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1、矿山地热知识 摘自矿山地热概论第一章 煤田地质勘探中的地热工作第一节 煤田勘探中地热工作的任务地质勘探中，地热研究的主要方法是钻孔测温，相应进行岩石热物理性质的测定。 在进行地温资料分析研究时，必须将地温场与相关的地质背景和水文地质条件联系起来 考虑，因为地温场是受后者控制和影响的。 所以，区域热状况地研究必须采取综合性的 方法。煤田地质勘探的地热工作，按勘探阶段由简而烦，各阶段的地热工作任务如下：一、普查阶段尽量利用有限的钻孔进行测温，以便确定在勘探深度内有无热害地段存在。 同时搜 集区内及外围地质、地球物理方面的有关地热的背景资料， 注意地热异常显示。如与地 热异常有关的地名、泉名、热水井
2、、植物生长异常、积雪动态异常。区内如有热水活动， 应注意研究热水进入矿井的可能性。二、详查阶段地热工作应能满足矿区总体设计要求， 关心的主要问题是矿区内有无热害， 热害范 围。在前一阶段，未发现温度偏高或不存在高温条件，煤层埋藏条件不超过 300米者, 本阶段一般可以不再进行测温工作。三、精查阶段应划分一级热害区及二级热害区的范围，对前一阶段以查明无热害的地区不再做测 温工作。对地温正常，曾因受到增加而有热害的地区，测温孔以精确测定地温梯度为主 要任务，为此，应有部分孔进行准稳态测温或稳态测温。 对于热异常区或构造复杂有热 水活动的深部地区，要求所有勘探孔都进行测温。1978年煤炭部地质局颁发
3、的煤炭资源勘探地温测量若干规定一级热害区 原始地温21-37 C ?( 26-37 C)二级热害区 原始地温37 C。第二节测温钻孔的布置一、钻孔测温类型1、瞬态测温一停钻后12小时的钻孔测温方式；2、准稳态测温一停钻静止3-5天后全井段或中性点以下井段温度已达准稳定时测 温；3、稳态测温一长期保留的钻孔，温度已达时间的测温。在地质勘探中，以瞬态测温为主，配合一定数量的准稳态测温和最低限度的稳态测二、测温钻孔的布置应考虑以下原则：1、应根据区域地质构造的特点，测温钻孔布置在以下地段： 背(向)斜的轴部、翼部； 大断层的两侧； 张性断裂发育的地段； 岩浆入侵体的边缘； 煤系基底构造； 盖层厚度发
4、生显著变化的地段； 井田深度不同的部位； 考虑编制地温图件和面上控制的需要。2、在水文地质条件变化较大的煤田， 应考虑水文地质单元的划分。同一个单元中, 应在地下水的补给、径流、排泄区、强径流带、弱径流带和停滞带分别布置测温孔，以 便查明地下水在不同条件下对地温带的影响；3、在煤系之下若有强的承压含水层，应布置钻孔在揭穿之前和揭穿之后分别进行测温，研究承压含水层对上覆煤系地层温度场的影响；4、 测温孔还应优先形成剖面，一个井田应有 3-5条测温剖面。其中主剖面（穿过 井田中央的、或横穿构造的剖面）测温孔密度和精度适当提高；5、考虑对地温场全面评价和资料校正的需要，应安排必要的钻孔进行热流测试和
5、 恒温带观测；6全部测温钻孔中要安排适当的准稳态和稳态测温孔，以便取得对非稳态测温孔 资料校正的依据。三、热流测试孔位于恒温带观测孔的选择1、热流测试孔鉴于热流数据获取不易，需要同时测得钻孔的稳态温度梯度值和岩石热导率数据。热流测试点的选择应注意以下问题： 待测的热流值系指通过岩石传导的热流。因此，必须选择在不受流体热对流影 响的地段。 热流测试以深孔和中深孔为宜，测试段要避开浅部地下水活动强烈带，对于深 部要注意避开受承压水顶托扰乱的层段 钻孔位置要能代表矿区一般地质条件，在热流测试点少的情况下，避开在地质 构造上的特殊部位，如背斜及向斜轴、断裂等。背斜轴部有热流相对集中现象，热流值 偏高；
6、而向斜部相反，热流值偏低。断层两盘由于基岩有落差，或因断裂导水、阻水等 作用，均可造成温度场和热流分布的局部扰乱； 煤系地层岩性变化复杂，未了减少热导率样品的测试工作，并提高热流值的测 定精度，热流测试段应安排在厚层、岩性据以的去段中，如厚层的、均一的灰岩或砂岩 段都是比较适宜的。 考虑到热流测试必须进行稳态测温，并取得热导率测试的岩样，要求钻孔保留 足够长的时间。因此，因充分利用长期水文观测孔和井筒检查孔，兼作热烈测试孔。为 了减少等候钻孔温度稳定时间，应考虑尽量利用钻孔下部测温，热导率岩样的采取位置 亦应与拟选的测温段一致。2、恒温带观测孔恒温带是地球内热带的外部边界，实际确定恒温带的深度
7、及温度对于测温资料的整理和区域地热状况的评定均不可少，恒温带观测孔的选择应注意以下问题： 通常在一个几十至几百平方公里的煤田区域内，恒温带主要受 地形、地下水和 地表水体分布等影响。观测孔应选择在地形平坦、不受地下水和地表水活动的影响，并 且地下水不太深的部位，如位置适当，可同长期观测孔结合； 孔深以不小于50米，孔内静止水位深度不超过10-15米为宜；在松散土层内， 应安装套管，管口设密闭装置。 每月观测一次，其周期至少应满一年。观测仪精度土 0.1 C,测定密度每隔2.00 米一个点。要标定测温仪，每次观测前要校正仪器。第三节岩石热物理性质测定的采样勘探区内需要哪些钻孔、哪些层位的热参数，
8、须按热流测试和矿井设计中热交换计 算两方面的需要，由地质人员和设计人员共同商定。除热测试孔计算段应采取岩样外， 一个矿区的井巷涉及的岩石也应热物理性质的测定参数。对于不同的岩层、不同的岩相带均要有代表性的样品。 大型矿区，煤层深度变化大 时，应当对深部、中部分别采样。对于层状结构岩石，热导率具有各向异性，平行于层理、片理、片麻理方向的热导 率大于垂直方向的热导率。因此，有条件时，应选择两套标本分别测定垂直热导率和平 行（层理、片理）热导率。选取标本的钻孔不宜太多，以保证标本岩性齐全为度。孔位选择要避开风化带、构 造带。样品要有代表性，分层采取，层厚5.00米取一块;5.0 10米上下段各取一块
9、；10 米分上中下段各取一块，直径不限，长度 1025厘米。第二章地温测量第一节钻孔温度测量一、钻探对温度场的扰乱1. 钻具升降和钻头破碎岩石摩擦产生热量；2钻孔冲洗液循环扰乱（孔上段升温，下段冷却）；二、钻孔温度平衡时间钻孔停钻、冲洗液停止循环，孔内温度达到稳定，一般需要24-72小时或更长；三、利用短暂停钻期间测量井底温度，推求平衡温度的方法：1耶格方法2. 洛萨拉姆斯实验室方法四、钻孔的近似稳态测量1井底温度停钻12小时的简易测温所获得的非稳定井温曲线，其井底温度比其它任何点更接 近于原始岩温。根据井底温度的稳定程度作如下估计：一般情况下，可以认为温度达到了准稳定，也就是说井底岩石的热性
10、质属于一般（即 K0.005 cm 2.S-1 ）的情况下，温度 恢复程度相当于温度扰动的幅度的 70-80%,届时的井底温度与平衡岩石温度相差一度 左右。为了真正测到井底温度，孔内必须干净，测温探头能到达井底。2中性点（段）相当深的钻孔中，由于钻探扰动，上段被冲洗液增温，下段被冷却，在温度恢复过程中，下段井温朝着增加的方向回升；而上段井温朝着下降的方向变化。因此，在温度变化方向相反的上下两段之间，必然存在着温度与围岩相近，甚至相平衡的点（段），这个点（段）称为中性点（段）。.在钻孔温度恢复过程中，通过不同时间的两条井温曲线，可求得中性点（段）。在实际工作中，用高精度（土 0.1 0C）测温仪
11、测停钻12和24小时两条井温曲线， 两条曲线交点即为中性点；用低精度（土 1.0 0C）测温仪，两次测温间隔时间要拉长些， 才能显示出测温曲线上下两段的明显变化而得到中性点。（2）.中性点（段）的温度与围岩温度的关系：有两种可能：即处于平衡或十分接近。.中性点（段）的位置深度： 取决于循环冲洗液的温度与钻孔围岩深度的高低。 它是钻孔温度扰动与恢复过程中的瞬时现象，随着钻孔深度的加大，井液温度的升高， 中性点的深度逐渐向深部方向移动。 在同一深度，改变循环液的温度，中性点的位置也 将改变。因此，求取中性点的正确方法，是在同一次停止冲洗液循环后，于不同时间进 行两次或两次以上的测温。必须注意，两次
12、测温期间最好不进行其它任何操作。3恒温带：恒温带是地球内热带的外部边界。 在稳态的钻孔温度曲线上，它是个恒温点，即在 一定的地质背景条件下，它是个温度常值，可据以推求近似稳态温度曲线的浅部依据。 恒温带的温度可以用下式表示：丐-比-（1 a.Z）a 人式中：一恒温带温度；Z 恒温带深度； 地面年平均温度；q 大地热流值；岩石热导率；a 地面热传递系数。.恒温带的温度十分接近于当地地面年平均温度，其差值是由来至地球内部大地 热流造成的影响；（2）.由于恒温带距地表很近，也可以用地面（Z=0）及地面年平均温度（入）代替恒 温点作为求近似稳态温度曲线的依据。【在未测得恒温带时，可以用当地多年平均气温
13、+2度确定】第二节测温资料的整理测温资料一般需要整理以下图件：#、钻孔温度一深度图编制井温#测温曲线可以分为两种类型：1、传导性一温度的梯度来自深部的热流，通过岩石传导的方式形成，曲线具有一 定坡度的直线或折线；2、对流型一温度的梯度是在流体的热对流作用控制下形成的。温度梯度值极小或 为零，曲线近于竖直；3畸变型一地温在某一个深度连续、 跳跃，这是钻孔严重漏水或其它原特殊因造成 的。井温 ()对流型性 导对流型，井温 ()訂钻孔深度钻孔深度钻孔深度钻孔温度曲线类型图一个停钻孔的多次测温曲线放在一起对照， 可以看出钻孔温度的恢复过程和由不稳 定过渡到稳定的变化规律。地下水从补给区到排泄区，地温梯
14、度逐渐增高。二、地温剖面与平面图编制编制地温图是以稳态测温资料为依据，对于非稳态测温资料必须校正为近似稳态资 料方可使用。校正方法：就地质勘探测温资料而言，采用“井底温度”一“中性点”一“恒温带” 的方法是可行的。注意事项：1关于井底温度：作为校正的标准，井底温度应取停留满 12小时的井底温度数据， 自然稳定时间越长越好。2关于中性点：必须根据同一次停钻后静止过程中， 其间有一定间隔时间的两条测 温曲线求得；若两次测温之间冲过孔，则不能用来求中性点。3关于恒温点：应使用本区实测值；若无实测值，可用地面（即深度为零）年平均 温度值来代替。编图时，经常遇到某些钻孔测温深度不够，这时应对测温资料作一
15、些必要的外推， 其方法如下：由浅推深法若外推断的岩性和上段相同或基本相似，可将实测稳态温度曲线（校正后的曲线） 按自然梯度直接查所需深度，求得近似的温度值。对比法如果外推深度段的岩性有明显的差异， 可以根据该地区相同构造部位，相同岩性段 的已知地温梯度，计算下段的温度。估算法假定所研究的钻孔温度场符合一维稳态热流模式， 即由深部而来的、垂直向上经过 剖面各层段的热量是常值，根据浅部实测的热值和深部预测段的岩性及热导率， 即可求 出待测段的地温梯度值G,从而获得预测段的温度。在编制地温过程中，应注意可能引起温度场变化的地质结构特点， 如该层厚度的变 化、基底起伏、构造形态、断层带的性质及规模，同时要注意水文地质条件的变化，以 便使编制的图件更接近于实际。第三节 地下水对流对钻孔测温的影响一、当钻孔揭穿含水层后有水流入钻孔产生热对流的情况下，测温结果有可能歪曲区域的自然热场，也可能使局部热场发生位移；二、当钻孔有高温水向上流动，较低温水向下移动，这就是孔内温度调和，造成梯度值减小。因此，对流作用对局
