矿井地热（水害）成因分析及治理对策

矿井地热 水害 成因分析及治理矿井地热 水害 成因分析及治理 对策对策 淄矿集团坤升公司是受地热害威胁较严重的矿井 矿井投 产后 在第一水平开采时 就发现井田南翼局部地区地热异常 采掘工作面温度高达 31 35 气温炎热潮湿 井下作业人员 常汗流浃背 并伴有中暑 感冒等现象 严重恶化了劳动环境 直接威胁着井下职工的身体健康 为了探索治理地热 害 的有效途径 我们在充分收集 利用已有的地质及水文地质资料的基础上 又补充进行了物探 化探 稳态测温 单抽水试验 计算模拟分析等工作 进一步 查明了地热异常的分布范围和成因 在此基础上 提出了通过 封堵热水上升通道 加固煤层底板含水层 达到既治理热害 又治理水害之目的 1 地质构造及水文地质特征地质构造及水文地质特征 1 1 地质构造 矿井位于淄博向斜盆地东翼北端近腹部地带 东有落差 80 390m 的 f5 正断层 南有落差 50 150m 的 f1 正断层 西 有落差 600m 的 f13 正断层 北面为地层倾斜深部 为一东 南 西三面均下降的断块地垒构造 井田内煤系地层为单斜构 造 地层倾向 300 330 倾角 7 15 区内断裂较发育 落差 10m 以上的断层有 35 条 全为正断层 从断层的产状分 析 大可分为三组 一组为北北东向的走向正断层 区内发育 有 29 条之多 二组为南北向的正断层 仅有 f13 断层是井田的 西边界 三组为近东西向的斜交正断层 区内发育 5 条 但延 展长 常为张性含 导 水断层 另外 井田内岩浆侵入活动比较剧烈 岩性主要是辉长岩 辉绿岩 生成时代为中生代燕山期 对煤层 含水层影响较大 多为层状 据资料分析 奥灰顶面以下 100 160m 左右有岩浆 岩岩体 1 2 水文地质特征 1 含水层 煤系及其以上含水层富水性不强 对矿井 影响不大 影响矿井安全的含水层主要有 徐家庄灰岩含水 层 位于 10 煤以下 30m 左右 有 2 3 层灰岩组成 总厚 8 18m 资料表明 徐灰岩溶不发育 裂隙发育不均 主要接 受其底板奥灰水的顶托补给 奥陶系灰岩含水层 总厚 821m 位于 10 煤以下 60m 顶部裂隙不太发育 2 断层带水文地质特征 f5 f1 f13 和 f3 断层为 区域地下水的主要控水与导水构造 其中 f5 f1 和 f13 断层为 弱水透水或隔水断层 唯有 f3 断层具有较强的垂直向上补给特 征 是地下水强导水带 2 地热补勘工作地热补勘工作 2 1 基础资料 矿井投产后 在 300m 10300 采区和 10700 采区生产过 程中 发现 9 10 煤采掘工作面的气温高达 31 40 采煤工 作面底板出水水温高达 40 出水工作面的温度较不出水工作 面的温度高 4 8 1992 奥灰水文补勘时 发现奥灰水沿 f3 断层带由北向南水温剧增 最高达 39 5 各观测孔水温测量 证实 奥灰水水温在 f3 断层的南部较高 而在断层北部和离开 断层处 则相对较低 随放水时间的延长 有上升的趋势 另外 淄博市施工时 市热孔 的奥灰水最高温度达 43 4 2 2 地热补勘工作 1 测温工作 1995 年 12 月 我们利用了 ljw 1 型精 密测温仪 对 15 个钻孔进行了同一时间的孔温测量 其中稳态 测温 14 个孔 瞬态测温 1 个孔 同时 在井下对 3 个徐奥灰钻 孔进行了孔口水温测量 在此基础上 又整理了 1988 年以来十 几年的井下采掘工作面测量的地温 气温资料 基本查明了井 田内地温及地温梯度的空间变化 地温异常区集中的井田南部 最高地温梯度达 5 6 hm 2 水化学样测试工作 共对 14 个钻孔采集全分析样 16 个 同时加采同位素样 8 个 进行了化验 3 218po 放射测量 地下热水中的 218po 是氡的短寿 命子体 半衰期为 3 05min 其中 a 辐射强度与土壤中自然状 态氡浓度成正比 本区热水化学分析表明 地下热水中铀 钍 镭及氡等放射性微量元素较高 因此在本区通过 218po 放射性 测量 圈定氡射气异常带 可间接寻找与热水有关的断裂构造 工作区设在井田南部 f13 断层两侧 测线方向基本与 f13 断层 垂直 测线长 0 2 2 65 km 使用河北地院研制的 218po 测量 仪进行测量 实际完成剖面测量 13 条 物理点 316 个 控制面 积 2 77km2 从实测资料分析 218po 曲线在平面上的分布在 f13 和 f25 断层部位 主要呈负异常 两侧有正异常相伴 正 负异 常沿断层走向呈连续带状分布 而在 f25 与 f13 断层交汇处转 变为宽大的单一正常异常 异常与断层如此明显的关系 表明 一是正异常系氡常晕高浓集的反映 即在此部位放射性元素向 浅部的反向迁移强度明显增强以致超过了 淋滤 冲刷 而产生 的贫化影响 从而预示其深部可能存在热水的强活动带 二是 f3 断层与 f25 断层存在着交叉关系 由此推断 f13 主构造之一 f3 断层通过与 f25 断层交叉断层是控制地下热水运移的并与 f13 断层产生水力联系 3 热异常的分布和成因热异常的分布和成因 3 1 测孔测温资料分析 井田内及周围 14 个钻孔温资料和矿井十几年的开采各采 掘工作面地温变化资料表明 本区的正常地温增值梯度为 2 5 hm 井田内热异常幅度最大是井田南翼 f3 断层附近 受断裂 构造控制明显 地下水迳流到本区 其中局部迳流沿断裂构造 由深部向浅部垂向运动 形成本区的水文地热异常 3 2 水化学特征 本区地下热水的特点主要是 k 1 so42 al3 fe3 等含 量显著偏高 水化学类型为 so4 na 型 矿化度 4g l 左右 na k 值 10 k 含量高达 100mg l 对市热孔热水中的硫取样作硫同位分析 其 s34 21 8 换算为 s32 s34 21 8 据地球化学统计 有机 成因的硫 s32 s3422 3 岩浆岩的硫同位素比值范围窄 基本上 为 22 2 沉积成因硫酸盐的硫同位素比值在 20 8 22 0 因此 说明本区热水中的 so4 的来源和形成是地下水与石炭 二迭系 中大量的黄铁矿作用的结果 即热水不仅赋存于奥灰地层中 同样赋存在石炭 二迭系中 也就是说 本区地下热水赋存在 断裂构造系统中 通过对地下水中标型组分 so4 和 k 及矿化度指标分析表明 本区地下热水的形成是大气降水沿不同距离 不同深度的多迳 流途径 发生水岩相互作用的结果 浅层水矿化度低 so4 k 值高 水温低 而深层水则相反 矿化高度 so4 k 值低 水 温较高 4 本认识与治理措施本认识与治理措施 4 1 本认识 通过对上述资料的整理与分析 基本查明了热异常范围和 成因 并预测了热水开采对水温的影响 1 地热异常区分布范围为 21km2 地下水温 29 4 43 4 其中 f13 断层与 f3 断层交汇处为地热异常中 心区 其中热孔水温 40 43 4 区内热水的分布与赋存明 显地受断裂构造控制 2 地热异常的成因 地热异常区的热储结构为断块地 垒式基岩裂隙型储热水系统 大地热流通过张性断裂带由地下 深处传递给浅部岩层 浅部热水又通过导水裂隙和热传导作用 使周围地层呈现热异常 该地下热水接受大气降水补给 降水 自东南部山区汇流 沿断裂带渗入地下深处 吸收围岩热量 并参与水岩地球化学作用 形成热水 又在水压和温度差造成 的自由对流作用下 构成承压的热水循环系统 形成现在的地 热异常区 3 地下热水利用与热害治理的关系 本区地下热水循 环系统 具有良好的传导能力 并以垂向传导为主 热储构造 中存在一种减压顶托传导作用 开采利用热水 相当于上部减 压 从而促使深部热水向上流动 因此 开采利用地下热水 不能降低浅部地层的温度 也就不能有效地治理热害 4 2 害治理措施 由于地层深部的热能是通过水的传导而上升的 因此 治 理热害应与矿井防治水工作结合起来 1 封堵断层导水通道 对于切割深度较大 开启性较 好的 f3 断层 应采用打钻 注浆加固断层带的方法 将钻孔打 到奥灰顶面以下 100m 左右的岩浆岩侵入部位 注浆加固奥灰 内岩浆岩及以上的断裂带 使之形成一个相对整体 切断深部 水与浅部水联系 2 充分利用奥灰水受断裂构造控制和不均