淮南煤田現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征及熱儲(chǔ)分析

彭 濤，孫建鋒，劉凱祥，吳基文

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

淮南煤田位于安徽省北部，區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地，也是華東地區(qū)重要的煤炭資源供應(yīng)地。但隨著開(kāi)采深度的增大，地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，高溫問(wèn)題突出，煤礦研究領(lǐng)域越來(lái)越關(guān)注礦區(qū)的地溫和地?zé)嵫芯抗ぷ鱗1-4]?；茨厦禾锏臒醿?chǔ)量非常可觀，針對(duì)該區(qū)地?zé)崂幂^少和井下低溫地?zé)豳Y源浪費(fèi)等現(xiàn)象，對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析利用前景是十分必要的[5-7]。

本次研究在系統(tǒng)收集和整理淮南煤田各類地面鉆孔井溫測(cè)井和相關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合井下巷道圍巖溫度測(cè)試結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)今地溫場(chǎng)分布特征，對(duì)探索深部地溫的分布規(guī)律和礦井熱害防治工作都有重要的意義[8-9]；通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)淮南煤田的地?zé)崮軆?chǔ)量，為進(jìn)一步開(kāi)展地?zé)岬刭|(zhì)工作提供了科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

淮南煤田地處華北型的中朝準(zhǔn)地臺(tái)石炭～二疊系聚煤區(qū)的東南部(見(jiàn)圖1)，位于魯西斷隆和華北斷坳二級(jí)構(gòu)造區(qū)內(nèi)，北接蚌埠隆起，南以老人倉(cāng)——壽縣斷層與合肥中生代坳陷相鄰，東西分別受限于口孜集斷層和固鎮(zhèn)長(zhǎng)豐斷層，南北位于近EW向的劉府?dāng)嗔押屠先藗}(cāng)～壽縣斷層之間[10]。本區(qū)構(gòu)造走向主要為兩組，一組是在古運(yùn)動(dòng)時(shí)期受到南北向的應(yīng)力形成眾多近東西向的褶皺、深大斷裂和逆沖推覆構(gòu)造等[11-12]，盆地南北兩側(cè)均為推覆構(gòu)造構(gòu)成的迭瓦扇；另一組是與郯廬斷裂近于平行的北東向構(gòu)造?；茨厦禾镆愿辐P推覆構(gòu)造為界分為潘謝礦區(qū)和謝李礦區(qū)。

2 淮南煤田現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征

本文以淮南煤田兩個(gè)分礦區(qū)內(nèi)22個(gè)煤礦井田為研究對(duì)象，分別為潘謝礦區(qū)的潘集一礦、潘一東礦、潘集二礦、潘集三礦、潘北礦、朱集西礦、朱集礦、丁集礦、顧橋礦、張集礦、謝橋礦、劉莊礦、口孜東礦、口孜西礦、板集礦、楊村礦(圖1中分別編號(hào)1～16)和新謝礦區(qū)的羅園礦、新集一礦、新集二礦、新集三礦、新莊孜礦、謝一礦(圖1中分別編號(hào)17～22)。以上礦井幾乎包含了淮南煤田所有的生產(chǎn)和在建礦井，所以可以系統(tǒng)全面的分析淮南煤田現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征。

本次研究共獲取了650個(gè)鉆孔的井溫測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，其中近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫孔69個(gè)、簡(jiǎn)易測(cè)溫孔509個(gè)、瞬時(shí)測(cè)溫孔72個(gè)。近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)一般在完井72h以后測(cè)得，井液和巖石的溫度已經(jīng)基本達(dá)到平衡，所測(cè)數(shù)據(jù)能客觀地反映地層的真實(shí)溫度，因此其數(shù)據(jù)可直接使用。但在實(shí)際鉆孔測(cè)溫工作中，由于近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫工作操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，所以一般采用的都是簡(jiǎn)易測(cè)溫或瞬時(shí)測(cè)溫，這兩種方法的結(jié)果不能像近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫資料一樣直接使用，本文均利用“三點(diǎn)法”對(duì)非近似穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正，利用校正后的地溫?cái)?shù)據(jù)分析地溫場(chǎng)特征。

2.1 現(xiàn)今地溫梯度分布特征

根據(jù)地溫?cái)?shù)據(jù)和相關(guān)方法得出淮南煤田現(xiàn)今地溫梯度分布圖(見(jiàn)圖1)。區(qū)內(nèi)地溫梯度值普遍較高，變化范圍為0.070～0.478℃/km，眾值在0.250～0.350℃/km之間，平均地溫梯度0.290℃/km，且該區(qū)地溫整體高于同處華北板塊東南緣的淮北煤田。

研究區(qū)內(nèi)地溫梯度大于0.3℃/km的高溫異常區(qū)廣泛分布，且高溫區(qū)的分布和陳橋—潘集背斜軸線的走勢(shì)如出一轍，即地溫分布與地層走向具有明顯的一致性，東部為近EW向，中部丁集、顧橋井田為NE向，陳橋、潁上斷層西部又轉(zhuǎn)向近EW向，整體呈倒“S”型分布。首先在煤田東部的潘集礦區(qū)，包括潘一、潘二、潘三、潘北井田和朱集東礦區(qū)東部，平均梯度達(dá)到0.30℃/km，高溫區(qū)呈條帶狀分布，地溫梯度最大值超過(guò)了0.35℃/km；煤田中部的丁集、顧橋、張集、 羅園和新集一、 二井田地溫梯度也均在0.3℃/km以上， 在張集、 顧橋交界處以及新集井田局部達(dá)到 0.35℃/km以上， 特別是在新集一、 二井田， 地溫梯度均值就達(dá)到了0.34℃/km；礦區(qū)東西部的分割線—陳橋潁上斷層，是一個(gè)小范圍的“分水嶺”，其相對(duì)較低的溫度使得此處成為高溫區(qū)的“滯點(diǎn)”，陳橋—潁上斷層以西也分布有大范圍高溫區(qū)，包括楊村井田南部、劉莊井田北部和板集井田，其地溫梯度變化范圍為0.19～0.47℃/km，平均梯度達(dá)到0.296℃/km。

地溫梯度小于0.3℃/km的區(qū)域分布于高溫井田的周?chē)販靥荻榷嘣?.25℃/km左右。需指出，阜鳳推覆構(gòu)造南北地溫差異明顯，阜鳳逆掩斷層以南的地溫梯度值明顯小于北部，特別是在淮南礦區(qū)東南部、淮河以南的謝一礦，平均地溫梯度值只有0.137℃/km。其它井田如羅園和新莊孜，均值也僅為0.227℃/km和0.221℃/km?？傮w上，淮南煤田現(xiàn)今地溫梯度區(qū)域性差異明顯，整體表現(xiàn)為北高南低、東高西低的特征。

此外，在垂向分布上，雖然各個(gè)鉆孔地溫梯度和深度的變化趨勢(shì)基本一致，但是各井田測(cè)溫孔的地溫梯度卻大小不一，且地溫梯度隨深度增加而減小的程度也有所不同，處于背斜軸部或松散層較薄的潘北和丁集井田變化速率明顯較大，相反，處于向斜軸部、松散層覆蓋較厚的朱集井田則相對(duì)較小。

2.2 現(xiàn)今分水平地溫分布特征

為了研究淮南煤田各個(gè)水平的地溫分布情況，同時(shí)為下一步計(jì)算熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量，本文對(duì)淮南煤田的各個(gè)礦井的分水平溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和整理，深部礦井缺少實(shí)測(cè)地溫資料的鉆孔，通過(guò)推算獲取，計(jì)算公式如下

Tx=Ty+G基·H

(1)

式中：Tx為所求深度地溫，℃；Ty為淺部水平地溫，℃；G基為基巖面以下地溫梯度，℃/km；H為增加深度，m。

淮南煤田-500m水平平均地溫為29.96℃，-1 000m水平為41.84℃，-2 000m水平為69.62℃，顯示出溫度與埋藏深度呈明顯的正相關(guān)性。在垂深500m的地層溫度變化范圍不大，高溫區(qū)一般30℃以上；在達(dá)到-1 000m水平時(shí)，各井田平均地溫變化范圍為29.59～48.81℃，除了謝一、新莊孜和羅園礦，區(qū)內(nèi)其它井田幾乎全部達(dá)到了40℃，屬于低溫地?zé)豳Y源中的溫?zé)崴Y源，局部超過(guò)45℃；區(qū)內(nèi)-2 000m水平各井田平均地溫變化區(qū)間為42.27～82.36℃，高溫井田全部達(dá)到了60℃的熱水資源標(biāo)準(zhǔn)，在潘集、顧橋、丁集、新集井田超過(guò)80℃(見(jiàn)圖2)。

總體上，各水平地溫分布受地溫梯度的控制明顯，兩者變化特征基本一致。區(qū)內(nèi)除了新謝礦區(qū)的東南部，其它井田地溫均相對(duì)偏高，尤為突出的是陳橋——潘集背斜軸部及附近井田。

(a)-500m

(b)-1 000m

3 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

3.1 熱儲(chǔ)計(jì)算

本文按規(guī)范[13]要求對(duì)淮南煤田的地?zé)崮軆?chǔ)量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。淮南煤田為沉積盆地型地?zé)豳Y源類型，為熱儲(chǔ)層分布無(wú)限邊界條件。本次熱能量計(jì)算分為熱儲(chǔ)層中熱能總量和可采熱能儲(chǔ)量?jī)煞矫?，前者?guó)內(nèi)常用的方法是熱儲(chǔ)法，后者常用的方法是采收率法[14]。

根據(jù)規(guī)范，2 000m以淺定義為經(jīng)濟(jì)型地?zé)豳Y源，所以，受當(dāng)前開(kāi)采技術(shù)水平限制，本次地?zé)豳Y源計(jì)算深度為2 000m。根據(jù)礦區(qū)勘探資料，2 000m深度范圍內(nèi)可包含奧陶紀(jì)地層以上的所有地層，計(jì)算時(shí)熱儲(chǔ)下限定為奧陶紀(jì)地層。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，晚第三紀(jì)中新統(tǒng)下部砂礫松散層含水層及古生代灰?guī)r含水層水溫能夠滿足低溫地?zé)豳Y源的下限要求，同時(shí)兩含水層均能滿足可利用熱儲(chǔ)的基本條件。因此，淮南煤田熱儲(chǔ)量分為兩大部分進(jìn)行計(jì)算，即晚第三紀(jì)砂層熱儲(chǔ)和古生代奧灰、太灰灰?guī)r熱儲(chǔ)。根據(jù)以上公式和步驟計(jì)算得出淮南煤田熱儲(chǔ)法計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)。

表1 淮南煤田地?zé)醿?chǔ)量表

注：每kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)熱量按7 000kcal計(jì)算。

3.2 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)前景

通過(guò)以上計(jì)算，淮南煤田熱儲(chǔ)層資源總量為2.52×1015kcal，可采熱能儲(chǔ)量為6.31×1014kcal，合標(biāo)準(zhǔn)煤0.9億噸，即可發(fā)電1.80×1011度，按每度電0.5元計(jì)算，具有900億元的潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。根據(jù)兩淮礦區(qū)現(xiàn)有的地?zé)豳Y源現(xiàn)狀，并針對(duì)井下低溫地?zé)豳Y源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象，該區(qū)地?zé)豳Y源利用可分為地?zé)豳Y源的直接利用和井下“余熱”利用。

淮南煤田地?zé)釣楣派鸁醿?chǔ)和晚第三紀(jì)熱儲(chǔ)，多埋深在300m以下，1 000m以淺熱儲(chǔ)溫度最高可達(dá)50℃，屬于溫?zé)崴Y源，1 000m以下深部熱水甚至達(dá)到60℃熱水標(biāo)準(zhǔn)，這些熱儲(chǔ)資源均可直接用于取暖、醫(yī)療、洗浴、溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。

而在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，常伴隨有礦井水和礦井回風(fēng)的產(chǎn)生，礦井水和進(jìn)入礦井的空氣不斷與圍巖進(jìn)行熱交換，并最終達(dá)到平衡，所以礦井水和礦井回風(fēng)的溫度全年基本恒定，受外界氣溫的影響很少，故而是一類穩(wěn)定的較優(yōu)質(zhì)的“余熱”資源，也是一種儲(chǔ)量巨大的可再生低溫?zé)嵩?。如果開(kāi)發(fā)利用，將對(duì)煤礦能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和綠色生態(tài)礦山的建設(shè)具有重要的推動(dòng)作用，并且在一定程度上能夠緩解深部煤礦開(kāi)采的熱害問(wèn)題。煤礦低溫地?zé)豳Y源利用主要有兩大類，其一為井下風(fēng)熱，即巷道風(fēng)溫的利用；其二為井下水熱，即礦井排水水熱資源的利用。目前，河北冀中能源開(kāi)發(fā)研究的礦井低溫?zé)嵩蠢靡言诙鄠€(gè)礦井得到應(yīng)用，并取得了良好效果[15]。淮南煤田地?zé)岱植紡V、儲(chǔ)量大，因此，大力開(kāi)展地?zé)崂脩?yīng)是研究區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。

4 結(jié)論

(1)淮南煤田現(xiàn)今地溫梯度主要介于0.25～0.35℃/km之間，平均地溫梯度為0.29℃/km，高于同處華北板塊東南緣的淮北煤田； 該區(qū)-500m水平平均地溫為29.96℃，-1 000m水平為41.84℃， -2 000m水平為69.62℃，顯示出溫度與埋藏深度具有很好的正相關(guān)性；在-1 000m水平，井田基本全部達(dá)到了40℃中溫?zé)崴蜏氐責(zé)豳Y源資源的標(biāo)準(zhǔn)，在達(dá)到-2 000m水平時(shí)，幾乎全部達(dá)到了60℃熱水資源標(biāo)準(zhǔn)；各水平地溫分布受地溫梯度控制明顯，其變化特征和地溫梯度分布較為相似，整體表現(xiàn)為北高南低、東高西低的特征。

(2)淮南煤田熱儲(chǔ)層資源總量為2.52×1015kcal，可采熱能儲(chǔ)量為6.31×1014kcal，合標(biāo)準(zhǔn)煤0.9億噸，大力開(kāi)展地?zé)嶂苯永煤途碌蜏氐責(zé)豳Y源利用不僅能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，而且將對(duì)煤礦能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和綠色生態(tài)礦山的建設(shè)具有重要的推動(dòng)作用，在一定程度上能夠緩解深部煤礦開(kāi)采的熱害問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭平業(yè).我國(guó)深井地溫場(chǎng)特征及熱害控制模式研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 李紅陽(yáng)，朱耀武，易繼承.淮南礦區(qū)地溫變化規(guī)律及其異常因素分析[J].煤礦安全，2007(11)：68-71.

[3] 王偉光，許光泉，李佩全.丁集礦區(qū)地溫變化規(guī)律及深部熱害預(yù)測(cè)[J].煤礦安全，2010(6)：103-105.

[4] 楊丁丁，王佰順，張翔，等.淮南煤田新區(qū)地溫分布規(guī)律分析及熱害防治[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(7)：94-97.

[5] 劉建功.煤礦低溫?zé)嵩蠢眉夹g(shù)研究與應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(4)：124-128.

[6] 潘國(guó)林.安徽省地?zé)豳Y源特征及遠(yuǎn)景區(qū)劃[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(2)：130-134.

[7] 劉時(shí)彬.地?zé)豳Y源及其開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：10-200.

[8] 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.

[9] 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.

[10] 張泓，鄭玉柱，鄭高升，等. 安徽淮南煤田阜鳳推覆體之下的伸展構(gòu)造及其形成機(jī)制[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003，31(3)：1-4.

[11] 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(dòng)構(gòu)造[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992：5-14.

[12] 琚宜文，衛(wèi)明明，薛傳東.華北盆山演化對(duì)深部煤與煤層氣賦存的制約[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40(3)：390-398.

[13] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范：GB/T 11615-2010[S]//.北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2011：3-45.

[14] 賀曉平.克東縣克東鎮(zhèn)地?zé)釤醿?chǔ)分布特征及資源評(píng)價(jià)[D]. 吉林：吉林大學(xué)，2012.

[15] 韓磊，裴婷.礦井余熱利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2013(5)：36-39.