книги из ГПНТБ / Ониани, Ш. И. Тепловой режим глубоких шахт при гидравлической закладке выработанного пространства и сложном рельефе поверхности

Г Л А В А I I I

ЕСТЕСТВЕННОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

§ 1. Краткий обзор состояния геотермических исследований месторождений полезных ископаемых

Измерения температуры горных пород на шахтах и руд­ никах были начаты в первой половине прошлого .столетия, ког­ да общеизвестным фактам стало, что с увеличен! нем глубины температура недр неуклонно возрастает [771.

В 10-х годах прошлого века термические наблюдения проводились на шахтах Великобритании, а с 1828 г. уже на прусских и саксонских шахтах. В дальнейшем геотермические исследования в странах Западной Европы расширились и в 1867 г. при Британской ассоциации была создана специальная комиссия по проведению термических измерений в подзем­ ных выработках и обобщению полученных результатов [77]. В 1876 г. эта комиссия после изучения и сопоставления резуль­ татов многочисленных геотермичеоких наблюдений, проведен­ ных на шахтах и рудниках, установила предельную по теп­ ловому фактору глубину, равную 1200 м [19]. В конце прош­ лого и в начале-нынешнего века термическими наблюдениями были охвачены новые районы; появились теоретические ис­ следования и были изданы крупные монографии, обобщающие накопленные опытные данные.

С 30-х годов, особенно после второй мировой войны, гео­ термические исследования месторождений полезных иско­ паемых Н01СЯТ систематический характер почти во всех стра­ нах мира с развитой горнодобывающей промышленностью.

В России первые термические наблюдения были проведе­ ны на медных рудниках Урала А. Купфером в 1826 г., затем,.

60

Исследованием естественного теплового состояния метал­ лических рудников занимались П. И. Муотель, Г. В. Дуганов (43, 44] и др.

работы проведены по исследованию естественного теплового состояния шахт и рудников в зоне вечной мерзлоты.

Следует отмстить, что естественное тепловое состояние месторождений полезных ископаемых в частности, и земной

коры вообще, зависит от многочисленных факторов, суммар­ ное количественное влияние которых на распределение тем­ пературы в 'недрах пока не поддается аналитическому -опи­ санию. Поэтому геотермические исследования, как правило,, проводятся путем термометрии в горных выработках шахт и рудников или в геологоразведочных скважинах. По резуль­ татам термических наблюдений определяется величина гео­ термической ступени, служащая единственным параметром оценки естественного теплового состояния .месторождения в целом или его отдельных участков.

§ 2. Методика геотермических исследований месторождений

со сложным рельефом поверхности и складчатым залеганием пород

.При ровном рельефе поверхности и сравнительно спокой­ ном залегании горных пород по среднему значению геотер­ мической ступени (Gc p ) можно создать реальную картину ес­ тественного теплового состояния месторождения. В случае сложного рельефа поверхности и сильно нарушенном или складчатом залегании пород положение моренным образом меняется [28].

Как известно, в верхнем слое земной коры на темпера­ турное иоле недр существенное влияние оказывает рельеф поверхности [62, 99, 124]. -Предположим, что поверхностный слой земной коры горного района состоит из однородной н изотропной породы и рельеф поверхности характеризуется большой неровностью. Тогда качественные распределения плотности теплового потока ( q ) , геотермического градиента

62

S

Рис. 22. Профиль теплового поля верхней части зем­ ной коры со сложным рельефом поверхности и одно­ родной н изотропной породой (пунктирная линия—слой постоянной годовой температуры): а—изменение Г, q, ht вдоль разреза; б—качественное распределение

теплового потока в массиве

ляясь от нее под хребтами. С увеличением глубины н е р о в ­ ность геоизотермичеакой поверхности постепенно уменьшает­ ся, сглаживается и теоретически только на бесконечной глу­ бине она исчезает. Практически же геоизотермичеакие по­ верхности становится ровными горизонтальными плоскостя­ ми на какой-то конечной, для каждого района вполне опреде­ ленной, глубине.

В действительности верхние слои земной коры состоят из неоднородных и анизотропных пород. Поэтому, при прочих (равных условиях, характер распределения температуры в

63.

недрах определяется совместным влиянием рельефа поверх­ ности и формы залегания пород. Если форма залегания пород полностью «согласуется» с штабами рельефа поверхности и влияние этих двух (факторов на тепловое поле недр коли­ чественно одинаково, то плотность теплового потока и на­ пряженность теплового поли становятся равномерно-распре­ деленными, а температура .недр — однозначной функцией

.глубины (рис. 23'). Но вероятность существования подобных

&

Рис. 23. Профиль теплового поля недр при сложном рельефе поверхности и складчатом залегании неоднород­ ных и анизотропных пород: а—изменение Г, q, ht вдоль разреза; б—качественное распределение теплового по­ тока в складчатой зоне

условий практически равна нулю по следующим причинам: дао-первых, в природе не существует полной . «согласова:№- ности» в изгибах складок рельефа поверхности и формы за-

.легания неоднородных и анизотропных гарных пород и, вовторых, влияние рельефа поверхности на тепловое поле недр

-64

верхних слоях земной коры характеризуются неравномерной распределенностью и являются функциями пространственных координат.

Из изложенного следует, что в данном .случае темпера­ турное поле недр любого района нельзя характеризовать ус­ редненными основными геотермическими параметрами (Гс р , G ) , мак это имеет место в практике геотермических исследований месторождений полезных ископаемых. При построении геотер­ мического поля с помощью какой-то усредненной геотерми­ ческой ступени, изотермические поверхности, независимо от глубины, (будут иметь вид рельефа поверхности, что не может отразить реальную картину распределения температуры в не­ драх.

Попытка учесть влияние рельефа поверхности на измене­ ние температуры недр с увеличением глубины от поверхности была предпринята в конце 70-х годов прошлого столетия, в

котором приведены обширные результаты термических наблю­ дений в Сен-Готардском туннеле. Предполагая температуру пород зависимой только от вертикальной высоты гарной мас­ сы над рассматриваемым пунктом, 'были предложены форму­ лы для 'Определения геотермического градиента [124]. Рас­ считанная по этим формулам температура в центральной ча­ сти туннеля (длина туннеля 15 им, наибольшая глубина

Следует отметить, что полученный Штапфом геотермиче­ ский градиент, как об этом совершенно правильно замечается в работе [124], справедлив только для одного участка тун­ неля « непригоден ни для остальных его частей, ни, тем более,

для других районов гористой местности. Величина геотерми­ ческого градиента вдоль трассы туннеля не может быть по­ стоянной. Она, при прочих равных условиях, зависит от (Не­ ровности рельефа, теплофизических свойств пород, их анизо­ тропности и формы залегания. Поэтому на расстоянии '2500 м от устья туннеля температура, рассчитанная по формуле Штапфа (12°С], получилась значительно ниже действитель­ ной (22°С) [124].

Учитывая .исследование Штапфа, проект симплонсюоготуннеля несколько раз менялся во избежание высоких тем­ ператур под вершинами гор. Во всех вариантах проекта гео­ термический градиент по всей трассе туннеля принимался ве­ личиной постоянной и поэтому значения прогнозируемых тем­ ператур под возвышенностями получались чрезмерно завы­ шенными.

По величине геотермпчеакой ступени долины естествен­ ное распределение температуры горных пород было опреде­ лено также под порой Ап-Петри, вдоль трассы туннеля, по­ строенного для водоснабжения г. Ялты [56].

Для определения естественной температуры торных по­ род вдоль воздухоподающих выработок вентиляционной сети,, с учетом влияния ретьефа поверхности, П. В. Мустель пред­ ложил геотермическую ступень рассчитать по наикратчайшей прямой от точней наблюдения до поверхности. По полученной, таким способом величине геотермической ступени предлага­ ется рассчитывать горизонтальную геотермическую ступень и/ с помощью последней прогнозировать ожидаемые темпера­ туры неохлажденных пород на нижних горизонтах .месторож­ дения.

Аналогичный (методический подход к решению задачи принят и в работе [45].

В работе [183] оценка влияния рельефа поверхности на геотермические условия железорудных месторождений горных районов 'Словакии производится путем .определения горизон­ тальной и вертикальной составляющих геотермичеакой ступе­ ни, а' в работе ['129] существенные термические аномалии в Малайском рудном районе объясняются только присутствием

66

термальных источников и полностью игнорируется влияниесложного рельефа поверхности.

Необходимо отметить, что при сложном рельефе поверх­ ности нельзя характеризовать естественное распределениетемпературы в недрах величинами вертикальной или гори­ зонтальной геотермической ступени. Обе эти величины явля­ ются переменными как по глубине, так и по площади. .Гори­ зонтальная геотермическая ступень зиакопеременно изменя­ ется в довольно широких пределах и не является параметром,, характеризующим естественное тепловое состояние месторож­ дения.

Таким образом, при сложном рельефе поверхности и; складчатом залегании неоднородных и анизотропных пород распределение температуры в верхних слоях земной коры .но­ сит существенно неравномерный характер не только по верти­ кальной, но и по горизонтальной плоскости. Следовательно, тепловое состояние месторождения нельзя оценить искусст­ венно усредненной величиной геотермической ступени и для: получения реальной картины распределения температуры в: недрах необходимо построение температурного поля место­ рождения в целом или его отдельных, характерных стратигра­ фических разрезов.

Необходимые для построения температурного поля /мес­ торождения данные в принципе можно получить путем термо­ метрии в геологоразведочных скважинах, термическим-! изме­ рениями в горных выработках и 'методом .математического» модели ров аиия.

Известно, что в процессе 'бурения м промывки возникают существенные возмущения естественного температурного поля- скважины [88,96, 13'8, 139, 140, 141, 169]. При бурении и промы/в/ке вокруг (нижней части скважины создается охлажден­ ная зона, а вокруг верхней части — нагретая. Диаметр этих зон и -степень температурных возмущенийзависят от .продол­ жительности и режима бурения, температуры пород и промы­ вочной жидкости, теплюфизичеюких (Свойств окружающих сква­ жину пород и других факторов. Поэтому результаты термо­ метрии, проведенной ©разу после окончания 'бурения и прюшывки, не отражают реальную картину изменения темиера-

6Т

туры пород вдоль скважины. Исходя из этого, температуру промывочной жидкости можно принять равной температуре пород только после восстановления температурного равновесия в скважине.

/По мнению большинства исследователей, для скважин, пробуренных в породах юо средним значением температуро­ проводности (а — 8010"8 ма /сек), при глубине 1000—1500 м, ди­ аметре 70—80 мм и продолжительности бурения не менее 3-х месяцев, минимальное время выдержки, необходимое для вос- -становления температурного равновесия, равно одному году [88, 96, 141, 169]. При такой продолжительности выдержки, в условиях 'сложного рельефа поверхности, проведение массо­ вых термических измерений в геологоразведочных скважинах •связано с большими затратами и практически неосуществимо. 'Существенные затруднения возникают и после проведения таких измерений. Дело в том, что в скважинах с длительной выдержкой термические 'измерения заканчиваются метров на 300—400 выше забоя. Для правильной экстраполяции полу­ ченных при этом данных необходимо знание распределенияплотности теплового потока в районе скважины и зависимо­ сти между теплофизическими свойствами пород и направле­ нием теплового потока относительно напластования. Однако подобная информация в практике геотермических 'исследова­ ний месторождений всегда отсутствует [28, 108].

Более надежные результаты можно получить при изме­ рении температуры пород в горных выработках. Температу­ ра, измеренная на некоторой глубине (1—2 м) от овежеобнаженной поверхности выработки, при отсутствии дегазации или интенсивного окисления, равна естественной температуре по­ род в точке наблюдения.

Достоверность результатов непосредственных термичес1ких измерений в овежеобнаженных забоях горных выработок зависит только от точности намерения. Поэтому при .изучении

.теплового режима месторождений следует максимально ис­ пользовать все возможности термометрии в горных выработ­ ках шахт.

Недостаток термометрии в торных выработках состоит -в •том, что выбор пунктов замеров ограничивается количеством

\-.68

действующих забоев и ее нельзя применить для неразраба­ тываемых месторождений.

При сложном рельефе поверхности и складчатом залега­ нии пород результаты термических измерений в горных выра­ ботках дают представление о (распределении температуры в- массиве только в той части района, в которой проведаны на­ блюдения, и исключают возможность построения геотемпературиого поля месторождения в (целом.

Проведанные (нами исследовании показали, что в рассмат­ риваемом случае задача построения естественного темпера­

Теория и техника электрического моделирования под­ робно изложены в специальной литературе [22, 60, 65, 133, 134]. О некоторых особенностях электрического моделирова­ ния температурных полей месторождений будет сказано ни­ же. Здесь лишь отметим, что при моделировании стационар­ ных плоско-параллельных полей однородных и изотропных сред требуется соблюдение только геометрического подобия и. подобия граничных условий. Физические поля натуры и (моде­ ли являются автомодельными и решение задачи значительно облегчается. В действительности месторождения слагаются из неоднородных и анизотропных пород. Несмотря на это, можно принять условия подобия для однородных и изотроп­ ных сред при обеспечении в сравниваемых областях относи­ тельно одинаковой неоднородности и анизотропности.

Недостаток метода электротепловой аналогии заключа­ ется в том, 'Что для пересчета потенциального поля модели в температурное поле натуры необходимо иметь хотя бы одно достоверное значение температуры горного массива в точке, достаточно удаленной от верхнего контура (стратиграфическо­ го разреза.

§ 3. Термические наблюдения в скважинах и горных

выработках

До применения метода электротепловой аналогии инфор­ мацию,' необходимую для построения естественного темпера-

69