新驛井田奧灰?guī)r溶裂隙含水層特征分析

柳漢豐游水鳳高衛(wèi)富劉 磊龐新龍（.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,江西省贛州市,34000; .山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東省青島市,66590）

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新驛井田奧灰?guī)r溶裂隙含水層特征分析

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、水位動態(tài)變化三方面對新驛井田奧灰含水層進行系統(tǒng)研究,結(jié)果表明奧灰?guī)r溶主要發(fā)育在奧灰頂部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(guān)鍵詞新驛井田 奧灰水 奧灰?guī)r溶 含水層特征

近年來,以石炭—二疊系為主的華北型煤田經(jīng)過半個多世紀的開采,下組煤已經(jīng)成為當前主要開采煤層。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,缺失志留紀和泥盆紀地層。奧陶系灰?guī)r長期在地表裸露,受到不同程度的風化,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,動儲量大,外界大氣降水補給強,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。

圖1　群1孔蜂窩狀溶孔

（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,測井驗證溶蝕裂隙一般含水,巖溶聯(lián)通性總體中等,見圖2。

圖2　3－5孔溶隙水銹

（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。

圖3　3－5孔奧灰溶孔和孔洞

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,各類巖石見巖溶裂隙點數(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。

圖4　單位涌水量與埋深關(guān)系圖

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。當奧灰埋深大于700 m 時,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,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(qū)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(zhì)特征

4　巖溶水位動態(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孔等幾個巖溶孔的水位動態(tài)觀測資料（測頻率為5天一次）,巖溶水位屬氣象—徑流型動態(tài)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(nèi)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(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)時間約3個半月,年內(nèi)水位谷值一般出現(xiàn)在7月份。

綜上所述,奧灰水位回升時間滯后大氣降水約20～30 d,滯后時間較短,說明區(qū)內(nèi)巖溶地下水靠近東部補給區(qū),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(tài)曲線圖

圖6　觀9孔奧灰水位動態(tài)曲線圖

4.2人工流場水位動態(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個巖溶孔也投入了監(jiān)測工作,共9個觀測孔,基本控制了整個勘查區(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(wěn)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(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—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(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶地下水主要接受東部巖溶水的側(cè)向補給,其次接受覆蓋區(qū)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(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—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孔水位高度計算,北南方向的水力坡度為0.42‰;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(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;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?guī)r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(yè),從事水文地質(zhì)教學(xué)和科研工作。