陆博，喻晓丽，李杰林，黄冲红，孙龙

(1.中铝集团玉溪矿业有限公司，云南 玉溪市 653405；2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 前言

地下矿山深部开采已成为采矿业重要的发展方向之一，随着开采深度的增加，井下湿热环境日益恶化，严重影响矿工身体健康，降低劳动生产率，不利于井下安全生产。据不完全统计，我国深部矿井中千米深矿井近百座，超1 km 深的金属矿井已达16 座，一级热害井占比达到24.64%。因此，亟需进行深部矿井热害治理[1-3]。围岩原始温度即原岩地温的测定是矿井热害防治最重要的基础工作，所取得的参数是进行矿井热源分析及井下风流温度预测计算的重要基础参数，也是划分矿井地温类型的基本依据之一[4]。因此，地温测量是了解热源分布情况、掌握地温对深部工程热环境的作用影响、制定热害防治措施等工作的重要基础工作。

在矿山地温测量和地温梯度研究方面我国学者做了一系列的工作。张绍国等[5]利用浅孔测温法测定原始岩温，并结合Origin 回归实测岩温数据，分析了孔底温度随时间的变化特点；蔡增祥等[6]采用浅孔测温法测定了滇东北铅锌矿山4 个水平的原岩温度并进行拟合分析，得到矿山地温梯度为1.449℃/100 m；刘凯等[7]采用深孔测量法测定了新城金矿围岩温度，钻孔深度为30 m，从而获得了地温梯度变化规律。以上研究为矿山地温分布规律提供了良好的理论基础和实践指导。

目前，关于金属矿山地温梯度的测定，大多采用浅孔测温方法或采取深度较浅（约30 m）的深部测温法，从而对深部地温的分布规律掌握程度不够精确。本文采取深孔测温法，在200 m 钻孔内开展了地温测量，获取大红山铜矿西矿段原岩温度数据，分析其地温变化规律，并从地质方面对热害成因进行分析。

1 大红山铜矿地温梯度测量及结果分析

大红山铜矿位于云南省玉溪市新平彝族、傣族自治县戛洒镇，矿区属山岭地形，海拔标高为500～1850 m，大红山铜矿海拔为700～1400 m。山脉总体南北走向，地形起伏大，切割激烈；区内属亚热带气候区，气候具垂直分带的特点，气温最低为1℃，最高为45℃，平均为23℃，夏秋较为炎热，冬春温和。

对大红山铜矿西矿段部分中段水平进行了空气温湿度、围岩表面温度及水沟水温测量，结果见表1。从表1 可知，随着开采深度的增加，西矿段区域巷道内的空气温度和岩温不断上升，且400 m水平以下作业面的空气湿度均处于80%以上，属于典型的高温高湿环境，矿井热害问题突出。

表1 大红山铜矿西矿段空气温湿度、围岩表面温度及水温测量结果

1.1 地温梯度测试过程

原岩温度的具体数值取决于地温梯度与埋藏深度，一般采用钻孔测温方法进行原岩温度测量，深孔测温法不受气候变化的影响和井巷内通风的干扰，测试的可靠性及数据准确性高[6]，因此，本次测量采用深孔测温法，以期获取准确可靠的原岩温度数据，从而得到大红山铜矿西矿段真实的地温梯度。

深孔测温钻孔布置在大红山铜矿西矿段140 m中段132 线探矿穿脉中，孔深为200 m，孔径为50 mm。测量仪器主要包括温度传感器、数字地质温度测试仪、电缆、深度计数器及连接轮等。分别在冬季（12 月份）和夏季（8 月份）进行测试。测量现场如图1 所示。

图1 钻孔地温梯度测量现场

1.2 测试数据及结果分析

在夏季（8 月份）和冬季（12 月份）分别进行原岩温度测试，测量所得的测点海拔高度与原岩温度关系如图2 所示。由图2 可知，随着探头下降深度的增加，原岩温度逐渐增加，大致呈线性变化规律，表现出传导型增温特征，且原岩温度均超过37℃，为二级热害区。此外，夏季与冬季测量结果相近，且随着深度增加，两者测量结果间的差距越小，几乎重合，说明孔内的原岩温度不会随着季节变化而改变，可以分析出西矿段井下高温热害的主要热源为围岩散热。

图2 温度随海拔高度的变化曲线

根据夏季和冬季地温实测数据，采用线性拟合的方法分别得到了大红山铜矿西矿段夏季和冬季的地温梯度，其结果如图3 所示，在夏季和冬季时，下降深度与温度之间的关系可用式（1）、式（2）来表示。

图3 平均地温梯度拟合结果

经计算，大红山铜矿夏季和冬季的地温梯度分别为2.96℃/100 m、2.92℃/100 m，两者相差不大，说明季节变化对地温梯度的影响较小。参照《矿井降温技术规范》的规定，大红山铜矿属于常温类地温类型，接近高温类地温类型（≥3.0℃/100 m）。因此，大红山铜矿西矿段原始地温较高，地温梯度较大，地热灾害严重。

2 大红山铜矿西矿段地温影响因素分析

通过分析前人研究成果发现，影响地温场分布的地质因素主要可分为地质构造、岩性、地下水和岩浆活动4 类[8-11]。根据大红山铜矿西矿段的地质资料[12-14]，对大红山铜矿西矿段地温的主要影响因素进行分析。

2.1 地质构造

地质构造对地温分布产生影响的主要原因是强烈的构造运动易产生褶曲和断裂等构造，在水平方向或垂直方向上引起岩石热物理性质变化，从而改变温度场。大红山铜矿区位于南岭纬向构造体系、藏滇“歹”字型构造体系及川滇经向构造体系的复合部位，系云南山字型前弧西翼与北西向哀牢山构造的交接处。矿区构造运动强烈，岩浆活动频繁，从太古代末期开始，不同时期、不同阶段的构造运动在矿区内均有不同程度的反映，所形成的构造形迹和与之相伴的岩浆活动、区域变质作用相互继承、叠加，使得地质构造趋于复杂化。尤其是燕山运动末期，使整个中生代盖层全面褶皱，产生较多的断裂，从而形成了矿区现今的构造格局。

大红山铜矿西矿段处于康滇地轴大红山台拱底巴都背斜南翼，大红山群地层为走向北北西至南南东，向南西、南西西倾斜的单斜构造。盖层明显地继承基底构造，亦为一单斜，仅南端有较小的次一级向、背斜褶皱。因此，大红山铜矿的单斜整体构造阻碍热量向上传递，成为热害出现的一个重要地质因素。

2.2 岩性

岩性影响地温分布的根本原因是不同类别岩石的导热率和热传导性能不尽相同，且地温向深处的增加仅与岩石的导热率成正比。西矿段的岩性主要以凝灰岩为主，部分区域出现片岩、凝灰岩夹杂片岩或大理岩、构造破碎带，其具体分布如图4 所示，图中0 位置处代表140 m 水平B132线钻孔起点。通过对凝灰岩和片岩进行热参数测试，获得两种岩石的导热系数分别为 3.073 W/(m·k)、3.46 W/(m·k)。

图4 地温梯度随钻孔深度波动曲线

从图4 可以看出，地温梯度随深度的增加而降低，在0～20 m 孔深范围内地温梯度较大，且变化幅度较大，这是因为该区域距离孔口较近，测量的原岩温度受到了巷道内空气环境的影响；随后地温梯度逐渐以3℃/100 m 为中心左右浮动，其中地温梯度偏离该中心较大的区域，或是岩性发生了改变，或是出现了构造破碎带。由于片岩的热导率比凝灰岩小，因此片岩区域的地温梯度达到了6℃/100 m；此外，构造破碎带处岩心破碎呈团块状，围岩与断层泥胶结，具有一定的保温作用，因此构造破碎带区域地温梯度较小，接近于0。可见，岩性的改变对地温的分布有较大的影响。

2.3 地下水

地下水是良好的热量载体，对围岩既有降温又有增温的效果。大红山铜矿床西部矿段位于F3断裂与曼岗河的夹持地带，为弱裂隙脉状含水层充水的水文地质条件简单的矿床。矿体赋存于大红山群曼岗河组第三段（Ptdm3）地层中，埋藏深，处于当地侵蚀基准面之下。曼岗河组第三段（Ptdm3）、第四段（Ptdm4）岩层中含脉状裂隙水，富水性弱，是矿床充水的主要水源。大红山群红山组（Ptdh）、曼岗河组第二段（Ptdm2）和曼岗河组第一段（Ptdm1）等岩层富水性极弱，为相对隔水层。大红山群充水含水层上覆有隔水性较好的干海资组（T3g）泥岩隔水层，在无采矿引发地面塌陷的情况下，矿区大气降水和地表河水不会对矿山形成充水影响；此外矿床充水层透水性弱、富水性弱，矿坑涌水量较小，地下水循环慢。由于矿区燕山运动末期使整个中生代盖层全面褶皱，产生较多的断裂，故认为深部的热水通过这些断裂、裂隙进入地层中，但受隔水层的阻止，难以向浅部运移，使热量保存在深部地层中，为热害形成提供了热源。

2.4 岩浆活动

岩浆活动对地温分布影响主要取决于岩浆侵入的地质年代、侵入规模、产状与性质，岩浆岩侵入地带，地温明显高于正常值，年代越新、侵入规模越大，对地温分布影响越大。

大红山矿区岩浆活动频繁，具有多期、多旋回的特点。伴随各期构造运动，均有不同程度的岩浆活动。如燕山期白垩纪、加里东期早古生代、晋宁期中元古代、龙川期早元古代、红山期太古代等时期均发生了不同类型的岩浆活动，可见在一定程度上岩浆活动对大红山铜矿的地温分布存在影响。

3 结论

（1）通过深孔地温测试，获得大红山铜矿140 m 水平及以下区域原岩温度均超过37℃，为二级热害区，拟合得到平均地温梯度为2.92℃/100 m～2.96℃/100 m，属于常温类地温类型，接近高温类地温类型，地温异常，热害严重。

（2）西矿段的岩性主要为凝灰岩和片岩，两种岩石的导热系数存在差异，因而导致了地温梯度不同。

（3）通过矿区的区域地质资料分析，得出大红山铜矿西矿段处于底巴都背斜南翼的单斜构造区。

（4）大红山铜矿西矿段单斜构造、隔水层稳定发育的水文地质条件共同阻碍了热量向上运移，使得热量保存在地层中而形成热害。大红山矿区岩浆活动频繁，具有多期、多旋回的特点，在一定程度上对地温分布产生了影响。