1矿井地质概况及热储层评价
1.1唐口煤矿概况
唐口煤矿位于济宁市西部，与市区相距4km，交通便利，矿井采深1000m，井下热害严重，采煤和掘进工作面夏季温度高达34℃，矿井共有5个立井，北区工业广场有主井、副井和风井，南区工业广场(在建)有进风井和回风井，矿区员工3200人，建筑面积25000m2，包括办公楼，机修车间，职工宿舍和附属建筑等，矿区冬季供热采用2台燃煤锅炉供暖，一个采暖期耗煤4200t。
1.2矿区热储资源评价
1.2.1热储层特征
唐口煤矿遥感解译图如图1所示，在平面上，在矿区南部存在深埋型低温层状地热田，地面上对应西五里营村以西、刘营、十里铺一带，其中矿井南区工业广场位于地热异常带中。地热异常带呈不规则椭圆形，面积大于12.50km2。由矿井地质资料显示，地热异常带处于济宁断裂处，断裂构造密集，深大断裂导通深部热源，为地热水的渗透、存储、地热信息上溢提供良好的构造空间。钻孔测温资料显示750m处平均地温36.8℃。
在纵向上，地质结构和地层岩性影响着地温变化。区内第四系均厚212.55m，以黏土、粉砂质黏土、粉砂混粒黏土为主，地温梯度1.5℃/hm；侏罗系地层均厚391.16m，以砂岩为主，热导率较高，地温梯度2.15℃/hm；热储层上部的石炭－二叠系厚度及岩性较稳定，均厚535.5m，主要为泥岩、页岩，为含煤地层，地温梯度2.5～3.0℃/hm。
以上3组地层形成良好的保温盖层，热盖层厚度600～1200m，总体富水性差，为相对隔水层，且导热性能差，热阻大，是地下热水的良好热储保温盖层。热储层奥陶系石灰岩具有裸露型、覆盖型、埋藏型，形成了不同的补给、迁流、排泄区。地层主要为马家沟群，厚度500～742m，主要由石灰岩、夹泥灰岩和钙质泥岩组成。
从热储概念模型图2，看出地热资源主要来自上地幔岩浆热源，并受区内嘉祥断裂和孙氏断裂的影响沟通地壳深处的热能，热量传递到奥陶系热储层，在松散盖层和巨厚碎屑岩的阻热保温作用下，将热能存储下来，热储层古剥蚀风化带和裂隙岩溶发育带厚度一般在200m以上，岩溶裂隙发育，连通性较好，为地热水的形成提供了储集、运移空间，是奥陶系热储层的主要含水层位。热储层的富水性极不均匀，一般在构造影响带附近裂隙岩溶较发育，富水性强。
根据区域水文地质资料分析，储层地热水的主要来源为沉积物形成时保存下来的沉积水，补给源为济宁凹陷区东部、西部和北部的径流补给，地表水和大气降水通过渗流和大断裂向热储层运移，经围岩加热形成地热水。由于矿区常年的煤层开采，储层上部的越流补给减少，在地热水的开采中应综合考虑。
1.2.2地热水钻采取样
为了对矿区奥陶系储层地热特征进行探究，在矿井井下巷道中打3个水文钻孔，分别对地热水取样分析，具体情况见表1、表2。
由钻井资料可得，矿区奥陶系热储层平均埋深1170m，在矿井已有巷道下钻进200m即可钻达储层。平面上矿区南部地热水温度较高，验证了遥感观测结果。地热水平均水温44℃，为温热水，水温适中，可用于供热取暖、医疗洗浴、水产养殖、温室种植等。不同区域储层富水差异性较大，南部矿区在断裂构造的影响下水量和水温都较高。水质特征分析表明，3个取水点水质差异较大，总体上地热水矿化度大于2g/L，地热水呈碱性。腐蚀和结垢是地热开发利用中最普遍存在的现象之一，根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)中地热流体腐蚀性评价方法，参照工业上用腐蚀系数来衡量地热流体的腐蚀性，并对地热流体中碳酸钙结垢趋势用雷诺兹指数进行评价，评价结果见表3。
由水质分析可得，区域内地热水具有腐蚀性但不易结垢，在地热水开采和利用时应对地热水的腐蚀问题采取相应措施。
2矿井地热资源化利用模型
2.1地热井钻采模型
对于奥陶系热储层中的地热资源，笔者提出一种井下钻采地热水模型，根据已有的地质资料，利用矿井原有硐室，在井下施工地热井，通过保温管将地热水送至地面，在地面换热站进行热能转换后将热能供应给用户端，具体实施如下步骤。
1) 地热井选址。
参考前期地热勘查资料，地热井应选取在矿区南部井底车场以东和东北部地区。钻井应选择在地质情况探明，地层稳定，服务年限长的巷道或硐室，井孔应规避断层，采空区和正在回采的工作面。综合考虑选择在南轨大巷沿线开凿地热井，为避免水位下降过快并合理控制水位，抽采井间距不小于500m。
2) 地热井钻采和回灌。
在钻井之前要开挖钻井硐室，在钻井硐室进行钻井施工。模型中钻凿三眼地热井，两眼开采井，一眼回灌井。钻井采用二级结构，裸眼完井法成井。由于钻井区域储层埋层更浅，钻井硐室垂深已达1050m，设计开采井井深300m，取水段100m，回灌井井深350m，同层两采一灌，终孔井径大于100mm。开采模型如图3所示，预计井口水温≥50℃，出水量≥100t/h。由于热储为裂隙型灰岩热储，储层压力较大，采用压力回灌的方式进行回灌，回灌量和回灌压力从小到大叠加，直到回灌系统正常运行，回灌系统应注意密封和隔绝空气。
3) 地热井系统动态监测。
在钻井硐室安装井口装置和控制监测台，对地热井的水位、水压、水温和水质等同步观测。系统运行后，为避免过采和地表沉降，定期观测地热井的井口标高，降水漏斗范围内的地面和井下测点标高，及时调整抽采和回灌水量。停采期间对地热井水位恢复和储层压力状况进行监测。
4) 地热水运输。
钻采的地热水在井下采用保温管道运输，由于地热水井下运输线路较长，运输管道的保温性和抗腐蚀和结垢能力要求较高。钻井自流出的地热水经过井口除砂器初步处理，经管道运输，经过联络巷道，南轨回风巷，南部回风井至地面换热站。
5) 地面换热站综合利用。
由于深部地热水腐蚀性较大，在南区工业广场建地面换热站，热水进入地面换热站后，通过换热站内板式换热器和热泵机组将热量转换到供热管网，冷却后的地热水60%经处理后经过进风井管路，轨道大巷到井下回灌硐室，由回灌井回灌，30%地热水可出售用于周边温泉洗浴、医疗保健等，剩余的10%由矿区用水消耗。
2.2矿井余热综合利用方案
为了对唐口煤矿多种低位热源进行综合利用，依据矿区各类热源的特点，提出矿区冬季采暖期矿井地热资源利用方案，以深部地热水为主，结合矿井中其他低温热源，采用热能间接利用和热泵技术实现矿区和附近住宅区域的冬季供暖和水资源利用。矿井中的可利用热源主要有矿井排水、矿井回风、矿区生活洗浴用水和深部地热水等，统计结果见表4，建设地面水源热泵处理站，汇总并提取各种热源中的低位热能，地热综合利用系统如图4所示。
2.3模型评价
2.3.1经济评价
钻凿地热井成本高，风险大，钻井之前需要详实的地质资料作为支撑。笔者提出一种矿井地热资源利用模型，属于非常规地热开采，矿井的井巷结构，先期地质资料，管道运输系统为地热系统的建立降低很大成本和风险。常规地热井需要在地面凿井，该模型利用矿井已有的井巷工程，钻井费用低，钻井施工周期短，表5是2种方案简要的经济比较。模型在钻井方面节省大量的资金，并可以规避地面施工对周边环境的影响。由于钻探费用经常占到施工总费用中的很大部分，本模型的钻井费用约为新钻地热井费用的1/2。
济宁地处暖温带大陆性季风气候区，气候四季分明，年气温低于5℃的天数大于120d，常用的供暖方式为燃煤，燃气集中供暖。唐口煤矿位于济宁市区西部，矿井冬季需用2台燃煤锅炉来实现矿区供暖和井口防冻。地热利用系统建成之后，可提日供3000m3的热水供应，日供热功率12.45MW，热负荷以60W/m2估算，中间热损失30%，则可实现14万m2的住宅供暖。采用地热集中供暖，配套管路建成之后，住宅供热每平米只需地热供暖系统运行成本3元/m2，而当地燃煤供暖运行成本约为12元/m2。
2.3.2环境影响评价
地热井建设期在井下钻井作业，在巷道中铺设运输管道，地面换热站位于南区工业广场，不会对周边环境造成影响。高温地热水应回收或处理，不可排放至渠道和城市地下水系统。井上埋设管道主要沿周边道路铺设，部分穿越农田，铺设完成后应对原有景观进行修复。
运行时期，取水层位为奥陶系灰岩地层，与当地农业和生活用水主要取水层第四系深层承压水水力联系较弱，但由于采矿活动影响，济宁市任城区地下水超采矛盾等，应采取回灌措施，并对当地地表进行沉陷观测。项目实施后，年可减少燃煤4200t，减少CO2排放量1.18×104t/a，对于温室气体减排有良好的环境效益。
2.3.3社会影响评价
地热能是一种清洁能源，取代传统的冬季燃煤供暖，可以改善矿区和周边村镇的生态环境质量。南区工业广场离市区直线距离仅3km，模型中设计地热井邻近凤凰台景区、太白楼风景区、京杭大运河和济宁西站。根据《济宁市城市总体规划(2015—2030年)》，该区附近将建设为滨河新区和旅游度假区，发展旅游观光、高档居住、物流客运等功能，疏解旧城区的居住、旅游功能，规划人口20万人，地热资源有广阔的发展利用空间。根据济宁市的地质特征，位于城区南部的济宁二号井和西南部的新河煤矿都存在大规模可利用地热资源，以唐口煤矿地热资源开发模型为例，形成矿井地热利用的“唐口模式”，为我国矿井地热能利用和打造绿色矿山提供新思路。
3结论与展望
1)以济宁唐口煤矿矿山地热展开研究，研究了矿山地热的成因，对矿山地热资源总量和品质做出评估，提出以利用井下建筑的地热水开采模型和矿井地热资源综合利用方案，唐口矿山地热资源可服务于矿山和周边14万m2的住宅供暖。
2)矿井井下地热水开采属于非常规地热开采，不同于地面钻井，井下钻井对钻井工程实施空间限制较大，采动应力和深井地压作用下，地热井井身结构需要特殊的要求，井下地热水回灌也是新挑战。地热水开采会对周围岩体应力分布产生影响，并影响矿井的正常生产。因此关键技术问题是协调煤与地热水的共采工艺、采动影响下的井身结构维护和井下承压地热水的回灌问题。
3)矿山地热水作为采矿的伴生矿物，开采涉及探采矿产权问题，相关政策和法律应予以支持。矿山地热利用，对于减少碳排放，推动节能减排，建设绿色矿山是一条可行之路，煤矿企业的开采理念发生转变，最终实现煤－水－热的共同开采。
