淮南煤田地熱地質(zhì)特征分析：以顧北煤礦為例

穆金霞

(中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056004)

地熱資源是一種珍貴的天然資源，尤其是對于能源日益短缺的現(xiàn)今而言，其重要性不言而喻[1]。在地熱地質(zhì)方面對于淮南煤田做了詳細調(diào)查研究，研究表明淮南煤田地熱的形成與巖性變化密切相關(guān)[2-3]，本文結(jié)合實際情況，就顧北煤礦地熱地質(zhì)條件進行了初步研究。

1 地熱地質(zhì)特征

顧北煤礦地形相對平坦，蓋層厚度大，且斷裂構(gòu)造較發(fā)育[4-5]，燕山期由于巖漿巖的層狀侵入，使顧北、顧橋、潘集等礦井出現(xiàn)地溫異常[6]，經(jīng)由綜合性分析可得知顧北煤礦具有形成層狀地熱的地質(zhì)背景條件。

1.1 蓋層

顧北煤礦新生界覆蓋于二疊紀煤系之上，厚390.35～509.10 m之間。整體上呈東南地層薄，西北相對較厚。區(qū)內(nèi)松散層自上而下可分為三個蓋層。

1) 第四系(Q)。地層一般厚116 m，主要巖性由上至下為：上部26 m以細粉砂為主，中部25 m為砂質(zhì)黏土，下部65 m以中細砂為主，且多被泥質(zhì)充填，地層具有良好的隔水保溫性能，視為隔水層。

特殊的巖性特征決定了此地層的弱透水性，而且熱導率較低，這有效地避免了地熱能的大量散失，該層組成了地熱儲熱層良好的保溫隔熱層。

1.2 熱儲層

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，淮南煤田熱儲層即晚第三紀砂層熱儲和古生代奧陶系灰?guī)r、太原組灰?guī)r熱儲。

顧北煤礦熱儲層主要由第四系下伏第三系中新統(tǒng)砂層、石炭系太原組灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r構(gòu)成。

1) 上第三系中新統(tǒng)砂巖裂隙含水層。層厚0.20～74.35 m，平均22.45 m。底界埋深390.35～509.10 m，平均462.09 m。含水層(組)主要成分為淺灰色粉、細砂層且間夾紫紅色砂礫層、礫石層、黏土礫石。q=0.524～1.935 L/(s·m)，富水性中等～強，水溫28～31 ℃。

2) 石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層。層厚81.48～114.00 m，平均103.00 m。由灰?guī)r、泥巖、粉砂巖和薄煤層組成，漏水點出現(xiàn)在F86以北的次級隆起帶和F104以南的斷層周圍。單位涌水量q為0.00674～0.09 L/(s·m)，為弱富水性。

3) 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。最大厚度109.16 m，由白云質(zhì)灰?guī)r、鋁土團塊組成，q為0.113 L/(s·m)，富水性中等。奧陶系與上覆石炭系呈不整合接觸，說明地表曾有古巖溶發(fā)育，若巖溶沿不整合面大幅度延伸，則此不整合面為深部巖溶水富集區(qū)[6]。

1.3 地熱導水通道

地熱的主要導水通道為斷裂和次生斷裂[7]。顧北煤礦內(nèi)發(fā)育走向北北西和北西為主的F104、F86、F211、F94、F92斷層[8]，其中F86斷層處于顧北煤礦北部邊界，走向北東東至近東西，傾向南東至南，傾角55～70°，落差25～76 m，走向長度在礦井內(nèi)2.5 km，向東延入顧橋煤礦，切割主要煤系地層；F211斷層處于煤礦南部邊界，走向北西，傾向南西，傾角50～70°，落差8～63 m，走向長度在礦井內(nèi)6 km，切割至奧陶系地層；F92～F104斷層組位于煤礦中部，均為落差大于50 m的大斷層，且發(fā)育至奧陶系地層(圖1)。由于受采動影響，破壞了壓力平衡，斷層裂隙發(fā)育成為地熱的重要導水通道。并且在斷層切割地段，會發(fā)育圍巖裂隙，尤其在煤層與灰?guī)r接觸地段，將成為誘發(fā)突水的主要原因。

圖1 礦井地質(zhì)剖面略圖Fig.1 Sketch of mine geological profile

2 地溫場測溫方法分析

地溫場的研究方法通常為鉆孔系統(tǒng)測溫方法和數(shù)值模擬。

2.1 鉆孔系統(tǒng)測溫方法

鉆孔系統(tǒng)測溫方法是指在收集資料的基礎(chǔ)上，先對數(shù)據(jù)進行校正處理，然后計算地溫梯度值，最后進行預測。這種方法具有計算簡單的優(yōu)點。

2.1.1 恒溫帶的深度與溫度

根據(jù)淮南九龍崗礦長期觀測的鉆孔資料以及其他大量統(tǒng)計資料可知,淮南煤田恒溫帶深度h0為30 m，溫度T0為16.8 ℃[9-10]。

2.1.2 地溫梯度計算及分析

本次研究地溫梯度的求取公式見式(1)。

T=G(h-h0)+T0

(1)

式中：G為測溫鉆孔平均地溫梯度，℃/hm；T為某點的溫度，℃；T0為恒溫帶溫度，℃；h為某點的深度，m；h0為恒溫帶深度，m[11]。

對顧北煤礦內(nèi)選取25個鉆孔進行測溫，根據(jù)式(1)計算得出各個測溫點的地溫梯度(表1)，最小值為2.49 ℃/hm(九1孔)，最大值3.64 ℃/hm(七1孔)，平均值為3.02 ℃/hm?；茨厦禾锏販靥荻戎底兓秶鸀?.70～4.78 ℃/hm，眾值在2.50～3.50 ℃/hm之間[12]，顧北煤礦各個測溫點的地溫梯度在這一區(qū)域背景值范圍內(nèi)。由圖2可以看出，煤礦中部的F92～F104斷層組附近地溫梯度值均<3.0 ℃/hm，南北兩側(cè)地溫梯度值均≥3.0 ℃/hm，說明在煤礦中部存在地溫異常?？傮w來說，顧北煤礦的地溫梯度表現(xiàn)為中部F92～F104斷層組低，向南北兩側(cè)逐漸增高，地溫呈馬鞍形分布。

表1 顧北煤礦測溫資料統(tǒng)計表Table 1 Statistical chart of temperature measurement data of Gubei coal mine

圖2 顧北煤礦構(gòu)造綱要圖及現(xiàn)今地溫梯度分布Fig.2 Structure outline map and the distribution of current geothermal gradient in Gubei coal mine

2.2 地溫數(shù)值模擬

在恒溫帶以下的增溫帶中，地溫的變化主要受兩個因素影響：①巖石傳導至地殼表層幔源熱；②地殼內(nèi)放射性元素衰變產(chǎn)生的熱。地溫不隨時間變化，形成一個穩(wěn)態(tài)的地溫場。地溫場的成因機制包括傳導型、對流型、高溫熱源型和放射性熱源型四類[13-14]，據(jù)已掌握的資料，本區(qū)地層不存在放射性元素大量富集的情況，雖曾經(jīng)發(fā)生過巖漿巖活動，但由于時間太長，巖漿余熱散失殆盡，所以不屬于放射性熱源型和高溫熱源型；ANSYS二維有限元正適合熱傳導型問題的研究，若考慮對流型因素，可以在原有模型基礎(chǔ)上，增加熱對流載荷；ANSYS二維有限元，可根據(jù)具體需要靈活劃分網(wǎng)格，并且還能根據(jù)巖性熱導率，在軟件中定義各種類型材料性能的參數(shù)，是一種能夠真實反應(yīng)地溫場的模擬方法[15]。本次采用軟件ANSYS 10.0版進行數(shù)值模擬。

本次研究的穩(wěn)態(tài)地溫場采用Laplace熱傳導公式(式(2))計算[13]。

(2)

式中：T為溫度，℃；k為熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；x、y、z為三維空間坐標，m。

地溫數(shù)值模擬的本質(zhì)就是把計算范圍內(nèi)的連續(xù)點分成控制點，然后求出控制點的溫度值和熱流，當控制點的間距小且個數(shù)多時，越靠近真實熱流值和溫度值[16]。

2.2.1 創(chuàng)建二維有限元模型

1) 對顧北煤礦地層進行分析。顧北煤礦地層由上至下為第四系、新近系、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組，巖性主要為細砂巖、粉砂巖、黏土、中粗砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖等，詳細情況見圖3，在顧北煤礦內(nèi)共布置四條穿過F92～F104斷層組的勘探線(圖4)，其中選取B-B’勘探線作為典型斷面進行數(shù)值模擬。以鉆孔資料為基礎(chǔ)，按照關(guān)鍵點的方式，成比例創(chuàng)建模型。在建立與地層相對應(yīng)的單元時，參考煤礦內(nèi)中部F92～F104斷層組等地質(zhì)因素的影響。

圖3 顧北煤礦地層柱狀略圖Fig.3 Pillar sketch of strata in Gubei coal mine

圖4 顧北煤礦鉆孔勘探線布置及控制點圖Fig.4 Layout of borehole exploration line and control point chart in Gubei coal mine

2) 單元類型及材料熱性能參數(shù)。顧北煤礦的數(shù)值模擬，屬于傳導型的穩(wěn)態(tài)地溫場，采用PLANE55單元類型進行模擬。根據(jù)收集的鉆孔地層資料，計算得出礦井內(nèi)巖性熱導率值平均值為2.25 W/(m·K)(表2)，并且參考淮南煤田大地熱流表(表3)[10]的巖性熱導率值，淮南煤田平均熱導率值2.36 W/(m·K)，將顧北煤礦地層劃分成10種不同的材料，并且把這10種材料性能參數(shù)添加到與之相匹配的地層單元中。

3) 劃分網(wǎng)格。因顧北煤礦的不規(guī)則性，所以本次采用自由網(wǎng)格方法進行劃分。

2.2.2 邊界條件

研究地熱的邊界條件分三類[13]：①給定下邊界的熱流值；②給定上邊界的溫度值；③給定四周邊界的熱交換系數(shù)。

本次主要研究熱傳導型問題，并且尚未發(fā)現(xiàn)其他異常熱源，因此不考慮第三類邊界條件。根據(jù)顧北煤礦的情況分析，該礦屬于第一類和第二類邊界條件，即下邊界熱流值和上邊界恒溫帶的溫度和深度。下邊界熱流值即淮南區(qū)域大地熱流值，根據(jù)淮南煤田大地熱流表(表3)[10]，下邊界平均熱流值為65.21 mW/m2，確定熱流值后在模型下方施加相應(yīng)的載荷；上邊界溫度值即淮南煤田恒溫帶深度30 m，溫度16.8 ℃[8-9]，以面載荷形式在模型上方施加溫度載荷。

2.2.3 求解與后處理

在創(chuàng)建二維有限元模型、設(shè)置材料熱性能參數(shù)、劃分網(wǎng)格和施加載荷完成后進行求解[15]，得出地溫分布圖和熱流矢量圖(圖5)以及地溫梯度值(表4)。模擬結(jié)果表明：剖面圖5(a)中，大地熱流明顯向礦井中部偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了熱流再分配；剖面圖5(b)中，等溫線呈上凸趨勢，說明顧北煤礦同一深度上部地層的地溫高于底部，并且數(shù)值模擬計算得出的平均地溫梯度值3.00 ℃/hm(表4)與煤礦內(nèi)鉆孔測溫的平均地溫梯度值3.02 ℃/hm基本一致，說明本次采用軟件ANSYS數(shù)值模擬方法對地溫場研究是合適的。

2.2.4 地溫場分布特征

在數(shù)值模擬得到的勘探線與等溫線的交線上讀出控制點的地溫值，每兩條剖面線之間和兩側(cè)剖面線之外的地溫梯度根據(jù)變化趨勢采用插值的辦法確定[17]，運用式(1)計算出煤礦的溫度，插值連成溫度等值線，即礦井地溫等值線圖(圖6)。由圖6可知，以F92～F104斷層組為界，向南北兩側(cè)地溫逐漸增高，局部達到80 ℃以上，呈馬鞍形分布。

表2 顧北煤礦鉆孔巖性熱導率Table 2 Lithological thermal conductivity of collected boreholes in Gubei coal mine

表3 淮南煤田大地熱流值匯總表Table 3 The heat flow data of Huainan coalfield

表4 模擬勘探線控制點的地溫梯度值Table 4 The geothermal gradient of the section control point

圖5 B-B’模擬剖面地溫和熱流矢量圖Fig.5 B-B’ vector diagram of ground temperature and heat flux

3 巖性對現(xiàn)今地溫場的影響

淮南煤田巖性的熱導率值各不相同，這是由巖石本身的成分決定的[18-19]。顧北煤礦新老地層的巖性差異較大，新生界地層巖性以黏土和礫石為主，熱導率低，而地溫梯度值較高；二疊系地層巖性以泥巖和砂巖為主，熱導率高，地溫梯度值低；石炭系煤系地層中煤層的熱導率中等。

松散層既能起到增溫作用又有保溫功能[20-21]。松散層厚度越大，保溫增溫效果越好，地溫梯度就會越大。顧北煤礦松散層厚度在500 m左右，為煤礦主要的蓋層。由圖7可知，煤礦內(nèi)松散層厚度與地溫梯度分布關(guān)系密切，松散層厚度呈南北厚中間薄的規(guī)律，地溫梯度分布呈南北高中間低，總體來說松散層厚度與地溫梯度均呈馬鞍形分布。

圖6 顧北煤礦地溫等值線圖Fig.6 Geothermal distribution map of base top in Gubei coal mine

圖7 顧北煤礦松散層厚度與地溫梯度分布圖Fig.7 The distribution of loose layer thickness and geothermal gradient in Gubei coal mine

4 結(jié) 論

1) 顧北煤礦內(nèi)地溫場的研究采用鉆孔系統(tǒng)測溫和二維有限元數(shù)值模擬兩種方法。采用系統(tǒng)測溫計算得出地溫梯度值為2.49～3.64 ℃/hm，平均值3.02 ℃/hm，總體表現(xiàn)為南北高、中間低，呈馬鞍形分布；采用二維有限元數(shù)值模擬方法，對煤礦內(nèi)大地熱流傳導及地溫場進行了模擬。結(jié)果表明，大地熱流在礦井中部進行了重新再分配，數(shù)值模擬的平均地溫梯度3.00 ℃/hm與系統(tǒng)測溫平均地溫梯度3.02 ℃/hm基本吻合，并且繪制了礦井地溫等值線圖。

2) 顧北煤礦內(nèi)松散層厚度與地溫梯度分布關(guān)系密切，均為F92～F104斷層組處低、南北兩邊高，地溫呈馬鞍形分布。