岩浆侵入体热作用对矿井地温场的影响研究

发布时间：2017-06-01 15:18

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【摘要】：我国是煤炭资源大国,随着开采深度的不断延伸,矿井的热害问题日益突出,严重影响煤矿的安全开采。安徽淮南部分矿区存在高温异常区,尤其是潘三矿煤矿,具有煤层埋藏深、地温地压高、热害范围大的特点。随着开采深度的增加,原岩温度不断升高,采掘工作面的高温热害日益突出,严重威胁了矿井的安全生产。 影响矿井地温分布的因素有很多,包括井田内的断层、褶曲、地下水活动、松散层厚度以及岩浆侵入等。但是针对岩浆侵入对矿井地温分布影响的系统研究成果还较少。因此本文以潘三矿为例,在对潘三矿的地温分布特征及地温异常,并且对潘三矿岩浆岩的分布规律、侵入形式、侵入年代,岩性和化学成分等进行分析研究的基础上,采用解析解理论分析以及ANSYS数值模拟等手段,分析研究了岩浆侵入及其热作用对围岩温度场的影响。通过本文研究,得出以下结论： (1)潘三矿内大部分区域的地温梯度都超过了3.0℃/hm,属于地温正异常,温度场呈较高状态。潘三矿井田内温度由井田东北角的浅部向西南方向的深部,随着煤层向深处的延伸而逐渐增加。而且其一级热害区和二级热害区分界面深度分别为530m及850m,矿区热害较严重。 (2)在潘三矿井田岩浆岩分布广泛,受到岩浆侵蚀而产生变质作用的最高层位在8煤,至上而下岩浆的侵入范围逐渐变大。其侵入年龄为118Ma,位于第三次燕山期晚期活动侵入。主要顺煤层和断层破碎带侵入煤系地层,以岩床为主,其岩性为正长煌斑岩、正长斑岩等。 (3)理论分析和数值分析表明,当高温的岩浆侵入围岩之后,导致了热的极不平衡,侵入体所释放的热急速的向四周传递,致使围岩温度增加,形成一定的温度场。与岩浆侵入体直接接触部分的围岩温度较高,随着与侵入体距离的远离,温度将逐渐降低,形成了一个以侵入体为中心的温度场。 在岩浆侵入围岩的前期,温度迅速下降,后期温度下降的速率明显降低。当岩浆侵入时间达到数十万年以后,围岩温度将恢复到初始温度,岩浆高温侵入体对围岩的温度将没有影响。另外,岩浆侵入前期对围岩温度的影响受多种因素的控制,如侵入体初始温度、侵入体形态、侵入后持续时间、侵入体厚度以及松散层厚度等。但综合以上研究表明,各因素对温度场的影响均只表现在岩浆侵入后短时间内的降温过程,当侵入后的年限足够长,这些因素对温度场分布特征的影响都将消失。 (4)根据钻孔及地温资料分析得出,潘三矿地温异常区域与岩浆侵入区域范围并不一致,二者之间并没有明显的相关性。同时,理论分析与数值分析结果表明,经过漫长的地质年代,岩浆侵入体本身热作用对矿井现今地温场的影响都将消失。而且,对研究区内岩浆岩岩样的U、Th、40K及热导率的测试表明,研究区内岩浆岩的U、Th、40K含量很低,热导率为3.0W/(m.K),二者均接近围岩,故研究区内岩浆侵入体的放射性生热及对围岩热导率的改变对围岩温度场的影响很小。根据以上三者的综合分析并结合潘三矿岩浆的侵入年代进一步得出,潘三矿燕山晚期的岩浆侵入体对矿井现今地温场没有影响。
【关键词】：潘三矿 地温场 岩浆侵入体 热作用 解析解 数值模拟
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD727
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-23
• 1.1 研究意义15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 岩浆侵入方式15-16
• 1.2.2 煤层岩浆侵入范围的确定16-17
• 1.2.3 岩浆侵入年代的确定17-18
• 1.2.4 岩浆侵入体对围岩温度场影响的研究18-19
• 1.3 本文研究内容及方法19-21
• 1.3.1 研究内容19-20
• 1.3.2 研究方法20
• 1.3.3 主要测试与试验内容20-21
• 1.4 论文工作概况及工作量21-23
• 2 研究区地质概况23-33
• 2.1 矿区位置及自然地理条件23-24
• 2.2 矿区地层及煤层24-27
• 2.2.1 地层24-25
• 2.2.2 煤层25-27
• 2.3 矿井区域构造及井田构造27-31
• 2.3.1 区域构造27-28
• 2.3.2 矿井构造28-31
• 2.4 区域水文地质及矿井水文地质条件31-33
• 2.4.1 区域水文地质31
• 2.4.2 矿井水文地质条件31-33
• 3 潘三矿地温分布特征及地温区划33-47
• 3.1 地温拟合33-36
• 3.1.1 地温拟合公式33
• 3.1.2 地温数值拟合研究33-34
• 3.1.3 拟合方程的检验34-36
• 3.2 潘三矿地温梯度变化规律36-39
• 3.2.1 地温梯度概念36-37
• 3.2.2 井田主采煤层的地温梯度变化特征37-39
• 3.3 潘三矿地温变化规律及区划研究39-44
• 3.3.1 井田主采煤层的温度变化特征39-40
• 3.3.2 同一水平深度的地温分布规律40-42
• 3.3.3 井田主采煤层地温区划42-44
• 3.4 小结44-47
• 4 潘三矿岩浆岩分布特征及侵入年代的确定47-57
• 4.1 岩浆岩发育及分布47-52
• 4.2 岩浆侵入年代52-53
• 4.3 岩浆岩岩性及侵入形式53-54
• 4.4 小结54-57
• 5 岩浆侵入体热作用对矿井地温场影响的解析解57-75
• 5.1 参数测试57-67
• 5.1.1 热导率测试57-63
• 5.1.2 比热容测试63-65
• 5.1.3 密度测试65-67
• 5.2 矿区岩石放射性生热率测定与评价67-70
• 5.2.1 概述67-68
• 5.2.2 放射性生热率测定结果及分析68-69
• 5.2.3 放射性元素衰变产生的热效应69-70
• 5.3 模型的建立70
• 5.4 模型的求解70-71
• 5.5 岩浆侵入冷却过程岩浆-围岩温度场分布特征71-74
• 5.6 小结74-75
• 6 岩浆侵入体热作用对矿井地温场影响的数值模拟75-91
• 6.1 ANSYS简介75
• 6.2 ANSYS热分析75-76
• 6.2.1 热分析的特点75-76
• 6.2.2 热分析的基本过程76
• 6.3 ANSYS瞬态热分析76-79
• 6.4 岩浆侵入围岩温度场特征数值模拟79-88
• 6.4.1 模型的建立79-83
• 6.4.2 岩浆侵入对矿井地温场影响的模拟研究83-88
• 6.5 小结88-91
• 7 结论及不足之处91-93
• 7.1 结论91-92
• 7.2 不足92-93
• 参考文献93-97
• 致谢97-99
• 作者简介99-101
• 附录1 解析解的详细求解过程101-104

【参考文献】

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1 郑常青;徐正顺;王璞s，

本文编号：412882