两淮煤田地温场分布规律及其控制模式研究

摘要

本文在系统收集利用两淮煤田煤炭勘查和煤矿开采中积累的地温测量资料的基础上，结合矿区补勘工程，采用地面钻孔井温测试、井下巷道岩温测试、室内地热参数试验、数值模拟与理论综合分析等方法，重点研究了两淮煤田煤系岩石的热物理性质，阐明了两淮煤田地温场分布规律及其影响因素，建立了地温场分布的控制模式，对煤田地热资源进行了预计和评价，为两淮煤田深部煤炭资源的安全高效开采以及地热资源开发利用提供了科学依据。取得了以下研究成果和结论:
　　(1)对两淮煤田钻孔简易测温和瞬时测温曲线进行了近似稳态校正，建立了井底温度校正曲线公式和各水平温度的校正系数，确定了各测温孔井底的温度值和各水平的温度值，为绘制各矿区的地温梯度和各水平温度等值线图、认识两淮煤田地温分布特点和预测不同深度的温度提供更为可靠的基础数据，同时为今后两淮煤田简易测温的校正提供了依据。
　　(2)两淮煤田地温场分布特征主要表现为:整体上淮北煤田地温梯度小于淮南煤田，淮北煤田地温梯度平均地温梯度为2.42℃/hm，而淮南煤田平均地温梯度为2.9℃/hm;淮北煤田地温分布大体表现为北低南高、东低西高，而淮南煤田表现北高南低、东高西低;两淮煤田地温分布受构造控制，和区内地层的走向基本一致;地温随深度的增加而增加，表现出以传导型为主的增温特点;地温梯度随深度的增加而降低，且逐渐趋于一致，一般以400m深度为临界深度;各水平温度与埋藏深度呈很好的正相关关系。
　　(3)两淮煤田煤系岩石热导率的范围为0.37～4.36W/mK，平均热导率值约为2.54W/mK;不同岩性岩石的热导率不同，细砂岩的热导率最高，中砂岩、粉砂岩、泥岩和灰岩其次，煤岩最低;第四系松散层细砂为0.98 W/m.K、砂质粘土为1.33 W/m.K;热导率和岩性、深度、密度等有着密切的关系。
　　(4)两淮煤田岩石放射性生热率较低，平均值仅为1.68μ W/m3;本区煤系地层中放射性元素生热对地表热流的累计贡献为1.613mW/m2，占该区大地热流的3.6％左右，说明煤系岩石放射性生热对地表热流具有一定的贡献。
　　(5)依据岩石热导率和地温梯度值，计算了两淮煤田大地热流值，结果显示:两淮煤田大地热流值平均值为58.16mW/m2，淮南和淮北煤田的大地热流差异较大，淮南煤田平均为63.69 mW/m2，而淮北煤田为54.96mW/m2;淮南与淮北煤田大地热流差异性主要受区域地质构造和深部地质背景的影响。
　　(6)基于地质学和热力学理论，系统地分析了大地构造背景、地质构造特征、松散层厚度、岩石的热物理性质、岩浆作用和地下水活动等因素，对两淮煤田现今地温场的影响。结果表明:在区域地质背景下，地质构造和岩性特征（松散层厚度）对两淮煤田现今地温场起着主要控制作用，地下水的活动和岩浆作用等因素对地温场的分布也有一定的影响。
　　(7)基于两淮煤田地温场控制因素的分析，建立了区内较为典型的四种地温场控制模式:褶皱型控温模式、断裂型控温模式、褶断型控温模式和流固传热耦合型控温模式，并采用数值方法模拟了区内不同模式的地温场特征和大地热流的再分配，进一步揭示地温场分布的控制机理。
　　(8)依据《地热资源地质勘查规范》对两淮煤田地热资源进行了估算，估算结果表明两淮煤田地热分布广、储量大，大力开展地热开发利用应是研究区重点发展的方向之一。分析了煤矿井下低温地热资源的开发利用现状，评价了矿井地热的开发利用前景，并认为矿井水和矿井回风是一类稳定的较优质的余热资源，也是一种储量巨大的可再生低温热源。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 地热能研究方面

1．2．2 矿井地温研究方面

1．2．3 两淮煤田地温研究现状

1．2．4 存在的问题

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法、技术路线与工作量

2 研究区地质概况

2．1 地层

2．1．1 区域地层

2．1．2 煤系地层及沉积特征

2．2 地质构造

2．2．1 区域地质构造

2．2．2 研究区构造特征

2．2．3 岩浆活动

2．3 研究区水文地质条件

2．3．1 淮南煤田水文地质特征

2．3．2 淮北煤田水文地质特征

3 地温参数测试和获取

3．1 钻孔温度测量(井温测井)

3．1．1 钻孔测温分类

3．1．2 钻孔测温资料收集

3．1．3 钻孔温度现场测试

3．1．4 简易测温曲线校正

3．1．5 两淮煤田井温曲线形态类型

3．2 煤矿井下巷道岩温测量

3．2．1 测温方法

3．2．2 井下岩温测试过程与结果分析

3．3 地热温标参数测试与地温估算——水化学方法

3．3．1 地球化学温标类型

3．3．2 两淮煤田地球化学温标的利用

4 两淮煤田地温分布规律

4．1 淮南煤田地温分布特征

4．1．1 地温梯度分布特征

4．1．2 分水平地温分布特征

4．1．3 地温垂向分布特征

4．2 淮北煤田地温分布特征

4．2．1 地温梯度分布特征

4．2．2 分水平地温分布特征

4．2．3 地温垂向分布特征

4．3 小结

5 两淮煤田岩石热物理性质测试与评价

5．1 两淮煤田岩石热导率测定与评价

5．1．1 概述

5．1．2 样品采集与测试结果

5．1．3 测试数据分析

5．2 两淮煤田岩石放射性生热率测定与评价

5．2．1 概述

5．2．2 样品采集与测试结果

5．2．3 测试数据分析

5．3 大地热流分布特征

5．3．1 研究现状

5．3．2 大地热流计算

5．3．3 热流值和地温梯度的关系

5．3．4 热流值和生热率的关系

5．4 小结

6 两淮煤田现今温度场控制因素

6．1 区域地质背景对两淮煤田地温的控制作用

6．1．1 华北板块地温特征

6．1．2 区域地质背景对两淮煤田地温的控制

6．2 地质构造对现今地温场的影响

6．2．1 基底起伏和褶皱构造对现今地温场的影响

6．2．2 断层构造对现今地温场的影响

6．3 岩性对现今地温场的影响

6．3．1 热导率对现今地温场的影响

6．3．2 松散层厚度对现今地温场的影响

6．3．3 煤层对现今地温场的影响

6．4 地下水对现今地温场的影响

6．4．1 地下水流动对地温场的影响

6．4．2 地热水化学特征与地温场的关系

6．5 岩浆岩对现今地温场的影响

6．6 小结

7 地温场控制模式及其数值模拟研究

7．1 地温场控制模式

7．2 控温模式的数值模拟研究

7．2．1 数值模拟理论

7．2．2 褶皱型控温模式数值模拟

7．2．3 断裂型控温模式数值模拟

7．2．4 褶断型控温模式数值模拟

7．2．5 流固传热耦合型控温模式数值模拟

7．3 小结

8 两淮煤田地热资源评价与利用前景分析

8．1 地热资源储量计算

8．1．1 储量计算级别的确定

8．1．2 热储法地热资源储量计算

8．1．3 储存量法地热资源储量计算

8．2 地热流体可采量计算与评价

8．2．1 地热流体可采量计算

8．2．2 地热资源量评价

8．3 两淮煤田地热资源开发利用前景

8．3．1 地热资源直接利用

8．3．2 煤矿井下低温地热资源(废热)的开发利用

9 主要结论与创新点

9．1 主要结论

9．2 主要创新点

9．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读博士学位期间主要科研成果