陳四樓礦太原組上段巖溶特征分析研究

高 俊

（永城永安礦山安全技術(shù)工程有限公司，河南 永城 476600）

陳四樓煤礦二2煤層底板隔水層厚度較小，加之采掘活動(dòng)影響，底板發(fā)育一系列裂縫和底鼓，易導(dǎo)致含水層承壓水突出，威脅礦井生產(chǎn)安全[1-4]。因此，研究底板巖溶特征及發(fā)育規(guī)律至關(guān)重要。礦井針對(duì)石炭系太原組及中奧陶統(tǒng)馬家溝組巖溶開展了大量的勘探工程（表1）。此外，二2煤層底板注漿加固鉆孔也揭露了底板大量太原組巖溶，是分析太原組巖溶發(fā)育程度和巖溶水動(dòng)力條件的重要依據(jù)之一[5-7]。

表1 陳四樓礦隱伏巖溶勘探工作量統(tǒng)計(jì)表

前期勘探階段，井田內(nèi)揭露太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r鉆孔較多，抽水試驗(yàn)數(shù)量和質(zhì)量較高，二2煤底板巖溶的勘探程度和研究程度較高，二2煤底板巖溶的背景條件清楚。但在近30年煤炭開采條件下，永夏礦區(qū)二2煤底板太原組突水及底板注漿孔對(duì)太原組充分揭露，巖溶水被大量疏放。太原組原始條件下的水均衡早已被打破，各層巖溶系統(tǒng)之間的關(guān)系也發(fā)生了根本性改變[8]，亟需重新對(duì)底板巖溶發(fā)育特征進(jìn)行分析、總結(jié)規(guī)律。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況

研究區(qū)位于華北地臺(tái)南緣，山東背斜徐蚌凹折帶中，秦嶺-昆侖緯向構(gòu)造帶東段的南側(cè)，新華夏系第二沉降帶的東側(cè)。本區(qū)和華北地臺(tái)一樣，經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，燕山期時(shí)形成現(xiàn)在的構(gòu)造格局。在地質(zhì)構(gòu)造上，陳四樓煤礦所在井田屬于永夏煤田，位于徐宿推覆體西部前緣滑動(dòng)面以西，主要構(gòu)造線方向?yàn)楸北睎|，以高角度正斷層為主。井田整體為一走向北北西單斜構(gòu)造，褶曲、斷層及巖漿活動(dòng)均較發(fā)育[9]。井田內(nèi)部構(gòu)造近東西向以斷層表現(xiàn)為主，褶曲次之；近南北向構(gòu)造以褶曲表現(xiàn)為主，斷層表現(xiàn)次之[10]。井田內(nèi)共發(fā)育9條較大的褶皺構(gòu)造，其中近南北向褶皺構(gòu)造有7條，近東西向褶皺構(gòu)造有2條。研究區(qū)構(gòu)造綱要圖如圖1。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

2 礦井充水因素分析及主要含水層概況

2.1 充水因素

（1）頂板砂巖含水層是開采二2煤的直接充水水源，單位涌水量0.000 925～0.016 3 L/s·m；巖性以細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主，間夾泥巖、砂質(zhì)泥巖；厚度為0.60～65.09 m，平均厚度25.55 m；裂隙不發(fā)育，原始狀態(tài)下，補(bǔ)給、排泄均以側(cè)向水平滲透為主；一般隨時(shí)間推移，水量逐漸變小，變?yōu)榈嗡驘o水狀態(tài)。在正常地層塊段內(nèi)砂巖裂隙水基本不影響礦井安全生產(chǎn)。

（2）石炭系太原組溶洞裂隙承壓含水組含水層水壓大，單位涌水量0.113～0.361 L/s·m，補(bǔ)給方式主要是灰?guī)r含水層側(cè)向補(bǔ)給[5]。該含水組共含灰?guī)r11層，自下而上編號(hào)為L1～L11，巖性以灰?guī)r、砂巖為主，間夾泥巖、砂質(zhì)泥巖。上段（L11～L8）是礦井二2煤底板主要間接充水含水層，涌水量一般較頂板砂巖大，且水量衰減緩慢，治理困難，往往造成工作面停產(chǎn)、跳面搬家，是目前重點(diǎn)治理的含水層。

（3）井田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)斷層1321條，其中決定井田邊界及采區(qū)劃分的大中型斷層共計(jì)34條。礦井生產(chǎn)中，工作面實(shí)際揭露的小斷層密度大，破碎帶多被泥質(zhì)碎塊等物質(zhì)充填，固結(jié)程度差。礦井采掘活動(dòng)中曾發(fā)生斷層涌水，涌水水源主要是L11～L8灰?guī)r水。在斷層發(fā)育地段，煤層底板完整性受到破壞，抗壓強(qiáng)度低，在高壓太原組灰?guī)r水作用下易發(fā)生涌水。

（4）礦井自生產(chǎn)以來已經(jīng)揭露三個(gè)陷落柱，其中兩個(gè)陷落柱經(jīng)巷道揭露后無水，為不富水、不導(dǎo)水的陷落柱體。在2209工作面上順槽揭露一陷落柱，柱體內(nèi)巖塊膠結(jié)松散，在邊緣處有滴水現(xiàn)象。經(jīng)過采掘揭露后，工作面均繞過陷落柱回采。陷落柱在礦井范圍內(nèi)總體發(fā)育較少，導(dǎo)水性較弱，對(duì)采掘工程影響較小。

2.2 主要含水層概況

石炭系太原組溶洞裂隙承壓含水層上段（L11～L8）是礦井二2煤底板主要間接充水含水層。二2煤下距太原組L11灰?guī)r平均41.55 m，距L10灰?guī)r平均60.16 m，距L9灰?guī)r平均70.16 m，距L8灰?guī)r平均75.19 m。L11灰?guī)r均厚2.75 m，L10灰?guī)r均厚3.84 m，L9灰?guī)r均厚2.53 m，L8灰?guī)r均厚11.18 m。L11～L8灰?guī)r巖溶、裂隙發(fā)育，單位涌水量0.113～0.361 L/s·m，屬于富水性中等的含水層。

中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r為厚層狀灰?guī)r，溶洞裂隙比較發(fā)育，但各部位不均，故富水性強(qiáng)弱差異懸殊。含水層原始水位標(biāo)高+28.5 m，含水層單位涌水量1.929 L/s·m，滲透系數(shù)4.618 m/d，水質(zhì)為SO4-Ca·Na型。奧陶系灰?guī)r頂界面距二2煤層底板210 m，其間為灰?guī)r、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖相隔，若無斷層、陷落柱等垂向通道，本含水層對(duì)井田不構(gòu)成突水威脅。

3 建立巖溶評(píng)價(jià)指標(biāo)

在分析研究區(qū)底板注漿工程涌水特征和注漿規(guī)律的基礎(chǔ)上，為評(píng)價(jià)太原組巖溶發(fā)育程度，建立單位面積巖溶涌水量、巖溶揭露出水概率、初始揭露巖溶涌水量、注漿量與涌水量比值等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（1）單位面積巖溶涌水量

代表底板注漿孔在工作面內(nèi)揭露同層巖溶水涌水量和的面積平均值，物理意義為單位面積單位時(shí)間內(nèi)巖溶涌水量，表示為：

該指標(biāo)越大，則該層灰?guī)r單位面積涌水量越大，富水性越強(qiáng)。

（2）巖溶揭露出水概率

代表揭露同層巖溶時(shí)出水鉆孔占總鉆孔的比重，表示為：

式中：PLk為巖溶揭露出水概率；m為工作面內(nèi)揭露Lk灰?guī)r時(shí)出水鉆孔數(shù)量；n為工作面內(nèi)揭露Lk灰?guī)r鉆孔總數(shù)。

該指標(biāo)越大，則揭露該層灰?guī)r時(shí)鉆孔出水概率越大。

（3）初始揭露巖溶涌水量

代表揭露同層巖溶時(shí)m個(gè)出水鉆孔的平均涌水量，表示為：

（4）注漿量與涌水量比值

λ值越大，灰?guī)r內(nèi)非富水的孔、洞和裂隙越多，λ值在富水性弱的巖溶區(qū)或斷裂帶附近可高達(dá)5～6。

4 利用評(píng)價(jià)指標(biāo)揭示底板巖溶特征

南翼二2煤底板水壓4～6.5 MPa，以注漿加固L11～L8為主；北翼二2煤底板水壓2～3 MPa，以注漿加固L11～L10為主；底板和南翼注漿加固鉆孔揭露L11灰?guī)r、L10灰?guī)r和L8灰?guī)r，南翼以L11灰、L10灰和L8灰出水為主，北翼以L11灰和L10灰出水為主。太原組灰?guī)r水占鉆孔揭露出水總量的95%以上。因此，二2煤底板注漿孔揭露的涌水特征和依據(jù)其得出的巖溶評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠客觀反映太原組巖溶發(fā)育程度和巖溶富水程度，見表2。

表2 注漿孔揭露L11～L8巖溶評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

4.1 L11灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律

南翼L11灰?guī)r溶單位面積巖溶涌水量為北翼10倍，巖溶初始揭露巖溶涌水量為北翼1.5倍，井田南翼與北翼發(fā)育差異明顯。南翼L11因含水巖溶較發(fā)育，導(dǎo)致巖溶初始揭露強(qiáng)度較大；北翼L11出水點(diǎn)少、單位面積巖溶富水深度小、巖溶初始揭露強(qiáng)度小，L11含水巖溶不甚發(fā)育。從表4可以看出，L11灰?guī)r富水性弱、最不均勻。

表4 陳四樓煤礦21501、21502、21503綜采面注漿鉆孔揭露太原組巖溶特征統(tǒng)計(jì)表

4.2 L10灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律

南翼L10單位面積巖溶涌水量和巖溶初始揭露巖溶涌水量分別為北翼的5.6倍和1.4倍，可推測L10灰?guī)r溶的南、北差異較L11灰減小，L10灰?guī)r溶富水中心已略向北偏移，進(jìn)一步推測底板注漿加固工程一定程度上加速了陳四樓向斜核部L10巖溶富水性的發(fā)展。

4.3 L9灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律

底板注漿鉆孔揭露L9灰?guī)r鉆孔比例非常少，L9主要依據(jù)地層間距推斷，判斷相對(duì)模糊。注漿成果對(duì)L9的劃分證據(jù)不足，統(tǒng)計(jì)結(jié)果不佳。

表3 陳四樓煤礦21210工作面部分井下鉆探鉆孔成果臺(tái)賬

4.4 L8灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律

南翼L8灰的單位面積巖溶涌水量、初始揭露巖溶涌水量和注漿量與涌水量比值分別比L10灰小20%、20%和23%，L8比L10巖溶富水性略弱，但富水更均勻，以充水巖溶為主，推測L8與L10具有一致的補(bǔ)給來源或通道。北翼L8灰以含水巖溶為主。南翼L8灰的單位面積巖溶涌水量是北翼的3倍，出水概率是北翼的2倍，表明南翼巖溶比北翼更發(fā)育，且富水性更強(qiáng)。

5 結(jié)論

綜合太原組上段各灰?guī)r層位的涌水特征，可以得出陳四樓煤礦巖溶特征具有以下規(guī)律：

（1）南翼以L10和L8灰?guī)r涌水為主，L10比L8略多，二者占總涌水量80%～90%，L11涌水量僅占總涌水量10%～20%，L10和L8灰?guī)r溶占鉆孔揭露南翼富水巖溶的80%～90%。南翼巖溶整體比北翼更發(fā)育，且富水性更強(qiáng)。

（2）北翼各層灰?guī)r涌水量比例變化較大，巖溶發(fā)育不均勻，北翼L11富水巖溶非常不發(fā)育，以少量非富水巖溶為主，總體仍以L10灰涌水為主，L10灰?guī)r溶最發(fā)育。L10灰?guī)r南翼注漿量與涌水量比值小于北翼，說明北翼非富水巖溶和構(gòu)造裂隙更多。

綜上所述，基于陳四樓煤礦開采現(xiàn)狀及現(xiàn)有資料，通過建立若干巖溶評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)太原組巖溶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行量化分析與評(píng)價(jià)，結(jié)合礦水文地質(zhì)特征、二2煤底板注漿孔揭露的涌水特征，能夠有效分析底板巖溶發(fā)育特征規(guī)律，為區(qū)內(nèi)采掘設(shè)計(jì)、地質(zhì)鉆孔設(shè)計(jì)和煤層底板灰?guī)r含水層改造提供參考依據(jù)。