焦家金成矿带矿区地温场研究

刘诗鹏，邱 天，吴志超，杨 新

（1.山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东 莱州 261400；2.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430000）

矿产资源是珍贵的自然资源，对于现阶段我国社会发展的进步至关重要。近年来，随着相关行业对矿产资源的需求的增加，矿井逐年加深，导致矿井热害问题愈发突出。本文结合焦家金成矿带矿区实际情况，模拟矿区地温场，预测可能会产生热害的矿井开采深度，并且分析人为抽水对地温场的影响。

1 研究区概况

胶东地区地质历史较为复杂，受早白垩纪岩浆热隆影响，侏罗纪形成的玲珑岩基强烈隆升，其上覆的变质岩层形成拆离断层，胶东地区三山岛—仓上断裂、新城—焦家断裂和招远—平度断裂均是铲形下滑断裂，属拆离断层的组成部分[1]。本文研究对象是新城—焦家断裂带，是胶东地区三大金矿成矿带之一。本文的地温场数值模拟中包含达西渗流场，依据水文地质边界条件，在研究区划分出模拟区作为三维数值模拟对象（图1）。

图1 研究区范围及测温孔位置图

2 矿区地温场特征研究及控制因素分析

收集及汇总焦家金成矿带矿区地温资料，共整理出15个测温孔数据，来源于矿区各个时期的勘探资料，测温孔位置如图1所示。

2.1 地温梯度特征

地温梯度受地层结构及热物理性质的影响比较明显，所以它能较好地反映地层的温度变化情况。部分测温孔ZK509和ZK652地温梯度为1.85℃/hm和2.4℃/hm，统计其他测温孔地温梯度值，均在1.6～3.0℃/hm的正常分布范围内，因此模拟区中出现地热异常区概率较低。

2.2 水平及垂直地温分布特征

为进一步研究矿区地温场，分析水平和垂直方向的地温分布特征。根据测温孔数据，分别绘制了-400m、-800m标高水平温度等值线图，两个标高水平地温分布特征相似，-800m标高温度等值线图如下所示。

图2 模拟区-800m标高温度等值线图

等值线图上最大和最小温度值之间都是相差10℃左右，南北方向上看，地温西低东高；东西方向上看，地温等值线北疏南密，总体上从西到东，温度逐渐升高。

垂直方向上，地温与深度之间呈一元线性相关。设一元线性方程拟合数据，钻孔ZK509拟合公式为y=-0.0183x+8，R²值为0.996。

统计其他测温孔数据拟合的R²值，均大于0.95，表明拟合出的一元回归方程可信度非常高，证明地温在垂向上是随深度均匀增大的。

2.3 地温场控制因素分析

岩石在地球与大气层的热交换中起着介质的作用，是影响地球内部热量向外传递或地球内部热交换的重要因素[2]。根据钻孔揭露，研究区地层岩性中花岗岩和变辉长岩所占范围及比例都较大，而这两种岩性热导率也较大，所以在研究区范围内，因岩性而导致的地温热异常概率较低。

岩浆活动对地温场会产生影响，评定主要从两方面，一个是时间，一个岩浆体规模[3]。研究区内岩浆岩广布，但形成时期都比较早，对现今研究区内地温几乎没影响不大。

地下水是最活跃的地质因素，在地壳浅部广泛分布，热容量大易于流动，是围岩温度的重要影响因素[4]。研究区补给和径流条件较差，主要判断人为抽水活动是否对地温场有影响。

3 矿区地温场数值模拟

3.1 地温场数值模型建立

本次模拟范围为图1中模拟区，模拟区三条边界定为西北的莱州海岸线，东北的朱桥河，东南的地下分水岭。模型共分为4个地层，上覆岩层、断层上盘碎裂岩、断层下盘碎裂岩和基底岩层，再设置薄壁断层建立三维地质模型。为模拟矿区抽水条件，采用大井法概化各个矿区抽水井为一个主抽水井，并将其设置在模拟区中间位置，通过控制该井水位，来模拟井群抽水产生的水位下降效果。

本文设置有三种模拟模型：①初始模型，模型中的地下水位为自然水位；②验证模型，用于验证模型模拟精度模型；③预测模型：模拟抽水井水位为-1400m时情况。

达西渗流场模拟中共有三类边界，模拟采用定水头边界和隔水边界。模拟区朱桥河和地下分水岭定为隔水边界，莱州海岸线为定水头边界，水头为0.05m。

地温场模拟中有三种类型的边界条件，模拟采用给定温度值和给定热流值两种边界。模拟区上边界为给定温度值边界，下边界为给定热流值边界。

表1 各岩层主要参数

3.2 地温场数值模拟结果分析

验证模型主要是验证模拟结果精度，测温孔数据是矿区开采过程中测出的，因此，通过条件概化，将模型地下水位设为-400m。该模型模拟结果作为与实际温度数据的对比数据。

在标高-100m位置，孔JFZK1和孔FJZK1实测值为14.81℃和15.2℃，模拟值为15.38℃和15.38℃，分别相差0.57℃和0.18℃，相对误差在3.85%和1.18%。统计不同深度模拟值实际值误差得出，两个测温孔温度值的平均相对误差为4.92%，相关系数均在0.99以上。综上所述，本次模拟结果产生的数据是可靠的。

初始模型为参照模型，模拟结果如图3所示，模拟的地温场为自然条件下，未受人类扰动的地温场。模型自上而下，温度值由标高23.62m的12.9℃逐渐增加到标高-2500m的64.4℃。

图3 三维数值模型及初始模型模拟结果（网格线为xyz坐标轴；抽水井位置）

预测模型主要是预测抽水井水位到-1400m标高时地温场的变化，以及可能发生热害的标高位置。

根据模拟结果显示，对比不同水位下抽水井和钻孔JFZK1不同深度的温度值，-400m和-1400m标高水位的抽水井温度值均大于初始水位抽水井不同深度的温度值；钻孔JFZK1不同深度的温度值在初始水位、-400m和-1400m标高水位差别不大。

模拟区大概会在-720m的标高位置达到我国《矿山安全条例》中规定的井下工人工作最高温度28℃。

4 结论

（1）抽水对于地温场会产生影响，但是影响非常小，基本可以忽略。并且，抽水对地温的影响与距抽水井距离有关，距离越远，地温场所受影响越小。

（2）结合实际测温孔数据及模拟结果，焦家金成矿带矿区开采标高从-625m到-1090m都有可能产生地温热害，标高从-720m到-1090m产生热害的概率更高，在实际开采过程中应密切注意，采取相应防护措施。