朱佳

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊 湖南長沙 410000）

地?zé)峥辈熘械販販y試關(guān)鍵技術(shù)分析

朱佳

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊 湖南長沙 410000）

地?zé)崮芸辈鞙y試中存在諸多問題，地?zé)崮芸辈鞙y試缺乏資質(zhì)管理，行業(yè)內(nèi)也沒有專門的部門對其進行管理，測試水平參差不齊。本文根據(jù)以往的工作經(jīng)驗對地?zé)峥辈熘械販販y試關(guān)鍵技術(shù)進行分析，供相關(guān)人士參考。

地?zé)峥辈?；地溫測試；技術(shù)要點

1 引言

地?zé)豳Y源是集礦、熱、水三位一體的綜合資源，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的綠色能源。地?zé)豳Y源是埋于地下的，開發(fā)利用地?zé)豳Y源，首先要勘探清楚地?zé)嵛挥诘叵碌馁x存狀態(tài)，地?zé)醿α看笮〉?。目前，勘探地?zé)岬牡厍蛭锢矸椒ㄓ羞b感技術(shù)、電法勘探、重磁勘探、地溫測量等。本文結(jié)合具體的工程實例對地溫測試技術(shù)分類以及具體的操作方法進行闡述。

2 地溫場監(jiān)測技術(shù)及原理

2.1 地溫場監(jiān)測原理

本次研究地溫場監(jiān)測選用熱電偶作為測溫元件。熱電偶的測溫原理是熱電效應(yīng)，即：將兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)線組成閉合回路，由于熱電效應(yīng)，若導(dǎo)線兩接點的溫度不同，在閉合回路中會產(chǎn)生一個與溫度差相關(guān)的電動勢，即溫差電勢。在閉合回路中串聯(lián)一個毫伏計，就可以通過測量溫差電動勢的大小來推算兩端溫差，從而獲得監(jiān)測端溫度，如圖1所示。

圖1 熱電偶測溫原理

常用熱電偶主要有6種：銅-銅鎳型（T型）、鉑銠10-鉑型（S型）、鉑銠30-鉑銠6型（B型）、鎳鉻-鎳硅型（K型）、鐵-康銅型（J型）、鎳鉻硅-鎳硅型（N型）。其中，T型熱電偶正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金，在0～100℃溫度范圍內(nèi)，在各種熱電偶中準(zhǔn)確度較高，價格適中，因此，本次研究地溫場監(jiān)測工作選用T型熱電偶。

2.2 地溫場常用監(jiān)測方法

根據(jù)監(jiān)測目的、監(jiān)測方法與儀器等客觀條件，地溫場監(jiān)測方法可分為勘探鉆孔測溫法、深孔測溫法、淺鉆孔測溫法。

2.2.1 勘探鉆孔測溫法

該方法可以全面掌握巖層賦存與開采深度范圍內(nèi)的原始地溫場分布情況，是進行區(qū)域地溫普查和井田地溫詳查常用方法。該方法通過打一系列專用的測溫探孔，測量地溫，具有技術(shù)難度大、測定周期長、測定成本較高等特點。

2.2.2 井下水平深孔測溫法

該方法利用井下已有工程，在巷道圍巖內(nèi)，通過布置水平探孔進行地溫監(jiān)測。測溫孔長30～40m。在使用該方法時，為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性與準(zhǔn)確性，測溫孔布置要避開地質(zhì)構(gòu)造帶和水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域。該方法具有成本較低、精度較高、施工操作方便等特點。

2.2.3 工作面淺鉆孔測溫法

該方法通過在巷道掘進工作面，開鑿若干測溫淺孔，長1.0～1.5m，然后將測溫探頭或溫度計放入探孔，直接進行地溫測量的一種方法。該方法具有簡單易行、成本低、速度快、精度較高等優(yōu)點。但是，由于受采掘面數(shù)量與位置的限制，其所測數(shù)據(jù)代表性不足。

3 實例探析地?zé)峥辈熘械蜏販y試關(guān)鍵技術(shù)

某煤田在其演化歷史中遭受多期構(gòu)造變形，因此構(gòu)造形態(tài)較復(fù)雜。該區(qū)主要構(gòu)造為古運動時期受南北向應(yīng)力形成的眾多近東西向褶皺、深大斷裂和逆沖推覆構(gòu)造等，煤田中部的背斜是該區(qū)主要的正向褶皺構(gòu)造，其南北2側(cè)均為推覆構(gòu)造構(gòu)成的迭瓦扇。該井田總體構(gòu)造形態(tài)為一連續(xù)的北西向背、向斜，為復(fù)向斜的次級褶皺，南北2側(cè)被一組北西向逆斷層切割。

3.1 監(jiān)測設(shè)備

本次地溫場監(jiān)測選用手持式金達通6801Ⅱ型溫度表，該設(shè)備采用CPU控制，可靠性強，采樣速度快，自動溫度補償，可選擇℃/℉/K等溫度單位，監(jiān)測范圍-50～1300℃，-58.0～2370.0℉。分辨力 0.1℃/0.1℉。

3.2 地溫數(shù)據(jù)獲取

本文所用的地溫資料來源于37口井84個層段的地層溫度測試。其中包括尖山隆起帶8口井13個測點、斷階帶11口井25個測點、靠山凹陷17口井46個測點。在這37井口中，有23口井鉆達基巖。

3.3 地溫梯度計算

地溫梯度是指恒溫層以下地溫隨深度的增加幅度，常以每百米垂直深度上增加的溫度數(shù)表示。據(jù)前人研究，斷陷恒溫帶的深度為25m，恒溫帶溫度為10℃。按如下公式進行計算：

可計算出每口井恒溫帶至測溫點的地溫梯度。在計算過程中，同一口井的地溫梯度數(shù)值取本井計算得到的最高值。如果測點位于基巖內(nèi)部，則此測點的數(shù)據(jù)不參與計算。反之，利用每口井的地溫梯度即可估算出本井在不同深度下的地溫值（T，℃），即：

式中：G為地層梯度，℃/100m；Z和Z0分別為測溫點和恒溫帶的垂直深度，m；T和T0分別為測溫點和恒溫帶的溫度，℃。

3.4 地溫數(shù)據(jù)處理

3.4.1 簡易測溫數(shù)據(jù)

在鉆孔測溫工作中，由于近似穩(wěn)態(tài)測溫耗時長、操作復(fù)雜，一般采用的都是簡易測溫。其數(shù)據(jù)在利用時與近似穩(wěn)態(tài)測溫資料不同，需要根據(jù)附近近似穩(wěn)態(tài)孔熱恢復(fù)規(guī)律進行相應(yīng)的校正。本次研究采用“三點法”對簡易測溫數(shù)據(jù)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”。與地面鉆孔測溫相比，井下實測地溫數(shù)據(jù)因受擾動程度小、熱平衡時間短，更能精確地反映巖層溫度。本次利用淺鉆孔測溫法在改井田開展了井下巷道圍巖溫度的實測工作，測溫結(jié)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(jié)果的可靠性。

表1 井下測溫結(jié)果表

3.4.2 地溫梯度的分布特征

在近似穩(wěn)態(tài)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(xiàn)出良好的線性關(guān)系，為傳導(dǎo)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400m以淺，地溫梯度分布較為離散，呈逐漸變小的趨勢；當(dāng)深度至400m以下時，地溫梯度變化較小，在2.6～3.4℃/HM之間，低于400m以淺的地溫梯度值。在平面上，該井田現(xiàn)今地溫梯度介于1.7～3.8℃/HM之間，平均2.83℃/HM，略高于相鄰西井田2.78℃/HM的地溫梯度值，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以上向北到斷層附近地溫梯度減小至2.2以下，部分地區(qū)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(qū)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(qū)域達3.6℃/HM以上，至井田東端地溫梯度減小至2.4℃/HM以下?？傮w上，該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(xiàn)為南高北低、東高西低的特點。

圖2 井田系統(tǒng)連續(xù)測溫曲線

3.5 地溫場模型

本次研究，根據(jù)改井田深部實際開采狀況，采用三維通風(fēng)管理軟件Venom，建立三維可視化通風(fēng)仿真模型，并且進行熱模擬。將井田地表高程、地溫梯度等熱模擬參數(shù)，輸入通風(fēng)模型進行熱模擬計算，得到該井田深部采場原巖地溫場分布狀態(tài)圖，如圖4所示。由此可知，隨著井田開采深度的增加，地溫不斷升高，-587m中段以下的巷道工程圍巖地溫都在27℃以上，其中，-827m中段巷道工程圍巖地溫達到30.5℃。我國《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫監(jiān)測若干規(guī)定》指出：原始巖溫高于31℃的地區(qū)為一級熱害區(qū)，原始巖溫高于37℃的地區(qū)為二級熱害區(qū)。由此可見，該井田深部開采熱害開始顯現(xiàn)，隨著開采深度的增加，高溫地?zé)釋窈缶锷a(chǎn)有更大的影響。

圖3 井田現(xiàn)今地溫梯度-深度關(guān)系圖

圖4 地溫場模型

4 結(jié)束語

在我國，隨著淺部礦體資源的不斷開采，采礦逐步向深井發(fā)展，礦井地溫場溫度越來越高，工作面氣象條件逐漸惡化。在深井礦體開采過程中，高濕高熱的工作環(huán)境，使工人容易疲勞，降低工作效率，增加各類傷亡事故的發(fā)生概率，嚴(yán)重?fù)p害礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益與社會效益。因此，進行深井地溫場監(jiān)測技術(shù)及分布規(guī)律研究，不但是劃分礦井熱害等級的重要參數(shù)，還是深井熱害治理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，更是進行深井開采的前提條件。

[1]李建華.淺層地?zé)崮芸辈鞙y試技術(shù)在地源熱泵建設(shè)中的應(yīng)用[J].建筑施工，2013，35（11）：1018～1020.

[2]田春艷.廣東省中高溫地?zé)豳Y源勘查與開發(fā)利用建議[J].地下水，2012（4）：61～63.

[3]司士榮.“十二五”中國中低溫地?zé)岚l(fā)電關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用前景研討會在京召開[J].地?zé)崮埽?011（1）：28～29.

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A

1004-7344（2016）23-0174-02

2016-7-15

朱佳（1988-），男，本科，主要從事水紋水資源工程等工作。