許疃煤礦地溫分布規律及熱害預測分析

朱敬忠，劉啟蒙，琚棋定，范佳俊

(安徽理工大學 地球與環境學院，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狀，井下作業環境的溫度也隨之升高。《煤礦安全規程》規定采掘工作面空氣溫度超過30℃，機電設備硐室的空氣溫度超過34℃時，必須停止作業，但我國大部分煤礦都出現不同程度的熱害。近年來，國內一些學者對我國深部煤礦地溫特點及熱害影響因素進行研究[1-4]，提出了地溫控制模式。同時郭江峰、徐勝平等學者利用數值模擬方法對控溫因素進行研究，宏觀上總結出兩淮煤田的地溫場分布特征[5，6]。還有部分學者從區域地質背景入手，對兩淮煤田巖石熱導率、地溫梯度及大地熱流值等的細致研究[7-15]，分析兩淮煤田現今地溫分布規律。本文在礦井前期的地勘資料和后期室內試驗的基礎上，利用數值模擬法分析致熱因素，分析主采煤層地溫分布特點，預測煤礦熱害威脅程度，給煤礦熱害治理工作提供合理化建議，對煤炭安全開采起到一定的指導作用。

1 研究區概況

淮北煤田地處華北型的中朝準地臺石炭、二疊系聚煤區的東南部，位于魯西斷隆和華北斷坳二級構造區內。淮北煤田的范圍大致以EW向的宿北斷裂為界，北部濉肖閘河礦區，南部宿北斷裂和板橋—固鎮斷裂之間包含3個礦區，由東至西分別為宿縣、臨渙和渦陽礦區，本文研究分析的對象為臨渙礦區許疃煤礦。

許疃煤礦位于宿北斷裂、固鎮長豐斷裂和豐縣-口孜集斷裂組成的斷塊內。礦區整體上為近南北走向、向東傾斜的寬緩單斜構造，區內主要發育脆性正斷層，褶曲不甚發育。其中，許疃斷層為礦區的分割逆斷層，該斷層以NWW走向，傾向為 53°～63°，延展長度約8km，落差介于115～325m之間，控制了礦區地質構造的發育情況(如圖1所示)。基巖上覆蓋有較厚的松散層，厚度為294.9～378.8m。根據地質勘探資料分析，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 許疃煤礦構造綱要

2 地溫研究

2.1 測溫資料

煤田勘探期間主要通過分析地面鉆孔的井溫測試獲取地溫數據，本次研究共收集21個鉆孔的井溫測井數據，其中7個近似穩態測溫孔。近似穩態測溫數據一般在完井72h后測量，此時井液和巖溫基本達到穩定，測量數據能較為準確地反映地層的真實溫度。

2.2 巖石熱導率測試和大地熱流值計算

巖石熱導率是表征巖石傳熱量的特性，為主要的巖石熱物理參數之一。在井下不同巷道采集細砂巖、粉砂巖、泥巖、煤等巖石樣本后，將測試樣品送至實驗室進行編號及加工處理，切割成符合要求的試樣，利用激光熱導儀完成測試。本次采用鉆孔各巖性厚度加權平均法計算熱導率。其計算公式為：

式中，k1，k2，…，kn為各類巖石的平均熱導率；d1，d2，…，dn為各類巖石累計厚度；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。

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

圖2 鉆孔測溫曲線

大地熱流值系指地表或近地表單位面積上由地球內部向地表傳輸的熱量，其絕對值大小等于巖石熱導率與地溫梯度的乘積，即：

Q=-k·(dT/dZ)

式中，Q為大地熱流值，mW/m2；k為巖石熱導率，W/m·K；dT/dZ為地溫梯度，℃/hm。

所以，確定巖石熱導率與地溫梯度，就可以計算出大地熱流值見表1。

表1 大地熱流值范圍表

由表1可知，研究區內的地熱流值介于50.18～75.99mW/m2之間，平均62.53mW/m2，而由于82、83采區測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，且斷層的延展長度大于500m，因此受其復雜地質條件影響，其地熱流值普遍高于其它采區，地熱流值范圍在70～74mW/m2。整體變化趨勢呈現由西向東呈遞減，在有斷層、褶皺處出現極大值。

3 地溫場分布規律及其控制因素

3.1 地溫場分布規律

井田范圍內的恒溫帶深度約為30m，溫度為16.8℃，綜合利用近似穩態測溫孔及簡易測溫孔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的數據，由此計算出地溫梯度值，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，即正異常和負異常。在規定溫度之上的為正異常，小于規定溫度的為負異常。規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異常。

圖3反映井田內的地溫梯度變化范圍在2.65～3.15℃/hm，屬于地溫梯度比較穩定的地溫正常區。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，出現地溫正異常。

3.2 地溫控制因素數值模擬

地溫分布受多因素的影響，即區域地質背景，礦井地質構造，松散層覆蓋厚度，巖石的熱物理性質，早期的巖漿活動及深部地下水活動等因素。通過分析研究區的工程地質、水文地質條件后，本文著重從礦井地質構造因素方面研究，利用基于有限元原理的COMSOL Multiphysics 5.4軟件對煤礦生產期間地溫異常的83下采區和82下采區進行數值分析。

83下采區主要研究礦井內兩大褶皺構造之一的李樓—蘇莊向斜對采區的影響，在不考慮采區內中小型斷層的影響作用，建立理想狀態下的褶皺型控溫模式模型。模擬剖面長度為1800m，深度范圍為0～800m，厚度500m；82下采區主要研究礦井內兩大褶皺構造之一的張家背斜、許疃斷層及許疃支斷層對采區的影響，建立理想狀態下的褶皺—斷層型控溫模式模型。研究的模擬剖面長度為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，裂隙發育，以巖石角礫為主，斷層面上發育磨擦鏡面，擠壓揉皺現象明顯，巖性松軟等。該層段導熱性差，密度較小。

假設數值模型中地層為均勻連續巖體，相同層位的巖層各向熱導率相同。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行計算。

83下采區地溫場數值模擬：通過網格剖分后得出地溫模擬圖，并繪制出地溫場等溫線圖(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和褶皺形態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之間的溫度達到301K以上，兩翼溫度則相對高。下部老地層的溫度較高，呈黃色轉變為紅色。最高溫度為308.25K，最低為301.5K。等溫線變化趨勢與地形起伏的走勢基本一致，且軸部略向下凹，符合褶皺構造熱流傳遞的趨勢。

同時在模擬研究區內有2個測溫鉆孔，即80-2及80-8鉆孔。為驗證模擬效果的真實性和準確性，將2個測溫孔位置標注在地溫場模型中(如圖4所示)，預測鉆孔所在7煤底板和8煤底板的模擬溫度，并與實際地溫數據對比分析(見表2)。

由圖4和表2可知，實測地溫與模擬地溫的偏差較小。80-2鉆孔7煤底板實測地溫和模擬溫度相差-0.71K，8煤底板實測地溫和模擬溫度相差-0.53K。80-8鉆孔7煤底板實測地溫和模擬溫度相差-0.78K，8煤底板實測地溫和模擬溫度相差-0.72K。與實測地溫之間存在微小的負偏差，其原因可能是由于未考慮區域內小斷層的影響，但對模擬結果影響不大。

表2 實測孔與數值模擬驗證對比

圖4 83下采區地溫模擬

82下采區地溫場數值模擬：通過網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巖地層溫度較高，均超過308.2K。等溫線在許疃斷層兩側發生曲折變形，斷層北部地層溫度比南部地層的溫度略有升高。

圖5 82下采區地溫模擬

4 熱害預測分析評價

根據現有的測溫鉆孔溫度及其埋深的關系，計算礦區范圍內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)，對其變化規律進行分析。

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、82采區溫度均低于26℃，地溫正常，無熱害區；83采區和86采區溫度范圍均在26～29℃，屬正常地溫，無熱害區域；83下采區和36采區地溫值都小于31℃，也為無熱害區；而在33采區溫度值基本上大于31℃，在采區西邊部分地段溫度小于31℃，所占面積較小。總的來說，3煤層可能的熱害區主要集中在東南部的大塊區域。

7煤層溫度在24～38℃之間，礦區81采區、82采區和83采區地溫值均低于29℃，不屬于熱害分布區域，三采區分別位于礦區西南和西北地區，其余采區地溫值均大于31℃，熱害區主要分布在礦區東南和東北區域，所占面積較大，說明7煤層熱害區分布范圍較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℃的熱害區分布范圍同樣集中在礦區東南和東北區域，而相對于3煤層和7煤層，其地溫異常分布面積所占比例最大。

5 結 論

1)根據井田內巖石熱導率和地溫梯度，計算出大地熱流值，結果為：許疃煤礦大地熱流值變化范圍為50.18～75.99mW/m2，平均62.53mW/m2，大地熱流值由西向東呈遞減趨勢，高值點處常伴有斷層、褶皺分布，受地質構造影響較大。

2)對83下采區地溫場模擬，模擬結果與實測值偏差較小，80-2孔處8煤底板實測地溫和模擬溫度相差-0.53K，80-8孔8煤底板實測地溫和模擬溫度相差-0.72K。李樓-蘇莊向斜在地溫場分布中起主要作用，區域內小型斷層影響對模擬結果影響不大。

3)對82下采區地溫場模擬，其地溫場分布規律與主要地質構造具有關聯性，表現在斷層及背斜軸部處地溫相對較高。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)對研究區主采煤層熱害進行了區劃，7煤層與8煤層開采熱害區主要分布在礦區東南和東北區域，所占面積大。總體上3煤、7煤、8煤熱害區主要集中82下、83下。