奚方喆 朱炎銘 杭 遠(yuǎn) 姚文濤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116)

錢(qián)家營(yíng)礦井開(kāi)采深度已進(jìn)入-850m，部分掘進(jìn)巷道溫度已達(dá)31℃，工作面溫度也達(dá)30℃。而根據(jù) 《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過(guò)30℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過(guò)34℃。相關(guān)調(diào)查表明，在我國(guó)高溫礦井中，一般勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，部分礦山的勞動(dòng)生產(chǎn)率僅為30%～40%，同時(shí)，工人的判斷力和反應(yīng)速度都明顯地下降，極大地增加了發(fā)生工傷事故的危險(xiǎn)性。因此，揭示錢(qián)家營(yíng)礦熱害成因、提出降溫措施對(duì)保證礦井的正常生產(chǎn)活動(dòng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 錢(qián)家營(yíng)井田地質(zhì)概況

錢(qián)家營(yíng)井田隸屬于開(kāi)平煤田，位于開(kāi)平向斜東南翼。開(kāi)平煤田地層屬于典型的華北型，古生代地層廣泛發(fā)育，含煤層位為石炭-二疊系。煤系地層下部直接與奧陶系成不整合接觸，直接被第四系松散堆積物覆蓋。錢(qián)家營(yíng)井田在構(gòu)造上自東向西可劃分為東北部褶皺區(qū)、中部單斜區(qū)和西南部褶曲區(qū)以及東北部-中部、中部-西南部?jī)蓚€(gè)過(guò)渡區(qū)。

圖1 錢(qián)家營(yíng)礦含水層示意圖

錢(qián)家營(yíng)井田含有7個(gè)含水層，見(jiàn)圖1，可劃分為奧灰水含水系統(tǒng)、含煤地層含水系統(tǒng)和第四系含水系統(tǒng)三大含水系統(tǒng)。奧灰水含水系統(tǒng)位于煤系基地，是本區(qū)重要的承壓含水層，水量大，水壓高；含煤地層含水系統(tǒng)主要由砂巖構(gòu)成，以孔隙-裂隙承壓水為主，水量較豐富，是礦井的直接充水水源；第四系含水系統(tǒng)直接不整合覆蓋在煤系上部，為礦井間接充水水源，以孔隙水位為主，水量豐富。

錢(qián)家營(yíng)井田在精查和補(bǔ)勘過(guò)程中共有12個(gè)鉆孔見(jiàn)到了巖漿巖，均位于井田的西翼，多為巖墻，厚約0.40～2.50m，常發(fā)育在褶皺構(gòu)造脆弱部位或者沿?cái)鄬佑缮畈肯蛏锨秩?，巖性以基性侵入巖為主，形成時(shí)代為燕山晚期。

2 測(cè)試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 井下測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析

錢(qián)家營(yíng)井田共有38個(gè)鉆孔進(jìn)行了溫度測(cè)量，但由于數(shù)據(jù)具有局限性，因此針對(duì)實(shí)際情況，選取了錢(qián)家營(yíng)礦-850m西副巷和2873運(yùn)輸巷的巷道巖溫。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，選取新開(kāi)炮眼進(jìn)行巖溫測(cè)試。

結(jié)合以前測(cè)溫資料，錢(qián)家營(yíng)礦東翼采區(qū)的巷道溫度基本處于23℃，而-850m西副巷和2873運(yùn)輸巷所屬的西翼采區(qū)的溫度已超過(guò)28℃，甚至達(dá)到35℃以上，東翼采區(qū)地溫異常不明顯，所以主要研究井田西翼的東部。選取位于-850m西副巷W12北西方向錢(qián)補(bǔ)27?？走M(jìn)行地溫梯度的擬合，見(jiàn)圖2，擬合度達(dá)0.991，具有較高的可信度，得出錢(qián)家營(yíng)礦熱害區(qū)的平均地溫梯度約為2.68℃／100m。

圖2 錢(qián)補(bǔ)27＃孔溫度隨深度變化趨勢(shì)圖

綜上所述，錢(qián)家營(yíng)礦熱害區(qū)域位于井田的中、西部，地溫梯度較大，尤其是中部六采區(qū)和八采區(qū)及其附近區(qū)域。

2.2 水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了研究錢(qián)家營(yíng)礦熱害是否為深部奧灰熱水上涌造成，故在錢(qián)家營(yíng)礦的采區(qū)及待采區(qū)采集水樣12個(gè)，其中水樣地點(diǎn)1358E采區(qū)、十采一中巷道、2075采區(qū)泄水石門(mén)、十采四中巷道、2075E泄水巷、井觀3?？缀褪徊绍壍老律轿挥诰飽|翼，五采軌道上山、2871E運(yùn)輸巷、2872W泄水巷、2873W風(fēng)巷和1693W運(yùn)輸巷老塘位于井田西翼，對(duì)水樣進(jìn)行常規(guī)元素 Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、SO42-、HCO3-6種離子含量測(cè)試。根據(jù)錢(qián)家營(yíng)井田的含水層分類(lèi)，選取2＃水源井作為奧灰水標(biāo)準(zhǔn)樣，沙河橋水作為淺部水標(biāo)準(zhǔn)樣。將12個(gè)水樣的上述6種離子作為變量利用SPSS軟件進(jìn)行聚類(lèi)分析。

水質(zhì)類(lèi)型聚類(lèi)分析譜系圖如圖3所示，譜系圖節(jié)點(diǎn)的距離越小，表明兩個(gè)水樣的離子成份越相似；離子成份越相似，表明不同位置的水樣存在一定程度的水力聯(lián)系。十采一中巷道、十采四中巷道、2075E泄水巷和十一采軌道下山4個(gè)水樣距離接近0，表明東翼采區(qū)的水樣其內(nèi)部關(guān)聯(lián)性較好，并且與奧灰水、淺部含水層的水樣關(guān)聯(lián)性均較?。欢宀绍壍郎仙?、2872W泄水巷和2873W風(fēng)巷3個(gè)水樣的距離十分接近2.5，且與作為奧水標(biāo)樣的2＃水源井的距離尤其接近，從而表明西翼采區(qū)的水樣其內(nèi)部關(guān)聯(lián)性也較好，與淺部含水層的相關(guān)性也較小，但與奧灰水有一定程度的關(guān)聯(lián)。綜上所述，整個(gè)錢(qián)家營(yíng)井田含煤地層未與淺部含水層連通，但在井田西翼與奧灰水有一定程度的導(dǎo)通。

圖3 水質(zhì)類(lèi)型聚類(lèi)分析譜系圖

3 錢(qián)家營(yíng)礦西翼熱害地質(zhì)成因

3.1 構(gòu)造對(duì)錢(qián)家營(yíng)井田西翼熱害的影響

錢(qián)家營(yíng)井田的熱害主要出現(xiàn)在中部單斜區(qū)。地下水常順著斷層運(yùn)移，導(dǎo)致不同深度的地層進(jìn)行熱交換，即斷層發(fā)育的區(qū)域有利于熱量在層間傳導(dǎo)。錢(qián)家營(yíng)井田中部單斜構(gòu)造區(qū)與東北部褶皺區(qū)相比，斷層不發(fā)育，地層傾角小，使其成為熱量保存的良好場(chǎng)所。與開(kāi)平向斜其他井田相比，唐山礦開(kāi)采深度已達(dá)千米卻未出現(xiàn)熱害，其斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，且地層傾角大，有利于熱量順層傳遞；開(kāi)平向斜南東翼的唐家莊礦、范各莊礦等斷裂構(gòu)造也較為發(fā)育，為熱量由深部向淺部傳遞提供了良好的通道，故也未出現(xiàn)熱害。因此，錢(qián)家營(yíng)井田的中部簡(jiǎn)單單斜整體構(gòu)造阻礙熱量向上傳遞，成為熱害出現(xiàn)的一個(gè)重要地質(zhì)因素。

3.2 巖漿巖侵入對(duì)錢(qián)家營(yíng)井田西翼熱害的影響

錢(qián)家營(yíng)井田所揭露的巖漿巖主要位于井田西翼，與熱害位置重合，表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。評(píng)定巖漿巖活動(dòng)對(duì)現(xiàn)今地溫場(chǎng)的影響，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮:其一，巖漿侵入和噴出的地質(zhì)年代，時(shí)代越新所保留的余熱就越多；其二，巖漿體規(guī)模、幾何形態(tài)以及圍巖產(chǎn)狀和熱性質(zhì)等，規(guī)模越大或者放射性元素含量越高的巖漿巖體帶來(lái)的熱量越多。錢(qián)家營(yíng)井田的巖漿巖發(fā)育于燕山晚期，在局部地段對(duì)圍巖進(jìn)行了較大程度的加熱，雖經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的熱交換，但殘存熱量仍導(dǎo)致其地溫明顯高于鄰區(qū)同類(lèi)地層常規(guī)溫度，也是造成錢(qián)家營(yíng)礦熱害的又一重要因素。

3.3 地層對(duì)錢(qián)家營(yíng)井田西翼熱害的影響

地層對(duì)地溫場(chǎng)的影響主要是指各地層的厚度、巖性、空間分布關(guān)系等。錢(qián)家營(yíng)井田煤系地層之上的第四系地層的厚度由北東向南西逐漸增大，其厚度增幅在40～120m／km，平均可達(dá)60m／km，至錢(qián)家營(yíng)井田西翼最大厚度可達(dá)800m。礦井深部熱量向上傳導(dǎo)介質(zhì)包括煤系地層及上覆第四系松散堆積物。第四系松散蓋層的平均熱阻值大于煤系地層，故在兩套地層分界處，形成了一個(gè)熱阻界面。熱量向上傳導(dǎo)時(shí)，在兩套地層分界處受阻。因此，錢(qián)家營(yíng)井田煤系地層上覆第四系松散堆積物形成了一個(gè)蓋層，為熱量保存提供了良好條件。此外，熱量沿垂向傳導(dǎo)，而錢(qián)家營(yíng)井田中部地層傾角較小，地層組合方式近于疊層式，直接阻礙了熱量順地層傳導(dǎo)。

綜上所述，錢(qián)家營(yíng)井田煤系地層上覆巨厚第四系蓋層以及兩套地層簡(jiǎn)單的疊層式結(jié)構(gòu)，使熱量難以散失，在井田西翼的東部地區(qū)出現(xiàn)熱害。第四系松散堆積物形成了一個(gè)良好的沉積蓋層。

3.4 地下水活動(dòng)對(duì)錢(qián)家營(yíng)井田西翼熱害的影響

錢(qián)家營(yíng)井田存在三大含水系統(tǒng)，第四系地層中發(fā)育多層黏土層，厚度穩(wěn)定且分布廣泛，阻隔了煤系地層和第四系地層的水力聯(lián)系。同時(shí)煤系地層頂部含有一層強(qiáng)氧化帶，透水性差，阻隔了煤系地層與上部地層的水力聯(lián)系，使錢(qián)家營(yíng)礦煤系地層內(nèi)的地下水難以向上運(yùn)移將熱量帶走。而奧灰水含水系統(tǒng)與井田西部的含煤地層的含水系統(tǒng)有一定程度的聯(lián)系，說(shuō)明奧灰水含水系統(tǒng)對(duì)含煤地層含水系統(tǒng)在井田西翼有一定的補(bǔ)給，導(dǎo)致深部熱水進(jìn)入西部含煤地層，井田西翼出現(xiàn)熱害，東翼采區(qū)溫度正常。由于井田的單斜構(gòu)造區(qū)域未發(fā)育有大規(guī)模的斷裂，故認(rèn)為是巖漿巖侵入對(duì)地層的連續(xù)性造成破壞，形成少量裂隙通道，使深部奧灰水向上運(yùn)移進(jìn)入煤系地層。

因此，井田西翼奧灰熱水通過(guò)巖漿巖侵入形成的裂隙進(jìn)入含煤地層，但難以向淺部運(yùn)移，使熱量保存在含煤地層中，為熱害形成提供了熱源。

4 熱害防治建議

對(duì)于礦井熱害的治理方法可以選擇改變通風(fēng)方式，增加巷道面積，例如上行通風(fēng)改為下行通風(fēng)，可使工作面的溫度降低1～2℃；對(duì)巷道的巖壁采用高爐硅渣、厚玻璃纖維等進(jìn)行隔熱處理；安裝空調(diào)設(shè)備制冷等。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)分析巷道巖溫和鉆孔測(cè)溫資料，得出錢(qián)家營(yíng)井田熱害主要位于井田西翼的東部即單斜構(gòu)造區(qū)。

(2)燕山晚期侵入的巖漿巖加熱了圍巖，深部的奧灰水沿侵入巖裂隙向上運(yùn)移帶來(lái)熱量導(dǎo)致圍巖的溫度升高，即侵入的巖漿巖和深部的奧灰熱水成為熱害源。

(3)錢(qián)家營(yíng)井田簡(jiǎn)單的疊層式的單斜構(gòu)造、上覆巨厚第四系松散堆積物和隔水層穩(wěn)定發(fā)育的水文地質(zhì)條件共同作用阻礙了熱量繼續(xù)向上運(yùn)移，使熱量在煤系地層中得以保存而形成熱害。

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