淮南朱集井田現今地溫場特征及其影響因素分析*

彭　濤，樊　敏，吳　佩，任自強(.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安70054; .安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南300)

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淮南朱集井田現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2
(1.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安710054; 2.安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南232001)

摘要:礦井熱害是目前淮南煤田煤礦地質工作的主要研究內容之一。文中在匯總和分析井田內32個地面鉆孔井溫測井數據和2個井下巷道巖溫測試數據的基礎上，繪制了地溫－深度關系圖、地溫梯度－深度關系圖以及井田現今地溫梯度分布圖，并探討了該區現今地溫場特征及其影響因素。研究表明:朱集井田現今地溫梯度介于1. 7～3. 8℃/hm，平均2. 83℃/hm，地溫整體較高，在垂向上表現為傳導型增溫特點，在平面上表現為南高北低、東高西低的特點;地質構造對區內現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。

關鍵詞:現今地溫場;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，地質條件愈發復雜，高溫問題突出，煤礦研究領域越來越關注礦區的地溫研究工作［1－2］。文中在系統收集和整理淮南朱集井田各類地面鉆孔井溫測井數據的基礎上，結合井下巷道巖溫測試結果，研究區內現今地溫場分布特征，對探索淮南煤田深部地溫的分布規律和礦井熱害防治工作都有重要的意義［3－4］。

1　地質概況

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造變形，因此構造形態較復雜。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。該區主要構造為古運動時期受南北向應力形成的眾多近東西向褶皺、深大斷裂和逆沖推覆構造等［5－6］，煤田中部的潘集背斜是該區主要的正向褶皺構造，其南北2側均為推覆構造構成的迭瓦扇。

朱集井田位于淮南煤田的東北部，井田總體構造形態為一連續的北西向背、向斜，為淮南復向斜的次級褶皺，南北2側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　朱集井田構造綱要圖及現今地溫梯度分布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數據，其中近似穩態測溫孔3個，簡易測溫孔29個，分別位于研究區不同的構造單元，具有很好的代表性;此外，為驗證地面井溫測井數據的準確性，本次研究還對2個井下巷道圍巖溫度進行了實測(表1)。

表1　井下測溫結果表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、預防礦井熱害以及為通風設計提供依據，主要依靠地面井溫測井獲取地溫數據［8－9］。本次研究鉆孔測溫資料包括近似穩態測溫數據和簡易測溫數據2種，因測溫方法和過程的不同，所以這2種數據的處理和利用過程也不同。

1)近似穩態測溫數據:即完井后靜井至少3天后所測得的溫度數據，此時井液和巖溫已經基本達到平衡，所測數據能客觀地反映地層的真實溫度，可直接使用［10］。圖2為井田內近似穩態孔中溫度與深度的關系曲線，由圖可知，地溫隨深度的增加逐漸升高，表現出良好的線性關系。

圖2　朱集井田系統連續測溫曲線Fig．2 Systematic and continuous temperature curves in Zhuji Mine Area

圖3　朱集井田現今地溫梯度—深度關系圖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為某點的溫度，℃; T0為恒溫帶溫度，℃; h為某點的深度，m; h0為恒溫帶深度，m［10］。

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

2)簡易測溫數據:在鉆孔測溫工作中，由于近似穩態測溫耗時長、操作復雜，一般采用的都是簡易測溫。其數據在利用時與近似穩態測溫資料不同，需要根據附近近似穩態孔熱恢復規律進行相應的校正［8－9］。本次研究采用“三點法”對簡易測溫數據進行校正，即利用孔底、中性點(段)和恒溫帶溫度三點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，井下實測地溫數據因受擾動程度小、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測工作，測溫結果見表1．對比分析井下實測和地面鉆孔測溫所得地溫梯度值可知，利用井下測溫點計算的地溫梯度和地面鉆孔平均地溫梯度差異甚小，驗證了地面井溫測井結果的可靠性。

3　現今地溫梯度的分布特征

在近似穩態孔中，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，呈現出良好的線性關系，為傳導型增溫特點(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線之間南部部分區域達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，表現為南高北低、東高西低的特點。

4　現今地溫場的控制因素分析

根據井溫測井資料和井田內其它地質資料分析表明，研究區內現今地溫場主要受構造分布、巖性變化和地下水運動等因素的影響，現分述如下。

4. 1構造對現今地溫場的影響

強烈的構造運動產生的隆起與拗陷、背斜與向斜等不同的構造形態使巖石熱導率在垂直和水平方向發生變化，使熱流產生折射與重新分配，導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。淮南煤田構造主要受印支、燕山期地質運動的影響，形成一復式向斜構造，位于向斜北部并與之平行發育的潘集背斜是該區主要的正向褶皺構造，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的分布和潘集背斜軸線走勢一致的情況相符。同樣，井田內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造，在逆沖推覆構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度極限時，產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，致使下部奧陶系灰巖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率的灰巖中，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。

井田內主要構造是一北西走向的寬背斜，在井田西部表現明顯，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，在井田西部表現出凹凸相間的構造特征(圖1)。區內，東部地溫場主要受潘集背斜和朱集－唐集背斜影響，高溫異常區分布明顯，多處地溫梯度大于3℃/hm，部分地區在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果，明顯低于東部，無高溫異常區的分布。因此，朱集井田內地溫梯度東高西低的特點同樣是受褶皺構造分布影響的結果。

4. 2巖性對現今地溫場的影響

不同的巖石具有不同的熱傳導率，對熱量的傳導和聚散性能也各不相同，從而使得巖性也能夠對現今地溫場產生影響。圖3中地溫梯度值隨深度變化的關系表明研究區內淺部的低熱導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率巖層。

深部熱流向上傳至低熱導率的上覆松散層時將發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。研究區內，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，由區內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，井田內上覆松散層對地溫場的影響小于構造分布對其的影響。

由圖5可知朱集井田內大部分區域均受巖漿巖侵蝕，據實測資料可知其侵入時代應屬燕山期，侵入時代較遠，殘余熱量基本發散完，因此其主要以巖石熱導率的差異對現今地溫場產生影響。在煤系地層中，巖漿巖多順煤層侵入，拱開、吞蝕地層、煤層，表現為巖漿巖對煤巖層的置換，由實測資料可知，兩淮煤田巖漿巖的熱導率是煤的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。故在朱集井田內巖漿巖對現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，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地下水活動對現今地溫場的影響

地下水是最活躍的地質因素，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，對圍巖溫度場產生影響的結果也不同。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灰巖直接與新生界地層接觸(圖1，圖4)甚至出露地表，下部以石灰巖為主的巖溶溶隙－裂隙含水層常年受上部松散含水層和大氣降水補給，冷水下降的過程中帶走熱量，在補給區形成地溫負異常。這是明龍山斷層附近地溫梯度明顯降低的原因之一。此外，井田內發育多條落差大、延伸長的張性正斷層，成為導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　結論

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

2)朱集井田地溫在縱向上隨深度增加而增加，表現為良好的傳導型增溫特點，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)朱集井田現今地溫場主要受地質構造的控制，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。

參考文獻References

［1］郭平業．我國深井地溫場特征及熱害控制模式研究［D］．北京:中國礦業大學，2009. GUO Ping-ye．Characteristics of geothermal field of deep mine and its heat damage Control in China［D］．Beijing: China University of Mining and Technology，2009.

［2］王偉光，許光泉，李佩全，等．丁集礦區地溫變化規律及深部熱害預測［J］．煤礦安全，2010，41(6) : 103－105. WANG Wei-guang，XU Guang-quan，LI Pei-quan，et al．The geothermal change rule and thermal Damage forecast of deep in Dingji mining Area［J］．Safety in Coal Mines，2010，41(6) : 103－105.

［3］Gao S，Lerche I．Geohistory，thermalhistory and hydrocarbon generation history of Navar in Basin Coast NO．1 Well，Bering Sea，Alaska［J］．Journal of Petroleum Geology，1989，12(3) : 325－352.

［4］Feinstein S，Kohm B P，Steckler M S，et al．Thermal history of the eastern margin of the Gulf of Suez，I，Reconstruction from bore hole temperature and organic maturity measurements［J］．Tectonophysics，1996，266: 203－220.

［5］王桂梁，曹代勇，姜波，等．華北南部的逆沖推覆、伸展滑覆與重力滑動構造［M］．徐州:中國礦業大學出版社，1992. WANG Gui-liang，CAO Dai-yong，JIANG Bo，et al．Thethrust nappe，extensional gliding nappe and gravity gliding structure in the south of northern China［M］．Xuzhou: China University of Mining and Technology Press，1992.

［6］琚宜文，衛明明，薛傳東．華北盆山演化對深部煤與煤層氣賦存的制約［J］．中國礦業大學學報，2011，40 (3) : 390－398. JU Yi-wen，WEI Ming-ming，XUE Chuan-dong．Control of basin-mountain evolution on the occurrence of deep coal and coal bed methane in North China［J］．Journal of China University of Mining＆Technology，2011，40 (3) : 390－398.

［7］陳龍生．朱集東礦井開拓方式設計合理性分析［J］．煤炭工程，2011(10) : 8－9. CHEN Long-sheng．The rationality of the design of development way in Zhujidong Coal Mine［J］．Coal Engineering，2011(10) : 8－9.

［8］余恒昌．礦山地熱與熱害治理［M］．北京:煤炭工業出版社，1991. YU Heng-chang．The governance of geotherm and heat disaster in mine［M］．Beijing: China Coal Industry Press，1991.

［9］洪有密．測井原理與綜合解釋［M］．北京:中國石油大學出版社，1993. HONG You-mi．The principle of logging and the comprehensive explanation［M］．Beijing: China University of Petroleum Press，1993.

［10］譚靜強，琚宜文，侯泉林，等．淮北煤田宿臨礦區現今地溫場分布特征及其影響因素［J］．地球物理學報，2009，52(3) : 732－739. TAN Jing-qiang，JU Yi-wen，HOU Quan-lin，et al．Distribution characteristics and influence factors of present geo-temperature field in Sulin mine area，Huaibei coalfield［J］．Chinese J．Geophys，2009，52(3) : 732－739.

［11］徐勝平，彭濤，任自強．淮南礦區各井田鉆孔簡易測溫的校正及其差異性分析［J］．煤炭技術，2014，33 (6) : 64－66. XU Sheng-ping，PENG Tao，REN Zi-qiang．The calibration of drilling’s simple temperature measurement and analysis of difference at each field in Huainan mining area［J］．Coal Technology，2014，33(6) : 64－66.

［12］李浪，羅新榮，張克兵．丁集煤礦深部地溫預測［J］．黑龍江科技學院學報，2010，20(5) : 340－342. LI Lang，LUO Xin-rong，ZHANG Ke-bing．Temperature prediction in deep coal mine of Dingji［J］．Journal of Heilongjiang Institute of Science＆Technology，2010，20 (5) : 340－342.

［13］方亮亮，武力虎．朱集西煤礦地溫分布特征及其影響因素［J］．江西煤炭科技，2014(3) : 120－121. FANG Liang-liang，WU Li-hu．Characteristics of ground temperature distribution and its influence factors in Zhuji colliery［J］．Jiangxi Coal Science and Technology，2014(3) : 120－121.

［14］李紅陽，朱耀武，易繼承．淮南礦區地溫變化規律及其異常因素分析［J］．煤礦安全，2007，38(11) : 68－71. LI Hong-yang，ZHU Yao-wu，YI Ji-cheng．The geothermal change rule and analysis of abnormal factors in Huainan mining area［J］．Safety in Coal Mines，2007，38 (11) : 68－71.

［15］熊亮萍，高維安．隆起與拗陷地區地溫場的特點［J］．地球物理學報，1982，25(5) : 448－456. XIONG Liang-ping，GAO Wei-an．Characteristics of geotherm in uplift and depression［J］．Chinese J．Geophys，1982，25(5) : 448－456.

［16］熊亮萍，張菊明．熱流的折射和再分配的數學模擬［J］．地質科學，1984(4) : 445－454. XIONG Liang-ping，ZHANG Ju-ming．［J］．Scientia Geologica Sinica，1984(4) : 445－454.

［17］姜波．淮南煤田逆沖疊瓦扇構造系統［J］．煤田地質與勘探，1993，21(6) : 13－17. JIANG Bo．Thrust imbricate fan tonics system of Huainan coalfield［J］．Coal Geology and Exploration，1993，21 (6) : 13－17.

［18］彭濤，張海潮，任自強，等．兩淮煤田煤系地層巖石熱導率特征［J］．高校地質學報，2014，20(3) : 471－475. PENG Tao，ZHANG Hai-chao，REN Zi-qiang，et al．The characteristics of rock thermal conductivity of coal measure strata in Huainan-Huaibei Coalfield［J］．Geological Journal of China Universities，2014，20(3) : 471－475.

［19］蘇永榮，張啟國．淮南煤田潘謝礦區地溫狀況初步分析［J］．安徽地質，2000，10(2) : 124－129. SU Yong-rong，ZHANG Qi-guo．A preliminary analysis of the geotemperature situation of the Panxie mine in the Huainan coalfield［J］．Geology of Anhui，2000，10(2) : 124－129.

［20］許光泉，王偉寧，張海濤．淮南礦區深部熱害分析及熱水資源化研究［J］．中國煤炭，2009，35(10) : 114－132. XU Guang-quan，WANG Wei-ning，ZHANG Hai-tao．The deep thermal damage analysis in huainan mining area and research on resource utilization of geothermal water［J］．China Coal，2009，35(10) : 114－132.

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

PENG Tao1，FAN 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

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

*收稿日期:2015－11－20責任編輯: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

文獻標志碼:A