河南省永城市顺河西矿区地温分布规律研究

颜少权，杨义栋，张超然

河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南郑州451464

1 矿区简述

顺河西矿区位于中国六大无烟煤生产基地之一的河南省永城市，面积约166 km2，探明资源储量5.2×108t，主要为无烟煤和贫煤，煤层主要埋深600～1500 m［1］.目前正处于建井前准备阶段.

1.1 地层

全矿区被新生界松散沉积物所覆盖，平均厚度438.1 m.根据矿区钻孔揭露，地层从老到新为奥陶系中统（O2）、石炭系上统（C2）、二叠系（P），基岩倾角在3～15°之间.本区二叠系山西组（P1s）为主要含煤地层，主采二2煤层厚0～6.76 m，平均厚度2.33 m［2-3］.

1.2 构造特征

顺河西矿区处于华北拗陷东部边缘之永城背斜西翼的西延地带，与鲁西南隆起接壤.受后期E－W向焦作－商丘断层及NNE向济阳断层等区域大断裂的影响，矿区内形成了NNW—NW和NNE—NE向的多个断层及短轴背向斜，对原始地层、煤层走向及煤层埋深等都产生较大影响［2，4］.

矿区共有68个钻孔，其中59个钻孔见到131层岩浆岩，侵入层位主要是二叠系下统.岩浆岩多呈岩席状或似层状，但厚度变化较大，从0.38～27 m不等.

2 测温资料收集与处理

2.1 测温资料

本次收集了永城市顺河西矿区钻孔近稳态测温、钻孔简易测温数据及恒温带数据，奠定了矿区地温场分析的基础.

1）钻孔近似稳态测温数据.收集了顺河西矿区2个近稳态测温钻孔数据，孔深在1500～1650 m.钻探施工结束后按12、12、24、24 h的时间间隔顺序用同一仪器进行测温，直至24 h内温度变化不大于0.5℃或总测温时间已达72 h为止［5-6］.

2）钻孔简易测温数据.对收集到的44个钻孔的简易测温数据进行校正后利用，孔深在700～1600 m.在钻探施工结束后，对常规测井前后各进行一次地温测量，间隔时间一般只有6～8 h.简易测温第二次测量一般是在井液停止循环时间8 h左右进行的，与原始岩温相差较大，需进一步处理才能被利用.

3）恒温带数据.采用永城市东大营恒温观测孔观测结果：孔深81 m，孔径110 mm，恒温带深度23 m，温度16.5℃［7］.

2.2 资料处理

孔底温度恢复至近似稳态温度的过程有规律可循，利用Z0103、Z0708孔近似稳态钻孔中测温数据，经公式（1）计算出两孔温度恢复增量ΔT（见表1）.

表1 近似稳态测温孔△T－t关系统计表Table 1 Relationship between temperature recovery increment and time of approximate steady state boreholes

式中：T为近似稳态钻孔最后一次测得的井底温度，℃；Ti为近似稳态钻孔某一次测得的井底温度（T与Ti必须是同一深度点上的温度），℃；ΔT为温度增量百分数，%.

采用指数型函数曲线类型对ΔT与钻井液停止循环时间t的关系曲线ΔT－t进行公式拟合［8-10］，得出拟合曲线公式ΔT＝6.59928e－0.04397t－0.26437，如图1所示.

图1 近似稳态钻孔温度恢复增量与静井时间关系图Fig.1 Diagram of temperature recovery increment vs.static well time of approximate steady state boreholes

将矿区内钻孔简易测温时的钻井液停止循环时间t带入校正曲线公式（1），求出相应的增量值ΔT，利用简易测温温度Tj并根据公式（2）可计算出校正后的简易测温钻孔温度（见表2）.

表2 简易测温钻孔校正后的孔底温度Table 2 Corrected bottom temperature of simple temperature measurement borehole

式中：Tj为简易测温钻孔温度，℃；T0为校正后孔底温度，℃.

3 矿区地温分布规律

3.1 地温梯度

利用校正后的孔底温度、恒温带温度及深度，利用公式（3）计算出钻孔平均地温梯度.

式中：G为钻孔平均地温梯度，℃/100 m；H为钻孔孔底深度，m；Ts为恒温带温度，℃；Hs为恒温带深度，m.

本区46个简易测温钻孔终孔埋深为699.62～1 631.18 m.经计算，单孔地温梯度变化较大，在2.12～4.75℃/100 m之间，地层平均地温梯度2.75℃/100 m.根据矿区46个测温钻孔地温梯度值，绘制永城市顺河西矿区地温梯度等值线图（图2），主要分布特征如下.

图2 地温梯度等值线图Fig.2 Contour map of geothermal gradient

矿区地温梯度大于3.0℃/100 m为异常增温区，主要分布在D60线以北、D19线以西区域，构造上主要是该异常增温区内背斜核部及向斜翼部位置，总体上呈由背斜核部向周围递减的态势，其异常增温区内钻孔平均地温梯度为3.16℃/100 m.矿区地温梯度小于3.0℃/100 m.为正常增温区，主要分布在矿区的南部，在D60线以南及D22线两侧区域，其钻孔平均地温梯度为2.54℃/100 m.

3.2 垂向地温特征

为研究矿区平面地温场特点，对矿区46个测温孔相同深度的地温数值进行算术平均，得到矿区各深度的平均地温数值.通过数值拟合，得到矿区地温数值t与埋深h关系曲线（如图3）.矿区各深度平均地温数值与埋深呈线性正相关，表现为传导型增温特征.

图3 矿区地温与埋深关系图Fig.3 Relationship between geothermal temperature and buried depth

3.3 水平向地温特征

根据公式（4）计算主采煤层二2煤的地温数值，本文做出二2煤底板等温线图.据《矿井降温技术规范MT/T 1136－2011》规定，温度高于31℃的区域为一级热害区，高于37℃的区域为二级热害区.

式中：Tc为二2煤底板地温；hc为二2煤层底板深度，m.

矿区等温线与煤层底板等高线基本平行，地温随煤层的加深而逐渐增大.D22勘探线两侧，埋深534 m以浅，面积2.46 km2，地温小于31℃，属地温正常区；F12断层两侧及D23线两侧，面积6.54 km2，埋深534～769 m，地温31～37℃，为一级热害区；其余矿区面积157.28 km2，埋深在769 m以深，地大于37℃，属二级热害区.

4 地温影响因素分析

区域地温特征取决于该区所处的大地构造部位及地壳的活动性.在特定大地构造条件下，矿区地温的影响因素主要有构造、松散层厚度、岩浆活动、地下水活动等［11-14］.

4.1 构造形态

构造形态影响地温主要是因为不同岩石的热导率不同，热量在地壳表层垂向和侧向的传导速率不同，将来自地球内的均匀热流在地壳表部重新分配［15-16］.构造运动和岩浆活动使地壳变形，发生褶皱、断裂形成隆起和凹陷、背斜和向斜等各种规模不一的构造，从而使原本水平的岩层发生改变，热量沿裂隙、断裂面及岩层面等导热率高的介质进行传导，使得褶皱核等部位更易汇集热量，地温梯度数值同比较大，如矿区孙官庄背斜、周庄背斜等地温梯度大于3.0℃/100 m，而其翼部地温梯度小于3.0℃/100 m.地温梯度总体上呈由背斜核部向周围递减的趋势，不同部位递减的趋势不同.

4.2 覆盖层厚度

地球内部的热量是通过岩石向外传导的，不同的岩石具有不同的热导率，具有不同的热传导性能.一般来说，岩石的结晶程度越高，致密性越高，热导率越高.新生界的半固结或松散层沉积物孔隙度较大，胶结和压实程度较低，导致松散层沉积物热导率较低，使得新生界的覆盖层阻碍了地壳表层热的传导与散失，起到增温、保温作用［17-18］.

矿区覆盖层厚度382.41～524.90 m，平均厚度438.14 m，中部背斜轴区最薄，厚度变化总体呈东薄西厚的趋势，个别地段由于基岩面不平而有一定的起伏变化.矿区不同钻孔基岩界面温度和松散层厚度变化趋势呈正相关，即同一深度相同地质条件下，其上覆的新生界越厚地温也就越高.矿区不同水平地温梯度随深度的增加而降低，到埋深450 m左右时地温梯度的深度时趋于一致；在450～1 300 m，基本上沿2.2℃/100 m这个地温梯度在上下波动，变化不大；从埋深1300 m以深，地层进入奥陶系，水分的增加使岩石热导率增大，地温梯度有减小的趋势.

4.3 地下水活动

矿区新生界12～18层含水层，岩性以粉、细、中砂为主，单位涌水量0.14～2.78 L/s·m，渗透系数1.15～88.90 m/d，各含水层间有较厚的黏性土作隔水层，水力联系较差，以侧向径流为主要补给与排泄方式.根据钻孔测温数据及水文孔抽水试验资料分析，浅部地下水活动对本区地温及地温梯度的影响不甚明显［19-20］.

矿区基岩埋深243～1 120 m，二叠系细、中粒砂岩裂隙不发育，石炭系、奥陶系灰岩喀斯特较发育，单位涌水量0.000 1～0.99 L/s·m，渗透系数0.0002～2.65 m/d［1］，受泥岩隔水层阻隔，与上部含水层水力联系差.区内裂隙填充物、断层破碎带结构致密，透水性较差，岩溶水通过断层、裂隙与上部含水层进行水力联系较差，致使岩溶水地下流通性较差，径流滞缓，故岩溶水对矿区地温的影响甚微.

4.4 岩浆岩

矿区内岩浆岩侵入时期为华力西期和燕山早、晚期，侵入时代较早，多呈岩席状或似层状，但厚度变化较大，从0.38～27 m不等，规模较小，所保留的余热不多，对本区地温场影响不大.

5 结论

通过对永城市顺河西矿区2个近似稳态测温钻孔和44个简易测温钻孔数据的分析，结合其他地质资料，对矿区地温场分布特征进行了深入研究，取得的主要认识如下.

1）矿区孔底温度恢复增量与静井时间的关系式为ΔT＝6.59928e－0.04397t－0.26437.根据校正公式及停钻测温时间可计算出简易测温钻孔的孔底温度.

2）垂向矿区地温数值与深度的线性关系为t＝0.02541h＋17.442，呈现较好的正相关性.埋藏深度534～769 m属一级热害区，埋藏深度769 m以深属二级热害区.

3）研究区地温主要控制因素是矿区构造和松散层厚度，对地温的影响较大.地下水活动及岩浆岩侵入对地温影响甚微.