新驛井田奧灰巖溶裂隙含水層特征分析

柳漢豐游水鳳高衛富劉 磊龐新龍（.江西應用技術職業學院,江西省贛州市,34000; .山東科技大學地球科學與工程學院,山東省青島市,66590）

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新驛井田奧灰巖溶裂隙含水層特征分析

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頂部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—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

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。

圖1　群1孔蜂窩狀溶孔

（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。

圖2　3－5孔溶隙水銹

（3）孔洞。孔洞主要見于灰巖、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。

圖3　3－5孔奧灰溶孔和孔洞

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。

圖4　單位涌水量與埋深關系圖

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 L/（s·m）,群2孔單位涌水量為2.5446 L/（s·m）。東北部、中東部奧灰中埋區3－3孔單位涌水量為0.1660 L/（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57.03 m3/h,單位涌水量為0.0434 L/（s·m）。西部井下5－5孔涌水量為44.34 m3/h,單位涌水量為0.0376 L/（s·m）。

表1　奧陶系巖溶裂隙含水層組水文地質特征

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—徑流型動態特征。觀測期間巖溶水位變化部分情況見表2。

表2　觀測期間巖溶水位變化情況

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。

圖5　3－3孔奧灰水位動態曲線圖

圖6　觀9孔奧灰水位動態曲線圖

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1孔定流量為80.83 m3/h,降深為67.53 m,群2孔定流量為91.11 m3/h,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,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。

4 d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—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。

圖7　停泵前人工滲流場圖

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—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‰;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。

圖8　群孔抽水前天然流場圖

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—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。

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（責任編輯郭東芝）

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

中圖分類號P641.4

文獻標識碼A

作者簡介:柳漢豐（1980－）,男,安徽省潛山人,副教授,碩士畢業,從事水文地質教學和科研工作。