矿山地温知识Word文档格式.docx
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二、测温钻孔的布置
应考虑以下原则：
1、应根据区域地质构造的特点，测温钻孔布置在以下地段：
①背（向）斜的轴部、翼部；
②大断层的两侧；
③张性断裂发育的地段；
④岩浆入侵体的边缘；
⑤煤系基底构造；
⑥盖层厚度发生显著变化的地段；
⑦井田深度不同的部位；
⑧考虑编制地温图件和面上控制的需要。
2、在水文地质条件变化较大的煤田，应考虑水文地质单元的划分。
同一个单元中，应在地下水的补给、径流、排泄区、强径流带、弱径流带和停滞带分别布置测温孔，以便查明地下水在不同条件下对地温带的影响；
3、在煤系之下若有强的承压含水层，应布置钻孔在揭穿之前和揭穿之后分别进行测温，研究承压含水层对上覆煤系地层温度场的影响；
4、测温孔还应优先形成剖面，一个井田应有3-5条测温剖面。
其中主剖面（穿过井田中央的、或横穿构造的剖面）测温孔密度和精度适当提高；
5、考虑对地温场全面评价和资料校正的需要，应安排必要的钻孔进行热流测试和恒温带观测；
6、全部测温钻孔中要安排适当的准稳态和稳态测温孔，以便取得对非稳态测温孔资料校正的依据。
三、热流测试孔位于恒温带观测孔的选择
1、热流测试孔
鉴于热流数据获取不易，需要同时测得钻孔的稳态温度梯度值和岩石热导率数据。
热流测试点的选择应注意以下问题：
①待测的热流值系指通过岩石传导的热流。
因此，必须选择在不受流体热对流影响的地段。
②热流测试以深孔和中深孔为宜，测试段要避开浅部地下水活动强烈带，对于深部要注意避开受承压水顶托扰乱的层段
③钻孔位置要能代表矿区一般地质条件，在热流测试点少的情况下，避开在地质构造上的特殊部位，如背斜及向斜轴、断裂等。
背斜轴部有热流相对集中现象，热流值偏高；
而向斜部相反，热流值偏低。
断层两盘由于基岩有落差，或因断裂导水、阻水等作用，均可造成温度场和热流分布的局部扰乱；
④煤系地层岩性变化复杂，未了减少热导率样品的测试工作，并提高热流值的测定精度，热流测试段应安排在厚层、岩性据以的去段中，如厚层的、均一的灰岩或砂岩段都是比较适宜的。
⑤考虑到热流测试必须进行稳态测温，并取得热导率测试的岩样，要求钻孔保留足够长的时间。
因此，因充分利用长期水文观测孔和井筒检查孔，兼作热烈测试孔。
为了减少等候钻孔温度稳定时间，应考虑尽量利用钻孔下部测温，热导率岩样的采取位置亦应与拟选的测温段一致。
2、恒温带观测孔
恒温带是地球内热带的外部边界，实际确定恒温带的深度及温度对于测温资料的整理和区域地热状况的评定均不可少，恒温带观测孔的选择应注意以下问题：
①通常在一个几十至几百平方公里的煤田区域内，恒温带主要受地形、地下水和地表水体分布等影响。
观测孔应选择在地形平坦、不受地下水和地表水活动的影响，并且地下水不太深的部位，如位置适当，可同长期观测孔结合；
②孔深以不小于50米，孔内静止水位深度不超过10-15米为宜；
在松散土层内，应安装套管，管口设密闭装置。
③每月观测一次，其周期至少应满一年。
观测仪精度±
0.10C，测定密度每隔2.00米一个点。
要标定测温仪，每次观测前要校正仪器。
第三节岩石热物理性质测定的采样
勘探区内需要哪些钻孔、哪些层位的热参数，须按热流测试和矿井设计中热交换计算两方面的需要，由地质人员和设计人员共同商定。
除热测试孔计算段应采取岩样外，一个矿区的井巷涉及的岩石也应热物理性质的测定参数。
对于不同的岩层、不同的岩相带均要有代表性的样品。
大型矿区，煤层深度变化大时，应当对深部、中部分别采样。
对于层状结构岩石，热导率具有各向异性，平行于层理、片理、片麻理方向的热导率大于垂直方向的热导率。
因此，有条件时，应选择两套标本分别测定垂直热导率和平行（层理、片理）热导率。
选取标本的钻孔不宜太多，以保证标本岩性齐全为度。
孔位选择要避开风化带、构造带。
样品要有代表性，分层采取，层厚<
5.00米取一块；
5.0—10米上下段各取一块；
>
10米分上中下段各取一块，直径不限，长度10—25厘米。
第二章地温测量
第一节钻孔温度测量
一、钻探对温度场的扰乱
1.钻具升降和钻头破碎岩石摩擦产生热量；
2.钻孔冲洗液循环扰乱（孔上段升温，下段冷却）；
二、钻孔温度平衡时间
钻孔停钻、冲洗液停止循环，孔内温度达到稳定，一般需要24-72小时或更长；
三、利用短暂停钻期间测量井底温度，推求平衡温度的方法：
1.耶格方法
2.洛萨拉姆斯实验室方法
四、钻孔的近似稳态测量
1井底温度
停钻12小时的简易测温所获得的非稳定井温曲线，其井底温度比其它任何点更接近于原始岩温。
根据井底温度的稳定程度作如下估计：
一般情况下，可以认为温度达到了准稳定，也就是说井底岩石的热性质属于一般（即K>
0.005㎝2.S-1）的情况下，温度恢复程度相当于温度扰动的幅度的70-80%，届时的井底温度与平衡岩石温度相差一度左右。
为了真正测到井底温度，孔内必须干净，测温探头能到达井底。
2中性点（段）
相当深的钻孔中，由于钻探扰动，上段被冲洗液增温，下段被冷却，在温度恢复过程中，下段井温朝着增加的方向回升；
而上段井温朝着下降的方向变化。
因此，在温度变化方向相反的上下两段之间，必然存在着温度与围岩相近，甚至相平衡的点（段），这个点（段）称为中性点（段）。
⑴.在钻孔温度恢复过程中，通过不同时间的两条井温曲线，可求得中性点（段）。
在实际工作中，用高精度（±
0.10C）测温仪测停钻12和24小时两条井温曲线，两条曲线交点即为中性点；
用低精度（±
1.00C）测温仪，两次测温间隔时间要拉长些，才能显示出测温曲线上下两段的明显变化而得到中性点。
⑵.中性点（段）的温度与围岩温度的关系：
有两种可能：
即处于平衡或十分接近。
⑶.中性点（段）的位置深度：
取决于循环冲洗液的温度与钻孔围岩深度的高低。
它是钻孔温度扰动与恢复过程中的瞬时现象，随着钻孔深度的加大，井液温度的升高，中性点的深度逐渐向深部方向移动。
在同一深度，改变循环液的温度，中性点的位置也将改变。
因此，求取中性点的正确方法，是在同一次停止冲洗液循环后，于不同时间进行两次或两次以上的测温。
必须注意，两次测温期间最好不进行其它任何操作。
3恒温带：
恒温带是地球内热带的外部边界。
在稳态的钻孔温度曲线上，它是个恒温点，即在一定的地质背景条件下，它是个温度常值，可据以推求近似稳态温度曲线的浅部依据。
恒温带的温度可以用下式表示：
式中：
—恒温带温度；
Z—恒温带深度；
—地面年平均温度；
q—大地热流值；
—岩石热导率；
—地面热传递系数。
⑴.恒温带的温度十分接近于当地地面年平均温度，其差值是由来至地球内部大地热流造成的影响；
⑵.由于恒温带距地表很近，也可以用地面（Z=0）及地面年平均温度（
）代替恒温点作为求近似稳态温度曲线的依据。
【在未测得恒温带时，可以用当地多年平均气温+2度确定】
第二节测温资料的整理
测温资料一般需要整理以下图件：
一、钻孔温度—深度图编制
测温曲线可以分为两种类型：
1、传导性—温度的梯度来自深部的热流，通过岩石传导的方式形成，曲线具有一定坡度的直线或折线；
2、对流型—温度的梯度是在流体的热对流作用控制下形成的。
温度梯度值极小或为零，曲线近于竖直；
3畸变型—地温在某一个深度连续、跳跃，这是钻孔严重漏水或其它原特殊因造成的。
一个停钻孔的多次测温曲线放在一起对照，可以看出钻孔温度的恢复过程和由不稳定过渡到稳定的变化规律。
地下水从补给区到排泄区，地温梯度逐渐增高。
二、地温剖面与平面图编制
编制地温图是以稳态测温资料为依据，对于非稳态测温资料必须校正为近似稳态资料方可使用。
校正方法：
就地质勘探测温资料而言，采用“井底温度”—“中性点”—“恒温带”的方法是可行的。
注意事项：
1关于井底温度：
作为校正的标准，井底温度应取停留满12小时的井底温度数据，自然稳定时间越长越好。
2关于中性点：
必须根据同一次停钻后静止过程中，其间有一定间隔时间的两条测温曲线求得；
若两次测温之间冲过孔，则不能用来求中性点。
3关于恒温点：
应使用本区实测值；
若无实测值，可用地面（即深度为零）年平均温度值来代替。
编图时，经常遇到某些钻孔测温深度不够，这时应对测温资料作一些必要的外推，其方法如下：
⑴由浅推深法
若外推断的岩性和上段相同或基本相似，可将实测稳态温度曲线（校正后的曲线）按自然梯度直接查所需深度，求得近似的温度值。
⑵对比法
如果外推深度段的岩性有明显的差异，可以根据该地区相同构造部位，相同岩性段的已知地温梯度，计算下段的温度。
⑶估算法
假定所研究的钻孔温度场符合一维稳态热流模式，即由深部而来的、垂直向上经过剖面各层段的热量是常值，根据浅部实测的热值和深部预测段的岩性及热导率，即可求出待测段的地温梯度值G，从而获得预测段的温度。
在编制地温过程中，应注意可能引起温度场变化的地质结构特点，如该层厚度的变化、基底起伏、构造形态、断层带的性质及规模，同时要注意水文地质条件的变化，以便使编制的图件更接近于实际。
第三节地下水对流对钻孔测温的影响
一、当钻孔揭穿含水层后有水流入钻孔产生热对流的情况下，测温结果有可能歪曲区域的自然热场，也可能使局部热场发生位移；
二、当钻孔有高温水向上流动，较低温水向下移动，这就是孔内温度调和，造成梯度值减小。
因此，对流作用对局部热场的影响可能使低温异常向下移动，高温异常向上移动；
三、当钻孔未被冲洗液充满的情况下，自然热场歪曲最大；
四、当钻孔充满水（特别是泥浆）可大大减弱对流作用。
因此，测温孔应用优质泥浆将钻孔灌满；
五、在测温中可能遇到地下水进入孔内或管外循环等不同的情况、不同程度地改变钻孔的热条件，引起自然热流场的歪曲；
六、孔内进水，不设套管的钻孔水自含水层直接进入孔内，水向上或向下运动时，进水点以上的井段热流场不受干扰；
在测温曲线上进水点的位置明显转折；
七、遇到强含水层，通常是揭穿前后分别进行测温，或在钻孔灌满泥浆稳定多时后测温，获得的自然热场不受歪曲的测温结果。
八、管外循环：
下有套管的钻孔，当进行水泥固井，或固井水泥受到破坏，就可能发生一个含水层的水经过管外循环进入一个吸水层中，从而歪曲自然热场的情况。
第四节热流值的计算
热流值除可以用于判别地区有无地热异常、评定地区热状况外，还可以作为预测深部温度的依据。
一、方法原理
确定热流值的原理十分简单：
第一种方法：
只要测得某一深度间隔的地温梯度及相应岩石的热导率，即可求得热流值。
按一维稳态热传导公式就可以计算出热流值。
q=-λGG=
q—热流值（微卡/厘米2.秒）
λ—岩石热导率（毫克/厘米.秒0C）
Q—温度（0C）
G—地温梯度（0C/100米）
负号——表示热流由地球内部流向地表。
第二种方法（布拉德尔法）：
对于岩性差异较大的层状岩层地区，钻孔温度随深度而增加的情况不一，地温梯度不是定值。
根据一维稳态热传导的原理，通过所有水平岩层的热流应相等，深度Z的温度可以用下式表示：
=
+q
或
+q∑
式中:
Q—实测温度；
—外推地面温度；
Z—深度；
λ—该深度测定的热导率。
上式为一直线方程，当已知
、Z、
，按最小二乘法：
}该两式组成方程组
X=
Y=
—为测温点数。
解以上方程组即可求得常数
及q，
必须注意几点：
1、钻孔测得的地温梯度必须是真正的值，因此，必须在终孔后几个星期测温，全井段的温度数据才是可靠的，即使温度恢复很快的钻孔孔底段，至少也要3-5天；
2、必须有相当数量的岩芯标本，足以代表钻孔或某一研究断的热导率，这对于非均质的岩石尤为重要；
3、所得的热流必须是传导热流，在热水活动带（区）或地下水强烈活动带内（如温泉区或岩溶发育区）水对地热的干扰十分严重，所得结果不能反映地球内部的传导热流。
第五节地形对地温场的影响及校正
地形起伏对地下温度场是有影响的，晒提的存在使其下面的等温面抬高，等温面的改变（亦即地温梯度值改变。
山体对地温场形态的影响，与山体的高度、宽度和形态有关。
山体断面以下，深度超过山高的三倍之后，其温度场的影响一不显著。
煤田勘探中，都是首先勘探煤层埋藏浅且平坦的地区。
利用平坦地区的测温数据推测山体下面的深部煤层地温时需要对山体的影响进行校正
长条孤山地形的校正方法
将山体下面的温度场视为二维稳态热流模式，设山体断面如图所示：
x轴与平坦地面一致，Z轴取通过山脊的垂线下方为正，山体下坐标为（X、Z）的任一点的温度可用如下的微分方程来描写：
当Z=-h（x）时，即在山体位于X轴以上部分时：
；
当Z
∞时（即山体一下很深）时：
。
—为平坦地区（当Z=0时）的地面年平均温度；
G/—由高度引起的平均气温变化率，每升高100米，温度降低0.5-10C；
Gu—是不受山体影响的平坦地区的地温梯度平均值；
H—山体高度，山半高处为1/2H的半宽为b,则公式解为：
式中右侧第三项即为山体对温度影响的校正值。
对该式进行微分，得到地温梯度的计算
G=Gu+
b1=H+
此项为校正值;
b0=（Gu-G/）H
深部温度的推算是利用浅部实测温度资料向深部外推，预测目的层上任一点的温度可用下式计算：
G（H-H恒）
—目的层上推测点的温度；
H—目的层上推测点距地面的深度；
—当地恒温带的温度；
H恒—当地恒温带的深度；
G—进行深度温度外推选定的平均增温梯度，（10C/100m）。
在
G（H-H恒）式中，恒温带的
和深度H恒是当地实际确定的数值，目的层上待求点的深度H，是根据《煤层底板等高线图》给定的，只有G点需要选定。
如何恰当地选定G点是关键。
【假定】矿区内已有若干个达到或穿过目的层的测温钻孔，根据每个钻孔的测温曲线可以分别求得目的层底板至恒温带区间的平均梯度。
但这些钻孔梯度值的机械平均值不能直接用来作为预测区间深部进行外推的依据，而必须经过对影响地温场的各种因素加以分析，选择对预测区已有充分代表性的某些钻孔，依之求得钻孔增温梯度的平均G值作为向深部温度外推的依据。
【关于增温梯度值G的选择】
在选择向深部外推用的平均梯度值G时，要注意各个钻孔所处的地质背景条件在预测区内是否有足够的代表性，也就是分析钻孔所处的地质环境与预测区的共性和差异性，剔除代表性不强的数据。
如果预测期内也存在着显著的地质条件差异，应当分区选择各自的G值。
1、岩性构成的影响：
地温梯度与岩石热导率成反比。
热导率高者，地温梯度值小；
热导率低者，地温梯度值大。
2、构造形态的影响：
侧向热流存在向背斜轴部集中的现象，轴部的温度梯度大于翼部和向斜轴部；
单斜构造随深度增加而增加；
3、水文地质条件的影响：
地下水活动是地温场重要的影响因素，在一个水文地质单元内，有地下水的补给区向径流区和排泄区过渡，径流条件发生变化，单地温状况也随着发生变化，应具体分析不同条件下受地下水活动影响的范围及强度，分区选择G值。
同样，钻孔中存在着压力、水温不同的含水层发生水力联系时，钻孔内某一段的温度梯度会受到歪曲，不能反映实际状况，应予以校正或剔除不用。
当钻孔底部接近作为热水通道的断层或含水层时，尽管并未揭露热水，钻孔下部梯地温梯度也会产生异常增高，以此求得的平均地温梯度由于热水地段也是不合适的。
第六节影响区域地温场的各种因数
一、岩性
如果地壳有若干不同热导率的水平岩层组成，各岩层是均质和各向同性的，其热导率仅随深度而变化……故在地温剖面中各条等温线是相互平行的。
在热导率高的岩层中，等温线稀疏；
在热导率低的岩层中，等温线密集。
在钻孔穿过岩性均一的岩层时，热导率视为定值；
钻孔的深度-温度曲线是一条平滑的直线，即地温梯度为定值；
当钻孔穿过岩性差异较大的岩层，即热导率差异较大的岩层时，钻孔深度-温度曲线则成折线。
一般来说，同一钻孔中，低热导率的岩层具有较大的地温梯度；
高热导率的岩层具有较小的地温梯度。
二、基地的起伏与构造形态
由于构造运动和岩浆活动使地壳变形，发生褶皱、断裂形成隆地和凹陷、地垒和地堑、背斜和向斜等各种规模不一的正向构造和负向构造，从而使地壳中层状岩石的热导率不仅有垂向变化，而且在水平方向上也发生变化。
在这种情况下，温度场是二维的或三维的，比水平层状岩石地区的地温场仅随深度二变化的情况要复杂得多。
隆起和凹陷、背斜和向斜不同的地温状况，主要是由于岩石热导率的垂向变化和侧向变化所引起的，其实质是地壳一定深度内将来自地球内的均匀热流在地壳表部重新分配。
1、基底抬高部位上部的等温曲线为‘上凸曲线’，等温曲线的轮廓基本上反应基底的隆地形态；
基底抬高部位下部的等温曲线为‘下凹曲线’，等温线的轮廓与基底隆地形态相反。
在‘上凸下凹等温曲线’之间存在一条水平的等温线，称“热流平衡线”，在此线以下，热流在垂直界面附近向外散发。
2、隆起区有盖层时，平衡线以上，隆起区的温度和梯度大于坳陷区同一深度的温度和梯度；
在平衡线以下，地温状况相反。
两区浅部的温差、梯度及热流密度随着盖层厚度的减薄而增大。
基底抬高对地温场的影响范围不大，最大不超过隆起区与坳陷区基地的高差（h）1-5倍
三、岩浆活动
近期活动的岩浆对地下温度有较大的影响。
评定岩浆活动对现今地温场的影响主要从两个方面考虑：
其一，岩浆入侵体或喷出体的成地质年代，时代越新，所保留的余热就越多，在高温岩浆余热的影响下，对现今地温场的影响就越强烈，并且有可能形成‘热异常区’，
其二，岩浆体的规模、几何形状、围岩的产状和热性质等。
它们对岩浆体冷却速率有很大的影响。
以岩浆体的大小而言，冷却过程、延续时间与岩体的直径成正比，即岩体直径增大一倍，冷却时间延长4倍。
四、地下水的活动
1、地下水与围岩温度场相互关系的几种类型
①、地下水活动引起围岩温度降低型：
这是地下水侧向活动强烈，地下水补给、径流、排泄条件十分良好的地区的特征。
②、地下水与围岩温度平衡型：
这是地下水径流缓滞地带的特征
③、深循环地下水上升引起局部地热增温异常型：
热容量大的地下水是良好的载热体，可以把深部的热能输送到地表或矿井中去。
当大气降水渗入到地下水被岩温加热之后，在有利的地质构造条件下，如高角度断裂带、或急倾斜的透水地层，可上升至浅部或地表。
2、热水通道及其附近温度场的特征：
张性断层有着良好的开启性，地下热水沿此断裂径流、排泄。
压性断裂是受主压应力作用的结构面，也是受压力最大的结构面。
因此，断得深、规模大。
压力结构面的两侧岩石挤压强烈，发生糜棱岩或绿泥石化，岩石结构致密。
当地下热水在深部向排泄区水平径流时，遇到阻水的压性断层，改变了径流条件，形成地下热水的积集，致使其沿着相对开启部分向上运移。
在张性断裂和压性断裂的交汇处，岩石破碎，裂隙发育，是热水上升的良好通道，因此，可以说热水活动是受地质构造控制的。
2009-5-13抄写于笔记本
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