礦井地質(zhì)常見問題地溫

1、第三章 常見的礦井地質(zhì)問題,第一節(jié) 礦井構(gòu)造與煤厚第二節(jié) 井巷工程地質(zhì) 第三節(jié) 巖漿巖侵入第四節(jié) 巖溶陷落柱第五節(jié) 瓦斯地質(zhì) 第六節(jié) 地溫,2004年，大中型煤礦平均開采深度456米。平均采深華東約620米，東北約530米，西南約430米，中南約420米，華北約360米，西北約280米。采深超過1000米的煤礦有8處，超過800米的有15處。采深大于600米的礦井產(chǎn)量占28.47%。小煤礦平均采深196米

2、，其中采深超過300米的小井產(chǎn)量占14.51%。煤礦的井下氣溫已超過《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的26°C的許可范圍，成為不同程度遭受熱害的高溫礦井。如河南平頂山八礦，—430m水平的地溫已達(dá)35°C，經(jīng)過通風(fēng)之后，掘進(jìn)工作面的平均氣溫仍為30°C左右，預(yù)計—800m水平的地溫將達(dá)45°C。,井下高溫、高濕的勞動環(huán)境，嚴(yán)重危害礦工的身體健康，致使勞動生產(chǎn)率明顯下降，甚至影響煤礦生產(chǎn)建設(shè)的進(jìn)行。因此，礦

3、山熱害成為極待解決的煤礦環(huán)境地質(zhì)問題。地?zé)崾堑V井空氣增溫的主要熱源。它既是礦井熱害的根源，同時又是廉價、干凈和豐富的能源。地?zé)岙惓^(qū)的熱水或熱氣可用于發(fā)電、灌溉、醫(yī)療和生活取暖等方面。因此，可以把防治地?zé)嶂屠玫責(zé)嶂Y(jié)合起來。,第六節(jié) 地溫,一、礦區(qū)地溫基礎(chǔ)知識,二、影響礦區(qū)地溫場的主要因素,一、礦區(qū)地溫基礎(chǔ)知識,1、地溫場地溫場又稱地?zé)釄?。它是指地殼?nèi)各層帶某一瞬間的溫度分布狀況。地殼內(nèi)部任一點(diǎn)的溫度是該點(diǎn)坐標(biāo)和時間的

4、函數(shù)。地?zé)釄鰞?nèi)各點(diǎn)溫度隨時間變化而變化的，稱為非穩(wěn)定地?zé)釄?。地?zé)釄鰞?nèi)各點(diǎn)溫度不隨時間變化而變化的，稱為穩(wěn)定地?zé)釄觥?地?zé)釄鲇腥S、二維和一維之分。地形和構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)屬于三維或二維地?zé)釄?；地形平坦、巖層水平的地區(qū)屬于一維地?zé)釄?。一維穩(wěn)定地?zé)釄龅男问阶詈唵?，場?nèi)任一點(diǎn)的溫度是該點(diǎn)深度的函數(shù)。地溫場可用等溫面和等溫線來表示。,2、大地?zé)崃饕詿醾鲗?dǎo)的方式，由地球內(nèi)部傳遞到地面的熱量稱為大地?zé)崃鳎喎Q熱流。它是在地殼表層唯一能夠直接測

5、量到的反映地殼深部熱狀況的一個物理量。其物理意義是單位時間內(nèi)通過巖石單位截面的熱量，即,,式中：q——熱流值，向地表方向?yàn)檎?k——巖石熱導(dǎo)率； T——溫度； Z——深度；,全球熱流平均值為 61.53 mW/m2 ，古老的構(gòu)造相對穩(wěn)定的地區(qū)熱流值低；年青的構(gòu)造活動較強(qiáng)烈的地區(qū)熱流值高。大地?zé)崃髦凳潜碚饕粋€礦區(qū)地?zé)釥顩r的最重要參數(shù)之一?？捎脕泶_定深部巖石的地溫梯度，

6、并進(jìn)一步預(yù)測深部巖溫。,3、地球內(nèi)部熱源目前，國內(nèi)外幾乎一致認(rèn)為，放射性元素衰變所釋放的熱量，是地球內(nèi)部最主要的熱源。放射性元素主要為鈾、釷和鉀。放射性元素衰變熱的總量可提供的全球熱流值約為59.44mW/m2，這與全球平均熱流量61.53mW/m2基本接近。此外，其它熱源還有重力分異熱、潮汐摩擦熱、化學(xué)反應(yīng)熱等，但均不占主導(dǎo)地位。,4、地殼淺部的地溫分帶由于地殼表層的吸熱與散熱平衡關(guān)系，因而地殼淺部地溫場發(fā)生分帶現(xiàn)象，由上而下

7、分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶（圖5-6）。,地溫分帶及其相互關(guān)系,教材圖5-6,（1）變溫帶變溫帶是指地殼最上部，主要受太陽輻射熱影響，溫度發(fā)生周期性變化的層帶。可分為日變溫帶和年變溫帶。其中，日變溫帶深度僅1—2m；年變溫帶深度可達(dá)15—20m。從圖5-7可以看出，變溫帶內(nèi)任一點(diǎn)的溫度變化大體與正弦曲線相符；其溫度變化輻度比同周期地表溫度變化幅度小很多，而且隨著深度的增加溫度變化輻度迅速衰減；同時，變溫帶內(nèi)溫度的變化與地表溫度變化

8、不是同步的，而要滯后一個時間，滯后時間的長短與該點(diǎn)的深度和溫變周期的長短有關(guān)。,變溫帶地溫與氣溫的關(guān)系,教材圖5-7,（2）恒溫帶恒溫帶是指在變溫帶之下，太陽輻射熱與地球內(nèi)熱相互作用達(dá)到平衡，溫度常年不變的層帶。恒溫帶一般很薄，可視為變溫帶與增溫帶的界面，鉆孔中可看作一個點(diǎn)。恒溫帶的深度和溫度在一定程度上反映一個地區(qū)的熱狀況和熱歷史，對于評定深部地溫，進(jìn)行地?zé)豳Y源的普查與勘探都是不可缺少的重要參數(shù)。,恒溫帶的深度，我國一些礦區(qū)多在

9、地下20～30m的深度上。恒溫帶的溫度接近當(dāng)?shù)啬昶骄孛鏈囟?，比?dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗?.8～2℃。我國部分礦區(qū)恒溫帶的深度和溫度數(shù)據(jù)見表5-3。,（3）增溫帶增溫帶是指恒溫帶之下，主要受地球內(nèi)熱控制，溫度隨深度增加而增高的層帶。但是，增溫帶內(nèi)某一點(diǎn)的溫度是常年不變的。增溫帶中溫度隨深度的變化率是用地溫梯度或地溫級來表征。地溫梯度是指向地心方向，單位距離內(nèi)溫度增加的數(shù)值。以深度每增加100m地溫增高的度數(shù)(℃/100m)或深度每增加

10、lkm地溫增高的度數(shù)(℃/km)來表示。,教材圖5-8,應(yīng)該指出，同一地點(diǎn)不同深度上地溫梯度是不同的。如四川武勝縣某基井的地溫梯度由2.1°C/100m到4.1°C/100m（圖5-8）。,地溫級與地溫梯度互為倒數(shù)。地溫級是以地溫增高1°C深度增加的米數(shù)(m/℃)來表示。地溫梯度受多種因素的影響，因此不同地區(qū)、同一地區(qū)不同深度的地溫梯度均有變化。一般情況下，向地殼深部地溫梯度有逐漸減小的總趨勢。我國部分

11、地區(qū)的地溫梯度數(shù)值列于表5-4中。,,二、影響礦區(qū)地溫場的主要因素,礦區(qū)地溫場是當(dāng)?shù)亻L時期地史發(fā)展的產(chǎn)物。在研究礦區(qū)地溫狀況時，應(yīng)詳細(xì)分析各種地質(zhì)背景條件對地溫場的影響，只有這樣才能確切掌握地溫的分布規(guī)律。影響礦區(qū)地溫場有以下主要因素： 礦區(qū)大地構(gòu)造性質(zhì) 、礦區(qū)地層的巖石性質(zhì) 、礦區(qū)基底起伏與褶皺構(gòu)造 、礦區(qū)鄰近深大斷裂 、礦區(qū)地下水活動 、局部熱源影響 、人為因素影響等。,1、礦區(qū)大地構(gòu)造性質(zhì)在地殼強(qiáng)烈活動區(qū)，如中、新生代造山帶

12、，由于這些地帶地震、巖漿噴發(fā)和侵入活動強(qiáng)烈，高溫?zé)崛獜V布，因此帶內(nèi)地溫狀況是熱流值大，地溫高，地溫梯度大，而且變化劇烈。在地殼相對穩(wěn)定區(qū)，如古老地盾和地臺區(qū)，地溫狀況正好相反，熱流值小，地溫低，地溫梯度小，而且較為均一。,2、礦區(qū)地層的巖石性質(zhì)巖性對地溫場的影響，實(shí)質(zhì)上是巖石熱物理性質(zhì)對熱傳導(dǎo)的影響。在一個范圍不大，地質(zhì)條件穩(wěn)定的地區(qū)，熱流值可視為常數(shù)。由于熱流值等于熱導(dǎo)率乘以地溫梯度，所以高熱阻、低熱導(dǎo)率的巖層地溫梯度較大；反之

13、，低熱阻、高熱導(dǎo)率的巖層地溫梯度較小。地溫梯度與熱導(dǎo)率呈互為消長的關(guān)系。,鉆孔測溫資料表明，鉆孔穿過巖性均一、熱導(dǎo)率變化不大的井段時，其地溫曲線近似一直線，地溫梯度基本不變；鉆孔穿過巖性和熱導(dǎo)率差異較大的井段時，其地溫曲線為一折線，折線轉(zhuǎn)折處往往與巖性分界面相對應(yīng)，反映不同巖性層中地溫梯度不同（圖5-9）。,教材圖5-9,在沉積巖中煤的熱阻最大，熱導(dǎo)率最小。因此，在煤層較厚或薄煤層集中的井段，?？梢姷降販靥荻韧蝗辉龃蟮默F(xiàn)象（圖5-1

14、0）。一些高溫礦區(qū)常有厚度大、熱導(dǎo)率低的蓋層存在，它起著隔熱保溫的作用。,教材圖5-10,3、礦區(qū)基底起伏與褶皺構(gòu)造地溫測量資料表明，在一定深度范圍內(nèi)，基底隆起區(qū)比相鄰坳陷區(qū)，背斜部位比相鄰向斜部位的地溫高，地溫梯度大。這主要與巖石的熱導(dǎo)率及其各向異性有關(guān)?；茁∑饏^(qū)的古老巖系較相鄰坳陷區(qū)的沉積蓋層性致密，熱導(dǎo)率高，熱流向熱阻較小的隆起區(qū)集中，致使來自深部的均勻熱流出現(xiàn)再分配現(xiàn)象，所以在隆起區(qū)內(nèi)熱流值、地溫和地溫梯度要比坳陷區(qū)高（

15、圖5-11）。,教材圖5-11,在褶皺地區(qū)，由于沉積的熱導(dǎo)率順層方向的比垂直層面方向的高，自下而上傳導(dǎo)的熱流，由向斜部位向背斜部位匯集，致使背斜區(qū)的熱流、地溫和地溫梯度較相鄰向斜高（圖5-12）。,教材圖5-12,4、礦區(qū)鄰近深大斷裂一般認(rèn)為，深大斷裂通達(dá)上地幔，是深部熾熱物質(zhì)——熱載體上升的通道。因此，鄰近深大斷裂兩側(cè)的含煤盆地，往往熱流值偏大，地溫偏高，出現(xiàn)大量溫泉（圖5-13）。但是，由于深大斷裂各段的力學(xué)性質(zhì)、圍巖的熱物理性

16、質(zhì)，以及熱載體沿深大斷裂上升的位置不同，因而深大斷裂兩側(cè)并非到處都呈現(xiàn)高溫異常。,教材圖5-13,5、礦區(qū)地下水活動地下水對地溫場的影響，受地下水活動方式的控制，歸納起來有三種情況。①地下水強(qiáng)烈活動區(qū) 該區(qū)地下水補(bǔ)給充足，逕流強(qiáng)烈，排泄通暢，水溫小于巖溫。例如某些地區(qū)奧陶系灰?guī)r溶水的強(qiáng)烈循環(huán)，致使煤系冷卻，地溫梯度僅為1～2℃/100m，1000m深處巖溫不超過28℃；奧陶系灰?guī)r的地溫梯度接近于零（圖5-14）。,教材圖5-1

17、4,②大型自流盆地區(qū) 該區(qū)地下水長期停滯，循環(huán)交替較弱，地下水與圍巖熱交換已達(dá)平衡，水溫等于巖溫，形成地溫和地溫梯度均為中常的地區(qū)。如兗州、淮南和淮北礦區(qū)，除少數(shù)地段外，地溫梯度一般為2～3°C/100m。,③循環(huán)熱水上升區(qū) 地表或淺層地下水滲流至地下深處，與高溫圍巖進(jìn)行熱交換獲取熱量，成為熱容量很大的熱載體——承壓高溫?zé)崴Ｔ诤线m的地質(zhì)構(gòu)造條件下，如遇高角度斷裂帶、急傾斜透水層，高溫?zé)崴蜁赝ǖ郎仙綔\部或地表。

18、由于水溫高于淺部巖溫，因此在熱水上升通道的周圍形成局部的高溫異常帶（圖5-15）。,教材圖5-15,6、局部熱源影響①巖漿侵入體的余熱 巖漿余熱是否對現(xiàn)代地溫場仍有影響，主要決定于巖漿侵入的時間。②放射性元素的富集 放射性元素的衰變雖然是整個地球內(nèi)熱的主要熱源，但是處于地殼淺部的放射性元素富集礦床所產(chǎn)生的熱量卻很小，在開采過程中并無明顯的熱異常。,③硫化礦床的氧化熱 近地表的硫化礦床，因氧化生熱是一個不可忽視的局部熱源