山西省奧陶系峰峰組富水性影響因素研究

李 淼

(山西省煤炭地質(zhì)148勘查院, 太原 030053)

0 引言

奧陶系灰?guī)r巖溶水的高壓水頭是導(dǎo)致華北聚煤區(qū)下組煤層底板突水的主要因素之一。峰峰組作為奧陶系石灰?guī)r的頂部地層，是山西五大含煤盆地下組煤煤層底板的間接充水含水層，同時(shí)也是現(xiàn)行煤炭地質(zhì)勘查煤田孔的主要終孔層位，其富水性質(zhì)直接決定下組煤的采掘安全。峰峰組上段在巖溶發(fā)育和補(bǔ)給條件良好的情況下，是太原組下部煤層底板的第一主要含水層，也是煤礦底板巖溶水的主要勘查和研究對(duì)象，因此查明礦區(qū)峰峰組水文地質(zhì)特征是研究灰?guī)r巖溶水的重要內(nèi)容，同時(shí)也是保證下組煤安全采掘的關(guān)鍵[1-2]。但以往對(duì)山西奧陶系峰峰組水文地質(zhì)條件的研究?jī)H局限于礦區(qū)水文地質(zhì)鉆探資料分析，對(duì)全省含煤地層峰峰組的水文地質(zhì)條件和富水性研究較少，對(duì)影響峰峰組富水性強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素缺乏系統(tǒng)深入分析，本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，分析了全省奧陶系峰峰組富水性的影響因素。

1 分布及巖性特征

寒武奧陶系石灰?guī)r是華北含煤地區(qū)煤系的基底，峰峰組作為中奧陶系殘留地層的頂板，下伏于本溪組之下，廣泛分布于山西五大煤田中(圖1)。山西的奧陶系統(tǒng)峰峰組，分布范圍大致在河津、翼城一線以北，興縣木崖頭，婁煩、定襄縣尉池凹一線以南的地區(qū)[3]。地層一般厚200m，南部厚50～150m，太原地區(qū)100～150m，陽(yáng)泉地區(qū)厚137～250m[4]。全省峰峰組分為上下兩段。下段為灰黃色白云質(zhì)泥灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，厚90～150m，底部以泥灰?guī)r底板與下伏地層分界。上段為灰黑色、青灰色厚層、中厚層含生物碎屑灰?guī)r，具豹皮狀構(gòu)造。在太原市—晉中一帶上段厚4～12m，河津厚7m，翼城一般厚35m，沁水盆地及霍東地區(qū)厚70～94m。

圖1 山西省奧陶系峰峰組分布Figure 1 Distribution of Ordovician Fengfeng Formation in Shanxi Province

2 各煤田富水性分析

2.1 河?xùn)|煤田

河?xùn)|煤田北部興縣地區(qū)峰峰組平均厚88m，上段頂部巖性為古風(fēng)化殼二次膠結(jié)成巖，泥質(zhì)含量較高，裂隙發(fā)育較差，且多為方解石和黏土礦物質(zhì)充填，巖溶發(fā)育較差，富水性弱。未風(fēng)化地層為致密狀粉晶泥晶灰?guī)r為主。抽水試驗(yàn)顯示，峰峰組含水層單位涌水量為0.000 7～0.036 7L/(s·m)，富水性較弱，頂部30～50m可視為相對(duì)隔水層[5]。

河?xùn)|煤田中部峰峰組厚度為108m左右，其中上段厚70m，巖性以厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r為主(圖2)，礦物成分以方解石為主，為弱含水層。下段厚20～30m，巖性以膏溶角礫巖、硬石膏巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主，裂隙發(fā)育較差，且大部分為泥質(zhì)充填，為隔水層。測(cè)井資料顯示，離柳地區(qū)峰峰組頂部隔水層厚6～17m[6]。賀西煤礦，抽水試驗(yàn)資料表明峰峰組整體滲透系數(shù)僅為0.008 64～0.056m/d，富水性差[7]。

圖2 河?xùn)|煤田中部峰峰組上段白云質(zhì)灰?guī)r[7]Figure 2 Fengfeng Formation upper member dolomitic limestone in middle Hedong coalfield[7]

河?xùn)|煤田南部峰峰組厚120m左右，根據(jù)巖性特征分為下部的石膏段夾厚層泥晶灰?guī)r段和上部的風(fēng)化淋濾段。抽水試驗(yàn)表明，本區(qū)峰峰組上段地層屬于弱含水層，下段含硬石膏段由于位于地下水滯留區(qū)，水動(dòng)力條件較弱，屬于強(qiáng)隔水層[8-9]。

2.2 西山煤田

西山煤田峰峰組厚108～127m，平均厚度118m，下段以淺灰、灰色角礫狀泥灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r為主(圖3)，夾脈狀、纖維狀石膏層，上段為深灰色、灰色厚層狀石灰?guī)r夾角礫狀泥灰?guī)r、白云巖質(zhì)灰?guī)r或白云巖、致密堅(jiān)硬，含黃鐵礦及方解石脈。南部邊山清交斷裂帶地區(qū)，峰峰組上段巖心較完整，裂隙不發(fā)育，且多為方解石充填[10]。中下部局部見(jiàn)溶蝕孔洞，孔洞直徑小于2 mm。

圖3 西山煤田峰峰組下部角礫狀石灰?guī)r[11]Figure 3 Fengfeng Formation lower part brecciola in Xishan coalfield[11]

西山煤田古交礦區(qū)峰峰組上段巖性主要為泥晶-細(xì)晶石灰?guī)r，礦物以方解石為主，裂隙溶洞發(fā)育，為弱含水層，而下段以粉晶白云巖、泥質(zhì)石灰?guī)r和角礫狀石灰?guī)r為主(圖3)，巖溶不發(fā)育，裂隙中充填泥質(zhì)方解石、粉晶石膏等，為典型的隔水巖組[11-12]。

屯蘭礦區(qū)峰峰組上段為含黃鐵礦的石灰?guī)r和泥灰?guī)r，下段為角礫狀泥灰?guī)r、灰?guī)r及石膏，巖溶裂隙不發(fā)育，加之礦區(qū)處于西山巖溶地下水相對(duì)滯留區(qū)，屯蘭礦區(qū)峰峰組上段頂部和下段底部富水性均較差，均可作為相對(duì)隔水層[13]。

西山礦區(qū)除白家莊礦外，大部分煤層位于巖溶水位以上。古交礦區(qū)大部位于巖溶水位以下，有帶壓開(kāi)采威脅，但單位涌水量小于0.05L/(s·m)，開(kāi)采證實(shí)對(duì)煤層開(kāi)采影響不大。清交邊山地區(qū)峰峰組含水層厚1.40～11.65m，單位涌水量0.000 819-0.001 89 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 02～0.001 80 m/d，富水性較差，可作為煤系與上馬家溝的相對(duì)隔水層[10]。

2.3 沁水煤田

沁水煤田北部太原東山地區(qū)峰峰組厚130m左右，上段40～50m厚層石灰?guī)r與泥灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)，鉆孔單位涌水量在2.23 L/(s·m)。下段為角礫狀泥灰?guī)r夾厚層石膏兩層，為良好的隔水層。研究表明，東山地區(qū)太原組、本溪組、峰峰組之間，在垂向上無(wú)水力聯(lián)系[14];即使在奧陶系之內(nèi)，由于各組段之間存在相對(duì)隔水層，在無(wú)構(gòu)造導(dǎo)通的情況下，其縱向水力聯(lián)系也較弱[15]。橫向上，含水層的賦存條件主要受地質(zhì)構(gòu)造控制，富水性差異較大，受斷層影響帶的富水性較強(qiáng)。

陽(yáng)泉地區(qū)峰峰組上段以石灰?guī)r、灰質(zhì)角礫巖為主，厚94m左右，下段以白云巖、硬石膏巖、角礫巖為主，厚138m左右[16](圖4)。下段硬石膏較發(fā)育，結(jié)構(gòu)致密且多與白云巖共生，構(gòu)造簡(jiǎn)單地區(qū)可以作為隔水層[17]。

潞安地區(qū)峰峰組上段為泥晶和細(xì)砂晶灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密，富水性較差。下段上部為石膏與白云巖互層，中下部為角礫狀石灰?guī)r段，巖溶孔隙較發(fā)育，為弱含水層(圖4)，底部泥質(zhì)白云巖含量較高，巖溶不發(fā)育，為相對(duì)隔水層[18]。上段含水層厚度變化較大，東部地區(qū)地層位于巖溶水位之上的，一般不含水。中部含水層厚度達(dá)120m，含水性較好。西部由于埋藏深，巖溶孔隙發(fā)育差，含水層最薄處為6.4m，含水性變?nèi)?。含水層厚度?0～70m。單位涌水量0.001～5.23L/(s·m)，一般為2.30L/(s·m)。含水性從東向西逐漸減弱，局部受構(gòu)造影響，富水性明顯增強(qiáng)。

沁水煤田南部長(zhǎng)治縣經(jīng)坊一帶，峰峰組厚153～183m，平均174m。上段平均厚120 m，巖性主要為石灰?guī)r夾豹皮狀角礫灰?guī)r。下段平均厚54m， 巖性以泥灰?guī)r，角礫狀泥灰?guī)r為主，含少量石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。底部以石膏層與下伏馬家溝組分界。長(zhǎng)治南部地區(qū)峰峰組上段巖溶裂隙溶孔發(fā)育，富水性普遍強(qiáng)，鉆孔單位涌水量為1.267～28.766 L/(s·m)，平均為7.273 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.94～205 m/d[19]。

a.潞安礦區(qū)峰峰組上段泥晶灰?guī)r[16]； b.陽(yáng)泉礦區(qū)峰峰組上段白云質(zhì)灰?guī)r[18]；c.陽(yáng)泉礦區(qū)峰峰組下含硬石膏質(zhì)白云巖[18]； d.潞安礦區(qū)峰峰組下段泥晶白云巖[18]圖4 沁水煤田峰峰組巖性Figure 4 Lithology of Fengfeng Formation in Qinshui coalfield

沁水煤田東南部寺河礦峰峰組抽水試驗(yàn)顯示峰峰組單位涌水量在0.000 9～0.005 9L/ (s·m) ,是上馬家溝組平均單位涌水量的0.1～0.01倍，說(shuō)明峰峰組與馬家溝組水力聯(lián)系微弱，分析認(rèn)為峰峰組上部35 ～70 m可作為下部馬家溝組的相對(duì)隔水層[20]。

2.4 寧武煤田

煤田北部地區(qū)峰峰組為深灰色厚層花斑狀石灰?guī)r，夾數(shù)層白云質(zhì)灰?guī)r，厚0～50m，巖溶裂隙發(fā)育，以溶孔溶隙和蜂窩狀溶孔為主，地面也有成層溶洞，中下段含水性強(qiáng)，軒崗一帶鉆孔涌水量為0.65L/(s·m)，大部分鉆孔穿過(guò)此層時(shí)漏水，巖心裂隙小溶洞有充填現(xiàn)象，含水性弱。南部嵐縣礦區(qū)巖性為微晶質(zhì)花斑狀石灰?guī)r，角礫狀石灰?guī)r，泥灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖互層，石灰?guī)r巖溶裂隙較為發(fā)育，鉆孔單位涌水量為4.67～74.31L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.159～155.4m/d[4]。

2.5 霍西煤田

霍西煤田峰峰組以厚層狀、致密，塊狀、質(zhì)純石灰?guī)r為主，礦物成分以方解石為主，其次為白云石，泥質(zhì)少量，厚70～94m，北厚南薄，翼城一帶約35m。根據(jù)巖性特征，分為上下兩段，上段以純石灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育，是主要含水層。下段含石膏泥灰?guī)r中所夾薄層白云質(zhì)灰?guī)r也是含水層之一。李雅莊井田峰峰組上段以厚層狀灰?guī)r為主，平均29m，下段為含石膏泥灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，但由于區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，局部與上覆太原組灰?guī)r水溝通，導(dǎo)致富水性差異較大[21]。高陽(yáng)地區(qū)峰峰組下段由泥灰?guī)r、石膏、硬石膏組成，平均厚度58m，巖溶裂隙不發(fā)育，為相對(duì)隔水層。上段由泥晶、粉晶灰?guī)r組分，平均厚44m，個(gè)別鉆孔單位涌水量為0.956 9 L/(s·m)，富水性能中等，但與上馬家溝組無(wú)水力聯(lián)系[22-23]。

3 分析與討論

整理目前五大煤田勘探資料，根據(jù)煤礦防治水[24]細(xì)則(晉安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號(hào))含水層富水性及突水點(diǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將五大煤田峰峰組富水性進(jìn)行分類(lèi)，如表1。可以看出，沁水煤田大部分地區(qū)和霍西煤田部分地區(qū)峰峰組上段富水性較強(qiáng)，寧武煤田峰峰組下段富水性中等以上。除此之外，山西大部分含煤地區(qū)峰峰組富水性均較弱，峰峰組上段頂部或下段底部均有穩(wěn)定隔水層存在；影響峰峰組富水性的因素除巖性條件外，還與地層所處的巖溶大泉的水力位置和區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度有關(guān)。其中巖性條件是富水強(qiáng)弱的基礎(chǔ)，地層所處的巖溶大泉地下水力位置和區(qū)域構(gòu)造條件是富水性強(qiáng)弱的必要條件。

表1 五大煤田峰峰組富水性分類(lèi)、影響因素及隔水層位置

3.1 巖性條件

巖溶裂隙決定巖層富水性強(qiáng)弱，而巖性條件是巖溶裂隙的決定因素。峰峰組上段的風(fēng)化層和下段的含石膏性決定了峰峰組巖溶發(fā)育程度，進(jìn)而影響富水性。河?xùn)|煤田峰峰組整體泥質(zhì)、石膏含量較高，孔隙以微孔隙和超微孔隙為主，地下水滲流條件較差。古交礦區(qū)峰峰組上段的泥晶細(xì)粉晶石灰?guī)r中方解石含量大于95%[25]，質(zhì)地純凈，所以孔隙、巖溶，富水性較強(qiáng)。下段以粉晶白云巖、泥質(zhì)石灰?guī)r和角礫狀石灰?guī)r為主，滲透性較差，巖溶不發(fā)育，且裂隙被泥質(zhì)、粉晶方解石、粉晶石膏等充填，而成為隔水層。漳村礦峰峰組上段灰?guī)r孔隙為泥質(zhì)、方解石、石膏充填，巖溶不發(fā)育[18]。斜溝煤礦峰峰組上段灰?guī)r中氧化鈣比例大于51%， 孔隙類(lèi)型以晶間孔、 晶間溶蝕孔隙、微裂隙為主，孔隙度較小，滲透性較差，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性較差[5]。陽(yáng)泉礦區(qū)峰峰組中硬石膏發(fā)育，結(jié)構(gòu)致密，并與白云巖共生，導(dǎo)致峰峰組滲透性和孔隙度變差，隔水性增強(qiáng)[17]。

3.2 水力位置和埋深

地層所處的巖溶地下水補(bǔ)給、徑流、排泄位置和埋深是含水層富水性的重要條件。受大氣降水和地表水補(bǔ)給，峰峰組地下水在沿巖溶裂隙、孔隙流動(dòng)過(guò)程中，在具侵蝕性CO2的參與下，與可溶性巖層發(fā)生持續(xù)的物理化學(xué)作用，進(jìn)一步加劇了巖層中的巖溶和裂隙，進(jìn)而導(dǎo)致富水性增強(qiáng)。即在巖溶地下水徑流帶上，溶蝕裂隙、溶蝕孔發(fā)育，富水性就強(qiáng)。如沁水煤田中部潞安—長(zhǎng)治一帶，由于受辛安泉徑流帶影響，峰峰組上段巖溶裂隙、溶孔發(fā)育，富水性普遍較強(qiáng)[19]。而離柳礦區(qū)賀西煤礦由于處于柳林泉地下水滯留區(qū)，地下水交替滯緩，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性變差[7]。西山煤田屯蘭礦區(qū)，由于處于巖溶地下水緩流區(qū)，峰峰組富水性也較差[13]。

此外，地層埋深也是峰峰組含水層富水性強(qiáng)弱的重要影響因素。在峰峰組出露區(qū)，巖溶裂隙發(fā)育，大氣降水和地表水補(bǔ)給豐富，富水性較強(qiáng)。而在埋藏區(qū)，隨著埋藏深度的增加，峰峰組所處的奧灰水的水力位置逐漸過(guò)渡為緩慢交替帶及滯留帶，巖溶裂隙減少，巖溶極不發(fā)育，富水性就變的很弱。如位于西山煤田西南緣邊山地區(qū)的王家莊煤礦，在峰峰組出露區(qū)，峰峰組富水較強(qiáng)，出水量可達(dá)40 m3/h[10]。隨著峰峰組埋深的增加，巖溶裂隙逐漸減少，富水性逐漸減弱，在峰峰組671m埋深時(shí)，單位涌水量?jī)H為0.001 89 L/(s·m)，滲透系數(shù)僅為0.000 05 m/d[10]?；粑髅禾锔哧?yáng)煤礦西部峰峰組埋深較淺區(qū)礦井穩(wěn)定涌水量高達(dá)260m3/h，單位涌水量為0.1～1 L/(s·m)，為中等富水區(qū)。而在向斜軸部埋深較大區(qū)，單位涌水量均小于0.1 L/(s·m)[22]，為弱富水區(qū)。沁水煤田長(zhǎng)治經(jīng)坊地區(qū)，峰峰組埋藏較淺區(qū)滲透系數(shù)平均為70.7 m/d，而深埋區(qū)JS-3號(hào)孔的滲透系數(shù)僅為0.94 m/d[19]。

3.3 構(gòu)造導(dǎo)通

構(gòu)造導(dǎo)通是強(qiáng)富水性形成的重要條件。山西中南部地區(qū)太原組中發(fā)育3～5層灰?guī)r，但由于厚度較小，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性并不強(qiáng)。但在淺埋藏地區(qū)，可接受大氣降水或河流滲漏補(bǔ)給時(shí)，富水性變強(qiáng)。在斷層或陷落柱導(dǎo)致與下伏峰峰含水層導(dǎo)通時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致峰峰組富水性變強(qiáng)[26]。如霍西煤田霍州礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層、陷落柱導(dǎo)致白龍礦、南下莊礦、李雅莊井田峰峰組與上覆太原組灰?guī)r水溝通，富水性變強(qiáng)，下組煤突水事件頻發(fā)[27-29]。沁水煤田東北部太原東山地區(qū)太原組、本溪組、峰峰組、上馬家溝組之間，在無(wú)構(gòu)造導(dǎo)通的情況下，縱向水力聯(lián)系極弱，而受斷層或陷落柱影響地帶，由于上下含水層溝通，富水性較強(qiáng)[14-15]。如太原東山煤礦峰峰組上段單位涌水量為2.23 L/(s·m)，而在構(gòu)造導(dǎo)通的觀門(mén)前地段，受斷層影響，鉆孔單位涌水量高達(dá)77.73 L/(s·m)[15]，含水層的富水性受地質(zhì)構(gòu)造控制明顯。陽(yáng)泉地區(qū)峰峰組下段在無(wú)構(gòu)造導(dǎo)通地段富水性也較差[17]。可以看出，構(gòu)造導(dǎo)通是峰峰組富水性強(qiáng)的必要條件。

4 結(jié)論

綜合以上分析，可以看出，巖性條件是山西省峰峰組巖溶孔隙、裂隙發(fā)育的基礎(chǔ)，巖溶裂隙的發(fā)育程度是峰峰組富水性強(qiáng)弱的重要條件。峰峰組上段和下段底部巖溶裂隙整體發(fā)育較差，富水性差。在全省不同地區(qū)，由于巖性的不同，巖溶孔隙和裂縫發(fā)育程度不同，富水性也就不同。質(zhì)地純凈、方解石含量高的灰?guī)r、白云巖空裂隙發(fā)育程度顯著強(qiáng)于泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖以及角礫狀灰?guī)r。峰峰組所處的水力位置是決定富水性強(qiáng)弱的另一重要條件。巖溶徑流帶峰峰組的富水性強(qiáng)于滯留帶，出露區(qū)富水性大于淺藏區(qū)大于深埋區(qū)。構(gòu)造導(dǎo)通是峰峰組富水性強(qiáng)的另一重要條件。在無(wú)構(gòu)造導(dǎo)通的情況下，山西大部分地區(qū)峰峰組與下伏強(qiáng)含水層無(wú)水力聯(lián)系，在富水性較弱地區(qū)，峰峰組上段頂部和下段底部可視為煤系與上馬家溝組的相對(duì)的隔水層。