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吴基文1，王广涛1，翟晓荣1，张文永2，彭 涛3，毕尧山1
(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001; 2.安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽 合肥 230088; 3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)
摘 要:为了探索淮南矿区地热地质特征和矿井深部热害防治对策，系统收集和分析了淮南矿区钻孔井温测井资料，基于近似稳态测温数据，拟合了测温孔孔底温度校正曲线，对简易井温测井钻孔孔底温度进行了校正;采用浅钻孔测温法，对井下巷道围岩温度进行了测定;计算了各井田的地温梯度，并结合110块煤系地层煤岩样品的热导率测试结果，计算得出淮南矿区的大地热流值，编制了淮南矿区现今地温场、地温梯度和大地热流分布图，在此基础上，系统论述了该区现今地温场、地温梯度和大地热流的展布趋势以及煤系岩石的热物理性质，探讨了地温场分布的构造控制作用，并对矿区地热资源进行了评价。研究结果表明:① 淮南矿区测温井底温度恢复与静井时间符合指数函数关系，并据此建立了简易井温测井钻孔孔底温度变化的校正公式;② 淮南矿区地热参数表现为地温梯度为1.00～4.00 ℃/hm，平均值为2.8 ℃/hm;大地热流值变化在31.87～92.68 mW/m2，平均值为65.50 mW/m2;-500 m水平平均地温为29.96 ℃，-1 000 m水平为41.84 ℃，-2 000 m水平为69.62 ℃;岩石热导率在0.37～5.22 W/(m·K)，平均值为2.93 W/(m·K);③ 平面上地温梯度、地温场、大地热流总体呈现为西低东高、南低北高的分布趋势;④ 矿区现今地温场和大地热流分布主要受控于地质构造，表现为褶皱型、逆掩断层阻热型和导水断层传热型3种构造控温模式;⑤ 基于地热资源评估，该区热储层地热资源量为2.32×1016kJ，可采热能储量为2.64×1015kJ，矿井水和矿井回风余热资源量为0.97×1013～1.26×1013kJ/a，是一个可再生的低温热源，潜在效益显著。研究成果为淮南矿区深部煤炭开发热害防治和地热资源综合开发利用提供了地质依据。加强煤矿区深部地热资源和矿井余热资源的评价、利用研究，应是煤矿区可持续发展的方向之一。
关键词:地温梯度;现今地温场;热导率;大地热流;地热资源;淮南矿区
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吴基文，王广涛，翟晓荣,等.淮南矿区地热地质特征与地热资源评价[J].煤炭学报,2019,44(8):2566-2578.doi:10.13225/j.cnki.jccs.KJ19.0574
WU Jiwen,WANG Guangtao,ZHAI Xiaorong,et al.Geothermal geological characteristics and geothermal resources evaluation of Huainan mining area[J].Journal of China Coal Society,2019,44(8):2566-2578.doi:10.13225/j.cnki.jccs.KJ19.0574
中图分类号:P314
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)08-2566-13
收稿日期:2019-05-05
修回日期:2019-06-12
责任编辑:常 琛
基金项目:安徽省国土资源科技基金资助项目(2011-K-13);安徽省地质勘查基金第三批(续作)资助项目(2013-3-18)
作者简介:吴基文(1961—)，男，安徽舒城人，教授，博士生导师，博士。E-mail:jwwuaust@163.com
WU Jiwen1,WANG Guangtao1,ZHAI Xiaorong1,ZHANG Wenyong2,PENG Tao3,BI Yaoshan1
(1.School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan232001，China; 2.Exploration Research Institute of Anhui Coal Geology Bureau，Hefei230088，China; 3.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an710054，China)
Abstract:In order to explore the geothermal geological characteristics of Huainan mining area and the prevention and control measures of deep mine heat hazard,the temperature logging data of the exploration holes of Huainan mining area were systematically collected and analyzed.Based on the approximate steady-state temperature data,the temperature calibration curve in the thermometry hole bottom was fitted,and the temperature in the hole bottom of the simple thermometry well was corrected.The surrounding rock temperature of the underground roadway was measured by shallow hole temperature-measuring method.The geothermal gradient of each well field was calculated,and the terrestrial heat flow value of Huainan mining area was calculated by the thermal conductivity test results of 110 coal and rock samples of coal measure strata.The current geothermal field,the geothermal gradient and the terrestrial heat flow distribution map of Huainan mining area were compiled,and the distribution characteristics of the current geothermal field,the geothermal gradient and the terrestrial heat flow in this area and the thermophysical properties of coal measures rocks were comprehensively expounded.The geological structure control of the geothermal field distribution was discussed and the geothermal resources in this mining area were calculated.The results show that:① The temperature recovery in the bottom of the well and the static time of well-liquid of the Huainan mining area is in accordance with the exponential function relationship,and the correction formula for the temperature change in the bottom of the simple thermometry well is established accordingly.② The geothermal parameters in the Huainan mining area are as follows:the geothermal gradient is from 1.00 to 4.00 ℃/hm with an average value 2.8 ℃/hm;the terrestrial heat flow value varies from 31.87 to 92.68 mW/m2with an average value 65.50 mW/m2;the average temperature of the -500 m level is 29.96 ℃,and the value of -1 000 m and -2 000 m level are 41.84 ℃ and 69.62 ℃,respectively;the thermal conductivity of rock is from 0.37 to 5.22 W/(m·K) with an average value 2.93 W/(m·K).③ The distribution of the geothermal gradient,the geothermal field and the terrestrial heat flow on the plane are generally higher in the east and north than that in the west and south.④ The current geothermal field and the terrestrial heat flow distribution in the mining area are mainly controlled by the geological structure,which show three modes of controlling temperature by the geological structure including the fold type,the overthrust fault heat-resistance type and the water-conducting fault heat transfer type.⑤ According to the results of geothermal resources evaluation,the resources of the geothermal reservoir in this area are 2.32×1016kJ,the recoverable heat energy reserves are 2.64×1015kJ,and the mine water and mine return air waste heat recovery resources are from 0.97×1013to 1.26×1013kJ/a,and the geothermal reservoir belongs to a renewable low-temperature heat source with significant potential benefits.The research results can provide a geological basis for the treatment of thermal hazard and the comprehensive development and utilization of geothermal resources in deep mining in Huainan mining area.Evaluation and utilization of geothermal resources and mine waste heat resources in the deep mine should be one of the development directions for the sustainable development of coal mining areas.
Key words:geothermal gradient;current geothermal field;thermal conductivity;terrestrial heat flow;geothermal resources;Huainan mining area
能源是社会发展的物质基础，传统的能源生产与消费主要是煤炭、石油和天然气。这种能源结构一方面对环境产生了严重的污染，另一方面使得能源资源量逐渐减少，并趋于枯竭。因此，要尽可能地采用可再生、清洁能源来替代它们。地热能集水、热、矿于一体，并且以其覆盖面广、对环境污染小、可再生、运营成本低等优势被认为是一种极富潜力的绿色新型能源，将成为传统能源惟一的替代能源[1]。20世纪90年代以来，地壳浅部低温地温场的研究发展很快，盆地地温场研究对地热资源勘探开发和利用具有重要的指导作用[2-5]。
淮南矿区是我国重要的煤炭生产基地，煤炭资源丰富，但开采地质条件较为复杂，除高瓦斯、高地压外，高温热害影响也比较大[6]，严重制约了煤矿的生产发展，特别是随着采深的增大，高温热害问题越来越明显[7-9]，矿区的地温地质研究工作的关注度与日俱增[10-13]，目前的研究多集中在某一矿井或某一地温特征分析，仅仅是为了解决生产需求，对于岩石热物理参数特征研究也较少[14]。然而在淮南潘集、张集地区的煤田地质勘探和地热资源勘探过程中，有多个钻孔在300～1 000 m深度范围内揭露水温在36.5～52.0 ℃[15];潘集地区地热曾通过钻孔自溢地表，被潘集村作为大众洗浴[16]，显现出较大的地热资源潜力。因此，开展淮南煤田深部地温特征及地热资源评价具有能源利用和解决矿井热害的双重意义，为下一步矿区深部地热资源的开发利用奠定基础。
为此，在安徽省国土资源科技基金和安徽省地质勘查基金的支持下，详细收集了淮南矿区各矿井或井田勘探钻孔井温测井资料，开展了井下煤岩巷道围岩温度测试以及煤系岩石热物理性质试验，对淮南矿区地温梯度、地温场分布、岩石热物理参数以及大地热流分布特征进行了系统研究[17-22]，对地热资源进行了评估[23]，研究成果为淮南矿区井下热害防治及深部地热资源开采提供了地质依据。本文即是在上述研究成果的基础上对淮南矿区地热地质特征和地热资源的系统总结。
淮南矿区位于华北板块东南缘，东部以郯庐断裂为界，西部以阜阳断层为界，北部与蚌埠隆起相接，南部以寿县—老人仓断层与合肥中生代盆地相隔[24]。总体为近东西向的对冲构造盆地，其南翼由舜耕山断层和阜凤断层组成，北翼由尚塘—明龙山断层组成，形成了南北向的叠瓦状推覆构造体。盆地内则为一较简单的复式向斜构造(淮南复向斜)，岩层倾角一般为10°～20°，由一系列宽缓的褶皱组成[25-26]。淮南煤田断层构造较发育，主要有区域性走向逆断层和北东向的正断层，呈网格状断层组合型式，如图1所示。
淮南矿区主体被第四系松散层覆盖，含煤地层属于典型的华北型石炭—二叠纪含煤岩系，含煤层位主要为二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组，为海陆过渡相的三角洲体系沉积，总厚度大于1 300 m，含煤5～26层，主采6层。
图1 淮南矿区构造示意
Fig.1 Structure outline map of Huainan mining area 红色①～
为断层：①—刘府断裂;②—尚塘—明龙山断层;③—F66断层;④—F110断层;⑤—陈桥断层;⑥—胡集断层;⑦—口子集断层; ⑧—阜阳断层;⑨—阜凤断层;⑩—阜李断层;
—山王集断层;
—舜耕山断层;
—寿县—老人仓断层;—固镇—长丰断层; 蓝色
～
为褶皱:—唐集—朱集背斜;
—尚塘—耿村向斜;
—陈桥—潘集背斜;—谢桥—古沟向斜
2.1.1井温测井数据
(1)井温测井概况
目前，在煤炭资源勘探过程中，地温数据的获取主要是基于地面勘探钻孔，采用井温测量方法进行[27-28]。其中，钻孔井液连续测温是最为常用的一种方法，并根据井温资料分为简易测温和近似稳态测温两种。近似稳态测井所得井温数据可以直接用于地温场分析，而简易测温所得地温数据需进行校正后使用[5]。图2为淮南矿区各矿井采用近似稳态井温测井方法获得的具有代表性的钻孔井温曲线，由图2可以看出，地温变化与深度基本呈线性关系，属于典型的热传导型增温模式。
图2 淮南矿区钻孔测温曲线
Fig.2 Measured temperature curves of boreholes in Huainan mining area
(2)简易井温测井校正
虽然近似稳态测温所得地温数据与孔内岩石实际温度更为接近，但近似稳态测温工序复杂、测试时间长，因此，在实际钻孔测温过程中，简易测温最为常用，但所获数据不能直接使用，需进行钻孔井底温度校正[27,29]，目前常采用“三点法”[30-32]。基于近似稳态测温数据，以淮南矿区各矿井或勘查区为单元，作出钻孔不同时刻井底温度与静井时间关系散点图(图3)，并可拟合出测温孔孔底温度的指数函数变化趋势的校正曲线方程，据此获得简易井温测井钻孔孔底温度变化的校正公式，即
Tj=Tc(1+ΔT)，ΔT=(T-Ti)/T
(1)
式中，Tc为简易测温实测井底温度,℃;Tj为校正后的简易测温井底温度,℃;T为近似稳态测温最后1次测得的井底温度,℃;Ti为近似稳态测温某1次测得的井底温度,℃;ΔT为恢复增量百分数，此值是将区内简易测温孔静井时间代入拟合的指数曲线方程求出的。
利用各近似稳态测温孔资料对该校正方法进行了检验，经检验其相对误差小于0.15%，进一步验证了该井温校正方法的可靠性。本次研究共收集井温测井孔605个，其中:近似稳态测温孔74个;简易测温孔531个，并均对其井底温度进行了校正，为矿区地温分析提供了丰富的基础资料。
图3 淮南朱集矿测温井底温度恢复与静井时间的关系
Fig.3 Relationship between the temperature recovery and the stop of well-liquid in Huainan Zhuji Mine
2.1.2井下岩温测试数据
淮南矿区部分煤矿勘探较早，开展钻孔测温工作的钻孔较少，且随着浅部煤炭资源的开采，大部分矿井采深呈逐年增加的趋势，地温对于煤矿作业影响越来越明显。为了摸清井下地温变化规律，同时补充矿井深部地温数据，采用浅钻孔测温法，在研究区8个矿井开展了巷道围岩温度测试研究(表1)。并利用淮南矿区恒温带温度，对井下所测各点的地温梯度进行了计算，并与地面钻孔井温测井所得地温梯度进行了对比(表1)，由表1可知，两种方法所得结果相近，起到相互验证作用。
表1 井下测温成果
Table 1 Results of underground measured temperature
地温梯度是表示地球内部温度不均匀分布程度的参数，以每百米垂直深度上增加的℃数表示，计算公式为
G=100(T-T0)/(H-H0)
(2)
其中，G为测温孔的地温梯度,℃/hm;T为井底温度或校正后的井底温度,℃;T0为恒温带温度,℃;H为井底深度，m;H0为恒温带深度，m[34-35]。区内H0为30 m，T0为16.8 ℃[10]。将井温测井数据代入式(2)即可计算出各测温孔的地温梯度值。以各个矿井或勘探区为单元，取各单元的平均值，并据此编制淮南矿区地温梯度分布趋势图(图4)。
图4 淮南矿区地温梯度分布趋势
Fig.4 Distribution map of the current geothermal gradient in Huainan mining area
1—潘集一矿;2—潘一东矿;3—潘集二矿;4—潘集三矿;5—潘北矿;6—朱集西矿;7—朱集矿;8—丁集矿;9—顾桥矿;10—张集矿; 11—谢桥矿;12—刘庄矿;13—口孜东矿;14—口孜西矿;15—板集矿;16—杨村矿;17—罗园矿;18—新集一矿;19—新集二矿;20—新集三矿; 21—新庄孜矿;22—谢一矿;23～27—潘集矿区外围勘查孔24-4，18-3，14-3，10-3，4-3;其他同图1。
区内地温梯度值在1.00～4.00 ℃/hm，平均地温梯度为2.80 ℃/hm，整体高于相邻的淮北矿区[36-37]。
研究区内地温梯度大于3.00 ℃/hm的高地温区分布于陈桥—潘集背斜，与其轴线走向基本一致。区内分布有2个高地温区，1个在矿区东部的潘一、潘二、潘三、潘北和朱集东矿，平均梯度为3.00 ℃/hm以上，最大值超过3.50 ℃/hm;另1个在矿区中部的顾桥与张集一带，地温梯度也都在3.00 ℃/hm以上，局部超过3.50 ℃/hm。陈桥断层作为矿区东西部的分界线，以西的杨村、刘庄和板集井田，也存在高温分布区，地温梯度达到2.96 ℃/hm。阜凤断层以南矿井的地温梯度普遍较小，如谢一矿的平均地温梯度仅为1.37 ℃/hm;矿区内罗园井田和新庄孜矿，地温梯度平均只有2.27和2.21 ℃/hm。淮南矿区地温梯度差异显著，总体上表现为南低北高、西低东高的展布特点。
根据井温测井数据，对淮南矿区各井田各水平深度的地温进行了统计，对矿井深部缺少实测地温资料的钻孔，通过推算获取，计算公式为
Tx=Ty+Gjh
(3)
式中，Tx为所求深度地温,℃;Ty为浅部水平地温,℃;Gj为基岩面以下地温梯度,℃/hm;h为增加的深度，m。
据此编制了-500,-1 000,-2 000 m水平地温分布图(图5)，为分析淮南矿区地温分布特征和计算热储层中储存的热量提供基础数据。淮南矿区-500 m水平平均地温为29.96 ℃，-1 000 m水平为41.84 ℃，-2 000 m水平为69.62 ℃，显示出温度与埋深呈明显的正相关关系。由图5可知，在-500 m水平的地温变化不大，地温一般在30 ℃左右;在-1 000 m水平的不同位置地温变化较大，温度在29.59～48.81 ℃，区内除谢一、新庄孜和罗园井田外，大部分井田地温达到40 ℃，局部超过了45 ℃，属于低温地热资源中的温热水型;-2 000 m水平各矿井地温变化在42.27～82.36 ℃，大部分矿井地温达到了60 ℃的热水型资源标准[38]，在潘集、顾桥和新集一带地温超过了80 ℃(图5(c))。
图5 淮南矿区各水平地温分布趋势(图中编号同图4)
Fig.5 Trend map of geothermal distribution at different mining levels in Huainan Mining Area(numbering is the same as
Fig.4)
岩石热导率是岩石热物理参数之一，主要反映岩石传递热量的特点，也是大地热流值计算所必需的数据。目前，淮南矿区对于煤系地层岩石热物理参数测试的资料较少，为了评价研究区煤系地层岩石热传导性能，开展了岩石热导率样品采集与测试工作。岩石样品主要取自顾北煤矿补3-18孔、口孜东矿验6孔及潘集煤矿外围勘查区补勘钻孔6-2孔、26-3孔等6个钻孔，共计110块岩石样品。为了使所测岩石热导率具有代表性，岩石样品在矿区平面内均有分布，且在垂向上在320～1 500 m内均有分布，涉及地层时代为P3～C2的各时代地层。主要岩石类型有砂岩、泥岩、煤及石灰岩，基本包含了矿区煤系地层的各种岩性岩石。全部样品均由中国科学院地质与地球物理研究所测定。测试结果见表2。
表2 淮南矿区煤系地层岩石热导率测试汇总
Table 2 Summary of the measured thermal conductivity of rock samples
由表2可知，淮南矿区岩石热导率分布区间为0.37～5.22 W/(m·K)，平均值为2.93 W/(m·K)。测试结果高于淮北矿区中南部(2.192 W/(m·K))[37]、沁水盆地(2.3 W/(m·K))[34]和苏北盆地(2.102 W/(m·K))[39]等能源盆地。研究区岩石热导率基本呈高斯分布，众数介于2.5～3.0 W/(m·K)，其次为1.5～2.0 W/(m·K)和3.0～3.5 W/(m·K)(图6)。
图6 淮南矿区煤系岩石热导率分布
Fig.6 Distribution histogram of rock thermal conductivity in Huainan mining area
图7 淮南矿区不同岩性岩石热导率对比
Fig.7 Lithology comparison of thermal conductivity of rock samples in Huainan mining area
煤系岩石的热导率与岩性的关系比较密切。由图7可知，淮南矿区煤系岩石的热导率存在较大差异，细砂岩的热导率最大，平均为3.41 W/(m·K)，最低的是煤，平均为0.47 W/(m·K);砾岩、中砂岩、粉砂岩、泥岩和石灰岩则分别为2.87,3.09,2.75,2.76和2.44 W/(m·K)。区内煤系岩性主要以泥岩和砂岩为主，砂岩类热导率变化相对较大，平均为3.11 W/(m·K);泥岩热导率普遍低于砂岩，且变化幅度较小，平均为2.76 W/(m·K)。这种现象较好地说明岩性的差异对热导率的控制作用，与我国多数煤田的热导率分布规律相似[40]。
3.2.1大地热流的求取
地球内部向地表或近地表浅层单位面积传导的热量称为大地热流，其值即是岩石热导率与区域垂向地温梯度的乘积。因此，获取了某区域垂向地温梯度和岩石热导率，即可求得该区域的大地热流值。
为了使大地热流计算结果更加准确且有代表性，选择近似稳态测温数据进行计算。基于最小二乘法获得研究区地温随深度变化规律，即可得出地温梯度，计算时选取基岩面之下岩层的地温梯度的平均值。
按照大地热流计算原则，岩石热导率测试样品与测温井应为同一钻孔，但在实际中很难满足。由于本次取样深度分布均匀，且相同层位煤系岩石热导率差别较小，所以，本次采用岩性厚度“加权平均”方法计算各测温孔的平均热导率[34,36]，结果见表3，其分布趋势如图8所示。
表3 淮南矿区大地热流值计算成果
Table 3 Calculation results of the terrestrial heat flow in Huainan mining area
图8 淮南矿区大地热流分布
Fig.8 Distribution of the terrestrial heat flow in Huainan mining area
1—潘集一矿;2—潘一东矿;3—潘集二矿;4—潘集三矿;5—潘北矿;6—朱集西矿;7—朱集矿;8—丁集矿;9—顾桥矿;10—张集矿; 11—谢桥矿;12—刘庄矿;13—口孜东矿;14—口孜西矿;15—板集矿;16—杨村矿;17—罗园矿;18—新集一矿;19—新集二矿;20—新集三矿; 21—新庄孜矿;22—谢一矿;23～27—潘集矿区外围勘查孔24-4，18-3，14-3，10-3，4-3;其他同图1。
3.2.2现今大地热流分布特征
淮南矿区大地热流值在31.87～92.68 mW/m2，平均为65.50 mW/m2(图8，表3)，与我国大陆地区大地热流值范围(61±15.5 mW/m2)基本一致，略高于安徽省大地热流平均值(62.0 mW/m2)[44]，但远大于淮北矿区平均大地热流值(53.0 mW/m2)[35]，整体呈现出较高的地热状态。
矿区内的部分区域大地热流值较高，如矿区中部的潘集背斜、张集矿及阜凤推覆构造附近的新集矿区，大地热流值均在70 mW/m2以上，其中位于潘集深部勘查区潘集背斜南翼断层位置，大地热流值高达92.68 mW/m2;其次为新集一矿，热流值为83.90 mW/m2;矿区东南部大地热流值最小，阜凤断层以南的谢一矿附近只有31.87 mW/m2。整体来看，淮南矿区大地热流与地温梯度的分布特征十分相近，表明淮南矿区地温梯度对大地热流分布有重要影响。
由淮南矿区现今地温场的分布特征(图3,4,8)可以看出，研究区内地温、地温梯度及大地热流值受构造控制明显，异常区主要分布在矿区内大型褶皱与断层附近。淮南煤田不同构造部位大地热流与地温分布差异明显，这与煤田基底构造复杂、构造组合多样密切相关，导致深部热流分配差异。通过分析，可以得出淮南矿区主要有两种构造控温模式，即褶皱型控温模式与断层型控温模式，其中断层型控温模式又包含逆掩断层阻热型控温模式和导水断层传热型控温模式，揭示了地质构造及含水层水的流动等不同条件下地温场控制机理。
褶皱发育区及基底隆起区地温场分布特征及演化规律属于褶皱型控温模式，其特点表现为褶皱起伏区(背斜)地温、地温梯度及大地热流值偏高，剖面上地温等值线呈上凸型，其外貌与区内褶皱起伏形状相似。例如潘集背斜，其地温梯度都在3.00 ℃/hm以上，大地热流值均大于65 mW/m2，且由背斜轴部向两翼和外围递减;相反，耿村向斜核部地温梯度比外围其他区域要低很多。其主要原因是由于岩石热导率横向差异，导致深部热流在基底隆起区域富集，形成聚热效应，加之低热导率的上覆第四系松散沉积层对热流也起到很好的保护作用[10-11,19-20]。
断层型控温模式是断层构造附近的地温场分布特点及其变化规律。断层型控温模式可进一步划分为逆掩断层阻热型控温模式和导水断层传热型控温模式。
(1)逆掩断层阻热型控温模式。
该类模式形成是由于断层带被断层泥、角砾等碎屑物质充填，在不考虑断层导、含水的情况下，断层隔断了下盘热源的向上传输，从而造成断层上下盘地温场分布存在明显差别。以区内阜凤逆冲推覆构造为例，位于断层上盘的新庄孜煤矿和谢一矿大地热流值远小于下盘各矿井，如图8所示。淮南矿区北部明龙山逆断层附近朱集井田由南到北，地温梯度由3.6 ℃/hm 降至2.5 ℃/hm。造成上述现象的主要原因是逆断层上盘抬升，导致晚古生代地层被剥蚀，早期的深部热流散失，从而形成了断层上盘地区地温较低的现象[19-20]。
(2)导水断层传热型控温模式。
断层性质决定了地下水在其内部的流通性强弱，而张性、张扭性断层为地下水的流动提供了良好的通道。地下深部热水通过上述通道可以将深部地热传输至浅部，从而使岩石温度升高。如矿区西部刘庄煤矿，矿井内发育多条大型高角度正断层，为地下热水运移提供了良好的通道，深部热流通过断层不断地传递至浅部，改变了原有的热流状态，形成现今的地温梯度为2.8 ℃/hm、大地热流值为66.94 mW/m2的高地温区[19]。潘集煤矿外围26-1孔在1 200 m深度附近穿过DF1断层，导致该孔测温曲线斜率在该处发生偏转，温度偏高，原因是该断层为导水断层，断层底部与灰岩含水层接触，深部高温热水使得断层段附近围岩温度受其影响较大，偏离正常的地温变化规律[20]。
目前，淮南矿区将赋存于井下回风和矿井水的热能作为废热进行处理，造成了地热资源的严重浪费。为了有效利用深部地热资源，将地热资源利用分为地下热水资源直接利用和井下“余热”利用。
5.1.1地热资源储量计算与评价
按照国家标准(GB 11615—2010)[45]要求，地热资源评价包括地热能储量与地热水可开采储量评价。淮南矿区地热资源类型属于沉积盆地型，且热储层分布为无限边界条件。采用热储法和采收率法分别计算热储层中热能总量和可采热能储量[46-50]。根据规范要求[38]，并考虑当前开采技术水平限制，本次地热资源计算深度取2 000 m，作为经济型地热资源量。
根据矿区勘探资料，2 000 m以浅深度包括了奥陶系以上的所有地层，所以计算时将热储下限定为奥陶系。经过对研究区水文地质资料分析，满足低温地热资源下限要求的地层包括新近纪下部砂砾岩含水层和古生代石灰岩含水层，且满足可利用热储的基本条件。综上所述，淮南矿区的热储量包括新近纪砂砾岩热储及古生代太原组灰岩和奥陶系灰岩热储两部分。根据规范中的相关公式[38,45]计算得出淮南矿区地热储量热储法计算结果(表4)。
由表4可知，淮南矿区热储层资源总量为2.32×1016kJ，具有热储层分布面积广、厚度较稳定和岩性较均匀的特点，地热能较丰富，其勘查类型属于中低温(Ⅱ)类Ⅱ-3型层状热储地热田[45]。按采收率25%计算，则可采热能储量为2.64×1015kJ，折合标准煤约0.9亿t，具有十分可观的潜在经济价值。
5.1.2淮南矿区矿井余热资源量估算
煤矿采掘过程中，在地下开挖了大量巷道，围岩的热量都散发到巷道的空气中;同时在采煤过程中，会遇到含水层，大量矿井水也携带着热量。在煤矿开采过程中，必须排出井下废水和有害气体，从而源源不断地产生矿井水和矿井回风。进入井下的新鲜空气与井下围岩不断发生热交换，空气与围岩地温最终达到平衡。由于受外界影响小，井下围岩岩石温度基本不变，因此，矿井水的温度基本恒定，而回风温度随季节变化有一定的波动。故而，矿井水和矿井回风是一类较稳定的优质的矿井“余热”资源[51-53]，也是一种储量巨大的可再生低温热能。
表4 淮南矿区地热储量热储法计算成果
Table 4 Results of geothermal reserves calculated by thermal storage method in Huainan mining area
注：每t标准煤产热量按2.93×107kJ计算。
根据河北冀中能源的经验类比，按平均开采每t煤用风量4.15 m3/h，排水量为0.5～5.0 t[52]，淮南矿区按年产量1.0亿t煤炭计算，得到回风总量约11 530 m3/s，可利用热能为(0.74～1.01)×1013kJ，可节约标准煤52～73万t;淮南矿区矿井年总排水量约4 200万m3，每吨水中提取5～8 ℃热能，则可利用热能为(2.33～2.52)×1012kJ，年可约标准煤12～14万t。从而形成了一个相对动态的热能平衡、蕴藏量巨大、并可再生的低温热源。
淮南煤田新近纪热储与古生代热储埋藏较深，多在300 m以深，1 000 m以浅最高热储温度50 ℃，属温热水资源;1 000 m以深热水温度可达60 ℃热水标准。上述热储资源可直接用于洗浴、取暖、医疗及温室农业生产等。
矿井回风热能和矿井水的利用属于矿井余热利用，可通过水源热泵技术将上述热量转移到供热端从而解决冬季职工热水洗浴和井口防冻，甚至可取代传统的燃煤锅炉，实现减低碳、硫排放与节能减排目的。目前，河北冀中能源开发研究的矿井低温热源利用技术已在多个矿井得到应用[51]。淮南矿区顾桥矿和朱集矿采用制冷水降温空调系统，热回水主要用于工广内和生活区供暖，取得了较好的效果。
(1)淮南矿区地温梯度变化范围为1.00～4.00 ℃/hm，平均值为2.80 ℃/hm;大地热流值在31.87～92.68 mW/m2，平均值为65.50 mW/m2;地温梯度和大地热流值均高于相邻的淮北矿区，呈现出较高的地热状态。
(2)淮南矿区煤系地层岩石热导率分布在0.37～5.22 W/(m·K)，平均值是2.93 W/(m·K)，主要受岩性、深度、密度等因素的影响。
(3)淮南矿区地温随深度的增加而增大，-500 m水平高温区地温大于30 ℃;-1 000 m水平地温在29.59～48.81 ℃，除矿区东南部谢一矿、新庄孜矿和罗园井田外达到40 ℃，局部超过45 ℃，属于温热水型资源;-2 000 m水平地温变化范围为42.27～82.36 ℃，在潘集、顾桥、丁集、新集井田超过80 ℃，大部分地区均达到了热水资源标准。
(4)平面上地温梯度、地温场、大地热流等地热指标总体上呈现出西低东高，南低北高的分布趋势。这种现象主要受构造控制，表现出褶皱型、逆掩断层阻热型和导水断层传热型等3种构造控温作用。
(5)根据地热资源估算，淮南矿区热储层地热资源量为2.32×1016kJ，可采地热储量是2.64×1015kJ，折合标准煤0.9亿t;矿井回风余热可利用热能(0.74～1.01)×1013kJ/a，可节约标准煤52～73万t/a;矿井水余热可利用热能是(2.33～2.52)×1012kJ/a，可节约标准煤约12～14万t/a。从而形成了一个相对动态的热能平衡、蕴藏量巨大、并可再生的低温热源。因此，开展矿区深部地热资源和矿井余热资源的评价、利用研究，应是煤矿区今后工作的任务之一。
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