新驿井田奥灰岩溶裂隙含水层特征分析

柳汉丰游水凤高卫富刘 磊庞新龙（.江西应用技术职业学院,江西省赣州市,34000; .山东科技大学地球科学与工程学院,山东省青岛市,66590）



新驿井田奥灰岩溶裂隙含水层特征分析

柳汉丰1游水凤1高卫富2刘 磊1庞新龙1
（1.江西应用技术职业学院,江西省赣州市,341000; 2.山东科技大学地球科学与工程学院,山东省青岛市,266590）

摘要在分析钻孔岩芯及水文观测孔资料基础上,从奥灰岩溶发育形态、富水性、水位动态变化三方面对新驿井田奥灰含水层进行系统研究,结果表明奥灰岩溶主要发育在奥灰顶部200 m岩层内,以溶孔和溶蚀裂隙为主,局部见孔洞,富水性情况区域差异性大,分布不均。奥灰岩溶水主要接受降水及第四系裂隙水补给,北东—南西方向补给强,西北方向补给弱,岩溶水地下径流强,是下组煤开采过程中主要含水层。

关键词新驿井田 奥灰水 奥灰岩溶 含水层特征

近年来,以石炭—二叠系为主的华北型煤田经过半个多世纪的开采,下组煤已经成为当前主要开采煤层。从煤层沉积环境角度分析,石炭—二叠系的煤层绝大多数直接沉积在奥陶系灰岩之上,缺失志留纪和泥盆纪地层。奥陶系灰岩长期在地表裸露,受到不同程度的风化,导致其发育程度不一的奥灰岩溶。奥灰岩溶水水压高,动储量大,外界大气降水补给强,使煤矿安全生产受到巨大的威胁。

1　井田区域概况

新驿矿井位于山东省兖州市境内,东距兖州市区19 km,西距汶上县城20 km。行政区划归兖州市新驿镇管辖。井田范围东、西边界为17＃煤层露头,北起井田边界,南至长沟断层,井田东西长约6.5～9.1 km,南北宽约6.0～8.8 km,面积为56.9 km2。

井田自上而下可分为第四系冲洪积孔隙含水岩组、二叠系砂岩裂隙含水岩组、石炭系层间岩溶裂隙含水岩组、奥陶系岩溶裂隙含水岩组。其中奥陶系总厚度大于500 m,揭露厚度81.24～160.72 m,含水层岩性主要为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩。东部埋藏深度浅,只有200 m左右;中部及西南部深,一般为510.44～726.96 m,最深达900 m。

2　岩溶发育特征

据钻孔岩芯观测,该区奥灰岩溶发育形态以溶孔和溶蚀裂隙为主,局部见孔洞。

2.1岩溶发育形态及特征

（1）溶孔。主要发育于泥质白云岩、白云岩、角砾状泥灰岩中,多呈零星状、蜂窝状分布,见图1。直径一般为5～20 mm,泥质、方解石充填或半充填,一般连通性较差。

图1　群1孔蜂窝状溶孔

（2）溶蚀裂隙。溶蚀裂隙多见于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩中,宽度一般为3～25 mm,部分被方解石半充填,部分裂隙面可见铁锈,测井验证溶蚀裂隙一般含水,岩溶联通性总体中等,见图2。

图2　3－5孔溶隙水锈

（3）孔洞。孔洞主要见于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩中,直径一般为20～50 mm,多沿溶蚀裂隙发育,方解石半充填,见图3。

图3　3－5孔奥灰溶孔和孔洞

2.2岩溶发育与岩性的关系

据3－3孔、3－5孔、群1孔和水1孔统计,各类岩石见岩溶裂隙点数百分比分别为石灰岩35%、白云质灰岩30%、白云岩20%、灰质白云岩14%、泥灰岩1%。统计结果表明,石灰岩、白云质灰岩、白云岩可溶物含量较高,且脆性大,在构造应力作用下易形成裂隙而发育岩溶;灰质泥岩可溶物含量较低,且柔性大,不易形成宽大裂隙,故岩溶发育较差,本井田石灰岩、白云质灰岩、白云岩三者占85%以上,说明该区内岩溶发育。

2.3岩溶发育与埋深的关系

勘查区内奥灰埋深变化较大,根据水1、群1、3－3孔、井下5－5孔、井下3－7孔等的勘查资料,单位涌水量与埋深的关系如图4所示。

图4　单位涌水量与埋深关系图

随着奥灰埋深的增加,富水性有逐渐变弱的规律,总的来说东部浅埋区岩溶较发育,向西南及北部深埋区岩溶发育变差。当奥灰埋深大于700 m 时,岩溶发育明显变差,因此,对下组煤开采影响较大的是奥灰顶部前200 m层段内。

3　岩层富水性特征

据钻孔揭露,奥灰水位埋深一般在20.37～24.01 m,标高在28 m左右,奥陶系岩溶裂隙含水层组水文地质特征见表1。富水性主要受埋深、断裂构造、岩溶发育程度等因素控制,其特征表现为东部奥灰浅埋区富水性相对较强,如水1孔单位涌水量为0.3192 L/（s·m）,群2孔单位涌水量为2.5446 L/（s·m）。东北部、中东部奥灰中埋区3－3孔单位涌水量为0.1660 L/（s·m）;西部和南部随奥灰埋深增加,富水性逐渐减弱,如南部井下3－7孔涌水量为57.03 m3/h,单位涌水量为0.0434 L/（s·m）。西部井下5－5孔涌水量为44.34 m3/h,单位涌水量为0.0376 L/（s·m）。

表1　奥陶系岩溶裂隙含水层组水文地质特征

4　岩溶水位动态特征

4.1年内水位变化特征

根据本次3－3孔、3－5孔及区外南部的观6孔、观9孔等几个岩溶孔的水位动态观测资料（测频率为5天一次）,岩溶水位属气象—径流型动态特征。观测期间岩溶水位变化部分情况见表2。

表2　观测期间岩溶水位变化情况

年内水位变化过程可分为以下3个阶段:

（1）水位回升期。3－3孔、观9孔奥灰水位动态变化情况如图5、图6所示,在每年的6～9月份是区内主要降雨期,地下水获得较集中的补给,岩溶水位自7月份起缓慢回升,至9月底回升幅度约2.26～3.67 m。

（2）水位相对稳定期。10月初至次年3月份,水位处于高峰阶段,此阶段水位变化幅度不大,相对平稳。

（3）水位下降期。4月底岩溶水位开始明显下降,下降持续时间约3个半月,年内水位谷值一般出现在7月份。

综上所述,奥灰水位回升时间滞后大气降水约20～30 d,滞后时间较短,说明区内岩溶地下水靠近东部补给区,径流途径较近,受降雨补给影响明显。

图5　3－3孔奥灰水位动态曲线图

图6　观9孔奥灰水位动态曲线图

4.2人工流场水位动态特征

为了充分揭示奥灰岩溶水文地质条件,以中部群1孔和群2孔为抽水主孔,以两者间的3－5孔为中心观测孔。外围在北部布置3－3孔、东部布置水1孔、南部布置井下3－7孔、西部布置井下5－5孔和井下5－3孔。此外,在勘查区以外对以往施工的观6孔、观5孔和观9孔3个岩溶孔也投入了监测工作,共9个观测孔,基本控制了整个勘查区。

抽水目的层为八陡组和阁庄组,采用非稳定流方法。时间为2006年9月30日至10月7日,历时176 h,抽水总流量为171.94 m3/h。其中群1孔定流量为80.83 m3/h,降深为67.53 m,群2孔定流量为91.11 m3/h,降深为11.12 m。其它观测孔降深随着与抽水主孔距离的增加而变小。

从9月30日8时开始抽水试验,抽水3 h后中心观测孔3－5孔的水位降深为3.56 m,下降斜率较大;10 h后下降趋势变缓,10月1日8时水位趋于稳定,降深为4.08 m。抽水试验开始1 min 后,东部外围观测孔水1孔水位开始下降;3 min后北部3－3孔水位开始下降。初期3 h水1孔水位下降速率比3－3孔略大,后期水1孔水位下降速率不及3－3孔,24 h后,观测孔水位变化趋缓。各外围观测孔中西部5－5孔降深最大为0.74 m,南部3－7孔降深为0.60 m,东部水1孔降深为0.53 m、3－3孔降深为0.61 m。

4 d后勘查区外围观5孔、观9孔水位略微受到影响,降幅小于0.15 m。10月7日停泵,同期水位恢复速率最大为3－5孔,水1孔比3－3孔水位恢复速率略大,反映了水1孔补给条件比3－3孔好。

停泵前,水位降落漏斗形态如图7所示,等水位线呈椭圆形,其中等水位漏斗中心降深为4.08 m,外围孔水位降深在0～0.74 m之间。等水位线椭圆长轴（长约6.0 km）方向反映北东—南西方向径流条件较好,地下水补给较充足;等水位线椭圆短轴为西北方向,长约4.5 km,反映北部及西部受隔水边界制约补给条件较差。

图7　停泵前人工渗流场图

4.3奥灰地下水补径排特征

勘察区内奥灰岩溶地下水主要接受东部岩溶水的侧向补给,其次接受覆盖区第四系裂隙水的渗漏补给。岩溶地下水总体自东向西径流,进入勘查区后,受中部半边店向斜和西部孙氏店断层阻水作用的控制,径流方向逐渐转为由东向南,经长沟支五断层孔屯—颜家村段向南径流,群孔抽水前的天然流场图如图8所示。据研究区北部3－3孔与其南部3－5孔水位高度计算,北南方向的水力坡度为0.42‰;根据研究区东部水1孔与研究区西部3－5孔水位高度计算,东西方向水力坡度为1.4‰。由以上可知,奥灰含水层是下组煤开采底板突水的主要含水层。

图8　群孔抽水前天然流场图

5　结论

（1）新驿井田奥灰岩溶主要发育在奥灰顶部的200 m岩层,以溶孔和溶蚀裂隙为主,局部见孔洞。

（2）该井田奥灰含水层在东部奥灰浅埋区,富水性相对较强;研究区的东北部、中东部奥灰属于中埋区;研究区的西部、南部随埋深增加,富水性逐渐减弱。

（3）奥灰岩溶水主要接受降水及第四系裂隙水补给,北东—南西方向补给强,西北方向补给弱,其地下径流强。奥灰岩溶水对下组煤安全开采存在巨大的威胁。

参考文献:

［1］施龙青,韩进.底板突水机理及预测预报［M］.徐州:中国矿业大学出版社,2004

［2］胡中信,许进鹏,郑世书.华北煤矿奥灰突水特点及防治对策研究［J］.中国煤炭地质,2009（10）

［3］滕超,邱梅,韩进等.肥城煤田奥灰岩溶横向分布特征［J］.煤炭技术,2015（9）

［4］张伟杰,李术才,魏久传等.岩溶泉域煤矿奥灰顶部相对隔水性及水文地质特征研究［J］.岩石力学与工程学报,2014（2）

［5］王剑峻.矿井奥灰水安全防治与利用［J］.中国安全生产科学技术,2008（2）

［6］何先涛.科学规划稳步推进实现“十三五”水文地质业健康发展［J］.中国煤炭,2016（2）

［7］林旭东,王建美,王春海.煤矿井下奥灰水突水危险区判别方法研究［J］.煤炭科学技术,2015（6）

［8］冯光俊,李伍,张泳等.林西矿深部水平奥灰水带压开采突水危险性评价［J］.中国煤炭,2015（8）

［9］来永伟,李本军.田庄煤矿奥灰水水文地质特征分析［J］.煤炭与化工,2015（1）

［10］贾鹏宙.霍西煤田汾西矿区奥灰水资源赋存特征及分布规律［J］.中国煤田地质,2002（4）

（责任编辑郭东芝）

Analysis of characteristics of Ordovician limestone karst fissure aquifer in Xinyi mine field

Liu Hanfeng,You Shuifeng,Gao Weifu,Liu Lei,Pang Xinlong （1.Jiangxi College of Applied Technology,Ganzhou,Jiangxi 341000,China; 2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China）

AbstractBased on the analysis of borehole core and the data of hydrogeological observation well,the Ordovician limestone aquifer in Xinyi mine field was studied systematically from Ordovician limestone karst development form,water yield property and dynamic change of water level. The results showed that the Ordovician limestone karst mainly developed in the stratum 200 m over the Ordovician limestone,which took solution pores and resorption fissure as main features,holes existed locally,regional differentiation of water yield property was large and the distribution was uneven.Ordovician limestone karst mainly accepted the replenishment of rainfall and the Quaternary fissure water,and the replenishment of NE-SW direction was strong while the northwest direction was weak,the karst groundwater runoff was strong,and it was the main aquifer in the mining process of down-group seam.

Key wordsXinyi mine field,Ordovician water,Ordovician limestone karst,acquire characteristics

中图分类号P641.4

文献标识码A

作者简介:柳汉丰（1980－）,男,安徽省潜山人,副教授,硕士毕业,从事水文地质教学和科研工作。