范正博

（甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000）

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少，煤礦的開采深度逐漸增加，導(dǎo)致礦井熱害問題日益突出。地溫是礦井熱害的主要因素之一，因此對研究區(qū)地溫方面的研究非常重要。第一可以確定地溫梯度，地溫梯度是指地下溫度隨深度變化的速率，是礦井設(shè)計(jì)和開采的重要參數(shù)。通過對研究區(qū)內(nèi)鉆孔地溫的測量和分析，可以確定地下溫度隨深度變化的規(guī)律，為礦井設(shè)計(jì)和開采提供依據(jù)。第二可以預(yù)測礦井熱害，地溫是引發(fā)礦井熱害的主要因素之一，通過對研究區(qū)地溫的研究，可以預(yù)測礦井開采過程中可能出現(xiàn)的熱害問題，為礦井安全生產(chǎn)提供保障。第三可以優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)，礦井設(shè)計(jì)需要考慮地下溫度的影響，通過對勘查區(qū)地溫的研究，可以優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)，減少礦井熱害的發(fā)生，提高礦井的安全性和生產(chǎn)效率。

新河北部勘查區(qū)位于甘肅省河西地區(qū)張掖市山丹縣山丹-永昌盆地，地處祁連山余脈大黃山北側(cè)、龍首山以南，盆地內(nèi)已生產(chǎn)礦井有花草灘煤礦、東水泉煤礦和平坡煤礦。其中花草灘煤礦和東水泉煤礦均處于花草灘向斜南翼、F1斷層下盤，開采煤層埋深均相對較淺，對地溫研究相對較少。新河北部勘查區(qū)處于F1斷層上盤新河單斜，煤層賦存從南向北逐漸加深。新河北部勘查區(qū)地溫的研究對于后期礦井建設(shè)和煤炭資源的開采具有重要意義，可以為礦井的安全和生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位于柴達(dá)木-華北板塊—祁連早古生代造山帶—河西走廊新生代盆地—山丹-永昌盆地。山丹-永昌盆地劃分了三個次級構(gòu)造單元：山丹凹陷、大黃山凸起、永昌凹陷。根據(jù)基巖地層和含煤地層分布范圍和特征分析認(rèn)為，山丹凹陷及永昌凹陷為含煤地層及煤層賦存的有利地區(qū)，大黃山凸起剝蝕區(qū)內(nèi)，則不利于煤系的賦存，僅在局部凹陷和斷裂構(gòu)造帶殘留有不連續(xù)的條帶狀串珠的太原組煤系分布，自西至東有山丹羊虎溝煤礦、永昌毛卜拉和馬家灣等小煤礦區(qū)分布。

山丹凹陷屬北祁連加里東坳陷帶，整體構(gòu)造形態(tài)呈東西走向的向斜和新河單斜組合，經(jīng)歷了先后多期次的構(gòu)造運(yùn)動，根據(jù)構(gòu)造和賦煤地域特征，分成了山丹背斜、花草灘向斜和新河單斜三個次級構(gòu)造單元。大地構(gòu)造運(yùn)動先后經(jīng)歷了前寒武紀(jì)的阜平運(yùn)動、加里東運(yùn)動、海西運(yùn)動、印支運(yùn)動和喜山運(yùn)動，構(gòu)造運(yùn)動的復(fù)雜性和多期性，造就了各構(gòu)造單元煤系賦存特征差異較大?；ú轂┫蛐辟x存有二疊系及下二疊統(tǒng)太原組煤系，但缺失中生界三疊系、侏羅系、白堊系沉積；山丹背斜缺失古生代及中生代地層；新河單斜則賦存了自古生代至中、新生界地層。

研究區(qū)屬山丹凹陷中的次級構(gòu)造單元新河單斜。研究區(qū)內(nèi)主要含煤地層為下二疊統(tǒng)太原組（P1t），其中煤1-2 層為大部分可采煤層，煤2 層、煤3 層為局部可采煤層，煤層埋深介于0～1500 m，煤層整體傾向北東，煤層厚度0～2.34 m。研究區(qū)內(nèi)及周邊構(gòu)造主要包括山丹背斜、花草灘向斜、新河單斜、龍首山南緣斷裂、F1斷裂、DF2、f12、f23及f22等（其分布位置見圖1）。龍首山南緣斷裂、F1斷裂、DF2、f12、f23及f22等斷裂帶和褶皺帶對研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和煤層分布都有著重要的影響。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖

山丹凹陷內(nèi)近東西走向的背向斜、新河單斜、龍首山南緣斷裂、F1斷裂和DF2斷裂等較大的褶皺、斷裂形態(tài)為地?zé)豳Y源的產(chǎn)生、運(yùn)移和儲存提供了有利條件，對地?zé)豳Y源的勘探和開發(fā)具有重要意義。

2 研究資料與方法

2.1 測溫資料

研究區(qū)內(nèi)共采用13 個測溫鉆孔來獲取地溫?cái)?shù)據(jù)。其中，12 個是簡易測溫孔，1 個是近似穩(wěn)態(tài)測溫孔（ZK101）。近似穩(wěn)態(tài)測溫孔是一種測量地溫的重要方法，即在鉆進(jìn)結(jié)束后，距離第一次測井后時間間隔為12 h、24 h、48 h 和72 h 進(jìn)行4 次測溫，共得到5 組測溫?cái)?shù)據(jù)。12 個簡易測溫孔是在施工結(jié)束后間隔數(shù)小時進(jìn)行測量，采用點(diǎn)測法，在測井前和測井后各測量1 次，共得到1 組測溫?cái)?shù)據(jù)。

綜合以上兩種測量方法，可以初步了解研究區(qū)的地溫分布情況。但是，這只是一個初步了解，未來研究中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集和分析工作，以提高研究區(qū)地溫分布的準(zhǔn)確性和全面性。

2.2 研究方法

2.2.1 恒溫帶溫度及深度的確定

一般認(rèn)為，在鉆孔內(nèi)泥漿停止循環(huán)72 h 以后測得的溫度基本接近圍巖的原始溫度。根據(jù)近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔ZK101 第5 次（即鉆孔內(nèi)泥漿停止循環(huán)72 h 后）測溫?cái)?shù)據(jù)做出地溫與深度關(guān)系圖（圖2），在埋深大于80 m 時，深度與溫度為線性關(guān)系，埋深60 m 以上觀測溫度偏離了該直線，結(jié)合其余簡易測溫鉆孔數(shù)據(jù)，初步確定研究區(qū)恒溫帶深度為70 m[1]。對ZK101 在間隔72 h 以后（即第5 次測溫）測量60 m 和80 m 兩處溫度取算術(shù)平均值，即為恒溫帶溫度。故確定研究區(qū)恒溫帶的深度為70 m，溫度為12.85 ℃。

圖2 研究區(qū)近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔地溫與深度關(guān)系圖

2.2.2 孔底測量溫度的校正

簡易測溫是在鉆進(jìn)工作結(jié)束后，間隔數(shù)小時進(jìn)行測溫得到的溫度數(shù)據(jù)。泥漿停止循環(huán)時間較短，所測溫度與原始圍巖自然溫度有一定差異，需要對其進(jìn)行校正。經(jīng)校正后所得井底溫度能夠近似原巖的井底溫度。

一般認(rèn)為，鉆孔第1 次測井后72 h（第5 次）測量的溫度，非常接近原始地層的真實(shí)溫度，所以把400 m 至井底這一深度完孔后即測的地溫?cái)?shù)據(jù)與第1 次測井后72 h 所測地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可求得孔底巖層溫度校正系數(shù)[2]。通過計(jì)算，研究區(qū)鉆孔底部巖層溫度校正系數(shù)為94.13%，由此可計(jì)算出各簡易測溫鉆孔底部巖層的校正溫度。

2.2.3 地溫梯度的計(jì)算方法

地溫梯度是指地球內(nèi)部溫度隨深度變化的速率，地溫梯度是地球內(nèi)部熱傳導(dǎo)的結(jié)果，其大小取決于地球內(nèi)部的熱流量和熱導(dǎo)率等因素。地溫梯度的大小對地?zé)豳Y源的勘探和開發(fā)具有重要的影響。通常情況下，地溫梯度越大，地?zé)豳Y源的溫度也越高，開發(fā)利用的可能性也越大。對地溫梯度的認(rèn)識和研究有助于深入了解地球內(nèi)部的熱力學(xué)過程和地?zé)豳Y源的分布規(guī)律，為地?zé)豳Y源的勘探和開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。因此，在地?zé)豳Y源的勘探和開發(fā)中，需要對地溫梯度進(jìn)行精確的測定和分析。研究區(qū)地溫梯度即為鉆孔深度每增加100 m 地溫變化的數(shù)值。即：

式中：H為測溫點(diǎn)的深度，m；T為校正溫度，（℃）；G為地溫梯度值，℃/hm[3]。研究區(qū)13 個鉆孔地溫梯度值見表1。

表1 各鉆孔地溫梯度和煤3 層底板溫度統(tǒng)計(jì)表

3 地溫場分布特征

3.1 地溫的分布特征

根據(jù)鉆孔底部巖層溫度校正系數(shù)對簡易測溫孔孔底溫度進(jìn)行校正，整理數(shù)據(jù)可得鉆孔深度與地溫的關(guān)系如圖3。

圖3 研究區(qū)鉆孔深度與地溫關(guān)系圖

由圖2、圖3 可知，在垂直方向上，研究區(qū)內(nèi)地層溫度與埋深呈正相關(guān)，具有明顯的線性關(guān)系和較好的擬合度，反映了傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)[4]。在平面上，根據(jù)鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)可以得出，以埋深600 m 為例，ZK501 地溫高達(dá)31.66 ℃，而ZK401 為26.24 ℃，相差5.42 ℃，其中ZK702 為26.67 ℃，ZK602 為27.30 ℃，其余鉆孔地溫均高于28.37 ℃。這種同一埋深地溫差值較大的現(xiàn)象，表明在控制地溫的主導(dǎo)因素地層深度之外，還存在著其他因素的影響。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算（表1）得出煤3 層底板在研究區(qū)的南部屬地溫正常區(qū)（＜31 ℃），中部為一級熱害區(qū)（31～37 ℃），北部為二級熱害區(qū)（＞37 ℃）。

3.2 地溫梯度的分布特征

研究區(qū)內(nèi)近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔ZK101 地溫梯度與深度關(guān)系如圖4。

圖4 研究區(qū)近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔地溫梯度與深度關(guān)系圖

由圖4 可知，ZK101 在80～360 m 地溫梯度值與埋深呈負(fù)相關(guān)性，并且數(shù)值較為分散；360 m、380 m 和400 m 三處測溫點(diǎn)地溫梯度相同，均為3.05℃/hm；超過400 m 以后地溫梯度值變化幅度較小。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)13 個鉆孔的測溫資料（表1），統(tǒng)計(jì)恒溫帶下地溫梯度介于2.48～3.62 ℃/hm，平均3.08 ℃/hm，5 個鉆孔地溫梯度值小于3 ℃/hm（其中ZK101 孔地溫梯度值為2.99 ℃/hm，ZK901 孔地溫梯度值為2.95 ℃/hm），8 個鉆孔地溫梯度值大于3 ℃/hm。在平面分布來看，研究區(qū)整體地溫梯度值偏高。研究區(qū)大部分屬地溫異常區(qū)，這充分說明研究區(qū)整體地溫異常與區(qū)域構(gòu)造分布特征存在密切聯(lián)系。

4 地溫場的影響因素

根據(jù)相關(guān)研究成果，影響地溫場分布的因素主要包括地質(zhì)構(gòu)造、巖性變化、地下水活動和早期巖漿活動。初步分析研究區(qū)的地溫場分布特征，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)地溫場的主要影響因素為地質(zhì)構(gòu)造，其次為巖性變化，局部地溫梯度值較低，與研究區(qū)整體分布特征不合，不排除為地下水因素的影響。

4.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動是地球內(nèi)部發(fā)生的一種強(qiáng)烈的運(yùn)動，可以形成褶皺、斷裂等多種構(gòu)造形態(tài)，改變巖層的產(chǎn)狀，引起巖石熱物理性質(zhì)在水平方向和垂直方向的變化。同時，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動還會引起地球深處的熱能進(jìn)行再分配，從而改變地下的溫度分布，形成不同的地溫場。深部斷裂有利于深部熱流向上運(yùn)移，導(dǎo)致圍巖溫度升高，出現(xiàn)地溫?zé)岙惓！?/p>

經(jīng)過研究分析，研究區(qū)地溫場的分布與斷層有密切關(guān)系，研究區(qū)位于F1逆斷層和DF2逆斷層之間，北側(cè)有龍首山南緣深大斷裂。龍首山南緣斷裂是祁連造山帶與阿拉善地塊的分界斷裂，該斷裂呈北西西向展布，為大型右行走滑斷層。F1逆斷裂為區(qū)域性斷層，形成時代喜山期，屬走向逆掩斷層，沿勘查區(qū)南緣呈走向NWW 展布。DF2走向逆斷層為電法控制的全隱伏斷層，該斷層位于勘查區(qū)北部，呈走向NWW 向展布。研究區(qū)東側(cè)有f12，西側(cè)則為f22和f23。研究區(qū)為一獨(dú)立構(gòu)造單元，四周以斷層為界線，地溫整體偏高，因此，影響研究區(qū)地溫場的主導(dǎo)因素為地質(zhì)構(gòu)造。

4.2 巖性變化

巖性變化能改變地溫場分布的根本原因：不同巖性其熱導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)性能不盡相同[5]。普遍情況下，巖石粒度越小，越緊密，導(dǎo)熱性能越好，其間熱能的傳遞速度越快，相應(yīng)該段的地溫梯度值越小。

根據(jù)ZK101 鉆探數(shù)據(jù)可知，中侏羅統(tǒng)新河組（J2x）和中間溝組（J2z）埋深0.0～184.0 m，上二疊統(tǒng)窯溝群（P3yg）埋深為184.0～420.5 m，中二疊統(tǒng)大黃溝組（P2d）埋深420.5～632.5 m，超632.5 m為下二疊統(tǒng)太原組（P1t）地層。中侏羅統(tǒng)地層上部巖性主要為砂巖和砂礫巖為主，夾泥巖、粉砂巖和薄煤層；中侏羅統(tǒng)地層下部為勘查區(qū)次要含煤地層，巖性主要為細(xì)粒砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，夾中粒砂巖和煤層。中、上二疊統(tǒng)的巖性主要為中砂巖為主，下二疊統(tǒng)地層巖性以細(xì)砂巖為主，由淺到深下二疊統(tǒng)地層巖性中粉砂巖、泥巖厚度增大。粉砂巖、泥巖和煤層熱傳導(dǎo)性能良好，使熱能可以在其間快速傳遞，從而使地溫梯度值偏小。

圖4 表 明， 近 似 穩(wěn) 態(tài) 測 溫 鉆 孔ZK101 在80～360 m 地溫梯度值與埋深呈負(fù)相關(guān)性，并且數(shù)值較為分散；超過400 m 以后地溫梯度值變化幅度較小。ZK101 地溫梯度的變化與巖性的變化基本一致。

4.3 地下水活動

地下水的活動，可以運(yùn)移熱量，使圍巖溫度發(fā)生變化。如地下水是由淺向深運(yùn)移的冷水，在向深部流動的過程中會吸收圍巖的熱能，從而會降低圍巖的溫度；如是由深向淺運(yùn)移的熱水，則會使淺部圍巖溫度增高，起增溫作用。目前，研究區(qū)對地下水活動的研究程度不夠，研究區(qū)部分鉆孔地溫值較低不排除地下水影響造成的結(jié)果。

5 結(jié)論

1）根據(jù)鉆孔地溫測量成果顯示，研究區(qū)地溫梯度值介于2.48～3.62 ℃/hm 之間，研究區(qū)大部分屬高溫異常區(qū)。

2）根據(jù)研究區(qū)內(nèi)13 個鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)可知，研究區(qū)煤3 層底板溫度介于28.53～45.66 ℃之間。研究區(qū)南部屬地溫正常區(qū)（＜31 ℃），中部為一級熱害區(qū)（31～37 ℃），北部為二級熱害區(qū)（＞37 ℃）。在未來礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，應(yīng)采用科學(xué)合理的方法降低礦井溫度。

3）研究區(qū)整體地溫梯度值較高。影響研究區(qū)地溫場的主導(dǎo)因素為地質(zhì)構(gòu)造，其次為巖性變化。