2021, Vol. 30
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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5.2×108 t，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）.
| $ \Delta T{\rm{ = }}\frac{{T{\rm{ - }}{T_i}}}{T} \times {\rm{100}} $ | (1) |
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表 1 近似稳态测温孔ΔT-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.
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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 1—Z0103孔（Z0103 borehole）；2—Z0708孔（Z0708 borehole）；3—拟合曲线（fitting curve） |
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）.
| $ {T_0} = {T_j}/\left( {1 - \Delta T} \right) $ | (2) |
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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.
| $ G = \frac{{{T_0} - {T_{\rm{S}}}}}{{H - {H_{\rm{S}}}}} \times 100 $ | (3) |
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.
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图 2 地温梯度等值线图 Fig.2 Contour map of geothermal gradient 1—断层及编号（fault and number）；2—背斜构造线（anticline）；3—向斜构造线（syncline）；4—地温梯度等值线（geothermal gradient isoline）；5—地震线及编号（seismic exploring line）；6—工作区范围（study area） |
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.
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图 3 矿区地温与埋深关系图 Fig.3 Relationship between geothermal temperature and buried depth |
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.
| $ {T_{\rm{c}}} = {T_{\rm{o}}} - G\left( {H - {h_{\rm{c}}}} \right) $ | (4) |
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.
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