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中国是一个富煤缺油少气的国家,煤炭作为我国的主要能源资源,在今后相当长的时期内占据着不可替代的主导地位。随着浅部的煤炭资源日益减少,开采深度不断加大,煤矿的高温热害问题将日益突出。矿井的热害治理工作应在矿井设计时进行规划,以取得最佳的经济效果,而探明煤矿的深部地温条件及现今地温场特征是预测矿井热害的前提,也是现今煤层气的成因和深部地热能利用的重要理论依据。 本文以淮北煤田南部孙疃和赵集等勘探区为主要研究区,从分析区域地质与区域地温场特征入手,运用煤系地层钻孔测温的数据分析、不同岩石热导率及煤岩镜质组反射率测试等手段,对淮北煤田的孙疃勘探区、赵集勘探区等典型勘探区进行了深入研究。在此基础上获得如下主要成果和新认识: (1)通过对淮北煤田南部孙疃勘探区和赵集勘探区以及祁东勘探区等大量的钻孔现场测温和数据分析孙疃、赵集和祁东勘探区地温在纵向上随深度的增加而增加,表现出了传导型的增温特点;孙疃-赵集勘探区的钻孔数据的分类计算表明现今平均地温梯度约为2.68℃/hm,其中孙瞳矿区现今平均地温梯度约为2.74℃/hm,赵集矿区现今平均地温梯度约为2.62℃/hm,祁东勘探区平均地温梯度为2.11℃/hm;整个研究区平均地温梯度处于正常地温梯度范围。有少数钻孔的地温梯度值大于3℃/hm,局部出现异常高温区,并且孙疃勘探区和赵集勘探区的地温梯度值与整个淮北煤田宿临矿区的地温梯度平均值2.65℃/hm相当,祁东勘探区的地温梯度值较整个淮北煤田的地温梯度值偏低。在大量采集野外样品的基础之上,结合实验测得的研究区具有代表性不同岩性样品的热导率值,计算出孙疃勘探区的大地热流值为61.5mW/m2,高于全球陆地热导率平均值。 (2)大地热流在传导过程中总是优先向热导率高的部位聚集。在低热导率岩层(如煤层)内地温梯度会显著增大,造成局部聚热现象,在煤矿开采过程中将会产生严重热害现象。在基岩隆起区、断层的上升盘和背斜构造等一系列正向构造单位由于下伏的高热导率的灰岩层上隆有利于热流密度相对集中而致局部聚热,是煤矿热害高发区。地下水广泛分布于煤系地层的各个含水层中,易于流动且热容量大,在地下水活动强烈区域里,地温梯度往往会被降低。如遇断裂等,深部较热的地下水也可以起到升高浅部地温的作用。 (3)孙疃-赵集勘探区的主采煤层在煤矿开采时预计会出现一级热害区,甚至有的煤层会出现二级热害区。并且这几个主采煤层都表现出了东高西低的地温特点。孙疃勘探区的地温梯度值较赵集勘探区的地温梯度值较大,主要原因分析是孙疃有岩浆作用释放热量。祁东矿区的地下水作用较强烈,使得其平均地温梯度值较小。计算祁东勘探区约在698m以深可能出现煤矿一级热害,约在983m以深可能出现煤矿二级热害。 (4)通过对孙疃和赵集勘探区二叠系煤岩镜质组反射率测试与分析,结合研究区现今地温场特征和构造特征以及煤系地层沉积后所经历的构造埋藏史等,分析得出:研究区二叠系煤系地层现今具有地温相对较低的特征,即现今地温均小于50℃;镜质组反射率相对较高,即均在0.75%以上;煤级以中高变质为主,并最终揭示了现今地热场对煤层气资源效应的控制作用,得到孙疃和赵集勘探区的二叠系煤层所处的现今状态较适合次生生物成因气的生成的认识。 (5)矿井地热不仅对煤矿深部开采的安全产生很大的危害,而且也对其中地热资源的利用带来较大的前景。本文探讨了一些方法如干热岩法、地温热泵等。这些方法有效的利用了井下地热,达到既改善工作环境、降低巷道内环境温度,又将置换出的热量用于地面供热及生活用水的效果,这些方法的研究对深井降温与地热资源利用有一定的参考价值和指导意义。