引起的異常情況，為開發(fā)地熱能及地下水資源提供相關理論研究依據(jù)。

二、設計原理

地下水易于流動且熱容量大，廣泛分布于地殼的淺部區(qū)域，其對地溫場的影響最為活躍[2]。深循環(huán)地下熱水及發(fā)育于地殼深部的巖漿從地殼深部傳到地表時，可能經(jīng)歷多個構造體而使得所攜帶的熱量發(fā)生散失或聚集，地溫發(fā)生較明顯的變化。而斷層是地質構造中廣泛存在的一種構造體，因此斷層的存在對地溫也具有較大的影響。斷層是水熱的良好傳導通道或儲存介質，斷層的存在既可以實現(xiàn)溫度的阻隔，又能促進溫度的傳遞和運移，既能影響背斜構造原有的高溫區(qū)域，也會成為導通地下水和巖漿巖侵入的主要通道[3]。當斷層帶厚度較大，且被碎屑物質所填充，或斷層的錯段位移較大時，地下熱水及巖漿巖入侵所攜帶的熱量傳遞被阻隔，造成斷層兩盤地溫出現(xiàn)差異。另外，當發(fā)生斷層運動時，地下深部的熱流會不斷地輸送到淺部地表，造成地溫高于研究區(qū)平均地溫的現(xiàn)象。所以斷層帶，尤其是較大的斷層帶附近，常產(chǎn)生低溫或高溫的異常現(xiàn)象[4]。即斷裂構造在一定程度上影響著地溫場的分布。

另外，在斷層的分類中，拉張性斷層空隙發(fā)育，透水性和導水性較強，一般是良好的導水通道，而擠壓性斷層裂隙空隙被壓密，一般是不導水的。另外還要結合巖性條件判斷其導水性：兩側都為脆性巖層時，斷層帶破碎，導水性較好；一側為堅硬巖層，另一側為較軟弱巖層時，斷層帶的充填程度好，導水性較弱；兩側均為較軟的巖層，其導水性更弱，甚至不導水。當?shù)乇斫邮艽髿饨涤甑难a給后，一部分水分經(jīng)過蒸發(fā)作用散失返回大氣圈，一部分水分經(jīng)過地表徑流補給河流或湖泊，剩余的水分會下滲補給含水層。下滲補給含水層的水分遇到斷裂構造后會被阻斷或者被迫改變其原有的入滲方向，即斷裂構造在一定程度上影響著地下水流場的分布。

三、模型設計

（一）模型結構

本相似模擬設計主體設計為砂箱，其裝置模型如圖1所示，其組成包括透明有機玻璃、液壓缸、彈性膠皮、加熱片、儲水室、水泵、聚乙烯薄膜等。在砂箱外側，通過兩側的液壓缸使模型實現(xiàn)單側或雙側的拉伸和擠壓活動，通過流量收集管道進行水量的收集。在砂箱內部通過聚乙烯薄膜模擬先存斷裂，分隔斷層兩盤。鋪設與研究區(qū)的土層具有相同物理性質的通過河沙、碳酸鈣、黃豆等材料按照相似比例關系所配制的相似材料用以模擬地層，以不同顏色的相似材料作分隔層以觀察斷層形態(tài)。在活動板底部，通過螺孔鋪設不均勻彈性膠皮模擬基底處發(fā)生變形的區(qū)域形態(tài)。在砂箱底部設有儲水室，用以收集經(jīng)大氣降雨后流經(jīng)土層的水量，儲水室底部包裹有恒溫加熱片對水流進行加熱，模擬地溫的產(chǎn)生。通過儲水室底部的螺桿傳動裝置模擬地殼深部的壓力作用從而使水流重新進入砂箱內部，實現(xiàn)地下熱水的深部循環(huán)。模型能夠實現(xiàn)各種常規(guī)的擠壓、拉伸等地質斷裂構造現(xiàn)象。

圖1 裝置整體視圖

（二）以地下熱水的深部循環(huán)模擬控溫作用

通過儲水室下方包裹的恒溫加熱片對經(jīng)大氣降雨補給流經(jīng)土層匯集到儲水室內的水進行加熱，模擬地下熱水的加熱過程，關閉匯水閥門之后啟動儲水室下方的螺桿傳動裝置，使水流通過上方均勻帶孔的彈性膠皮重新進入砂箱，完成地下熱水的深部循環(huán)，在某一模擬土層處和斷層帶附近通過砂箱前壁在模擬土層內放置兩個溫度傳感器隨時檢測溫度的變化。

（三）以補給含水層水量差異模擬控水作用

降雨器通過螺孔固定于活動板上，可隨活動板的移動而發(fā)生位移。實驗過程中可通過降雨器閥門調節(jié)降雨強度。組成降雨器結構的下部為均勻帶孔有機玻璃板。降雨器橫向可分為三個部分，中間為固定部分，兩側通過可伸縮滑軌連接可動部分。原始模式設為固定部分加兩側1/2可動部分，保證后續(xù)模擬拉伸和擠壓實驗的可行性。儲水室下部設有水箱，水箱通過水泵向降雨器內供水，砂箱上部設置降雨器，降雨器與水泵通過進水管連接，通過降雨器閥門控制降雨大小，砂箱兩端設有流量收集管道。水流經(jīng)過降雨器模擬大氣降雨，流經(jīng)土層后到達流量收集管道后進入儲水室，可通過讀取儲水室上標設的刻度得到流經(jīng)含水層的水量大小。

四、工作流程

預先將膠皮進行拉伸，然后從下往上逐層在砂箱內鋪設由河沙、碳酸鈣、黃豆等根據(jù)相似比例配置的與研究區(qū)實際地層具有相同物理性質的相似材料，每一模擬土層中間用染色的相似材料作為分隔層，方便觀察出模擬斷裂構造運動的過程。

打開水泵，水泵從水箱中經(jīng)給水管抽水，打開降雨器閥門，水流進入降雨器中，通過下方均勻帶孔透明有機玻璃板模擬降雨過程，使水流從砂箱的頂部均勻地進入下方的模擬土層，將模擬土層潤濕，使試樣層達到飽和狀態(tài)后關閉降雨器閥門。

打開降雨器閥門，使得模擬大氣降雨補給的水流流經(jīng)試樣層后匯集到砂箱下部，經(jīng)過比試樣層數(shù)目稍大的紗布的過濾后，通過流量收集管道排出至儲水室。等到儲水室內的水位趨于穩(wěn)定時，讀取儲水室表面的刻度可得經(jīng)降雨補給后流經(jīng)模型試樣的水量。待溫度傳感器的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定后，記錄此時溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

保持降雨器閥門為開啟狀態(tài)，選擇性地啟動砂箱兩側液壓缸，使模型實現(xiàn)雙向或單向的擠壓及拉伸的斷裂構造運動。

待儲水室內水位趨于穩(wěn)定時，再次讀取儲水室表面的刻度，可得發(fā)生斷裂構造運動后經(jīng)降雨補給后流經(jīng)模型試樣的水量。之后進行地下熱水的深部循環(huán)過程，為防止儲水室內的水流經(jīng)過匯水閥門進行回流，先關閉匯水閥門，待儲水室內的水流經(jīng)過恒溫加熱片的加熱到達相對穩(wěn)定的溫度，啟動恒溫加熱片下方的螺桿傳動裝置，使儲水室內的水流經(jīng)過上方均勻帶孔的彈性膠皮重新進入砂箱，完成地下熱水的深部循環(huán)。待溫度傳感器的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定后，記錄此時溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

對比兩次實驗數(shù)據(jù)，可得發(fā)育斷裂構造運動后，地溫及水量的變化情況。

五、分析與結論

斷裂構造對地溫場和地下水流場均有一定的影響。對于地溫場：發(fā)育有斷裂構造時，斷裂構造可作為地下熱水的深部循環(huán)的通道，將地殼深部的溫度通過地下水的攜帶而進入淺層地表，也可阻擋熱量向上傳輸而使得熱量在下盤聚集造成兩盤溫度差異較大。對于地下水流場，當大氣降雨補給含水層時，根據(jù)斷裂構造發(fā)育形式和周圍巖石的脆性程度判斷斷層的導水性，從而得到其補給含水層的水量變化。從上述分析可得結論如下：（1）研究斷裂構造體對地溫場和地下水流場的作用在先前主要是以計算機仿真為主，雖然該方法有一定的便利性和適用性，但是無法清晰地顯示斷裂結構的變形過程和形成機制。物理模擬可以在一定程度上再現(xiàn)斷裂結構發(fā)展的過程，有利于正確理解斷裂結構的形成機制，研究各種斷裂結構要素之間的內部聯(lián)系。（2）在前人的研究基礎上可以發(fā)現(xiàn)，依據(jù)所要研究區(qū)域的研究對象來選擇適當?shù)哪M材料，并確定模型的邊界條件和應變模式，研究模型的發(fā)育演化特征和變形特征的砂箱構造物理模擬己被廣泛應用于各類構造研究中，即斷裂構造控水控熱相似模型的建立具有一定的可行性。（3）在相似模擬實驗的基礎上建立了斷裂構造控水控熱相似模型，基于可模擬的斷裂構造系統(tǒng)，并在一定程度上滿足幾何相似、物理相似等條件，進一步提高了相似模擬實驗的模擬精度，并且擴大了模擬范圍。（4）該研究具有廣闊的應用前景。首先，可應用于煤礦開采活動。開采前通過探測地下斷裂構造，可分析預測斷裂構造可能對地溫場和地下水流場的影響，進而提前對地溫及地下水量異常地區(qū)做好防護。其次，有利于礦井水害的防治。另外，可有助于對地熱能的開發(fā)利用。通過研究地區(qū)地質斷裂構造活動，進而推測地溫場變化及地區(qū)地下水水溫、水量的變化特征，分析深層及淺層地熱能的開發(fā)利用價值，從而更好地開發(fā)利用地熱能。