1、第三章 常见的矿井地质问题,第一节 矿井构造与煤厚 第二节 井巷工程地质 第三节 岩浆岩侵入 第四节 岩溶陷落柱 第五节 瓦斯地质 第六节 地温,2004年，大中型煤矿平均开采深度456米。平均采深华东约620米，东北约530米，西南约430米，中南约420米，华北约360米，西北约280米。 采深超过1000米的煤矿有8处，超过800米的有15处。采深大于600米的矿井产量占28.47%。小煤矿平均采深196米，其中采深超过300米的小井产量占14.51%。 煤矿的井下气温已超过煤矿安全规程所规定的26C的许可范围，成为不同程度遭受热害的高温矿井。如河南平顶山八矿，430m水平的地温已达35
2、C，经过通风之后，掘进工作面的平均气温仍为30C左右，预计800m水平的地温将达45C。,井下高温、高湿的劳动环境，严重危害矿工的身体健康，致使劳动生产率明显下降，甚至影响煤矿生产建设的进行。因此，矿山热害成为极待解决的煤矿环境地质问题。 地热是矿井空气增温的主要热源。它既是矿井热害的根源，同时又是廉价、干净和丰富的能源。 地热异常区的热水或热气可用于发电、灌溉、医疗和生活取暖等方面。因此，可以把防治地热之害和利用地热之利结合起来。,第六节 地温,一、矿区地温基础知识,二、影响矿区地温场的主要因素,一、矿区地温基础知识,1、地温场 地温场又称地热场。它是指地壳内各层带某一瞬间的温度分布状况。地
3、壳内部任一点的温度是该点坐标和时间的函数。 地热场内各点温度随时间变化而变化的，称为非稳定地热场。 地热场内各点温度不随时间变化而变化的，称为稳定地热场。,地热场有三维、二维和一维之分。地形和构造复杂的地区属于三维或二维地热场；地形平坦、岩层水平的地区属于一维地热场。 一维稳定地热场的形式最简单，场内任一点的温度是该点深度的函数。 地温场可用等温面和等温线来表示。,2、大地热流 以热传导的方式，由地球内部传递到地面的热量称为大地热流，简称热流。它是在地壳表层唯一能够直接测量到的反映地壳深部热状况的一个物理量。其物理意义是单位时间内通过岩石单位截面的热量，即,式中：q热流值，向地表方向为正；k岩
4、石热导率；T温度；Z深度；,全球热流平均值为 61.53 mW/m2 ， 古老的构造相对稳定的地区热流值低；年青的构造活动较强烈的地区热流值高。 大地热流值是表征一个矿区地热状况的最重要参数之一。可用来确定深部岩石的地温梯度，并进一步预测深部岩温。,3、地球内部热源 目前，国内外几乎一致认为，放射性元素衰变所释放的热量，是地球内部最主要的热源。放射性元素主要为铀、钍和钾。 放射性元素衰变热的总量可提供的全球热流值约为59.44mW/m2，这与全球平均热流量61.53mW/m2基本接近。 此外，其它热源还有重力分异热、潮汐摩擦热、化学反应热等，但均不占主导地位。,4、地壳浅部的地温分带 由于地壳
5、表层的吸热与散热平衡关系，因而地壳浅部地温场发生分带现象，由上而下分为变温带、恒温带和增温带（图5-6）。,地温分带及其相互关系,教材图5-6,（1）变温带 变温带是指地壳最上部，主要受太阳辐射热影响，温度发生周期性变化的层带。可分为日变温带和年变温带。其中，日变温带深度仅12m；年变温带深度可达1520m。 从图5-7可以看出，变温带内任一点的温度变化大体与正弦曲线相符；其温度变化辐度比同周期地表温度变化幅度小很多，而且随着深度的增加温度变化辐度迅速衰减； 同时，变温带内温度的变化与地表温度变化不是同步的，而要滞后一个时间，滞后时间的长短与该点的深度和温变周期的长短有关。,变温带地温与气温的
6、关系,教材图5-7,（2）恒温带 恒温带是指在变温带之下，太阳辐射热与地球内热相互作用达到平衡，温度常年不变的层带。 恒温带一般很薄，可视为变温带与增温带的界面，钻孔中可看作一个点。 恒温带的深度和温度在一定程度上反映一个地区的热状况和热历史，对于评定深部地温，进行地热资源的普查与勘探都是不可缺少的重要参数。,恒温带的深度，我国一些矿区多在地下2030m的深度上。恒温带的温度接近当地年平均地面温度，比当地年平均气温高0.82。 我国部分矿区恒温带的深度和温度数据见表5-3。,（3）增温带 增温带是指恒温带之下，主要受地球内热控制，温度随深度增加而增高的层带。但是，增温带内某一点的温度是常年不变
7、的。 增温带中温度随深度的变化率是用地温梯度或地温级来表征。 地温梯度是指向地心方向，单位距离内温度增加的数值。 以深度每增加100m地温增高的度数(/100m)或深度每增加lkm地温增高的度数(/km)来表示。,教材图5-8,应该指出，同一地点不同深度上地温梯度是不同的。如四川武胜县某基井的地温梯度由2.1C/100m到4.1C/100m（图5-8）。,地温级与地温梯度互为倒数。地温级是以地温增高1C深度增加的米数(m/)来表示。 地温梯度受多种因素的影响，因此不同地区、同一地区不同深度的地温梯度均有变化。一般情况下，向地壳深部地温梯度有逐渐减小的总趋势。 我国部分地区的地温梯度数值列于表5
8、-4中。,二、影响矿区地温场的主要因素,矿区地温场是当地长时期地史发展的产物。在研究矿区地温状况时，应详细分析各种地质背景条件对地温场的影响，只有这样才能确切掌握地温的分布规律。 影响矿区地温场有以下主要因素： 矿区大地构造性质 、矿区地层的岩石性质 、矿区基底起伏与褶皱构造 、矿区邻近深大断裂 、矿区地下水活动 、局部热源影响 、人为因素影响等。,1、矿区大地构造性质 在地壳强烈活动区，如中、新生代造山带，由于这些地带地震、岩浆喷发和侵入活动强烈，高温热泉广布，因此带内地温状况是热流值大，地温高，地温梯度大，而且变化剧烈。 在地壳相对稳定区，如古老地盾和地台区，地温状况正好相反，热流值小，地
9、温低，地温梯度小，而且较为均一。,2、矿区地层的岩石性质 岩性对地温场的影响，实质上是岩石热物理性质对热传导的影响。在一个范围不大，地质条件稳定的地区，热流值可视为常数。 由于热流值等于热导率乘以地温梯度，所以高热阻、低热导率的岩层地温梯度较大；反之，低热阻、高热导率的岩层地温梯度较小。 地温梯度与热导率呈互为消长的关系。,钻孔测温资料表明，钻孔穿过岩性均一、热导率变化不大的井段时，其地温曲线近似一直线，地温梯度基本不变； 钻孔穿过岩性和热导率差异较大的井段时，其地温曲线为一折线，折线转折处往往与岩性分界面相对应，反映不同岩性层中地温梯度不同（图5-9）。,教材图5-9,在沉积岩中煤的热阻最大
10、，热导率最小。因此，在煤层较厚或薄煤层集中的井段，常可见到地温梯度突然增大的现象（图5-10）。 一些高温矿区常有厚度大、热导率低的盖层存在，它起着隔热保温的作用。,教材图5-10,3、矿区基底起伏与褶皱构造 地温测量资料表明，在一定深度范围内，基底隆起区比相邻坳陷区，背斜部位比相邻向斜部位的地温高，地温梯度大。这主要与岩石的热导率及其各向异性有关。 基底隆起区的古老岩系较相邻坳陷区的沉积盖层性致密，热导率高，热流向热阻较小的隆起区集中，致使来自深部的均匀热流出现再分配现象，所以在隆起区内热流值、地温和地温梯度要比坳陷区高（图5-11）。,教材图5-11,在褶皱地区，由于沉积的热导率顺层方向的
11、比垂直层面方向的高，自下而上传导的热流，由向斜部位向背斜部位汇集，致使背斜区的热流、地温和地温梯度较相邻向斜高（图5-12）。,教材图5-12,4、矿区邻近深大断裂 一般认为，深大断裂通达上地幔，是深部炽热物质热载体上升的通道。因此，邻近深大断裂两侧的含煤盆地，往往热流值偏大，地温偏高，出现大量温泉（图5-13）。 但是，由于深大断裂各段的力学性质、围岩的热物理性质，以及热载体沿深大断裂上升的位置不同，因而深大断裂两侧并非到处都呈现高温异常。,教材图5-13,5、矿区地下水活动 地下水对地温场的影响，受地下水活动方式的控制，归纳起来有三种情况。 地下水强烈活动区 该区地下水补给充足，迳流强烈，
12、排泄通畅，水温小于岩温。 例如某些地区奥陶系灰岩溶水的强烈循环，致使煤系冷却，地温梯度仅为12/100m，1000m深处岩温不超过28；奥陶系灰岩的地温梯度接近于零（图5-14）。,教材图5-14,大型自流盆地区 该区地下水长期停滞，循环交替较弱，地下水与围岩热交换已达平衡，水温等于岩温，形成地温和地温梯度均为中常的地区。 如兖州、淮南和淮北矿区，除少数地段外，地温梯度一般为23C/100m。,循环热水上升区 地表或浅层地下水渗流至地下深处，与高温围岩进行热交换获取热量，成为热容量很大的热载体承压高温热水。 在合适的地质构造条件下，如遇高角度断裂带、急倾斜透水层，高温热水就会沿通道上升到浅部或
13、地表。 由于水温高于浅部岩温，因此在热水上升通道的周围形成局部的高温异常带（图5-15）。,教材图5-15,6、局部热源影响 岩浆侵入体的余热 岩浆余热是否对现代地温场仍有影响，主要决定于岩浆侵入的时间。 放射性元素的富集 放射性元素的衰变虽然是整个地球内热的主要热源，但是处于地壳浅部的放射性元素富集矿床所产生的热量却很小，在开采过程中并无明显的热异常。,硫化矿床的氧化热 近地表的硫化矿床，因氧化生热是一个不可忽视的局部热源。 据测定，1克分子黄铁矿充分氧化可产生5400kJ的热量。但是，这类矿床只要过了氧化带再向深部，地温又可恢复正常。,7、人为因素影响 矿区通风、排水和井下大功率机电设备运转生热，钻探过程中泥浆循环和钻头摩擦生热等人为因素，对地温和测温数据都有一定的影响。 其中，以通风和排水的影响比较严重。在矿区长期通风的过程中，由于空气与岩石产生热交换而使原始地温降低。在矿区长期强烈排水的情况下，在地下水降落漏斗范围内，岩温因地下水流动而改变。,
