地下水运移对矿井地温场的影响

摘要

根据勘探资料显示，淮南煤田的中东部井田存在地温异常现象，生产矿井热害问题较为严重。本文以淮南煤田的潘三井田为研究对象，通过室内实验、理论分析和数值模拟等方法，系统分析研究区内地下水运移对地温场的影响，力图为井田热害治理提供参考依据。
　　文中首先对区域及井田的温度场分布规律进行了系统分析，其次开展了井田含水层的水化学特征研究，然后建立了地下水水平运移和垂直运移的数学模型，并推导出解析解。依据地下水运移的对流-传热方程，分析了地下水平面流动和垂直运移对矿井地温场的影响。最后根据研究区的地质及水文地质条件，借助FLAC软件，进行A组煤采动条件下底板突水时的温度响应特征数值模拟分析。通过以上研究，本文得出以下主要结论:
　　(1)潘三矿井地温梯度的平均值为3.08℃/hm，大地热流平均值为73.14mW/m2，大部分地区属于地温正异常区，垂向上矿井的地温分布是以热传导为主的，部分地段存在对流-传热现象。
　　(2)研究区地下水的水化学类型以Cl-Na+K型为主，主要补给来源为大气降水，矿井处于封闭～半封闭性的水文地质环境中，且灰岩水的溶蚀性小。在高温异常区，地下水（煤系水和岩溶水）中的矿化度和Ca2+、Na+、SO；-、CI的浓度与温度具有一定的正相关关系。
　　(3)建立了地下水水平运移时多孔介质温度场的数学模型，并根据方程的解析解对淮南矿区地下水水平运移的热效应进行分析，得出区内地下水平面流动对地温场的影响较为明显，表现在地下水从西部流向中东部的过程中，水体不断吸收围岩的热量，水温逐渐增高。
　　(4)分别建立了大面积缓慢垂直渗流和快速垂直渗流时围岩的温度分布方程。针对大面积缓慢垂直渗流的情况，建立了由n-1层传导型和1层传导-对流型温度场控制模型，推导出了其解析解，并给出了潘三矿地温场受地下水垂直运移影响较为明显的地段，为十四西9孔和13-14E-1孔附近。
　　(5)流体做快速垂直渗流时，可忽略热传导作用，推导出热传递方程并给出解析解。以灰岩抽水钻孔为例，依据抽水钻孔井口实测水温计算出了灰岩热储温度。
　　(6)A组煤开采底板突水时的温度响应数值模拟结果显示:随着采空区范围不断扩大，在其左右两端出现应力集中，采空区顶底板则表现为应力释放;突水前含水层的水压分布基本不受采动影响，工作面附近围岩中的热量传递以热传导为主。发生突水事故时，底板岩层破坏带处的渗透系数最大值是原始值的50倍;底部热水沿采动裂隙涌入工作面，工作面温度由20℃升高到50℃。
　　(7)从数值模拟结果可知，当热水沿底板裂隙渗入工作面，底板岩体出现温度升高的异常现象。所以在煤矿开采过程中对底板岩体温度进行监测，对突水预报具有一定的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题依据及研究背景

1．2 研究现状及存在的问题

1．2．1 矿区热水研究现状

1．2．2 矿区地温研究现状

1．2．3 地下水运移热效应对围岩温度影响的研究

1．2．4 存在的问题

1．3 研究目的及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 研究方法与技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

2 研究区地质概况

2．1 井田位置及自然地理条件

2．2 地层及煤层

2．2．1 井田地层

2．2．2 井田煤层

2．3 地质构造

2．3．1 区域地质构造

2．3．2 矿井构造

2．4 水文地质条件

2．4．1 区域水文地质概况

2．4．2研究区水文地质条件

3 潘三矿地温场特征分析

3．1 地温梯度分布特征

3．2 分水平地温分布特征

3．3 地温垂向分布特征

3．4 大地热流分布特征

3．4．1 研究区大地热流分析

3．4．2 岩石放射性生热产生的热流值

3．5 小结

4 地下水水化学特征研究

4．1 矿区常规水化学分析

4．1．1 常规水化学组成分析

4．1．2 离子的水文地球化学分析

4．2 矿区氢氧稳定同位素特征

4．2．1 大气水中氢氧同位素组成

4．2．2 基于氢氧稳定同位素的地下水来源分析

4．3 碳酸盐矿物的溶沉判别

4．3．1 概述

4．3．2 判定结果分析

4．4 水化学特征与地温场的关系

4．5 小结

5 地下水水平及垂直运移的热效应

5．1 岩体传热理论

5．2 地下水水平运动的热效应

5．2．1 方程描述与参数研究

5．2．2 平面流动对地温的影响

5．3 地下水垂直运动的热效应

5．3．1 大面积缓慢垂直渗流

5．3．2 快速垂直渗流情况

5．4 小结

6 A组煤开采底板突水温度响应数值模拟分析

6．1 FLAC简介

6．2 三场耦合计算模型

6．2．1 耦合方程

6．2．2 三场耦合边界条件

6．3 岩石三轴渗透试验

6．3．1 渗透试验原理

6．3．2 试验参数及结果分析

6．3．3 岩石应力-渗透率关系方程

6．4 数值模型的建立

6．5 结果分析

6．5．1 应力场及采动塑性区分析

6．5．2 渗流场分析

6．5．3 温度场分析

6．6 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介