山東新驛井田奧陶系灰巖巖溶發育特征及富水性分析

王利軍 趙 璞 劉曉威

(1.中國煤炭地質總局水文地質工程地質環境地質勘查院，河北 邯鄲 056004；2.中國煤炭地質總局水文地質局，河北 邯鄲 056004)

我國北方石炭—二疊紀含煤巖系是我國最主要的含煤巖系之一，上覆第四系巨厚松散含水層，下伏富水性極強的奧陶系灰巖（下面簡稱奧灰）含水層。受下部奧灰水突水威脅的太原組下組煤資源量較大，如東部的冀、豫、魯地區，其下組煤煤炭資源量占到總資源量的40%以上，部分礦區所占比例甚至超過65%，深部開發潛力巨大。于是，隨著老礦區上部煤炭資源的枯竭，下組煤的進一步開采將無疑是延長老礦井服務年限的重要途徑，但相對的奧陶系灰巖的底板威脅程度也逐漸增大，嚴重威脅礦井的生產安全。所以，下伏奧灰富水性規律分析對于礦井安全生產的礦井涌水量預測和突水危險性評價都有十分重要的意義。

1 礦井地質概況

1.1 礦區概況

新驛井田位于山東省寧汶煤田南部，東距兗州市19km，西距汶上縣城20km，行政區劃歸兗州市新驛鎮管轄，面積56.9km2。目前主采煤層為上組3煤，生產規模為年產原煤100余萬噸，為提高效益，下一步計劃同時配采下組煤。

1.2 地層

本區屬華北地層區魯西地層分區濟寧小區，地層自下而上為下古生界寒武系、奧陶系；上古生界石炭系、二疊系；中生界侏羅系；新生界古近系、新近系、第四系。其中含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，平均厚度為247.82m。區域地層缺失志留系、泥盆系、三疊系、白堊系。

1.3 構造

通過物探及鉆探資料揭示，井田北側為鄆城斷層、西側為孫氏店斷層，井田內斷層主要是受此斷層后期東西向拉伸及南北向擠壓作用而形成的張扭性斷層，造成井田內構造方向大致為北東向（圖1）。

圖1 研究區構造示意圖

1.4 含（隔）水層

依據地下水含水介質及孔隙類型，區內主要的含水層自上而下可分為第四系沖洪積層孔隙含水層；二疊系砂巖裂隙含水層；石炭系層間巖溶裂隙含水層；奧陶系巖溶裂隙含水層。主要隔水層由上而下有第四系中段隔水層、上下石盒子隔水層、三灰至16煤之間隔水層、16煤、17煤下伏隔水層等。其中除奧灰含水層外，其他含水層在與奧灰沒有水力聯系的情況下易于疏干。

2 奧陶系灰巖巖溶發育特征

煤層下伏的奧陶系灰巖巖溶發育，形態以溶孔和溶蝕裂隙為主，局部見孔洞。含水層主要為灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖。礦區中埋藏深度東部淺，只有200m左右；中部及西南部深，一般510.44～726.96m，最深達900m。

2.1 巖溶形態特征

2.1.1 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，直徑一般0.5～2.0cm，泥質、方解石充填或半充填，一般連通性較差。

2.1.2 溶蝕裂隙

溶蝕裂隙多見于灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖中，寬度一般小于2.5cm，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，巖溶連通性總體中等。

2.1.3 孔洞

姚小二參賽獲獎，得到一雙大號皮鞋，直接穿起來太大且傷腳，不穿可惜，送人又舍不得。思前想后，姚小二買來裹腳布，自己給自己纏腳。姚小二纏足適履，別扭，難受，腳臭，腳指頭爛，走路慢，而且經常摔跤，一怒之下，姚小二扔掉大鞋和裹腳布，改穿布鞋。

孔洞主要見于灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖中，直徑一般為2～5cm，多沿溶蝕裂隙發育，方解石半充填。

2.2 巖溶發育規律

2.2.1 埋深的影響

勘查區巖溶在平面和垂向的發育規律都跟奧灰的埋深有著密切的關系，水1、群1、3-3孔、井下5-5孔、井下3-7孔等的勘查資料（進入鉆孔的深度見表1）顯示，隨著奧灰埋深增加，巖溶發育變差，富水性有逐漸變弱的規律，物探資料也證實了這一點。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700m時，巖溶發育明顯變差，如圖2。

表1 主要鉆孔進入鉆孔一覽表

圖2 奧灰巖溶發育與埋深關系圖

2.2.2 巖溶發育與構造的關系

在區內斷層帶附近地層破碎、裂隙發育，富水性總體強于一般地段，特別是在區內長溝支五斷層及DF103斷層東段，為異常低阻富水地段。本次水1孔、群2孔均距斷層帶較近，鉆進中漿液漏失量及抽水涌水量均大于一般地區。此外，穿過區內的半邊店向斜造成西南部及北部奧灰埋深增大，巖溶發育明顯變差。

3 巖溶含水層的富水性分析

通過對勘查資料的研究，奧灰巖溶含水層的富水性主要取決于巖溶發育程度、邊界的補給條件及地下水的徑流條件。

3.1 巖溶地下水系統的邊界補給條件

勘查區位于淵源泉巖溶水系統北部徑流區上游西部。井田北部鄆城斷層為區域性隔水邊界；南部長溝斷層為導水斷層，且長溝地壘區屬強富水區；西部孫氏店斷層落差達500m，閉合較好，西側侏羅系及煤系泥頁巖與東側奧灰直接接觸，可視為勘查區奧灰地下水的阻水邊界；東部奧灰隱伏露頭線以東，奧灰及第四系地下水、地表水均十分豐富，為勘查區內巖溶地下水的側向補給區。因此，勘查區奧灰巖溶地下水主要接受東部區巖溶水的側向補給，其次接受西部區第四系地下水的垂直滲漏補給，補給源十分豐富。

3.2 巖溶地下水的徑流條件

3.3 巖溶含水層的富水性分區

本區巖溶水屬埋藏型巖溶區，富水性總體為中等～弱，根據巖溶的發育程度、邊界的補給條件、地下水的徑流條件及鉆孔單位涌水量，參考巖溶水層的埋深劃分出了四個分區：

Ⅰ區（強富水帶）：長溝支五、DF103、DF155、DF143、DF54、DF68、DF84、DF97、XF14、XF27等斷層帶，瞬變電磁勘探有低阻異常反映，推斷為富水構造帶。發生突水時一般來水迅猛，對采煤的潛在威脅最大。

Ⅱ區（較強富水帶）：東部一采區、西部三采區大部，奧灰埋藏較淺～中等，富水性相對較強，單位涌水量大于0.300L/s·m，如：水1孔為0.319L/s·m，補2孔為 0.422L/s·m。

Ⅲ區（中等富水帶）：二采區東部、一采區與四采區西部，奧灰埋深中等，為相對中等富水區，單位涌水量為0.040～0.300L/s·m。如：3-3孔為0.166L/s·m，9-6 孔為 0.047L/s·m。

Ⅳ區（弱富水帶）：五采區東部及二、三采區交界一帶，屬奧灰深埋區，富水性相對較弱，單位涌水量小于0.040L/s·m。如：井下5-5孔為0.038L/s·m。弱富水區雖初始水壓高，但卸壓后穩定流量不大，突水易于控制。

圖3 奧灰富水性分區圖

4 結論

奧灰底板突水對下組煤開采具有很大的威脅，其中富水性強弱是其重要影響因素之一。通過研究得出：

（1）在本研究區，奧灰的巖溶發育基本隨其埋深增加而變差，在斷層帶附近發育較好。

（2）奧灰含水層的富水性取決于巖溶發育程度、邊界的補給條件及地下水的徑流條件。

（3）根據全面分析將本區劃分出了強富水帶、較強富水帶、中等富水帶和弱富水帶等四個分區。

（4）奧灰含水層的富水性分析對于煤礦開采下組煤、預防煤礦突水的威脅、確保礦井的安全生產及延長老礦服務年限有十分重要的意義。