新驛井田奧灰?guī)r溶裂隙含水層特征分析（煤炭）
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新驛井田奧灰?guī)r溶裂隙含水層特征分析（煤炭）
柳漢豐1 游水鳳1 高衛(wèi)富2 劉 磊1 龐新龍1
（1．江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西省贛州市，341000；2．山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)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(chǔ)上，從奧灰?guī)r溶發(fā)育形態(tài)、富水性、水位動(dòng)態(tài)變化三方面對新驛井田奧灰含水層進(jìn)行系統(tǒng)研究，結(jié)果表明奧灰?guī)r溶主要發(fā)育在奧灰頇部200 m巖層內(nèi)，以溶孔和溶蝕裂隙為主，局部見孔洞，富水性情況區(qū)域差異性大，分布不均。奧灰?guī)r溶水主要接受降水及第四系裂隙水補(bǔ)給，北東一南西方向補(bǔ)給強(qiáng)，西北方向補(bǔ)給弱，巖溶水地下徑流強(qiáng)，是下組煤開采過程中主要含水層。
關(guān)鍵詞 新驛井田 奧灰水 奧灰?guī)r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(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的開采，下組煤已經(jīng)成為當(dāng)前主要開采煤層。從煤層沉積環(huán)境角度分析，石炭二疊系的煤層絕大多數(shù)直接沉積在奧陶系灰?guī)r之上，缺失志留紀(jì)和泥盆紀(jì)地層。奧陶系灰?guī)r長期在地表裸露，受到不同程度的風(fēng)化，導(dǎo)致其發(fā)育程度不一的奧灰?guī)r溶。奧灰?guī)r溶水水壓高，動(dòng)儲量大，外界大氣降水補(bǔ)給強(qiáng)，使煤礦安全生產(chǎn)受到巨大的威脅。
1 井田區(qū)域概況
新驛礦井位于山東省兗州市境內(nèi)，東距兗州市區(qū)19 km，西距汶上縣城20 km。行政區(qū)劃歸兗州市新驛鎮(zhèn)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?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)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(dá)900 m。
2巖溶發(fā)育特征
據(jù)鉆孔巖芯觀測，該區(qū)奧灰?guī)r溶發(fā)育形態(tài)以溶孔和溶蝕裂隙為主，局部見孔洞。
2.1 巖溶發(fā)育形態(tài)及特征
(1)溶孔。主要發(fā)育于泥質(zhì)白云巖、白云巖、角礫狀泥灰?guī)r中，多呈零星狀、蜂窩狀分布，見圖1。直徑一般為5～20 mm，泥質(zhì)、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?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)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(yàn)證溶蝕裂隙一般含水，巖溶聯(lián)通性總體中等，見圖2。
(3)孔洞�？锥粗饕娪诨�?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖中，直徑一般為20～50 mm，多沿溶蝕裂隙發(fā)育，方解石半充填，見圖3。
2.2 巖溶發(fā)育與巖性的關(guān)系
據(jù)3-3孔、3-5孔、群1孔和水1孔統(tǒng)計(jì)，各類巖石見巖溶裂隙點(diǎn)數(shù)百分比分別為石灰?guī)r35%、白云質(zhì)灰?guī)r30%、白云巖20%、灰質(zhì)白云巖14%、泥灰?guī)r1%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖可溶物含量較高，且脆性大，在構(gòu)造應(yīng)力作用下易形成裂隙而發(fā)育巖溶；灰質(zhì)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(fā)育較差，本井田石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖三者占85%以上，說明該區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育。
2.3 巖溶發(fā)育與埋深的關(guān)系
勘查區(qū)內(nèi)奧灰埋深變化較大，根據(jù)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(guān)系如圖4所示。
隨著奧灰埋深的增加，富水性有逐漸變?nèi)醯囊?guī)律，總的來說東部淺埋區(qū)巖溶較發(fā)育，向西南及北部深埋區(qū)巖溶發(fā)育變差。當(dāng)奧灰埋深大于700 m時(shí)，巖溶發(fā)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(nèi)。
3巖層富水性特征
據(jù)鉆孔揭露，奧灰水位埋深一般在20. 37～24. 01 m，標(biāo)高在28 m左右，奧陶系巖溶裂隙含水層組水文地質(zhì)特征見表1。富水性主要受埋深、斷裂構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度等因素控制，其特征表現(xiàn)為東部奧灰淺埋區(qū)富水性相對較強(qiáng)，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(qū)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(dòng)態(tài)特征
4.1 年內(nèi)水位變化特征
根據(jù)本次3-3孔、3-5孔及區(qū)外南部的觀6孔、觀9孔等幾個(gè)巖溶孔的水位動(dòng)態(tài)觀測資料（測頻率為5天一次），巖溶水位屬氣象一徑流型動(dòng)態(tài)特征。觀測期間巖溶水位變化部分情況見表2。
年內(nèi)水位變化過程可分為以下3個(gè)階段：
(1)水位回升期。3-3孔、觀9孔奧灰水位動(dòng)態(tài)變化情況如圖5、圖6所示，在每年的6～9月份是區(qū)內(nèi)主要降雨期，地下水獲得較集中的補(bǔ)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(wěn)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(wěn)。
(3)水位下降期。4月底巖溶水位開始明顯下降，下降持續(xù)時(shí)間約3個(gè)半月，年內(nèi)水位谷值一般出現(xiàn)在7月份。
綜上所述，奧灰水位回升時(shí)間滯后大氣降水約20～30 d，滯后時(shí)間較短，說明區(qū)內(nèi)巖溶地下水靠近東部補(bǔ)給區(qū)，徑流途徑較近．受降雨補(bǔ)給影響明顯。
4.2人工流場水位動(dòng)態(tài)特征
為了充分揭示奧灰?guī)r溶水文地質(zhì)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(qū)以外對以往施工的觀6孔、觀5孔和觀9孔3個(gè)巖溶孔也投入了監(jiān)測工作，共9個(gè)觀測孔，基本控制了整個(gè)勘查區(qū)。
抽水目的層為八陡組和閣莊組，采用非穩(wěn)定流方法。時(shí)間為2006年9月30日至10月7日，歷時(shí)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(shí)開始抽水試驗(yàn)，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(shí)水位趨于穩(wěn)定，降深為4. 08 m。抽水試驗(yàn)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(qū)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(fù)速率最大為3-5孔，水1孔比3-3孔水位恢復(fù)速率略大，反映了水1孔補(bǔ)給條件比3-3孔好。
停泵前，水位降落漏斗形態(tài)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(bǔ)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(bǔ)給條件較差。
4.3奧灰地下水補(bǔ)徑排特征
勘察區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶地下水主要接受東部巖溶水的側(cè)向補(bǔ)給，其次接受覆蓋區(qū)第四系裂隙水的滲漏補(bǔ)給。巖溶地下水總體自東向西徑流，進(jìn)入勘查區(qū)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(zhuǎn)為由東向南，經(jīng)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(jù)研究區(qū)北部3-3孔與其南部3-5孔水位高度計(jì)算，北南方向的水力坡度為0. 42%0；根據(jù)研究區(qū)東部水1孔與研究區(qū)西部3-5孔水位高度計(jì)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(jié)論
(1)新驛井田奧灰?guī)r溶主要發(fā)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(qū)，富水性相對較強(qiáng)；研究區(qū)的東北部、中東部奧灰屬于中埋區(qū)；研究區(qū)的西部、南部隨埋深增加，富水性逐漸減弱。
(3)奧灰?guī)r溶水主要接受降水及第四系裂隙水補(bǔ)給，北東一南西方向補(bǔ)給強(qiáng)，西北方向補(bǔ)給弱，其地下徑流強(qiáng)。奧灰?guī)r溶水對下組煤安全開采存在巨大的威脅。
