劉詩(shī)鵬，邱 天，吳志超，楊 新

（1.山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 萊州 261400；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430000）

礦產(chǎn)資源是珍貴的自然資源，對(duì)于現(xiàn)階段我國(guó)社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步至關(guān)重要。近年來(lái)，隨著相關(guān)行業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求的增加，礦井逐年加深，導(dǎo)致礦井熱害問(wèn)題愈發(fā)突出。本文結(jié)合焦家金成礦帶礦區(qū)實(shí)際情況，模擬礦區(qū)地溫場(chǎng)，預(yù)測(cè)可能會(huì)產(chǎn)生熱害的礦井開(kāi)采深度，并且分析人為抽水對(duì)地溫場(chǎng)的影響。

1 研究區(qū)概況

膠東地區(qū)地質(zhì)歷史較為復(fù)雜，受早白堊紀(jì)巖漿熱隆影響，侏羅紀(jì)形成的玲瓏巖基強(qiáng)烈隆升，其上覆的變質(zhì)巖層形成拆離斷層，膠東地區(qū)三山島—倉(cāng)上斷裂、新城—焦家斷裂和招遠(yuǎn)—平度斷裂均是鏟形下滑斷裂，屬拆離斷層的組成部分[1]。本文研究對(duì)象是新城—焦家斷裂帶，是膠東地區(qū)三大金礦成礦帶之一。本文的地溫場(chǎng)數(shù)值模擬中包含達(dá)西滲流場(chǎng)，依據(jù)水文地質(zhì)邊界條件，在研究區(qū)劃分出模擬區(qū)作為三維數(shù)值模擬對(duì)象（圖1）。

圖1 研究區(qū)范圍及測(cè)溫孔位置圖

2 礦區(qū)地溫場(chǎng)特征研究及控制因素分析

收集及匯總焦家金成礦帶礦區(qū)地溫資料，共整理出15個(gè)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)，來(lái)源于礦區(qū)各個(gè)時(shí)期的勘探資料，測(cè)溫孔位置如圖1所示。

2.1 地溫梯度特征

地溫梯度受地層結(jié)構(gòu)及熱物理性質(zhì)的影響比較明顯，所以它能較好地反映地層的溫度變化情況。部分測(cè)溫孔ZK509和ZK652地溫梯度為1.85℃/hm和2.4℃/hm，統(tǒng)計(jì)其他測(cè)溫孔地溫梯度值，均在1.6～3.0℃/hm的正常分布范圍內(nèi)，因此模擬區(qū)中出現(xiàn)地?zé)岙惓^(qū)概率較低。

2.2 水平及垂直地溫分布特征

為進(jìn)一步研究礦區(qū)地溫場(chǎng)，分析水平和垂直方向的地溫分布特征。根據(jù)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)，分別繪制了-400m、-800m標(biāo)高水平溫度等值線圖，兩個(gè)標(biāo)高水平地溫分布特征相似，-800m標(biāo)高溫度等值線圖如下所示。

圖2 模擬區(qū)-800m標(biāo)高溫度等值線圖

等值線圖上最大和最小溫度值之間都是相差10℃左右，南北方向上看，地溫西低東高；東西方向上看，地溫等值線北疏南密，總體上從西到東，溫度逐漸升高。

垂直方向上，地溫與深度之間呈一元線性相關(guān)。設(shè)一元線性方程擬合數(shù)據(jù)，鉆孔ZK509擬合公式為y=-0.0183x+8，R2值為0.996。

統(tǒng)計(jì)其他測(cè)溫孔數(shù)據(jù)擬合的R2值，均大于0.95，表明擬合出的一元回歸方程可信度非常高，證明地溫在垂向上是隨深度均勻增大的。

2.3 地溫場(chǎng)控制因素分析

巖石在地球與大氣層的熱交換中起著介質(zhì)的作用，是影響地球內(nèi)部熱量向外傳遞或地球內(nèi)部熱交換的重要因素[2]。根據(jù)鉆孔揭露，研究區(qū)地層巖性中花崗巖和變輝長(zhǎng)巖所占范圍及比例都較大，而這兩種巖性熱導(dǎo)率也較大，所以在研究區(qū)范圍內(nèi)，因巖性而導(dǎo)致的地溫?zé)岙惓８怕瘦^低。

巖漿活動(dòng)對(duì)地溫場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響，評(píng)定主要從兩方面，一個(gè)是時(shí)間，一個(gè)巖漿體規(guī)模[3]。研究區(qū)內(nèi)巖漿巖廣布，但形成時(shí)期都比較早，對(duì)現(xiàn)今研究區(qū)內(nèi)地溫幾乎沒(méi)影響不大。

地下水是最活躍的地質(zhì)因素，在地殼淺部廣泛分布，熱容量大易于流動(dòng)，是圍巖溫度的重要影響因素[4]。研究區(qū)補(bǔ)給和徑流條件較差，主要判斷人為抽水活動(dòng)是否對(duì)地溫場(chǎng)有影響。

3 礦區(qū)地溫場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 地溫場(chǎng)數(shù)值模型建立

本次模擬范圍為圖1中模擬區(qū)，模擬區(qū)三條邊界定為西北的萊州海岸線，東北的朱橋河，東南的地下分水嶺。模型共分為4個(gè)地層，上覆巖層、斷層上盤(pán)碎裂巖、斷層下盤(pán)碎裂巖和基底巖層，再設(shè)置薄壁斷層建立三維地質(zhì)模型。為模擬礦區(qū)抽水條件，采用大井法概化各個(gè)礦區(qū)抽水井為一個(gè)主抽水井，并將其設(shè)置在模擬區(qū)中間位置，通過(guò)控制該井水位，來(lái)模擬井群抽水產(chǎn)生的水位下降效果。

本文設(shè)置有三種模擬模型：①初始模型，模型中的地下水位為自然水位；②驗(yàn)證模型，用于驗(yàn)證模型模擬精度模型；③預(yù)測(cè)模型：模擬抽水井水位為-1400m時(shí)情況。

達(dá)西滲流場(chǎng)模擬中共有三類(lèi)邊界，模擬采用定水頭邊界和隔水邊界。模擬區(qū)朱橋河和地下分水嶺定為隔水邊界，萊州海岸線為定水頭邊界，水頭為0.05m。

地溫場(chǎng)模擬中有三種類(lèi)型的邊界條件，模擬采用給定溫度值和給定熱流值兩種邊界。模擬區(qū)上邊界為給定溫度值邊界，下邊界為給定熱流值邊界。

表1 各巖層主要參數(shù)

3.2 地溫場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

驗(yàn)證模型主要是驗(yàn)證模擬結(jié)果精度，測(cè)溫孔數(shù)據(jù)是礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中測(cè)出的，因此，通過(guò)條件概化，將模型地下水位設(shè)為-400m。該模型模擬結(jié)果作為與實(shí)際溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比數(shù)據(jù)。

在標(biāo)高-100m位置，孔JFZK1和孔FJZK1實(shí)測(cè)值為14.81℃和15.2℃，模擬值為15.38℃和15.38℃，分別相差0.57℃和0.18℃，相對(duì)誤差在3.85%和1.18%。統(tǒng)計(jì)不同深度模擬值實(shí)際值誤差得出，兩個(gè)測(cè)溫孔溫度值的平均相對(duì)誤差為4.92%，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。綜上所述，本次模擬結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是可靠的。

初始模型為參照模型，模擬結(jié)果如圖3所示，模擬的地溫場(chǎng)為自然條件下，未受人類(lèi)擾動(dòng)的地溫場(chǎng)。模型自上而下，溫度值由標(biāo)高23.62m的12.9℃逐漸增加到標(biāo)高-2500m的64.4℃。

圖3 三維數(shù)值模型及初始模型模擬結(jié)果（網(wǎng)格線為xyz坐標(biāo)軸；抽水井位置）

預(yù)測(cè)模型主要是預(yù)測(cè)抽水井水位到-1400m標(biāo)高時(shí)地溫場(chǎng)的變化，以及可能發(fā)生熱害的標(biāo)高位置。

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，對(duì)比不同水位下抽水井和鉆孔JFZK1不同深度的溫度值，-400m和-1400m標(biāo)高水位的抽水井溫度值均大于初始水位抽水井不同深度的溫度值；鉆孔JFZK1不同深度的溫度值在初始水位、-400m和-1400m標(biāo)高水位差別不大。

模擬區(qū)大概會(huì)在-720m的標(biāo)高位置達(dá)到我國(guó)《礦山安全條例》中規(guī)定的井下工人工作最高溫度28℃。

4 結(jié)論

（1）抽水對(duì)于地溫場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響，但是影響非常小，基本可以忽略。并且，抽水對(duì)地溫的影響與距抽水井距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，地溫場(chǎng)所受影響越小。

（2）結(jié)合實(shí)際測(cè)溫孔數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果，焦家金成礦帶礦區(qū)開(kāi)采標(biāo)高從-625m到-1090m都有可能產(chǎn)生地溫?zé)岷?，?biāo)高從-720m到-1090m產(chǎn)生熱害的概率更高，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)密切注意，采取相應(yīng)防護(hù)措施。