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1、矿井地热（水害）成因分析及治理对策 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3135，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
2、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80390m的F5正断层，南有落差50150m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300330，倾角715。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、
3、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100160m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23层灰岩组成。总厚818m。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
4、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 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3140，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48。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
5、了LJW1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
6、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0.22.65 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
7、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 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
8、要是K+1、SO42-、AL3+、Fe3+等含量显著偏高。水化学类型为SO4Na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S3421.8，换算为：S32/S3421.8。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20.822.0，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
9、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 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29.443.4。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4043.4，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
10、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
11、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一的特点，用物探、钻探等方法，查明断裂构造的含（导）水性。对于含（导）水断层，在巷道揭露前，进行局部注浆加固，并按规定留足断层防水煤柱，严防断层带突水。 （3）对于构造较复杂、奥灰顶部阻隔水层裂隙发育及徐灰富水性较好的区段，应采用局部注浆加固徐灰及其上下的阻隔水层的方法，充填构造裂隙，改造隔水层条件，增强其阻隔水能力，避免底板突水事故的发生，保证安全生产。