宿縣礦區太原組上部灰巖巖溶發育控制因素研究＊

2014-12-13 08:07:10吳基文沈書豪

江西煤炭科技 2014年3期

鄭晨，吳基文，沈書豪

（安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南 232001）

1 概述

近年來隨著淺部煤炭資源的枯竭，很多煤礦現已進入對深部煤炭資源開采的階段，有些礦井的最大開采深度已接近或者到達1000m〔1〕。我國重要煤產地60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，受水害的面積和嚴重程度均居世界各主要產煤國家的首位〔2-3〕。在我國煤礦水害史上，曾發生過百余起重大淹井事故，其中55%以上的案例屬底板突水引起的〔4-5〕。

山西組的10煤層是宿縣礦區各個煤礦現階段的主采煤層，在開采過程中受到底板太灰水的直接影響。太原組含有灰巖12～14層，由于五灰及其以下各層灰巖距離10煤層較遠，對10煤層開采影響不大。影響碳酸鹽巖巖溶發育的因素有很多，如巖性因素、構造因素、氣候因素、時間因素等〔6〕。有關學者〔7-9〕對宿縣礦區太灰巖溶發育問題的研究較少，本文主要以太原組一～四層灰巖為研究對象，從灰巖成分、灰巖結構、巖層組合類型、古地貌以及礦區構造五個方面分析宿縣礦區太原組上部灰巖巖溶發育的影響因素。

2 宿縣礦區太原組上部灰巖巖溶發育控制因素

2.1 灰巖成分對巖溶發育的控制

碳酸鹽巖的成分比較復雜，主要由方解石、白云石和酸不溶物組成。質地較純的碳酸鹽巖對巖溶的發育最為有利，不同成分的碳酸鹽巖對巖溶發育難易的影響具有一定規律：灰巖＞白云質灰巖＞白云巖＞不純灰巖〔10〕。若碳酸鹽巖中的方解石含量大于白云石，并且酸不溶物（如泥質）含量較少，說明此類碳酸鹽巖巖溶發育較強烈。

從宿縣礦區太原組灰巖成分上看，主要為灰巖，灰巖質地不純～純，裂隙中充填有方解石脈，局部含有泥巖，整體上來說有利于巖溶的發育。

2.2 灰巖結構對巖溶發育的控制

實踐中發現，有些地區白云巖、白云質灰巖的巖溶比純灰巖中的巖溶更發育。此外，有的灰巖地區灰巖的成分相近，其它條件也相近，但巖溶發育的層位卻有一定的選擇性，說明僅用巖石成分來解釋碳酸鹽巖的溶蝕性有一定的片面性〔11〕。

灰巖結構在一定程度上影響著巖溶的發育，宿縣礦區內一～四層灰巖結構與巖溶發育關系見表1。從表1可以看出，宿縣礦區內巖溶發育程度與灰巖結構的關系不是很明顯，但是不難看出，由于桃園礦發生過底板灰巖突水事件，根據相關資料分析其巖溶發育程度較其它各礦好，說明灰巖的隱晶質結構有利于巖溶的發育。

表1 宿縣礦區太原組上部灰巖結構與巖溶發育關系

2.3 巖層組合結構對巖溶發育的控制

碳酸鹽巖與非可溶鹽巖組合特點不同，就會形成各具特色的水文地質結構，從而控制著巖溶的發育和空間分布〔12〕。

宿縣礦區太原組巖性組合特征為典型的碳酸鹽巖與非可溶巖層互層，巖性主要由石灰巖、砂巖、泥巖和薄煤層組成，且以石灰巖為主。穩定的非可溶性巖層可形成相對隔水層，在一定程度上起到了溶蝕基準面的作用。因此，太原組灰巖形成了多層的水動力剖面。

從巖性對比（見圖1）上可以看出，一～四灰中以第三、四層灰巖厚度較大，各層灰巖之間有一層或幾層泥巖、粉砂巖相阻隔。對于影響太原組各灰巖含水層層間水力聯系的泥巖分布情況以及厚度來看，礦區揭露的太原組一～四灰含水層中，泥巖較粉砂巖所占的比例大，且局部泥巖的厚度較厚。就泥巖在各層灰巖間的分布情況來看，二、三灰間泥巖分布相對穩定，使得一二灰與三四灰間水力聯系減弱，一、二灰間和三、四灰間的泥巖分布不穩定，粉砂巖也有一定程度的分布，且三、四灰間泥巖厚度出現極大值和極小值。所以一、二灰間有一定的水力聯系，三、四灰間也有一定程度的水力聯系。宿縣礦區太灰巖溶的垂向分布特征為：三、四灰較一、二灰巖溶發育好。

圖1 宿縣礦區太原組一至四灰巖性對比

2.4 礦區地形地貌對巖溶發育的控制

區域古地形地貌反映侵蝕基準面和地下水排泄基準面的性質和分布，控制著地下水的補給和徑流方向，從而控制巖溶發育的總趨勢。在比較平緩的地段，降水所形成的地表徑流緩慢，則入滲量就大，有利于巖溶發育。相反，在地面坡度較陡的地段，地表徑流較快，滲入量小，巖溶發育較差〔11〕。

根據宿縣礦區內鉆孔揭露的基巖面標高，繪制出古地形地貌空間分布（見圖2）。其中宿南向斜之上疊加了多個時期、不同規模、多個方向上的斷層，破壞了巖體的完整性。例如西寺坡逆沖斷層導致奧陶及寒武系地層隆起，另外在桃園北部的F1、F2斷層、魏廟斷層等共同作用下導致地層出現多處斷裂和凹陷，這在一定程度上控制著宿南向斜處古地形的高差和地貌。此外，宿南背斜在一定程度上控制了古地形西部的隆起，最終使宿南向斜形成了東、西兩側較為高聳、中間低洼，北高南低的古地形地貌。

據宿南礦區新生界底部沉積物特征與沉積模式的研究和分析〔13〕，新生界底部沉積物的沉積相可以分為洪積相、河流相（河道、天然堤）、坡積相等多種沉積相。其中河道相主要受到古地形地貌的控制，平面上發育了帶狀長條形，走向為西北—東南的古河道，河道相富水性好，是下伏太原組灰巖豐富的地下水補給來源，對太原組灰巖巖溶發育有著重要的影響。

圖2 宿縣礦區古地形地貌空間分布

另一方面（見圖3），紅色線條為太原組灰巖隱伏露頭線。其中宿南向斜處存在較大范圍的灰巖露頭區，其中桃園礦、祁南礦、祁東礦、龍王廟南部煤礦周圍灰巖露頭多位于低洼處，巖溶較發育；龍王廟北部煤礦處灰巖露頭多位于古基巖面的陡坡地段，巖溶發育較差；祁南深部煤礦周圍無灰巖露頭，巖溶發育較差。宿東向斜內灰巖也有大范圍的出露，朱仙莊礦和蘆嶺礦周圍灰巖出露的地方古地形相對較為平坦，巖溶發育具有不均一性，整體上來說發育較差，宿南背斜西部的的鄒莊礦、錢營孜礦及騎路孫礦周圍灰巖出露很少，巖溶發育差。

圖3 宿縣礦區灰巖露頭線分布

2.5 礦區構造條件對巖溶發育的控制

構造條件對巖溶發育的控制極為密切，不僅控制著巖溶發育的方向，而且控制著巖溶發育的規模和大小。宿縣礦區構造綱要見圖4。

圖4 宿縣礦區構造綱要

2.5.1 褶皺的控制

一般來說，褶皺的核部比翼部的斷裂發育程度要強。核部具有較大寬度和長度的巨型張裂隙，是地下水良好的補給路徑。雨水和地表水沿著這些張裂隙做垂向運動，有利于地下水的匯集，從而容易形成地下水的相對富集區，巖溶發育較強烈，易形成地下溶洞。褶皺開闊平緩時，碳酸鹽巖在地表的分布較廣泛，巖溶的分布亦較廣泛；在緊密褶皺區，可溶鹽巖與非可溶鹽巖相間分布，地表侵蝕與溶蝕地貌景觀亦呈相間分布，地下溶洞系統橫向發展受限，巖溶主要沿巖層走向發育〔11〕。宿縣礦區內主要的褶皺有：宿東向斜、宿南向斜、宿南背斜。

宿縣礦區各個煤礦基本上均位于褶曲的翼部，除了宿南向斜較為寬緩外，宿東向斜與宿南背斜較為緊密，整體上來說，位于宿南向斜內部的各個煤礦巖溶發育較宿東向斜和宿南背斜好。宿縣礦區的褶皺形態通過褶皺核部和翼部力學性質不同，影響著不同位置灰巖巖溶發育的程度。另外，褶皺形態通過控制灰巖層位地下水的徑流條件，控制著巖溶在空間上的分布規律。

2.5.2 斷裂的控制

礦區內的大斷裂主要有：北部的宿北斷裂，東部的固鎮～長豐斷裂，南部的板橋斷裂，西部的南坪斷層，以及礦區內部的東三鋪斷層和西寺坡斷裂。宿縣礦區受構造作用的影響，大體上又可將其劃分為宿東和宿南兩個亞礦區。

（1）宿東礦區

宿東礦區內的主要構造為宿東向斜，由于宿東向斜較為緊閉，故其構造形態決定了該區處于一個相對獨立的水文地質單元。

淮北礦區巖溶水文地質單元的地下水在進入宿東礦區過程中，由于受到北部宿北斷裂的阻隔，而且整個區域內灰巖由第四系松散層所覆蓋，垂向補給較差，所以無論是從垂向上還是徑向上，灰巖補給條件都不大。宿東礦區的斷裂構造以逆斷層為主，壓扭性斷裂帶多為壓碎巖、糜棱巖、斷層泥所組成，一般呈致密的膠結狀態，空隙率低，構造封閉條件良好，不利于地下水的流通。在宿東向斜的核部沒有地下水的排泄點。因此，在礦井深部，灰巖水流動處于停滯狀態，該徑流環境不利于灰巖巖溶的發育，從而導致宿東礦區深部太原組灰巖巖溶發育程度和富水性較差。

（2）宿南礦區

本單元的主要構造為宿南向斜、宿南背斜。在向斜轉折端正斷層較為發育，此張性斷裂帶受到張拉應力作用，張力程度較大，斷裂面粗糙不平，結構松散，裂隙率高，是地下水滲流的有利通道，地下水含量相對較高，區內灰巖巖溶發育程度和富水性一般較強。宿南背斜核部為寒武、奧陶系地層組成，兩翼由石炭、二疊系地層組成，東翼傾角25°左右，總體上淺部陡，深部緩，這在一定程度上使得淺部灰巖巖溶發育和富水性要強于深部，受構造作用影響，背斜西部各礦巖溶發育情況較宿南向斜內各礦要弱。