大同煤田巖溶發(fā)育特征研究

王鋒利

(中國煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊,河北 邯鄲 056006)

0 引言

大同煤田位于山西省北部，地跨大同市南郊區(qū)、懷仁縣、山陰縣、左云縣、右玉縣，為我國重要的煤炭基地，為侏羅紀和石炭-二疊紀雙紀煤田?，F(xiàn)今，侏羅紀煤炭資源已近枯竭，正逐步向下延深開采石炭-二疊系煤層。石炭-二疊紀煤田已探明儲量308.3億t，主采煤層為石炭系3號、5號、8號煤層及二疊系山4號煤層。

延深生產(chǎn)后礦井充水條件將發(fā)生較大變化，特別是煤層底板會直接面臨高承壓的煤系基底巖溶水突水威脅。同時，該區(qū)為缺水地區(qū)，煤系基底巖溶水即是礦井生產(chǎn)水害因素，但同時更是寶貴的深層地下水資源。

基于研究區(qū)以往對巖溶發(fā)育特征研究工作已不能滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)生活所需，因此，有必要對該區(qū)巖溶發(fā)育特征進一步分析研究。

1 巖溶發(fā)育特征

1.1 形態(tài)特征

大同煤田寒武-奧陶系為統(tǒng)一的含水巖體，其裸露區(qū)分布于東側(cè)和西南側(cè)的山脈，煤向斜軸部埋深逐步增大。據(jù)鉆孔巖心鑒定，巖溶形態(tài)主要以溶蝕裂隙、溶孔為主，溶蝕裂隙和溶孔多見于下奧陶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和中寒武鮞狀灰?guī)r中，裂隙寬度一般小于2cm，溶蝕裂隙部分被方解石充填，局部裂隙斜交。見圖1和圖2。

為了分析巖溶裂隙及成分，筆者2015年12月于研究區(qū)分別采集了奧陶系白云巖和寒武系鮞粒灰?guī)r(野外定名)送往中國地質(zhì)大學(xué)(北京)實驗室進行了顯微鏡下薄片鑒定。白云巖采樣層位為奧陶系冶里組，據(jù)圖3可見其間化石殘體，多由生物碎屑灰?guī)r經(jīng)白云巖化交代作用而成生物碎屑白云巖，形成于淺海上部或潮間帶以上的環(huán)境中，其碎屑即由波浪或水流沖擊而成。可見白云巖溶孔或裂隙較發(fā)育，部分為粗晶方解石充填。

圖1 DT12鉆孔奧陶系頂面Figure 1 Ordovician top surface in borehole DT12

圖2 DT12鉆孔張夏組Figure 2 Zhangxia Formation in borehole DT12

鮞?；?guī)r采樣層位為寒武系張夏組。由顯微鏡下薄片鑒定結(jié)果可以看出該區(qū)鮞?；?guī)r中裂隙多細而零亂，其間發(fā)育不規(guī)則壓溶縫，后為方解石或殘余溶解的泥質(zhì)充填，鮞狀灰?guī)r裂隙發(fā)育，連通性相對較差。見圖4。

1.2 垂向特征

通過對研究區(qū)巖溶水勘查鉆孔巖溶發(fā)育段數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)巖溶發(fā)育層段主要集中在奧陶系冶里組和亮甲山組白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r段， 以及張夏組鮞狀灰?guī)r層段，兩層段巖溶發(fā)育率占全部巖溶發(fā)育段的83.90%，其中亮甲山和冶里組層段占比最高達到53.62%，張夏組層段為30.28%。據(jù)統(tǒng)計可見該區(qū)巖溶垂向發(fā)育呈現(xiàn)顯著的雙層結(jié)構(gòu)。見表1。

圖3 白云巖薄片(X40)Figure 3 Dolomite thin-section

圖4 鮞?；?guī)r薄片F(xiàn)igure 4 Oolitic limestone thin-section

孔號頂面標高/m底界標高/m層位巖性距頂界面距離/mDT1607.79557.00張夏組白云質(zhì)灰?guī)r124.01DT2726.00709.98張夏組白云質(zhì)灰?guī)r126.73722.62722.52冶里組灰?guī)r38.70DT3524.02523.82張夏組鮞狀灰?guī)r237.50523.02522.92張夏組鮞狀灰?guī)r238.40DT5811.92768.64張夏組灰?guī)r47.18DT6751.31744.66張夏組鮞狀灰?guī)r129.47DT7795.31785.41崮山組灰?guī)r13.90DT8788.76786.57張夏組灰?guī)r122.93723.01719.60張夏組灰?guī)r189.90DT9771.38759.99亮甲山組白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r16.62DT10835.07798.67亮甲山組白云質(zhì)灰?guī)r42.21780.07767.57冶里組白云巖73.31745.82712.82冶里組白云巖128.06677.18670.04崮山組鮞狀灰?guī)r170.84DT11890.69882.85亮甲山組白云巖7.84855.43845.98冶里組白云巖44.71808.80790.76鳳山組灰?guī)r99.93DT12780.79776.09亮甲山組泥灰?guī)r30.27757.62702.62冶里組碎屑灰?guī)r、灰?guī)r103.74DT13655.64629.10長山組灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r142.51618.66612.73崮山組灰?guī)r158.88562.77562.37張夏組鮞狀灰?guī)r209.24DT14886.80874.12亮甲山組白云巖12.68832.63820.33冶里組白云巖66.47785.02765.57冶里組灰?guī)r121.23DT15873.53868.56冶里組白云巖6.27857.43852.23冶里組灰?guī)r22.60DT20813.03809.24張夏組竹葉狀灰?guī)r32.42807.66807.46張夏組鮞狀灰?guī)r34.20

注：統(tǒng)計時間2018年3月，統(tǒng)計范圍為2010—2016年巖溶水勘查鉆孔。

由表1可見，第一層巖溶發(fā)育段距離奧陶-寒武系頂界面多在6～50m，巖溶發(fā)育段底界標高在722.52～882.85m；第二層巖溶發(fā)育段距離奧陶-寒武系頂界面多在120～200m，巖溶發(fā)育段底界標高在522.92～809.24m。

對于垂向的分層性，袁道先[3]已有論述，他認為，山西高原在中生代以后一直處于裸露巖溶狀態(tài)，經(jīng)歷過中生代及新近紀或古近紀的強巖溶化作用。由于后期地殼上升，原先的地下巖溶形態(tài)大部分已處于后期地下水系統(tǒng)的包氣帶中。后期的地下巖溶系統(tǒng)的發(fā)育，一般不繼承老的溶洞。再者垂直方向上石灰?guī)r與泥灰?guī)r或白云巖交替出現(xiàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)巖溶垂向發(fā)育的多層性。

1.3 平面特征

巖溶的平面發(fā)育可以通過該區(qū)巖溶含水層的富水性進行分析。

通過勘查研究區(qū)巖溶含水層單位涌水量為0.000 3～2.033L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 3～39.91m/d，富水性由弱至強，變化較大。見表2。

據(jù)研究區(qū)鉆孔單位涌水量繪制巖溶水富水性分區(qū)。據(jù)圖5可知中等富水區(qū)集中于研究區(qū)中部， 沿北西-南東向展布，僅在ZK718號鉆孔附近為強富水區(qū)域。分析可見富水性較強區(qū)域多為北西向斷層發(fā)育區(qū)域或北西向斷層與北東向構(gòu)造交割部位。

弱富水區(qū)分布于研究區(qū)西南部和北東部，東北部主要集中在同忻、四臺井田，其次為燕子山井田北部、馬脊梁井田大部分區(qū)域，塔山井田東北區(qū)域均為弱富水區(qū)。該區(qū)鉆孔單位涌水量最大0.066 5L/(s·m)(DT10號)，最小為0.000 08L/(s·m)(DT4號)。研究區(qū)西南部雖為弱富水區(qū)，但是因該區(qū)域接近西部補給區(qū)，富水性較東北部稍強，該區(qū)域鉆孔單位涌水量最大者為0.018 97L/(s·m)(A8號鉆孔)，最小者為0.004 7L/(s·m)，東周窯西部鉆孔富水性也在0.006 81～0.016L/(s·m)，均較研究區(qū)東北部富水。

表2 巖溶含水層水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計

注：統(tǒng)計范圍為2008—2017年研究區(qū)施工巖溶水勘查鉆孔，資料來源為中國煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊、山西省煤田地質(zhì)局115隊、山西省地礦局217隊。

圖5 研究區(qū)富水性分區(qū)示意Figure 5 A schematic diagram of water yield property partitioning in study area

據(jù)已探明區(qū)域資料分析，研究區(qū)巖溶地下水主要為構(gòu)造控水，北西向構(gòu)造發(fā)育區(qū)和北西向與北東向構(gòu)造交割區(qū)域富水性較強。即巖溶發(fā)育的平面特征主要為北西向構(gòu)造控制，在北西向和北東向構(gòu)造切割區(qū)域巖溶亦較為發(fā)育，而其他區(qū)域巖溶發(fā)育較差。該區(qū)巖溶平面呈現(xiàn)一種線性或帶狀聯(lián)通模式而非類似其他大泉泉域水文地質(zhì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通模式。

2 巖漿巖對巖溶的后期改造

通過資料收集及地面調(diào)查，研究區(qū)煤礦采掘以及地面中發(fā)現(xiàn)該區(qū)主要有兩期巖漿巖運動對煤層和原巖進行了一定程度的改造。為此，筆者2015年于研究區(qū)采集了疑似石灰?guī)r被侵入改造的巖石樣品在中國地質(zhì)大學(xué)進行了顯微鏡下薄片分析。

圖6為采集自冶里組巖樣分析結(jié)果，可以看到碳酸巖呈細脈穿入巖漿巖的現(xiàn)象，表明巖漿巖形成略晚于碳酸巖，與之接觸的圍巖一側(cè)具有褪色的蝕變邊。據(jù)前述分析，該區(qū)冶里組應(yīng)為巖溶較發(fā)育層段，本樣品卻表現(xiàn)為裂隙封閉，巖溶發(fā)育較差情況。皆因后期巖漿巖改造而致其裂隙閉合，富、導(dǎo)水性變差。

圖6 巖漿巖侵入白云巖(X40)Figure 6 Magmatic rock intruded into dolomite

3 結(jié)論

1)大同煤田巖溶發(fā)育呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)，其一發(fā)育于下奧陶統(tǒng)亮甲山組及冶里組，其二發(fā)育于中寒武統(tǒng)張夏組。相比上層巖溶更發(fā)育，為該區(qū)煤礦防治水和找水的重點。

2)研究區(qū)巖溶發(fā)育主要呈現(xiàn)線狀(帶狀)聯(lián)通，主要為北西向構(gòu)造控制，其次為北西、北東向構(gòu)造切割控制。

3)該區(qū)巖溶后期曾受多期巖漿巖活動改造，在該區(qū)煤礦防治水和找水過程中應(yīng)考慮其對原生巖溶富水性及水質(zhì)等的影響。