安徽銅陵獅子山礦區(qū)地溫特征及熱害評(píng)價(jià)

劉志虹

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì)， 安徽銅陵 244033）

0 引言

獅子山礦區(qū)位于銅陵市東南7km，是個(gè)老礦區(qū)，區(qū)內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)了東、西獅子山、老鴉嶺、大團(tuán)山、冬瓜山等銅礦床，目前在其外圍千米以下亦發(fā)現(xiàn)有銅金礦床。本人在收集大團(tuán)山、冬瓜山銅礦床勘探時(shí)的鉆孔測(cè)溫及巖石熱物理性質(zhì)測(cè)試資料的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)地溫特征及熱害問題初步予以評(píng)價(jià)。

1 獅子山礦區(qū)地質(zhì)背景

獅子山礦區(qū)位于淮陽山字形構(gòu)造前弧東翼中部，屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)皺帶，朱村—大通復(fù)向斜次級(jí)褶皺之青山背斜東北段南東翼。礦區(qū)地表出露地層為三疊系中、下統(tǒng)地層，深部鉆孔揭露可見二疊系、石炭系及泥盆系地層。青山背斜呈北東向，淺部背斜形態(tài)明顯，深部漸趨平緩。在-800m以下，兩翼地層傾角僅10°左右。沿走向及傾向方向波狀褶曲發(fā)育，背斜軸面微向南東傾。

本區(qū)三疊紀(jì)晚期上升呈陸，結(jié)束海侵。中晚侏羅紀(jì)開始受燕山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈影響，使中侏羅紀(jì)以前地層發(fā)生褶皺及斷裂，繼而有強(qiáng)烈的中—酸性巖漿侵入，為本區(qū)成礦創(chuàng)造了有利條件。由于礦體賦存于不同層位在垂向上形成“四層樓”，礦體最大埋深達(dá)1000m余。礦體呈似層狀、透鏡狀或彎曲鞍狀。

2 礦區(qū)地溫特征

礦區(qū)地溫調(diào)查的任務(wù)是查清礦山地溫場(chǎng)的形成和地溫分布規(guī)律，確定礦山地溫類型。為礦山設(shè)計(jì)提供綜合利用地?zé)豳Y源及防止礦山熱害的必要數(shù)據(jù)。獅子山礦區(qū)地溫調(diào)查是在大團(tuán)山銅礦床、冬瓜山銅礦床普查勘探的同時(shí)進(jìn)行的，充分利用普查鉆孔進(jìn)行測(cè)溫，并選擇兩個(gè)代表性鉆孔巖心系統(tǒng)采取巖石熱物理參數(shù)樣，取得成果經(jīng)綜合整理，初步查明本區(qū)地溫特征，獲得地溫梯度、熱流值等重要參數(shù)。

2.1恒溫帶深度及溫度

恒溫帶的溫度和深度可以從鉆孔中實(shí)測(cè)得到，從一個(gè)鉆孔中實(shí)測(cè)需要在一年內(nèi)選在1月、4月、7月和10月測(cè)定4次資料。本區(qū)是選ZK501、ZK505、ZK3323、ZK273四個(gè)鉆孔測(cè)得的淺部溫度資料，繪制成曲線圖（圖1），得到恒溫帶深度20m（15～25m），恒溫帶溫度17.55℃略高于本區(qū)多年平均氣溫。

2.2一般地溫

地殼據(jù)溫度變化程度分為三帶，即外熱帶—受太陽輻射熱影響，溫度一年四季都在變化；恒溫帶—溫度一年四季基本不變；內(nèi)熱帶—一般不再受季節(jié)影響，溫度隨深度增加而增加。綜合區(qū)內(nèi)數(shù)十個(gè)鉆孔測(cè)溫資料，本區(qū)地溫一般變化范圍為：標(biāo)高-500m，溫度24～27℃；標(biāo)高-600m，溫度 25.5～28.5℃；標(biāo)高-700m，溫度27.5～31.5℃；標(biāo)高-800m，溫度29～34℃；標(biāo)高-900m，溫度31～36℃；標(biāo)高-1000m，溫度33～38℃。地溫高低與地下水循環(huán)關(guān)系密切，巖石透水性強(qiáng)水交替快，則溫度降低。如大團(tuán)山礦床靠近陰澇破碎帶的ZK431，孔深670m處，地溫僅25.5℃，較遠(yuǎn)離破碎帶鉆孔溫度低2～3℃。

2.3地溫梯度

大團(tuán)山銅礦床（10個(gè)鉆孔）平均地溫梯度為1.8℃/100m；冬瓜山銅礦床（26個(gè)鉆孔）平均地溫梯度2.2℃/100m。獅子山礦區(qū)總平均地溫梯度為2.0℃/100m，此值低于全球陸地地溫梯度平均值3℃/100m。分層平均地溫梯度見表1。

圖1 獅子山礦區(qū)恒溫帶確定圖Figure 1.Determination of constant temperature zone in the Shizishan mineral district

表1 分層平均地溫梯度成果表Table 1.Results of stratified mean geothermal gradient

2.4巖石熱導(dǎo)率及其他熱物理參數(shù)

巖石熱導(dǎo)率及其他熱物理性質(zhì)參數(shù)是通過對(duì)大團(tuán)山礦床ZK3323和冬瓜山礦床ZK501巖心采樣測(cè)試測(cè)得，測(cè)試項(xiàng)目有：熱導(dǎo)率、比熱、密度、熱擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 巖石熱物理參數(shù)值Table 2.Thermophysical parameters of rocks

2.5熱流值計(jì)算及評(píng)述

獅子山礦區(qū)熱流值計(jì)算以ZK3323孔測(cè)溫成果和巖石熱導(dǎo)率的測(cè)試值為依據(jù)，采用公式：

q=-λG……………①

式中：q為熱流值，單位10-6cal/cm2s；λ為巖石熱導(dǎo)率，單位10-3cal/cms℃；G為穩(wěn)態(tài)地溫梯度，單位℃/100m；負(fù)號(hào)表示熱流與地溫梯度方向相反，即由深部指向地面。

根據(jù)ZK3323地溫變化情況，將其分成上下兩段：其中孔深406～643.7m為Ⅰ段、643.7～764m為Ⅱ段（圖2）。

圖2 ZK3323熱流值計(jì)算圖Figure 2.Heat flow calculation diagram of borehole ZK3323

根據(jù)測(cè)溫曲線，按照步長10m分別讀取400～640m、640～770m地溫，采用最小二乘法分別求得Ⅰ段地溫梯度為2.09℃/100m、Ⅱ段地溫梯度為1.94℃/100m。

巖石熱導(dǎo)率計(jì)算分別采用算術(shù)平均法（Ⅰ段）及加權(quán)平均法（Ⅱ段）求得：Ⅰ段熱導(dǎo)率為7.495×10-3cal/cms℃、Ⅱ段熱導(dǎo)率為7.7309×10-3cal/cms℃，見表3。將所得地溫梯度及熱導(dǎo)率值代入公式①得：Ⅰ段熱流值為 1.57×10-6cal/cm2s、Ⅱ段熱流值為1.50×10-6cal/cm2s，全段平均熱流值為1.54×10-6cal/cm2s。

ZK3323孔位終孔六年的長期觀測(cè)孔，靜井時(shí)間長，因此測(cè)溫資料可靠，熱導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)充足，計(jì)算用值取460m以下孔段干擾因素小。分段計(jì)算熱流值相當(dāng)接近，所得結(jié)果較為理想。結(jié)合全礦區(qū)鉆孔測(cè)資料地溫梯度相近，所揭露的地層及巖性類似，因而用ZK3323孔的地溫及熱導(dǎo)率資料所計(jì)算的熱流值具有區(qū)域代表性，可作為礦區(qū)地?zé)嵩u(píng)價(jià)依據(jù)。

3 礦區(qū)熱害評(píng)價(jià)

由于地?zé)峄蛏顚訜崴雀鞣N熱源致使井下采掘工作面溫度升高，影響工人身體健康，導(dǎo)致生產(chǎn)率下降，這就構(gòu)成了礦山熱害。為了保證井下作業(yè)工人身體健康，有效的正常生產(chǎn)，冶金工業(yè)部《冶金礦山安全規(guī)程》規(guī)定，采掘工作面的空氣干球溫度，不得超過27℃。

按上述規(guī)定，獅子山礦區(qū)-500m以上地溫在規(guī)定范圍之內(nèi)，-500m以下地溫高于上述規(guī)定，自然狀態(tài)下會(huì)有熱害威脅。根據(jù)煤炭工業(yè)部1990年頒發(fā)的《煤炭資源勘探地溫測(cè)量若干規(guī)定》中規(guī)定：原始巖溫高于31℃的地區(qū)為一級(jí)熱害區(qū)；原始巖溫高于37℃的地區(qū)為二級(jí)熱害區(qū)，本礦區(qū)-700m～-900m存在一級(jí)熱害區(qū)，-900m以下存在二級(jí)熱害區(qū)。

從本區(qū)熱流值分析，熱流值為1.54×10-6cal/cm2s，接近全球陸地的平均熱流值，因而是正常的，說明本區(qū)無熱異常存在。與隔江相望的羅河鐵礦對(duì)比，羅河鐵礦礦區(qū)平均大地?zé)崃髦禐?.84×10-6cal/cm2s，高于本區(qū)，其與深斷裂、放射性等致熱因素有關(guān)。

4 結(jié)語

（1）獅子山礦區(qū)地溫梯度平均值為2℃/100m，屬正常偏低增溫。雖深部地溫較高，但屬正常地?zé)嵩鰷兀瑹崃髦嫡?。深部礦體開采時(shí)應(yīng)采用制冷降溫、通風(fēng)降溫及尾砂充填等井下降溫技術(shù)，防止熱害發(fā)生。

（2）隨著探礦、采礦技術(shù)提高，千米以下礦山越來越常見，因而對(duì)礦山地溫特征的了解及熱害的評(píng)價(jià)與防治愈發(fā)重要。本文總結(jié)了獅子山礦區(qū)地溫特征并對(duì)熱害進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)，希望對(duì)礦區(qū)周邊深部礦床的建井和開采設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

表3 熱導(dǎo)率計(jì)算成果表Table 3.Results of thermal conductivity calculation