新驛井田奧灰巖溶裂隙含水層特征分析（煤炭）

                 柳漢豐¹  游水鳳¹  高衛富²  劉  磊¹  龐新龍¹

（1．江西應用技術職業學院，江西省贛州市，341000；2．山東科技大學地球科學與工程學院，山東省青島市，266590）

摘  要  在分析鉆孔巖芯及水文觀測孔資料基礎上，從奧灰巖溶發育形態、富水性、水位動態變化三方面對新驛井田奧灰含水層進行系統研究，結果表明奧灰巖溶主要發育在奧灰頇部200 m巖層內，以溶孔和溶蝕裂隙為主，局部見孔洞，富水性情況區域差異性大，分布不均。奧灰巖溶水主要接受降水及第四系裂隙水補給，北東一南西方向補給強，西北方向補給弱，巖溶水地下徑流強，是下組煤開采過程中主要含水層。

關鍵詞  新驛井田  奧灰水  奧灰巖溶含水層特征    中圖分類號  P641.4    

    近年來，以石炭  二疊系為主的華北型煤田經過半個多世紀的開采，下組煤已經成為當前主要開采煤層。從煤層沉積環境角度分析，石炭二疊系的煤層絕大多數直接沉積在奧陶系灰巖之上，缺失志留紀和泥盆紀地層。奧陶系灰巖長期在地表裸露，受到不同程度的風化，導致其發育程度不一的奧灰巖溶。奧灰巖溶水水壓高，動儲量大，外界大氣降水補給強，使煤礦安全生產受到巨大的威脅。

1  井田區域概況

    新驛礦井位于山東省兗州市境內，東距兗州市區19 km，西距汶上縣城20 km。行政區劃歸兗州市新驛鎮管轄。井田范圍東、西邊界為17#煤層露頭，北起井田邊界，南至長溝斷層，井田東西長約6. 5～9.1 km，南北寬約6.0～8.8 km，面積為56.9 km²。    

井田自上而下可分為第四系沖洪積孔隙含水巖組、二疊系砂巖裂隙含水巖組、石炭系層間巖溶裂隙含水巖組、奧陶系巖溶裂隙含水巖組。其中奧陶系總厚度大于500 m，揭露厚度81. 24～160. 72 m，含水層巖性主要為灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖。東部埋藏深度淺，只有200 m左右；中部及西南部深，一般為510. 44～726. 96 m，最深達900 m。

2巖溶發育特征

    據鉆孔巖芯觀測，該區奧灰巖溶發育形態以溶孔和溶蝕裂隙為主，局部見孔洞。

2.1  巖溶發育形態及特征

    (1)溶孔。主要發育于泥質白云巖、白云巖、角礫狀泥灰巖中，多呈零星狀、蜂窩狀分布，見圖1。直徑一般為5～20 mm，泥質、方解石充填或半充填，一般連通性較差。

    (2)溶蝕裂隙。溶蝕裂隙多見于灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖中，寬度一般為3～25 mm，部分被方解石半充填，部分裂隙面可見鐵銹，測井驗證溶蝕裂隙一般含水，巖溶聯通性總體中等，見圖2。

    (3)孔洞?？锥粗饕�見于灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖中，直徑一般為20～50 mm，多沿溶蝕裂隙發育，方解石半充填，見圖3。

2.2  巖溶發育與巖性的關系

    據3-3孔、3-5孔、群1孔和水1孔統計，各類巖石見巖溶裂隙點數百分比分別為石灰巖35%、白云質灰巖30%、白云巖20%、灰質白云巖14%、泥灰巖1%。統計結果表明，石灰巖、白云質灰巖、白云巖可溶物含量較高，且脆性大，在構造應力作用下易形成裂隙而發育巖溶；灰質泥巖可溶物含量較低，且柔性大，不易形成寬大裂隙，故巖溶發育較差，本井田石灰巖、白云質灰巖、白云巖三者占85%以上，說明該區內巖溶發育。

2.3  巖溶發育與埋深的關系

    勘查區內奧灰埋深變化較大，根據水1、群1、3-3孔、井下5-5孔、井下3-7孔等的勘查資料，單位涌水量與埋深的關系如圖4所示。

    隨著奧灰埋深的增加，富水性有逐漸變弱的規律，總的來說東部淺埋區巖溶較發育，向西南及北部深埋區巖溶發育變差。當奧灰埋深大于700 m時，巖溶發育明顯變差，因此，對下組煤開采影響較大的是奧灰頂部前200 m層段內。

3巖層富水性特征

    據鉆孔揭露，奧灰水位埋深一般在20. 37～24. 01 m，標高在28 m左右，奧陶系巖溶裂隙含水層組水文地質特征見表1。富水性主要受埋深、斷裂構造、巖溶發育程度等因素控制，其特征表現為東部奧灰淺埋區富水性相對較強，如水1孔單位涌水量為0.3192 11(s．m)，群2孔單位涌水量為2. 5446 11(s．m)。東北部、中東部奧灰中埋區3-3孔單位涌水量為0.1660 11(s．m)；西部和南部隨奧灰埋深增加，富水性逐漸減弱，如南部井下3-7孔涌水量為57.03m³／h，單位涌水量為0. 0434 11(s．，m)。西部井下5-5孔涌水量為44. 34m³ /h，單位涌水量為0.0376 11(s. m)。

4巖溶水位動態特征

4.1  年內水位變化特征

    根據本次3-3孔、3-5孔及區外南部的觀6孔、觀9孔等幾個巖溶孔的水位動態觀測資料（測頻率為5天一次），巖溶水位屬氣象一徑流型動態特征。觀測期間巖溶水位變化部分情況見表2。

    年內水位變化過程可分為以下3個階段：

    (1)水位回升期。3-3孔、觀9孔奧灰水位動態變化情況如圖5、圖6所示，在每年的6～9月份是區內主要降雨期，地下水獲得較集中的補給，巖溶水位自7月份起緩慢回升，至9月底回升幅度約2. 26～3. 67 m。

    (2)水位相對穩定期。10月初至次年3月份，水位處于高峰階段，此階段水位變化幅度不大，相對平穩。

    (3)水位下降期。4月底巖溶水位開始明顯下降，下降持續時間約3個半月，年內水位谷值一般出現在7月份。

    綜上所述，奧灰水位回升時間滯后大氣降水約20～30 d，滯后時間較短，說明區內巖溶地下水靠近東部補給區，徑流途徑較近．受降雨補給影響明顯。

4.2人工流場水位動態特征

    為了充分揭示奧灰巖溶水文地質條件，以中部群1孔和群2孔為抽水主孔，以兩者間的3-5孔為中心觀測孔。外圍在北部布置3-3孔、東部布置水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，在勘查區以外對以往施工的觀6孔、觀5孔和觀9孔3個巖溶孔也投入了監測工作，共9個觀測孔，基本控制了整個勘查區。

    抽水目的層為八陡組和閣莊組，采用非穩定流方法。時間為2006年9月30日至10月7日，歷時176 h，抽水總流量為171. 94 m³／h。其中群l孔定流量為80. 83 m³/h，降深為67. 53 m，群2孔定流量為91. 11m ³／h1，降深為11. 12 m。其它觀測孔降深隨著與抽水主孔距離的增加而變小。

    從9月30日8時開始抽水試驗，抽水3 h后中心觀測孔 3-5孔的水位降深為3.56 m，下降斜率較大；10 h后下降趨勢變緩，10月1日8時水位趨于穩定，降深為4. 08 m。抽水試驗開始1 min后，東部外圍觀測孔水1孔水位開始下降；3 min后北部3-3孔水位開始下降。初期3h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，觀測孔水位變化趨緩。各外圍觀測孔中西部5-5孔降深最大為0. 74 m，南部3-7孔降深為0.60 m，東部水1孔降深為0. 53 m、3-3孔降深為0.61 m。

    4d后勘查區外圍觀5孔、觀9孔水位略微受到影響，降幅小于0.15 m。10月7日停泵，同期水位恢復速率最大為3-5孔，水1孔比3-3孔水位恢復速率略大，反映了水1孔補給條件比3-3孔好。

    停泵前，水位降落漏斗形態如圖7所示，等水位線呈橢圓形，其中等水位漏斗中心降深為4. 08 m，外圍孔水位降深在0～0. 74 m之間。等水位線橢圓長軸（長約6．0 km）方向反映北東一南西方向徑流條件較好，地下水補給較充足；等水位線橢圓短軸為西北方向，長約4.5 km，反映北部及西部受隔水邊界制約補給條件較差。

4.3奧灰地下水補徑排特征

    勘察區內奧灰巖溶地下水主要接受東部巖溶水的側向補給，其次接受覆蓋區第四系裂隙水的滲漏補給。巖溶地下水總體自東向西徑流，進入勘查區后，受中部半邊店向斜和西部孫氏店斷層阻水作用的控制，徑流方向逐漸轉為由東向南，經長溝支五斷層孔屯一顏家村段向南徑流，群孔抽水前的天然流場圖如圖8所示。據研究區北部3-3孔與其南部3-5孔水位高度計算，北南方向的水力坡度為0. 42%₀；根據研究區東部水1孔與研究區西部3-5孔水位高度計算，東西方向水力坡度為1.4‰。由以上可知，奧灰含水層是下組煤開采底板突水的主要含水層。

5結論

    (1)新驛井田奧灰巖溶主要發育在奧灰頂部的200 m巖層，以溶孔和溶蝕裂隙為主，局部見孔洞。

    (2)該井田奧灰含水層在東部奧灰淺埋區，富水性相對較強；研究區的東北部、中東部奧灰屬于中埋區；研究區的西部、南部隨埋深增加，富水性逐漸減弱。

    (3)奧灰巖溶水主要接受降水及第四系裂隙水補給，北東一南西方向補給強，西北方向補給弱，其地下徑流強。奧灰巖溶水對下組煤安全開采存在巨大的威脅。