霄云井田奧陶系灰巖巖溶發育規律研究

于小鴿，呂華東，張德明，呂昌興，曲林燕

（1.山東科技大學資源與土木工程學院，山東泰安 271000；2.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島 266590；3.山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，山東濰坊 261021；4.新汶礦業集團有限責任公司華豐煤礦，山東泰安 271000；5.濟南能源工程集團有限公司，山東濟南 250300）

華北型煤田煤炭資源豐富，資源總量占全國總量的60%，總面積約為727 600 km2，是我國最主要的產煤區[1]，但是華北型煤田在開采時幾乎都受到奧陶系灰巖強含水層的影響，煤層底板突水事故時有發生[2]。針對這一問題，很多學者對此進行了大量的研究，逐步形成了一些理論和學說。如“下三帶”理論[3]，原位張裂與零位破壞理論[4]，底板巖體“兩帶”的模型[5]，關鍵層理論[6]，“下四帶”理論[7]。但是這些理論需要不斷地豐富和發展。隨著開采深度的增加，深部煤層的開采受底板奧陶系灰巖巖溶水威脅日益增加。因此研究深部巖溶的受控因素以及橫向與縱向變化規律是深部煤層開采水害防治的重要課題。這也符合《煤礦防治水細則》[8]中的“防治水工作由過程治理向源頭預防，治水為主向治保結合的轉變”的要求[9]。為此，以霄云井田為研究背景，依據分形理論、X 衍射試驗及玻片鑒定試驗分析，研究斷裂構造復雜程度、巖石礦物成分及裂隙發育程度；借助水質分析，研究巖溶水體穩定性；結合構造復雜程度分區圖，礦物成分及水質分析試驗結果，總結出研究區奧陶系灰巖巖溶的發育規律。

1 研究區概況

霄云井田位于濟寧市金鄉縣霄云鎮，地勢平坦。鉆孔揭露的地層自下而上分別為奧陶系、石炭系、二疊系，新近系及第四系，其中主要含煤地層為石炭系上統太原組及二疊系下統山西組。研究區總體為北傾的單斜構造，褶曲不發育，以斷裂構造為主，且均為正斷層[10]。

霄云井田屬于華北板塊魯西南潛隆起區，華北地區三疊紀以后，在區域構造應力場的控制下，經歷了多期次不同方向的擠壓，構造運動強烈，斷裂發育，導致地下水循環加速，已經被充填的古代巖溶在構造運動下抬升，伴隨強烈的溶蝕作用，發育形成了現代巖溶。地下深部未被充填的古代巖溶在分異巖溶的疊加作用下，發育了大量的暗河、洞穴和陷落柱[11]。

2 霄云井田奧陶系灰巖巖溶發育規律

2.1 奧陶系灰巖巖溶橫向發育規律

鉆孔資料分析表明，研究區內奧陶系灰巖巖溶沿斷裂構造發育，形成明顯的構造巖溶帶，同時在新構造運動時期產生的斷裂帶連通了古巖溶與露頭區的現代巖溶，對巖溶起到改造和強化作用。因此，分析研究區巖溶橫向發育規律，首先要對研究區構造復雜性進行評價。斷層分維值可以作為反映斷裂構造復雜程度的一個定量參數，該值與斷裂構造復雜程度成正相關關系[12]，是定量評價斷裂構造復雜程度的一種有效的指標[13]。應用斷層分維值對研究區的斷裂構造復雜程度進行評價。

斷層在空間上的展布形狀、形態等也呈現分形特點，斷層跡線的分形特征可以用來反映構造在空間發育展布的復雜性及成熟度。

斷層分維值是1 個綜合性指標，充分反映斷裂構造的發育程度及其對周圍地層的影響程度。選用塊段分級法計算礦井區域的斷層分維值，首先將研究區分成邊長r=r0的n 個正方形塊段，查明研究區內存在斷層的塊段數目，記為N（r0）。后使r=r0/2、r0/4、r0/8、r0/16，得到相應的N（ri），并投放到lgN（r）－lgr 坐標系中擬合，所得擬合直線斜率的絕對值即為該塊段的斷層分維值，據此分析不同區域斷層復雜程度。具體算式如式（1）：

式中：DS為相似維分維；ri為塊段邊長；n 為塊段數量；N（ri）為不同邊長下存在斷層的塊段數目。

令研究區最大塊段邊長r0為400 m，將研究區劃分為198 個正方形塊段，分別統計每1 個塊段內含有斷層跡線的網格數N（ri），并根據式（1）計算不同塊段內的斷層分維值。斷層分維等值線與構造復雜程度分區圖如圖1。

為了對斷層危險性進行分區評價，采用高斯混合模型（GMM）的最大期望（EM）聚類[14-15]，將斷裂構造復雜程度分區的閾值定為0.5 和0.9，從而研究區域分成了地層完整區（DS≤0.5）、構造影響區90.5＜DS≤0.9）和構造破壞區（DS＞0.9）等3 個區。

斷裂構造是巖溶發育的重要影響因素之一。斷裂構造運動形成的裂隙為地下水之間的聯系提供了通道，為巖溶的發育提供了有利條件，因此，在斷裂構造越復雜的區域，越有利于巖溶的發育。

由圖1（b）可以看出，地層完整區位于井田的西南部、北部以及西北部。該區域幾乎沒有斷層發育，構造交點和端點也較少，不利于巖溶的發育。構造影響區作為地層完整區和構造破壞區的過渡區域，該區域中構造交點和端點發育程度一般，斷層規模和發育程度中等，巖體破碎程度中等，具有一定的巖溶發育條件。構造破壞區位于井田中部和西部，該區域大斷層密集，該區巖體較為破碎，非常有利于巖溶的發育。

圖1 斷層分維等值線與構造復雜程度分區圖Fig.1 Fault dimension and tectonic complexity zone diagrams

2.2 奧陶系灰巖巖溶縱向發育規律

奧陶系灰巖的礦物成分和裂隙發育程度影響著巖溶的縱向發育規律，在相同的條件下，巖溶的發育程度隨著灰巖的方解石含量和裂隙數量的增加而增大。為了研究霄云井田的奧陶系灰巖巖溶的縱向發育規律，對取自霄云井田J8-3 號、J9-4 號鉆孔的巖樣進行X 衍射試驗和玻片鑒定試驗，來分析巖樣的礦物組成成分和裂隙發育程度[16]。

試驗設備采用Rigaku X 射線粉末衍射儀，將試驗所得的數據用HighScore Plus 軟件分析，得出樣品中的礦物成分，再用Origin 軟件進行作圖，得到的X 衍射成果圖如圖2（距奧陶系灰巖頂界面20 m）。圖中：θ 為衍射角。

由圖2 可以看出，距奧陶系灰巖頂界面20 m 的奧陶系灰巖樣品的方解石含量為79%，白云石含量為16%，其他礦物含量為5%，該樣品中白云石含量相對較高。將所有樣品的礦物含量百分比匯總分析，使用Origin 軟件繪制的礦物成分分析圖如圖3。

圖2 X 衍射成果圖Fig.2 X-ray diffraction results

由圖3 可以看出，巖樣主要由方解石和部分白云石組成，隨著深度的增加，方解石的含量逐漸增高，白云石的含量逐漸減少。根據白云石和方解石的含量，可以將巖樣分為2 段：第1 段是距奧陶系灰巖頂界面0～40 m，這段中，白云石的含量較高；第2段是距奧陶系灰巖頂界面40～100 m，這段中白云石的含量較小甚至為0，主要由方解石組成。

圖3 礦物成分分析圖Fig.3 Mineral composition analysis diagrams

在同等條件下，白云石的溶解度小于方解石的溶解度[17]，方解石更容易被溶蝕，形成大規模的溶洞。在此段巖樣中，白云石主要存在于第1 段，也就是灰巖的上部，方解石集中分布在灰巖的中下段，因此，在奧陶系灰巖的中下部，距奧陶系灰巖頂界面40～100 m，更容易發育大規模的溶洞，在奧陶系灰巖的上部，距奧陶系灰巖頂界面0～40 m，可能會發育少量小規模的溶洞。

根據X 衍射試驗數據，對不同深度的奧陶系灰巖樣品的主要礦物晶體軸長進行統計，繪制出的礦物晶體軸長統計圖如圖4。

圖4 礦物晶體軸長統計圖Fig.4 Mineral crystal axial length statistics

由圖4 可以看出，奧陶系灰巖主要礦物的晶體軸長變化比較平穩，這表明礦物在1 個相對穩定的靜水環境中結晶[18]，這有利于碳酸鹽巖礦物的形成，為巖溶的發育提供了基礎。同時，這也說明巖溶形成的物質基礎基本一致，從而推斷出斷裂構造及裂隙等后期因素對不同深度巖溶的發育程度有較大影響。因此，為了研究不同深度巖溶的發育程度，需要對巖樣的裂隙發育程度進行分析。

采用玻片鑒定試驗的方法對巖樣的裂隙發育程度進行分析，巖石玻片鑒定試驗如圖5。結合玻片鑒定試驗的結果，分析出巖樣礦物結晶體以中晶、細晶、粉晶和泥晶為主，這有利于灰巖在地下水中的溶解、溶蝕作用。巖樣的裂隙發育隨著深度而變化，在距奧陶系灰巖頂界面0～20、80～100 m 的裂隙發育規模較小。在距奧陶系灰巖20～80 m 的裂隙發育規模較大，圖5（c）中可見1 條大的裂隙并被方解石充填，圖5（d）中可見1 條大的裂隙并未被充填，判斷在此段較容易發生溶蝕，形成溶洞。

圖5 巖石玻片鑒定圖Fig.5 Glass slide qualification test

2.3 奧陶系灰巖巖溶水水質分析

水對碳酸鹽巖的溶解是1 個復雜的過程，在巖性條件和水流條件保持不變的情況下，水中的CaCO3是否飽和，是巖溶是否能繼續產生的條件和基礎。為此對奧陶系灰巖的水樣進行分析，利用水樣的水質穩定指數來判定水中CaCO3飽和狀態，水質化驗統計表見表1。

表1 水質化驗統計表Table 1 Statistical table of water quality tests

計算水飽和指數（L.S.I.），水穩定指數（R.S.I.）和沉淀指數（P.S.I.）來分析水質情況。計算公式：

式中：A 為總溶解固體系數；B 為溫度系數；C為鈣硬度系數；D 為堿度系數；M 為系統中水的總堿度（以CaCO3計），mg/L。

水穩定指數計算表見表2。得知奧陶系灰巖水樣的飽和指數（L.S.I.）為0.63～1.81，平均1.06，均大于0，碳酸鹽巖過飽和；Ryznar 穩定指數（R.S.I.）為4.33～5.87，平均5.40，均小于6，水體不穩定；沉淀指數（P.S.I.）為3.74～6.31，平均4.81，均小于6，屬于沉淀趨勢。總體來講，奧陶系灰巖巖溶水飽和度高，巖溶發育完全趨勢穩定，繼續發生溶蝕可能性不大。

表2 水穩定指數計算表Table 2 Water stability index calculation

3 結 語

1）斷裂構造的發育程度影響著水的匯集和流通，是巖溶發育的重要影響因素，結合構造復雜程度分區圖，確定了橫向上巖溶最有利于發育的區域，即位于井田中部和西部的構造破壞區。

2）綜合X 衍射試驗分析結果和玻片試驗鑒定分析結果，可得出在縱向上，距奧陶系灰巖頂界面40～80 m 這段最有利于巖溶的發育。

3）根據水質分析結果，可得出奧陶系灰巖巖溶水飽和度高，巖溶發育完全趨勢穩定，繼續發生溶蝕可能性不大。