（1）建立了平顶山矿区地热成因概念模型，揭示了研究区内寒武系碳酸盐岩热储特征。
（2）提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法，建立了研究区内寒武系碳酸盐岩热储层的三维地质模型，实现了热储空间的数字化。
（3）评价了研究区内寒武系岩溶热储资源开发潜力。
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矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价
地热能是一种清洁、低碳、储量大、分布广的可再生能源，其大规模开发利用对于应对全球气候变化具有重要意义。据估算，我国水热型地热资源可采量折合标煤18.65亿 t/a，储量十分丰富，是稳定补充常规化石能源供应的可靠选项。矿产与伴生地热资源共采已经是行业共识。矿井岩溶热水通常赋存于煤系地层底部，如徐州三河尖矿–1 048 m奥陶系马家沟灰岩热水、唐口矿–975 m奥陶系灰岩热水等。受采动影响，底板灰岩水易涌出，进而恶化采掘作业空间环境，严重时引起矿井突水事故。同时，高温岩溶热水也是一种水热型地热资源，合理开发不仅可以有效缓解矿井水害和热害问题，还是矿企践行“双碳”目标的重要举措。
常用的地热资源评价方法有热储体积法(简称热储法)、热通量统计法、数值模拟法和解析法等，其中热储法因其计算方便、方法成熟、适用性强，使用最广泛，如朱喜、谢娜和赵季初等分别采用热储法对雄安新区、甘肃主要盆地和山东孤岛潜山凸起区等研究区的地热资源进行了评价。热储法通常适用于大尺度区域地热资源的初步评价，一般视热储层为均质岩层，把储层厚度、温度、孔隙度等主要参数设为定值，但是在实际地层中，这些参数往往具有一定的波动性。因此，基于热储法的一些改进方法不断被应用，代表性的如蒙特卡洛法等。蒙特卡洛法在估算热储层数据资料相对较少、评价参数不确定的研究区具有优势，可以估算出地热资源量的最可能值、均值、中值和标准偏差，如饶松等同时采用传统热储法和蒙特卡洛法计算了渤海湾盆地馆陶组热储资源量。考虑到钻孔数据获取难度大，YANG等结合热储法和蒙特卡洛法，对云南盈江盆地的地热资源进行了评价。Ahmed ELMASRY等采用蒙特卡洛法对埃及阿布吉拉迪盆地未来25 a和50 a的地热潜力进行了估计。随着计算机技术的发展和地质勘探资料的不断积累，基于三维地质建模的热储地热资源评价方法逐渐得到应用。BROWN使用三维地质模型方法，对英格兰北部奔宁山脉和湖泊区基岩中的干热岩型地热资源进行了评估。Alessandro SANTILANO等综合采用航空电磁数据、岩样热物性数据，建立了热储层的高分辨三维地质模型，对地热钻孔和地源热泵耦合换热潜力进行了分析。赵杰和郭清海结合地球物理和钻孔资料，建立了施甸地热田的三维地质模型，并分区域对地热资源进行了评价。张禄权等采用三维地质建模和体积法，估算了四川含油气盆地栖霞—茅口组的地热资源量，在估算时使用到了积分的思想。三维地质建模和后期的资源量评估时，网格的大小对评估精度影响很大。对于盆地尺度范围内的评价，局部的地层起伏对评价结果影响很小，但是对于井田尺度范围，地层倾角、褶皱构造等地质条件影响不容忽视。因此，尽可能小的网格尺寸有助于提高研究区内资源评估的精度。当网格足够小时，对网格内资源量进行累加就体现了积分思想。这一思想在地热资源评价方面应用较少，主要原因是大区域范围地热资源量评价时，现有热储法能够满足要求，而且积分法要求研究区域具备足够多的地层参数数据，这一点会导致地热资源评估成本过高。在矿井地热资源评价时，由于井田范围相对较小，需要充分考虑地层产状变化给资源量评价精度带来的影响，此时传统热储法使用受限。另一方面，井田有大量的地面地质孔、水文孔、邻近矿井生产资料和一系列物探成果等，且生产过程中会不断补充地面勘探和井下巷探，因此勘查工程密度大，地质条件控制程度高，这为积分法的应用提供了条件。
基于矿区地热地质条件，结合地质勘探数据，笔者对研究区内碳酸盐岩热储层进行数字化处理，建立矿区地热成因概念模型和热储层的三维地质模型，采用改进的热储法对研究区内矿井岩溶热储资源量进行评价，并分析矿井地热水的质量，为研究区内的地热资源开发利用提供依据。
传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价，用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上，建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区，基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料，采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System, GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型，呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况，并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法，采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算，并评价了热储的动态资源量，得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析，评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示，研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层，热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体；地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体，沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中，并持续接受深部基岩热量传输，形成水热型岩溶热储；寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3，蕴含热量1.19×1018 J；岩石中蕴含热量为3.25×1018 J；地热资源总量为4.44×1018 J；地热可采资源量为6.66×1017 J，折合标煤22.7 Mt；寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性，结垢性为轻微—中等，流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。
图1 研究区范围示意
图2 平顶山矿区地热成因概念模型(据文献[28]修改)
图3 热储层和盖层三维模型
图4 热储层不同水位线侧视
图5 地热(水)资源量随水位变化情况
表1 研究区地层
表2 热储空间数据库部分数据
表3 热储静态资源量计算参数
表4 寒武系灰岩水质全分析结果
张源，男，1985年8月16日生，安徽阜阳人，博士，副教授，博士生导师。中国矿业大学新能源科学与工程系副主任，窑街煤电集团有限公司海石湾煤矿副矿长（挂职）。主持国家自然科学基金项目2项、企业联合攻关项目12项。近5年获得省部级科技奖励4项，发表学术论文20余篇，授权发明专利6件，出版专著2部。
矿山地热与热害防治、岩体力学与岩层控制
致力于矿山安全与环保领域的科学研究和技术推广，聚焦矿山地热与热害防治技术研发。针对深部矿井高温热害问题，提出了通过开发矿井地热来治理高温热害的技术思路，发明了高地温矿井煤-热共采方法，开发了矿井岩溶地热水非常规开采技术，为高温矿井热害治理提供了一种全新的技术途径。围绕西部煤电一体化矿区煤系废弃物处理难题，研制了矿用粉煤灰功能性胶凝材料，开发了固废基泡沫混凝土井下封堵技术，构建了西部矿区坑口电厂固废就地资源化返井利用模式，实现了煤电联营企业灰渣井下处理与矿井灾害防治的一体化；发明了超临界二氧化碳发泡混凝土方法，在实验室制备出了超临界二氧化碳泡沫混凝土，为煤电一体化矿区CO2井下封存利用提供了一种创新技术思路。
来源：
张源，万志军，胡淞博，等. 矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价[J]. 煤炭学报，2024，49(8)：3571−3579.
ZHANG Yuan，WAN Zhijun，HU Songbo，et al. 3D geological modeling of mine karst geothermal reservoir and geothermal resources evaluation[J]. Journal of China Coal Society，2024，49(8)：3571−3579. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1034shu
