淮南煤田劉莊礦區A組煤底板灰巖地熱資源特征分析

張帥 李靜 張克松 高志強

摘 要：對淮南煤田劉莊礦區A 組煤底板灰巖地熱資源進行了調查研究，建立了地熱概念模型。研究區煤層底板灰巖具有典型的熱傳導型層狀熱儲特征，通過鉆探與測井取得熱儲層頂底板溫度，估算其地熱資源儲量為171.17×1016 J，折合標準煤58.48×106 t；抽水試驗結果表明熱儲層富水性弱，涌水量小且熱損失大致出水溫度低。提出進一步詳查及煤熱共采等建議。

關鍵詞：地熱資源；熱儲層；煤層底板灰巖；煤熱共采

中圖分類號：P641.4+61；P314.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0068-06

安徽省煤炭資源豐富，主要包括淮南、淮北兩大煤田，其中淮南煤田煤層埋藏較深且開采利用時間較早，按可采煤層埋藏與開采條件分為A、B、C、D、E 五組，A 組煤是最下面的一個層組，各生產礦區隨著采煤深度的增加，“熱害”問題逐步突顯，已對礦井生產及井下工人身體健康造成影響。至此，科研人員發現煤礦區不單單只有煤炭這一種資源，還有地熱資源這一清潔能源未引起重視加以研究。因此，安徽省地質工作者從變“害”為“利”的角度出發，以淮南煤田為研究對象，從2000 年以后陸續開展了淮南煤田地熱資源的調查評價以及煤、熱共采技術研究。

由于研究區內的以往地質工作大多未涉及到A 組煤底板灰巖富水性及地溫分布規律和地溫梯度特征，因此本研究以淮南煤田劉莊礦區A 組煤底板灰巖地熱資源為研究對象，重點查明地熱資源的賦存特征，為礦區煤熱共采提供基礎依據。

1 地質概況及地溫場分布特征

1.1 地質概況

淮南煤田主體位于安徽省淮南市，向西延伸至阜陽東部地區，地表水系發育，淮河水對煤田水文條件有直接影響。研究區位于淮南煤田的西部，地表為第四系所覆蓋，地層層序與淮南煤田各井田相同，研究區地層巖性特征見表1。研究區內構造發育，主要由阜鳳逆沖斷層組（F1）、陳橋—潁上正斷層（F5）和江口集正斷層（F12）組成的一個小的封閉的水文地質單元內。

研究區地下水類型根據地下水的補徑排條件、水力性質、含水介質和水化學環境特征可分為新生界松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水三類。碳酸鹽巖類巖溶裂隙水即為本次研究工作的目標熱儲層位，又細分為石炭系太原組碳酸鹽巖類含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖類含水巖組，奧陶系灰巖含水層在巖溶裂隙發育地區呈現富水性強特征。

1.2 工作方法簡介

本次工作主要通過對研究區的資料收集，加以分析研究后施工地熱驗證鉆孔，在孔內采取巖石樣品及水質同位素分析樣品，分別送往實驗室測定其參數；地溫梯度的確定通過收集的鉆孔測溫數據和實測地熱孔井溫數據計算得出。

巖石樣品生熱率委托中國科學院地質與地球物理研究所巖石熱物性實驗室測定，在實際測量中，通過測定巖石樣品中鈾、釷、鉀的含量計算得出巖石樣品生熱率。測試依據與方法為《硅酸鹽巖石化學分析方法 第30 部分：44 個元素量測定》（GB/T 14506.30—2010）和《硅酸鹽巖石化學分析方法 第11 部分：氧化鉀和氧化鈉量測定》（GB/T 14506.11—2010），儀器型號為NexION300D 等離子體質譜儀。

水質同位素委托原國土資源部地下水科學與工程重點實驗室測定，2H、18O 指標依據波長掃描—光腔衰蕩光譜法，采用型號為L2130i 的同位素分析儀測定，3H、14C 指標依據國家行業標準DZ/T 0064-1993，采用型號為Quantulus1220 的超低本底液體閃爍譜儀測定。

地溫梯度的測量依據井溫測井數據計算得出，測井設備采用上海地學儀器研究所研制的 JHQ-2D 數字綜合測井系統，配備小時間常數的PT100 鉑電阻作為傳感器，采樣間隔為0.02 m 連續測量。

1.3 地溫場分布特征

（1）淮南煤田地溫場特征

淮南煤田地溫場以阜鳳推覆體（F1）為界，南北地溫差異明顯，呈北高南低，且南部地溫梯度值明顯小于北部。淮南煤田地溫梯度大于3℃ /hm 的高溫異常區，從東部至西部基本連續成片分布，陳橋—潁上斷層（F5）以西地區分布有大范圍高溫異常區，區內地溫梯度變化范圍在1.9～4.7 ℃ /hm，平均梯度達2.96 ℃ /hm。

（2）劉莊礦區地溫場特征

根據劉莊礦33 個測溫孔數據以及生產過程中各水平地溫異常點測量數據，統計分析表明，劉莊礦地溫場垂向上呈隨深度加大而升高，地溫梯度大于3 ℃ /hm 的有21 個測溫孔，占全部測溫孔的61%，有規律的分布于礦區北部。因此本區北部屬地溫異常區，南部為地溫正常區。地溫向深處的增加僅與巖石的熱導率呈正比關系，導熱性差的地方往往是地溫異常區域，熱導率大的巖層中地溫梯度小（2.3～2.6 ℃ /hm），熱導率小的巖層中地溫梯度大（2.8～3.7 ℃ /hm）；煤層的熱導率較其他巖層熱導率小，所以煤層有很好的隔熱作用，其地溫梯度要較其他巖層大的多。上部松散層由于熱導率低，深部熱流向上傳導至上部地層時，聚熱效果明顯，而研究區上覆巨厚的第四系、古近系松散層，地溫相對較高。

各煤層地溫隨深度加大而增高（表2），在走向方向上西部隨鞍部起伏而變化（圖2）。由于本區沒有巖漿巖，地層本身的生熱率也較低，影響地溫的主要原因是靠近陳橋背斜，距老地層近，熱源主要來源于深部熱流。

2 地熱概念模型

綜研究區內有較理想的二疊—第四系蓋層和石炭—奧陶系熱儲層，以及阜鳳逆沖斷層組（F1）推覆構造帶及陳橋—潁上斷層（F5）構成的控熱導熱斷裂，使深部熱能沿斷裂上升有利部位儲存，構成了淮南煤田劉莊礦區潛在的地熱異常區。

綜合本次研究工作成果，以地層結構和構造發育特征為基礎，結合研究區A 組煤底板灰巖富水性特征，初步構建了熱儲概念模型（圖3），現就地熱資源要素：源、通、蓋、儲敘述如下：

2.1 熱源與地熱流體通道

受阜鳳逆沖斷層組（F1）擠壓形成的推覆構造、謝橋向斜、陳橋背斜等北東向正斷層組、北西西向斷層組，為熱能向上運移、傳導也提供了有利條件，陳橋—潁上斷層（F5）是一個小范圍的分水嶺，熱流傳導至此形成高溫異常區的“滯點”。因此，構造運動是工作區地下熱源之一。

研究區內無巖漿侵入，實測泥巖生熱率為2.06 μw/m3、砂巖生熱率為1.78 μw/m3、灰巖生熱率為0.83 μw/m3，平均生熱率為1.68 μw/m3，由此產生的熱能在整個熱源中的占比僅百分之幾。

因此，區內的熱源主要為接受深部大地熱流向上的熱傳導補給，通過構造溝通，被導熱系數低的覆蓋層（Q+N）和二疊系（P）地層所阻，而聚集在其下部的石炭系（C）、奧陶系（O）及寒武系（∈）地層成為熱儲。

2.2 地熱蓋層

研究區內地熱資源蓋層主要由新生界和中生界地層組成，厚度達1029 m 之多，新生界地層巖性主要為細砂巖、礫巖、黏土、中細砂等；其下由中生界二疊系（P）山西組、石盒子組組成，巖性主要為砂巖泥巖相間、含鋁泥巖等，并夾有多層煤層，是地熱資源的良好蓋層。

2.3 熱儲層

本次工作區熱儲層主要為A 組煤底板以下的石炭系太原組（C2t）與奧陶系馬家溝組（O1+2m）灰巖組成，鉆探揭露厚度達350 m 左右。屬傳導型地熱，為層狀熱儲地熱田。

3 結果分析與討論

3.1 溫度測井數據分析

本次溫度測井主要目的是測量不同深度的井溫數據，計算驗證孔地溫梯度，獲取目標熱儲層頂底板溫度，為計算地熱資源儲量提供參數。由于測取數據較多，本文對測溫數據進行每50 m 抽稀繪制測溫曲線（圖4）。

根據溫度測井資料，驗證孔變溫帶深度為0～19 m，恒溫帶由19 m 過渡至30 m，溫度為16.8 ℃，30～1400 m為增溫帶，溫度隨深度的增加而逐漸增大，1358 m 處溫度顯示55.5 ℃。

計算全孔地溫梯度＝（井底溫度－恒溫帶溫度）÷（井底深度－恒溫帶底板深度）×100 ＝（55.5 － 16.8）÷（1358 － 30）×100 ＝ 2.91 ℃ /hm，略高于正常地溫梯度。

3.2 抽水試驗成果分析

通過對抽水試驗數據進行整理分析，分別作出Q、s －t 過程曲線和Q － f（s） 曲線、q － f（s） 曲線如圖5 所示。

采用單井抽水試驗時的Dupuit 公式及吉哈爾特抽水引用影響半徑經驗公式進行滲透系數（K）和影響半徑（R）計算。根據抽水試驗計算結果，該地區巖層滲透系數較小，單井出水量低（表3）。

根據DK01 孔抽水試驗，在降深236 m 時涌水量小于3 m3/h，由于水量小，造成開采過程中水溫損失也相對較大，不具有開采價值。

對比劉莊礦已有石炭系、奧陶系地層水文勘探孔的抽水試驗成果，分析其原因應該是鉆孔所在位置地層泥質含量高，斷層多為泥質充填，而成為阻水斷層，地下水活動弱，巖溶溝通性較差，地下水為凈儲存量水。

3.3 地熱流體同位素分析

本次同位素水樣只測定四種同位素，環境穩定同位素2H、18O 和放射性同位素3H、14C（表4），主要用于研究地熱流體的形成機制、地下水循環、更新途徑及地下水的年齡等。

一般情況下，淺層地下水的形成時間相對較短，3H值較高，基巖或深部的熱水通常情況下，3H 值較低。分析地熱流體的放射性同位素特征，表明三個同位素樣品的3H 平均值為＜ 0.5 T.U，3H 值較小，這說明鉆孔內的熱水為“古水”，屬于深部較封閉的環境。同位素14C 的測定的平均結果為3 萬多年，這也表明地下水形成于更新世時期，在沒有人類工程活動的擾動下（如煤層開采進行的疏排水工作），地下水活動較弱。

3.4 資源量估算

本次研究工作主要是對劉莊煤礦A 組煤底板灰巖地熱資源評價，而劉莊煤礦下部基巖是一個東、南、西三面封閉、地層向南緩傾、北部與新近系地層接觸的水文地質單元。因此，計算地熱資源時東部邊界以F5 為界，西部以F12 為界，南部以推覆體斷層組F1 和礦區邊界為界。為提高資源量計算準確性，根據礦區地溫分布特征和地層傾向的變化，將整個區域分成三個區進行計算：F19 以東為第一單元（東區），F19 以西至F8 以東為第二單元（中區），F8 以西為第三單元（西區）。

本次地熱資源儲量估算采用體積法，該方法估算地熱儲量在研究區幾何、物理參數確定時，可以給出一個確定值，即地熱資源儲量等于熱儲體積、巖體溫度、孔隙率和巖石與水的比熱、密度之積，各計算參數均為本次實測獲取（表5）。

經計算，劉莊礦區A 組煤底板灰巖（石炭系（C） 和奧陶系（O））的地熱儲量為171.17×1016 J，折合標準煤58.48×106 t。（表6、圖6）

3.5 討論

本次研究工作施工的驗證孔雖熱儲溫度較高，平均達50 ℃左右，但抽水井口溫度只有30.2 ℃，分析其原因可能有幾下幾方面：

（1）主要含水層段分布于石炭系太原組及奧陶系馬家溝組灰巖中，下部奧陶系灰巖雖偶有溶蝕發育，但其規模均較小且不相互連通，部分又為泥質充填，富水性弱。

（2）熱儲水在向上運移過程中，熱量通過井管向周圍地層擴散，由于單位涌水量小使熱水在沿井管上升時，熱損失相對較大，致井口出水溫度大大低于熱儲層平均溫度。抽水試驗時測得井口出水溫度為29.5 ℃，在抽水試驗結束后繼續抽水23 天以后測得井口出水溫度達30.2℃，雖然出水溫度只升高了0.7 ℃，但也說明了熱水在向上運移過程中熱量通過井管不斷向周圍地層擴散，抽水時間較長時，熱量損失會逐漸減小。

4 結論

（1）研究區熱儲主要為A 組煤底板下灰巖熱儲層，具有典型的熱傳導性層狀熱儲特征，估算地熱資源儲量為171.17×1016 J，折合標準煤58.48×106 t。

（2）研究區A 組煤底板灰巖熱水屬于深層地下古水，由于驗證孔所在區域補給條件差，單井涌水量較小，雖熱儲溫度較高，但孔口溫度較低，單井無開采利用價值，但并不能代表整個劉莊礦區A 組煤底板灰巖熱儲無開采利用價值。

（3）鑒于研究區地熱資源的特殊性，一般情況下是不會被開采的，但在礦區開采到A 組煤時，為消除水害與熱害影響而采取降水、降溫措施，下部地熱水將會被開采出來，對此建議應通過工作進一步查明A 組煤底板灰巖賦水地帶并進行驗證。對于A 組煤底板灰巖熱儲，應根據當時的技術發展狀況予以合理利用，同時注意加強開采過程中動態監測，避免因水位下降過快對地質環境造成不良影響。

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