Файл: Ониани, Ш. И. Тепловой режим глубоких шахт при гидравлической закладке выработанного пространства и сложном рельефе поверхности.pdf

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

турного поля месторождения, мы попытались получить мето­ дом термометрии в геологоразведочных скважинах и горных

.выработках..

Так пеане .массовые термические измерения в скважинах, "как правило, проводятся сразу после окончания бурения, по­ лученные результаты не могут быть приняты как достоверные для геотермической характеристики рассматриваемого (место­ рождения. Поэтому создалась необходимость проведения пов­ торных термических измерений после восстановления темпе­ ратурного равновесия в скважинах.

Диаметр геологоразведочных скважин (рассматриваемого месторождения не превышал 75—il00 мм, а перепад темпера­ тур между .наиболее глубинными породами и промывочной жидкостью — 20-—30 град. В таких условиях по мнению од­ ной части исследователей [6, 23, 49]. продолжительность вы­ держки (скважины не должна -превышать 5 суток.

С целью проверки этого положения применительно к рас­ сматриваемому месторождению, нами совместно с Шаорюкой ГРП, были проведены повторные термические (измерения в двенадцати скважинах с продолжительностью выдержки от 5 до 20 суток (.первичные измерения в этих скважинах .про­ водились через 5—-10 часов после окончания бурения). Мето­ дика и результаты этих наблюдений подробно изложены в ра­ боте [28].

Анализ полученных результатов показал, что величина геотермической ступени для каждой (исследованной скважины при вторичных измерениях на 8—10% меньше, чем при пер­ вичных измерениях. Это указывает на значительное наруше­ ние естественного распределения температуры пород вдоль скважин в процессе бурения и промывки (вторичные измере­ ния, как правило, заканчивались метров на 200-—300 выше первичных). Аномально низкая температура (2—4°С) в четы­ рех из исследованных скважин (№№ 190, 192, 195 и 196) и высокая температура в двух других (№№ 201 и 204) на пред­ полагаемой глубине залегания нейтрального слоя (30—60 м) (свидетельствует о .нахождении исследованных скважин в ста­ дии .неустановившегося теплового режима. Следовательно, принятая в литературе [6, 23, 49] продолжительность выдер­ жки 5—6 суток недостаточна для восстановления температур-

70

Hono равновесия в скважинах. Этим подтверждается •наличие вокруг них охлажденных и нагретых зон пород значительной мощности, установленное Г. А. Череменским [138, 139, 140]. Инерционность промывочной жидкости и .мощной толщи по­ род с возмущенным тепловым состоянием определяют мед­ ленное протекание процесса восстановления температурного раюновеоия в скважинах.

•Определение .необходимого времени выдержки скважины в покое для полного восстановления теплового состояния по­

после окончания бурения и промывки; 2—по измерениям с 10-ти су­ точной выстойкол; 3 и 4—результаты непосредственного измерения температуры горных пород в стволе и квершлаге соответственно

стандартная геофизическая термометрическая аппаратура имеет недостаточную точность измерения (погрешность дости­ гает .±1,0 град) и поэтому она не пригодна для проведения

71