摘要
本文在系统收集利用两淮煤田煤炭勘查和煤矿开采中积累的地温测量资料的基础上,结合矿区补勘工程,采用地面钻孔井温测试、井下巷道岩温测试、室内地热参数试验、数值模拟与理论综合分析等方法,重点研究了两淮煤田煤系岩石的热物理性质,阐明了两淮煤田地温场分布规律及其影响因素,建立了地温场分布的控制模式,对煤田地热资源进行了预计和评价,为两淮煤田深部煤炭资源的安全高效开采以及地热资源开发利用提供了科学依据。取得了以下研究成果和结论:(1)对两淮煤田钻孔简易测温和瞬时测温曲线进行了近似稳态校正,建立了井底温度校正曲线公式和各水平温度的校正系数,确定了各测温孔井底的温度值和各水平的温度值,为绘制各矿区的地温梯度和各水平温度等值线图、认识两淮煤田地温分布特点和预测不同深度的温度提供更为可靠的基础数据,同时为今后两淮煤田简易测温的校正提供了依据。(2)两淮煤田地温场分布特征主要表现为:整体上淮北煤田地温梯度小于淮南煤田,淮北煤田地温梯度平均地温梯度为2.42℃/hm,而淮南煤田平均地温梯度为2.9℃/hm;淮北煤田地温分布大体表现为北低南高、东低西高,而淮南煤田表现北高南低、东高西低;两淮煤田地温分布受构造控制,和区内地层的走向基本一致;地温随深度的增加而增加,表现出以传导型为主的增温特点;地温梯度随深度的增加而降低,且逐渐趋于一致,一般以400m深度为临界深度;各水平温度与埋藏深度呈很好的正相关关系。(3)两淮煤田煤系岩石热导率的范围为0.37-4.36W/mK,平均热导率值约为2.54W/mK;不同岩性岩石的热导率不同,细砂岩的热导率最高,中砂岩、粉砂岩、泥岩和灰岩其次,煤岩最低;第四系松散层细砂为0.98 W/m.K、砂质粘土为1.33 W/m.K;热导率和岩性、深度、密度等有着密切的关系。(4)两淮煤田岩石放射性生热率较低,平均值仅为1.68μW/m3本区煤系地层中放射性元素生热对地表热流的累计贡献为1.613mW/m2,占该区大地热流的3.6%左右,说明煤系岩石放射性生热对地表热流具有一定的贡献。(5)依据岩石热导率和地温梯度值,计算了两淮煤田大地热流值,结果显示:两淮煤田大地热流值平均值为58.16mW/m2,淮南和淮北煤田的大地热流差异较大,淮南煤田平均为63.69 mW/m2,而淮北煤田为54.96mW/m2;淮南与淮北煤田大地热流差异性主要受区域地质构造和深部地质背景的影响。(6)基于地质学和热力学理论,系统地分析了大地构造背景、地质构造特征、松散层厚度、岩石的热物理性质、岩浆作用和地下水活动等因素,对两淮煤田现今地温场的影响。结果表明:在区域地质背景下,地质构造和岩性特征(松散层厚度)对两淮煤田现今地温场起着主要控制作用,地下水的活动和岩浆作用等因素对地温场的分布也有一定的影响。(7)基于两淮煤田地温场控制因素的分析,建立了区内较为典型的四种地温场控制模式:褶皱型控温模式、断裂型控温模式、褶断型控温模式和流固传热耦合型控温模式,并采用数值方法模拟了区内不同模式的地温场特征和大地热流的再分配,进一步揭示地温场分布的控制机理。(8)依据《地热资源地质勘查规范》对两淮煤田地热资源进行了估算,估算结果表明两淮煤田地热分布广、储量大,大力开展地热开发利用应是研究区重点发展的方向之一。分析了煤矿井下低温地热资源的开发利用现状,评价了矿井地热的开发利用前景,并认为矿井水和矿井回风是一类稳定的较优质的余热资源,也是一种储量巨大的可再生低温热源。