淮南煤田刘庄矿区A组煤底板灰岩地热资源特征分析.pdf

上海国土资源 Shanghai Land&Resources68 2023Vol.44.3 doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.03.011淮南煤田刘庄矿区 A 组煤底板灰岩地热资源特征分析张 帅，李 静，张克松，高志强（安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽蚌埠，233000）摘 要：对淮南煤田刘庄矿区 A 组煤底板灰岩地热资源进行了调查研究，建立了地热概念模型。研究区煤层底板灰岩具有典型的热传导型层状热储特征，通过钻探与测井取得热储层顶底板温度，估算其地热资源储量为 171.171016 J，折合标准煤58.48106 t；抽水试验结果表明热储层富水性弱，涌水量小且热损失大致出水温度低。提出进一步详查及煤热共采等建议。关键词：地热资源；热储层；煤层底板灰岩；煤热共采中图分类号：P641.4+61；P314.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2023)03-0068-06安徽省煤炭资源丰富，主要包括淮南、淮北两大煤田，其中淮南煤田煤层埋藏较深且开采利用时间较早，按可采煤层埋藏与开采条件分为 A、B、C、D、E 五组，A 组煤是最下面的一个层组，各生产矿区随着采煤深度的增加，“热害”问题逐步突显，已对矿井生产及井下工人身体健康造成影响。至此，科研人员发现煤矿区不单单只有煤炭这一种资源，还有地热资源这一清洁能源未引起重视加以研究。因此，安徽省地质工作者从变“害”为“利”的角度出发，以淮南煤田为研究对象，从 2000 年以后陆续开展了淮南煤田地热资源的调查评价以及煤、热共采技术研究。由于研究区内的以往地质工作大多未涉及到 A 组煤底板灰岩富水性及地温分布规律和地温梯度特征，因此本研究以淮南煤田刘庄矿区 A 组煤底板灰岩地热资源为研究对象，重点查明地热资源的赋存特征，为矿区煤热共采提供基础依据。1 地质概况及地温场分布特征1.1 地质概况淮南煤田主体位于安徽省淮南市，向西延伸至阜阳东部地区，地表水系发育，淮河水对煤田水文条件有直接影响。研究区位于淮南煤田的西部，地表为第四系所覆盖，地层层序与淮南煤田各井田相同，研究区地层岩性特征见表1。研究区内构造发育，主要由阜凤逆冲断层组（F1）、陈桥颍上正断层（F5）和江口集正断层（F12）组成的一个小的封闭的水文地质单元内。研究区地下水类型根据地下水的补径排条件、水力性质、含水介质和水化学环境特征可分为新生界松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水三类。碳酸盐岩类岩溶裂隙水即为本次研究工作的目标热储层位，又细分为石炭系太原组碳酸盐岩类含水岩组和奥陶系碳酸盐岩类含水岩组，奥陶系灰岩含水层在岩溶裂隙发育地区呈现富水性强特征。1.2 工作方法简介本次工作主要通过对研究区的资料收集，加以分析研收稿日期：2023-04-13修回日期：2023-07-08作者简介：张帅，1990 年生，男，学士，工程师，主要从事地热地质及其开发利用研究。电子邮箱：zhangshuai-基金项目：安徽省公益性地质工作项目“淮南煤田深部 A 组煤底板灰岩地热资源调查评价”(2015-g-36)表 1 刘庄矿地层简表Table 1 Brief table of strata in Liuzhuang coalmine界系厚度（m）主要岩性及分布范围新生界第四系119.6550.7分布趋势为东南薄、西北厚，岩性主要为黏土夹砂层。古近系431.0500.0分布于矿区南部外围，岩性为砂岩、泥岩及其互层，夹砂砾岩。中生界三叠系 304.31000.0部分钻孔揭露，岩性以砂岩为主。古生界二叠系125.0844.0分布于全区，有 7 个含煤段，是矿区主要勘探对象，岩性主要为泥岩、砂岩。石炭系102148分布于全区，岩性以灰岩为主，夹泥岩和砂岩，含薄煤层。奥陶系250.0400岩性以中厚层白云岩，白云质灰岩，夹灰岩。寒武系666.81060主要分布在 F1断层上盘，据区内钻孔揭露岩性以鲕状灰岩、结晶灰岩、白云质灰岩为主。新太古界 500.0区域出露不全，在研究区南部外围有钻孔揭露，主要岩性为角闪片岩、花岗片麻岩等。上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 69究后施工地热验证钻孔，在孔内采取岩石样品及水质同位素分析样品，分别送往实验室测定其参数；地温梯度的确定通过收集的钻孔测温数据和实测地热孔井温数据计算得出。岩石样品生热率委托中国科学院地质与地球物理研究所岩石热物性实验室测定，在实际测量中，通过测定岩石样品中铀、钍、钾的含量计算得出岩石样品生热率。测试依据与方法为 硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44 个元素量测定（GB/T 14506.302010）和硅酸盐岩石化学分析方法 第 11 部分：氧化钾和氧化钠量测定（GB/T 14506.112010），仪器型号为 NexION300D 等离子体质谱仪。水质同位素委托原国土资源部地下水科学与工程重点实验室测定，2H、18O 指标依据波长扫描光腔衰荡光谱法，采用型号为 L2130i 的同位素分析仪测定，3H、14C 指标依据国家行业标准 DZ/T 0064-1993，采用型号为Quantulus1220 的超低本底液体闪烁谱仪测定。地温梯度的测量依据井温测井数据计算得出，测井设备采用上海地学仪器研究所研制的 JHQ-2D 数字综合测井系统，配备小时间常数的 PT100 铂电阻作为传感器，采样间隔为 0.02 m 连续测量。1.3 地温场分布特征（1）淮南煤田地温场特征淮南煤田地温场以阜凤推覆体（F1）为界，南北地温差异明显，呈北高南低，且南部地温梯度值明显小于北部。淮南煤田地温梯度大于 3/hm 的高温异常区，从东部至西部基本连续成片分布，陈桥颍上断层（F5）以西地区分布有大范围高温异常区，区内地温梯度变化范围在 1.94.7 /hm，平均梯度达 2.96 /hm。（2）刘庄矿区地温场特征根据刘庄矿 33 个测温孔数据以及生产过程中各水平地温异常点测量数据，统计分析表明，刘庄矿地温场垂向上呈随深度加大而升高，地温梯度大于 3 /hm 的有21 个测温孔，占全部测温孔的 61%，有规律的分布于矿区北部。因此本区北部属地温异常区，南部为地温正常区。地温向深处的增加仅与岩石的热导率呈正比关系，导热性差的地方往往是地温异常区域，热导率大的岩层中地温梯度小（2.32.6 /hm），热导率小的岩层中地温梯度大（2.83.7 /hm）；煤层的热导率较其他岩层热导率小，所以煤层有很好的隔热作用，其地温梯度要较其他岩层大的多。上部松散层由于热导率低，深部热流向上传导至上部地层时，聚热效果明显，而研究区上覆巨厚的第四系、古近系松散层，地温相对较高。各煤层地温随深度加大而增高（表 2），在走向方向上西部随鞍部起伏而变化（图 2）。由于本区没有岩浆岩，地层本身的生热率也较低，影响地温的主要原因是靠近陈桥背斜，距老地层近，热源主要来源于深部热流。2 地热概念模型综研究区内有较理想的二叠第四系盖层和石炭奥陶系热储层，以及阜凤逆冲断层组（F1）推覆构造带及陈桥颍上断层（F5）构成的控热导热断裂，使深部热能沿断裂上升有利部位储存，构成了淮南煤田刘庄矿区潜在的地热异常区。综合本次研究工作成果，以地层结构和构造发育特征为基础，结合研究区 A 组煤底板灰岩富水性特征，初步图 1 淮南煤田地温梯度分布特征图Fig.1 Distribution characteristic map of geothermal gradient in Huainan Coalfield表 2 刘庄矿各煤层分水平温度统计表Table 2 Statistical table of horizontal temperature of each coal seam in Liuzhuang coalmine分水平标高(m)各煤层温度（）13-1 煤11-2 煤8 煤5 煤1 煤-50031.2032.4633.2634.3834.67-60033.4634.5235.0736.1736.83-70035.7236.5836.8837.9638.99-80037.9838.6438.6939.7541.15-90040.2440.7040.5041.5443.31-100042.5042.7642.3143.3345.47-120047.0246.8845.9346.9149.79图 2 刘庄矿 A 组煤底板灰岩地温等值线图Fig.2 Geotemperature contour map of limestone floor of group A coal seam in Liuzhuang coalmine上海国土资源 Shanghai Land&Resources70 2023Vol.44.3 构建了热储概念模型（图 3），现就地热资源要素：源、通、盖、储叙述如下：2.1 热源与地热流体通道受阜凤逆冲断层组（F1）挤压形成的推覆构造、谢桥向斜、陈桥背斜等北东向正断层组、北西西向断层组，为热能向上运移、传导也提供了有利条件，陈桥颍上断层（F5）是一个小范围的分水岭，热流传导至此形成高温异常区的“滞点”。因此，构造运动是工作区地下热源之一。研究区内无岩浆侵入，实测泥岩生热率为 2.06 w/m3、砂岩生热率为 1.78 w/m3、灰岩生热率为 0.83 w/m3，平均生热率为 1.68 w/m3，由此产生的热能在整个热源中的占比仅百分之几。因此，区内的热源主要为接受深部大地热流向上的热传导补给，通过构造沟通，被导热系数低的覆盖层（Q+N）和二叠系（P）地层所阻，而聚集在其下部的石炭系（C）、奥陶系（O）及寒武系（）地层成为热储。2.2 地热盖层研究区内地热资源盖层主要由新生界和中生界地层组成，厚度达1029 m之多，新生界地层岩性主要为细砂岩、砾岩、黏土、中细砂等；其下由中生界二叠系（P）山西组、石盒子组组成，岩性主要为砂岩泥岩相间、含铝泥岩等，并夹有多层煤层，是地热资源的良好盖层。2.3 热储层本次工作区热储层主要为 A 组煤底板以下的石炭系太原组（C2t）与奥陶系马家沟组（O1+2m）灰岩组成，钻探揭露厚度达350 m左右。属传导型地热，为层状热储地热田。3 结果分析与讨论3.1 温度测井数据分析本次温度测井主要目的是测量不同深度的井温数据，计算验证孔地温梯度，获取目标热储层顶底板温度，为计算地热资源储量提供参数。由于测取数据较多，本文对测温数据进行每 50 m 抽稀绘制测温曲线（图 4）。根据温度测井资料，验证孔变温带深度为 019 m，恒温带由 19 m 过渡至 30 m，温度为 16.8，301400 m为增温带，温度随深度的增加而逐渐增大，1358 m 处温度显示 55.5。计算全孔地温梯度（井底温度恒温带温度）（井底深度恒温带底板深度）100（55.5 16.8）（1358 30）100 2.91 /hm，略高于正常地温梯度。3.2 抽水试验成果分析通过对抽水试验数据进行整理分析，分别作出Q、st 过程曲线和 Q f(s)曲线、q f(s)曲线如图 5 所示。采用单井抽水试验时的 Dupuit 公式及吉哈尔特抽水引用影响半径经验公式进行渗透系数（K）和影响半径（R）图 3 淮南煤田刘庄矿区地热概念模型图Fig.3 Geothermal concept model diagram of Liuzhuang coalmine,Huainan Coalfield图 4 DK01 孔简要柱状图Fig.4 Brief bar chart of DK01图 5 DK01 孔抽水试验成果分析曲线Fig.5 Analysis curve of pumping test results in DK01上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 71计算。根据抽水试验计算结果，该地区岩层渗透系数较小，单井出水量低（表 3）。根据 DK01 孔抽水试验，在降深 236 m 时涌水量小于3 m3/h，由于水量小，造成开采过程中水温损失也相对较大，不具有开采价值。对比刘庄矿已有石炭系、奥陶系地层水文勘探孔的抽水试验成果，分析其原因应该是钻孔所在位置地层泥质含量高，断层多为泥质充填，而成为阻水断层，地下水活动弱，岩溶沟通性较差，地下水为净储存量水。3.3 地热流体同位素分析本次同位素水样只测定四种同位素，环境稳定同位素2H、18O 和放射性同位素3H、14C（表 4），主要用于研究地热流体的形成机制、地下水循环、更新途径及地下水的年龄等。一般情况下，浅层地下水的形成时间相对较短，3H值较高，基岩或深部的热水通常情况下，3H 值较低。分析地热流体的放射性同位素特征，表明三个同位素样品的3H 平均值为 0.5 T.U，3H 值较小，这说明钻孔内的热水为“古水”，属于深部较封闭的环境。同位素14C 的测定的平均结果为 3 万多年，这也表明地下水形成于更新世时期，在没有人类工程活动的扰动下（如煤层开采进行的疏排水工作），地下水活动较弱。3.4 资源量估算本次研究工作主要是对刘庄煤矿 A 组煤底板灰岩地热资源评价，而刘庄煤矿下部基岩是一个东、南、西三面封闭、地层向南缓倾、北部与新近系地层接触的水文地质单元。因此，计算地热资源时东部边界以 F5 为界，西部以 F12 为界，南部以推覆体断层组 F1 和矿区边界为界。为提高资源量计算准确性，根据矿区地温分布特征和地层倾向的变化，将整个区域分成三个区进行计算：F19 以东为第一单元（东区），F19 以西至 F8 以东为第二单元（中区），F8 以西为第三单元（西区）。本次地热资源储量估算采用体积法，该方法估算地热储量在研究区几何、物理参数确定时，可以给出一个确定值，即地热资源储量等于热储体积、岩体温度、孔隙率和岩石与水的比热、密度之积，各计算参数均为本次实测获取（表 5）。经计算，刘庄矿区 A 组煤底板灰岩（石炭系(C)和奥陶系(O)）的地热储量为 171.171016 J，折合标准煤58.48106 t。（表 6、图 6）表 4 DK01 孔地热流体同位素测试结果统计表Table 4 Statistical table of geothermic fluid isotope test results in DK01检测项目样品编号TSY01TSY02TSY03 DV-SMOW（）-71-71-71T(T.U)0.80.6 0.5 0.618 OV-SMOW（）-9.6-9.6-9.514C现代碳百分数（%）2.030.641.880.373.260.52表观年龄（ka）32.232.5832.851.6028.301.32表 6 刘庄矿区 A 组煤底板灰岩地热资源储量计算成果表Table 6 Calculation result table of geothermal resources reserves of limestone in A coal floor in Liuzhuang coalmine层位计算分区东区储量（1016J）中区储量（1016J）西区储量（1016J）合计（1016J）石炭系岩石13.4911.555.2930.33石炭系储水6.055.182.3713.59奥陶系岩石39.7434.1315.7089.56奥陶系储水16.7214.366.6037.68储热层总计76.0065.2129.96171.17折合标准煤（106 t）25.9622.2810.2458.48表 3 DK01 孔抽水试验成果表Table 3 Table of results of pumping test in DK01降序降深（m）涌水量 Q（L/s）单位涌水量 q（L/(sm)）渗透系数 K（m/d）影响半径 R（m）S1131.830.2130.0016120.00081838.16S2181.990.3980.0021780.00122163.58S3236.880.6640.0028050.00165496.35表 5 刘庄矿区 A 组煤底板灰岩地热资源储量估算参数表Table 5 Table of estimation parameter in A coal floor limestone geothermal resource reserve estimation parameter of Liuzhuang coalmine计算参数计算分区东区中区西区热储面积（m2）254901902261240010754182石炭系层厚（m）100100100奥陶系层厚（m）250250250石炭系平均地温梯度（/100m）2.952.952.95奥陶系平均地温梯度（/100m）1.331.331.33石炭系层顶平均地温（）424140石炭系层底平均地温（）44.9543.9542.95奥陶系层顶平均地温（）44.9543.9542.95奥陶系层底平均地温（）48.2847.2846.28石炭系岩石平均密度（kg/m3）260026002600奥陶系岩石平均密度（kg/m3）270027002700石炭系比热 kJ/(kg)0.880.880.88奥陶系比热 kJ/(kg)0.920.920.92石炭系孔隙率0.20.20.2奥陶系孔隙率0.20.20.2图 6 刘庄矿 A 组煤底板灰岩地热资源储量估算图Fig.6 Reserves estimation of limestone geothermal resources in A coal floor in Liuzhuang coalmine上海国土资源 Shanghai Land&Resources72 2023Vol.44.3 3.5 讨论本次研究工作施工的验证孔虽热储温度较高，平均达50 左右，但抽水井口温度只有 30.2，分析其原因可能有几下几方面：（1）主要含水层段分布于石炭系太原组及奥陶系马家沟组灰岩中，下部奥陶系灰岩虽偶有溶蚀发育，但其规模均较小且不相互连通，部分又为泥质充填，富水性弱。（2）热储水在向上运移过程中，热量通过井管向周围地层扩散，由于单位涌水量小使热水在沿井管上升时，热损失相对较大，致井口出水温度大大低于热储层平均温度。抽水试验时测得井口出水温度为 29.5，在抽水试验结束后继续抽水 23 天以后测得井口出水温度达 30.2，虽然出水温度只升高了 0.7，但也说明了热水在向上运移过程中热量通过井管不断向周围地层扩散，抽水时间较长时，热量损失会逐渐减小。4 结论（1）研究区热储主要为 A 组煤底板下灰岩热储层，具有典型的热传导性层状热储特征，估算地热资源储量为171.171016 J，折合标准煤 58.48106 t。（2）研究区 A 组煤底板灰岩热水属于深层地下古水，由于验证孔所在区域补给条件差，单井涌水量较小，虽热储温度较高，但孔口温度较低，单井无开采利用价值，但并不能代表整个刘庄矿区 A 组煤底板灰岩热储无开采利用价值。（3）鉴于研究区地热资源的特殊性，一般情况下是不会被开采的，但在矿区开采到 A 组煤时，为消除水害与热害影响而采取降水、降温措施，下部地热水将会被开采出来，对此建议应通过工作进一步查明 A 组煤底板灰岩赋水地带并进行验证。对于 A 组煤底板灰岩热储，应根据当时的技术发展状况予以合理利用，同时注意加强开采过程中动态监测，避免因水位下降过快对地质环境造成不良影响。参考文献(References)1 汪集暘,孔彦龙,段忠丰,等.“双碳”目标下煤田区地热资源开发利用与储能技术 J.煤田技术与勘探,2023,51(2):1-11.WANG J Y,KONG Y L,DUAN Z F,et al.Geothermal energy exploitation and storage in coal field under the dual carbon goalJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(2):1-11.2 周念清,孔令熙,王小清.碳中和背景下上海市浅层地热能开发效益分析与评价 J.上海国土资源,2022,43(3):1-7.ZHOU N Q,KONG L X,WANG X Q.Analysis and 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J.煤炭科学技术,2018,46(4):208-214.BI S K,WAN Z J,ZHANG H W,et al.Research on development and utilization of geothermal resources in Tangkou coal mineJ.Coal Science and Technology,2018,46(4):208-214.上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 73Characteristics of the geothermal resources of limestone in the coal floor of Group A,Liuzhuang mining area,Huainan CoalfieldZHANG Shuai,LI Jing,ZHANG Kesong,GAO Zhiqiang(The First Institute of Hydrogeology and Engineering Geological Prespecting of Anhui Geological Surveying Bureau,Anhui Bengbu 233000,China)Abstract:A geothermal conceptual model was established by investigating the geothermal resources of the Group A coal floor limestone in the Liuzhuang mining area,Huainan Coalfield.The main thermal reservoir in the study area is the A coal floor limestone thermal reservoir,which has the typical layered thermal storage characteristics of thermal conductivity.Through drilling verification,the top and bottom temperatures of the thermal reservoir were obtained by temperature logging.The estimated geothermal resource reserve of 171.171016 J is equivalent to the standard coal 58.48106 t.The pumping test results of the thermal reservoir indicated weak water abundance,small water inflow,and roughly low water outlet temperature for heat loss.Therefore,a single well has no mining or utilization value.However,this does not mean that the limestone thermal storage of the Group A coal floor in the entire Liuzhuang mining area has no mining or utilization value.Future studies should identify the water-bearing characteristics of the thermal storage layer,providing a basis for eliminating the impact of water and thermal hazards in mining areas and achieving thermal coal co-mining.Key words:geothermal resources;thermal reservoir;coal seam floor limestone;together mined of coal and heat10 LO K Y.The pore pressure-strain relationship of normally consolidated undisturbed clays:part I.Theoretical considerationsJ.Canadian Geotechnical Journal,1969,6(4):383-394.11 NYAL E W,JOHN R G.Pore pressures and strains after repeated loading of saturated clayJ.Canadian Geotechnical Journal,1974,11(2):269-277.12 YASUHARA K,YAMANOUCHI T,HIRAO K.Cyclic strength and deformation of normally consolidated clayJ.Soils and Foundations,1982,22(3):77-91.13 刘时鹏.K0固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力 J.地下空间与工程学报,2018,14(2):430-435.LIU S P.Excess pore water pressure caused by pile sinking in K0 consolidated saturated soilJ.Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2018,14(2):430-435.14 罗嗣海,易萍华,杨泽平.应力条件对正常固结饱和黏性土孔压系数 A 的影响/第六届全国工程地质大会论文集 C.2000:366-367.LUO S H,YI P H,YANG Z P.Effect of Stress conditions on pore pressure coefficient A of normally consolidated saturated clay/Proceedings of the Sixth National Engineering Geology CongressC.2000:366-367.15 高彦斌,李赫,张阿晋.结构性对上海软土次压缩特性的影响J.上海国土资源,2011,32(4):73-77.GAO Y B,LI H,ZHANG A J.Influence of soil structure on secondary compression behavior of Shanghai soft clayJ.Shanghai 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