贵州小屯煤矿现代地温场特征及煤层温度分析

卢玲玲，时文文，潘春娟

(中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西 西安 710199)

地球内部热能通过导热率不同的岩石在地壳运移分配形成地温场。地层温度是煤炭资源开采的重要地质条件之一，也是煤层气开采方式选择所要考虑的重要地质因素(秦勇 等，2012；赵丽娟 等，2010)，前人对此开展过较多的研究(张连强，2012；任自强 等，2015；彭涛 等，2018；方尚武 等，2020；李文，2021；朱敬忠 等，2021)。本文以贵州西部小屯煤矿为研究对象，分析了区内14口钻孔测温资料，其中包括近似稳态测温孔5口。通过数据处理，计算了各测温钻孔的地温梯度，分析了研究区垂向上和平面上地温分布特征及影响因素，预测了煤层出现热害区的开采标高。取得的成果对分析贵州西部浅部地温场地质影响因素具有参考价值，对厘定矿井热害等级、指导煤矿安全生产等也有所帮助。

1 地质概况

研究区位于贵州西部大方县境内，南北长约8 km，东西宽约7 km，面积54.881 7 km2。距离大方县城6.0 km左右，行政区划隶属贵州省大方县小屯乡、大方镇、羊场镇管辖。区内地形总体北高南低，地形陡峻，高差较大。

图1 小屯矿区地质略图Fig.1 Geological sketch map of Xiaotun mining area1—三叠系夜郎组九级滩段；2—三叠系夜郎组玉龙山段；3—三叠系夜郎组沙堡湾段；4—三叠系茅草铺组；5—二叠系长兴组；6—二叠系茅口组；7—二叠系龙潭组；8—峨眉山玄武岩组；9—背斜；10—向斜；11—逆断层；12—正断层；13—第四系坡残积层

区内主要揭露地层由下至上依次为：二叠系茅口组(P2m)、峨眉山玄武岩组(P2-3emβ)、龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)；三叠系夜郎组(T1y)，茅草铺组(T1m)；第四系(Q)。

区内主要含煤地层为龙潭组，含可采煤层6层。上煤组6上、6中、6下及7号煤层全区可采，煤层层数、间距及厚度变化较小；下煤组煤层较多，可采煤层为33、34煤，分别为大部可采和局部可采。

2 数据采集及分析

2.1 测温数据处理

研究工作共收集了区内14口钻孔的井温测井数据，其中包括5口近似稳态测温钻孔、9口简易测温钻孔(各钻孔平面位置分布如图2所示)。

图2 测温钻孔平面分布图Fig.2 Layout plan of the temperature measurement boreholes1—测温钻孔；2—逆断层；3—正断层；4—向斜；5—背斜

因为两种测温的过程和方法不同，所以两种数据的处理方法也不同：

1.近似稳态测温数据：一般是在完井72 h以后测得，理论上井液和岩石的温度已经基本达到平衡状态，测得的数据能客观反映地层的真实温度，因此稳态测温数据可以直接使用(谭静强 等，2009)。

2.简易测温数据：简易测温为在终孔后立即测量的数据，测温时井液和岩石的温度尚未完全达到平衡状态，需要经过校正处理后才能使用。一般采用“三点法”对简易测温数据进行校正，即孔底温度、中性点温度和恒温带温度三点连线作为测温曲线(卢玲玲 等，2013)。

处理后的测温数据如图3、图4所示：在总体上，地层温度随着深度的增加逐渐升高，呈现出较好的近似线性关系，显示该区地温在纵向上主要以传导型增温特点为主。

图3 钻孔深度-温度关系图Fig.3 Relationship diagram of the borehole depth and temperature

图4 测温钻孔温度-埋深曲线图Fig.4 The curve of measured borehole depth and temperature

2.2 地温梯度求取

根据黔西煤田长期的测温钻孔观测资料以及其他统计资料，大方县多年年平均气温11.9℃，恒温带温度取14.2℃，恒温带深度取50 m。根据这一标准，设某一深度为Z，该深度地温为T，地温梯度为G，则有(谭静强 等，2009)：

表1 地温梯度统计表Table 1 Statistical table of geothermal temperature gradients

2.3 地温梯度分布特征

进一步分析发现，区内地温梯度存在如下变化特征：

结合以往井田测温情况及本次钻孔测温数据成果分析，区内地温总体随地层埋藏深度的增加而增加，平均地温梯度3.21℃/100 m。

3 结果与讨论

3.1 研究结果

3.1.1 地温场特征

进一步分析，发现研究区内地温梯度总体较高，平均值3.21℃/100 m(大于3.00℃/100 m)，为地温异常区，但又存在一定的差异，在局部地带略偏低。主要存在如下特征：

(2)地温梯度平面分异较大，总体分布格局为“北高南低”。在中部偏南区域地温梯度差异明显，存在地温梯度异常低区(1004孔、1101孔、B1002孔)。

3.1.2 主煤层温度预测

基于地温梯度与钻孔测温数据，预测了上组7号煤和下组34号煤的温度分区情况(图5，图6)。

根据本次钻孔测温数据，按照井田平均地温梯度3.21℃/100 m统计分析：本井田开采上、下组煤在标高约+949 m之下地温大于31℃，进入一级高温区。上组煤最低标高约+880 m，地温约33.6℃，即开采上组煤层时地温均小于37℃，无二级高温区。下组煤在标高约+759 m之下地温大于37℃，进入二级高温区，而下组煤最低标高约+720 m，故下组煤存在二级高温区(图5、图6)。

图5 上组7煤地温分区图Fig.5 Upper group 7 coal geothermal zoning map1—小屯预留区范围；2—7煤露头线；3—正常地温区；4—一级高温区

图6 下组34煤地温分区图Fig.6 Lower group 34 coal geothermal zoning map1—小屯预留区范围；2—34煤露头线；3—正常地温区；4—一级高温区；5—二级高温区

3.2 有关讨论

3.2.1 地温梯度偏高的原因

小屯煤矿处在第五热储单元封闭条件良好的大方背斜中，背斜的北部亦称锅厂穹隆，本身就是贵州省地热增温率最高的区域之一。

(2)与断裂带构造有关。构造运动极易产生褶皱和断裂等形态，不仅会引起岩石热物理性质在水平方向和垂直方向上的变化，而且影响浅部热流与深部热流的运移交换，致使地温场发生改变，导致局部地温出现异常(朱绍军 等，2008；张晗彬 等，2018)。

3.2.2 热害防治的措施及建议

本井田属于地温梯度异常区，随着深度的增加，温度上升较快。在地温31℃以上，37℃以下时，也就是一级热害区，主要降温措施为矿井通风：即加大通风强度，改革通风方式，选择合理的通风系统等。在地温大于37℃以上时，单靠矿井通风难以达到降温目的，需要对矿井空气进行调整也就是增加人工制冷降温系统，采用制冷设备对矿内空气进行冷却。