劉橋一礦巖溶陷落柱導水性分析

吳文金^1,2
(1 中國礦業大學(北京)北京市海淀區,100083;2 北京工業職業技術學院,北京市石景山區,100042)

　　
摘　要　劉橋一礦是淮北煤田陷落柱發育數量最多、面積最大的礦井,根據劉橋一礦已揭露的巖溶陷落柱的現場調查,結合以往華北煤田陷落柱資料,從劉橋一礦巖溶陷落柱發育的地質背景、巖溶陷落柱內部地質特征與水文地質特征,探討巖溶發育特征及對巖溶陷落柱含導水性分析,對未開采區進行預測,為煤礦安全生產提供地質資料。
關鍵詞　巖溶陷落柱　成因特征　導水分析
1.前言
劉橋一礦位于安徽省淮北市濉溪縣城西劉橋鎮,東距淮北市約7ｋｍ,西接河南省永夏礦區。該礦井始建于1971年12月,至1981年5月建成投產,經1985年改擴建為130萬ｔ的大型礦井。礦區地層為華北地臺沉積地層,井田主采煤層為二迭系下石盒子組4煤和山西組6煤,其下伏地層為太原組灰巖和巨厚層奧陶系灰巖(以下簡稱太灰和奧灰)。劉橋一礦自生產以來井下共揭露8個陷落柱,對礦井生產和安全造成了重大影響。為了保證巖溶陷落柱對礦井的安全與正常生產,減小巖溶陷落柱突水的危險性,有必要開展巖溶陷落柱研究工作,本文在現場的調研基礎上對劉橋一礦的巖溶陷落柱發育的地質背景、巖溶陷落柱成因特征及巖溶陷落柱含導水性進行分析。
2.巖溶陷落柱發育分布特征
2.1巖溶陷落柱發育的地質背景
劉橋一礦總體上處于大吳集復向斜南部仰起端,表現為一不完整的向斜構造形態,地層傾角一般8°～15°,受構造影響傾角變化較大,礦區主要斷裂構造與陳集向斜軸基本一致,總體方向為ＮＮＥ向。同時次級褶曲較為發育,總體上為一向斜構造形態,即陳集向斜,是礦區主體構造。向斜軸沿ＮＮＥ方向延伸,樞紐向ＮＮＥ向傾伏,傾伏角7°～13°,且呈波狀起伏;向斜兩翼不對稱,東翼地層較陡,傾角一般為12°～40°,最大64°;西翼地層傾角較緩,傾角一般為6°～15°,其特點是東翼陡西翼緩,北部寬而南部窄,向斜東翼被劉橋斷層切割,西翼被土樓斷層切割。在兩大斷層之間發育著較多的次級斷層,80%以上斷層走向近ＮＮＥ向,與主構造線近平行。斷層性質以正斷層為主,占近80%。
向斜構造決定了巖溶陷落柱的空間展布,可溶性巖層是巖溶陷落柱形成的前提。劉橋一礦奧陶紀灰巖厚約450ｍ,多為灰色中厚層至厚層灰巖,質地較純,屬埋藏型深巖溶。礦區外圍抽水資料顯示本區太灰、奧灰水量豐富,連通性較好,水質為ＨＣＯ3-Ｃａ-Ｍｇ型,溶蝕作用較強,這些為陷落柱的形成發育創造了良好條件。
2.2礦區可溶性碳酸鹽巖發育情況
劉橋礦區可溶性碳酸鹽巖地層主要有寒武系、奧陶系和石炭系。區域資料表明寒武系以白云巖、白云質灰巖為主,間有薄層灰巖,巖溶發育較弱,地層總厚度約1000ｍ,距離煤系地層較遠。
石炭系據本區鉆孔揭露(水8、水18)地層厚度約130ｍ,為本溪組和太原組,本溪組(Ｃ2ｂ)地層厚度14ｍ左右,巖性以淺灰色到暗紅色的雜色含鋁泥巖為主,夾少量泥質灰巖,難以形成溶洞。太原組(Ｃ2ｔ)地層厚度115ｍ左右,巖性以深灰色的泥巖、粉砂巖及灰色砂巖為主,灰到深灰色石灰巖次之。太原組共含13層石灰巖,灰巖總厚約54ｍ,與砂、泥巖相間分布,難以形成較大溶洞。
本區奧陶系中下統發育穩定,地層厚度約500ｍ,巖性主要為碳酸鹽巖,是巖溶發育的物質基礎。
從水8鉆孔資料看(水8進入奧灰118 89ｍ),巖性為淺灰色厚層狀的石灰巖,質純、性脆、微晶結構,局部含白云質,高角度裂隙發育,從巖性描述看主要為中統地層,其下應為馬家溝組灰巖,厚度在150ｍ以上,從區域資料看是形成大型溶洞的主要層段,也是本礦產生陷落柱的根基所在。
2.3劉橋一礦陷落柱發育特征分析
劉橋一礦目前已發現8個陷落柱,巷道揭露13次,其中四層煤9次揭露,六層煤4次揭露。按揭露時間順序分別編號為Ａ1～Ａ8,見表1。這些陷落柱至少被巷道揭露一次,有的則多次揭露,其中Ａ1被南大巷穿過。
從已揭露的8個陷落柱平面分布看(圖1),可總結出如下特點。
(1)陷落柱均分布在陳集向斜軸部附近,且絕大多數發育在向斜軸的東翼;
(2)陷落柱的長軸多數基本平行于向斜軸;
(3)在陳集向斜仰起端陷落柱分布較密;
(4)陷落柱平面多呈橢圓形,個別為不規則狀;
(5)陷落柱平面上大小不等,小的僅710ｍ2,大的達2 96×104ｍ2。
3.劉橋一礦陷落柱內部地質特征及水文地質特征
3.1陷落柱內部堆積物的特點
對13次巷道揭露情況和鉆探情況分析,認為陷落柱內部堆積物具有以下特點。
(1)柱內巖石破碎,多具有棱角狀;
(2)柱內巖層均為上覆地層,在柱邊常見本層巖石;
(3)充填物多為泥砂物或煤屑、煤泥,充填于巖塊之間;
(4)柱內壓實程度不等,有的較為密實,有的松散易冒落,淺部發育陷落柱柱內壓實程度高于深部所見陷落柱;
(5)陷落柱在空間上呈倒漏斗狀,上小下大,塌陷角一般為60°～85°,平均75°。從已揭露的8個陷落柱水文情況分析,絕大多數為不導水陷落柱,在巷道揭露初期多見潮濕、滲水,未出現溝通深部灰巖水的現象。Ａ1～Ａ7滲淋水多為煤系地層砂巖水,水量較小。

3.2太原群灰巖巖溶發育特征
劉橋一礦太原群由13層薄層灰巖組成,碳酸鹽巖的存在為巖溶發育提供了物質基礎。根據鉆探資料,一灰、二灰分別厚2～3ｍ,質較純;三、四、五灰分別厚8ｍ、12ｍ、4ｍ。三灰頂至五灰底總厚約29ｍ左右,實際為一含水層組,一至四灰巖水互補關系十分密切。地面水8孔和井下探水1孔資料表明,三、四灰巖水向一、二灰補給。一至五灰局部巖溶發育,特別是處于斷裂構造附近,如邊界斷層、小斷層巖性破碎部位,巖溶相對發育,但太灰巖溶發育程度總體上屬中等偏弱。一至四灰鉆孔單位涌水量ｑ<1ｌ/ｓ•ｍ,含水量屬中等偏小,局部巖溶發育,有小溶洞出現,特別是處于斷裂構造附近,破碎帶部位,溶蝕現象比較明顯,但一般溶洞較小,連通性差。太灰巖溶發育程度總體上屬中等偏弱,結合區域地質資料分析,太原群灰巖巖溶溶洞在本礦區難以形成陷落柱。
3.3　奧陶系灰巖巖溶發育特征
奧陶紀灰巖在井田范圍內厚約450ｍ,其上部馬家溝組巖性多為灰色中厚層至厚層灰巖、白云質灰巖,質較純。奧灰距六煤約180ｍ,頂面埋深為120～620ｍ,屬埋藏型深巖溶,目前礦區奧灰水位標高為+10ｍ。井田北東向淮北相山一帶出露的奧灰是礦區巖溶水的露頭補給區,井田南部及東部有大片奧灰直接伏于松散層下。
礦區外圍供水水源資料顯示,奧灰鉆孔單位涌水量ｑ=3 83ｌ/ｓ•ｍ,ｋ=2 36ｍ/ｄ。從任樓礦這次突水情況來看,奧灰突水量達到11854ｍ3/ｈ,突水4ｄ后,距突水點16 2ｋｍ的童亭礦奧灰長觀孔水位下降了7 04ｍ,都說明本區奧灰水量豐富,連通性強。根據水質化驗資料,奧灰水水質類型為ＨＣＯ3-Ｃａ-Ｍｇ型,其中Ｃｌ-、ＳＯ42-含量較低,Ｆｅ2+、ＮＯ2含量極低,呈微量,反映礦區奧灰巖溶水目前仍處于逕流條件好的環境,巖溶作用仍較發育,陳集向斜軸部可能仍為集中循環交替帶。

4.巖溶陷落柱導水性分析　　
陷落柱的含水、導水性主要取決于柱內巖石的壓實程度,而壓實程度又取決于陷落柱的形成年代和柱內巖 石的水化程度。不同的地質及水文地質條件,形成的陷落柱類型和特征也不相同,其含水、導水性差異也大。劉一礦已揭露8個陷落柱均未發生水患,而任樓礦遇見第一個陷落柱時卻淹了井,開灤局前8個陷落柱均未出現大的水害,范各莊礦見第9個陷落柱時最大水量達123180ｍ3/ｈ,給礦井帶來滅頂之災。因此,陷落柱的含導水性受控因素太多,難以簡單地判定出它的含導水性。
4.1　Ａ1～Ａ7陷落柱含導水性
現從Ａ1～Ａ7這7個陷落柱來看,發育年代較遠,柱體內的地下水活動很早就已結束。井下巷道觀測發現柱體內巖石的壓實作用較好,說明奧陶系界面至六煤層間的垮落堆積物已經固結而形成了自然封閉的塞子,阻隔了奧灰水、太灰水和煤系砂巖水的聯系,這可從目前礦區太灰和奧灰的水位差得到反映;目前礦區太灰水位最低-249ｍ,而奧灰水位一般穩定在+10ｍ～+15ｍ范圍。所以Ａ1～Ａ7在自然狀態下不會給礦井生產帶來災害。
4.2　Ａ8陷落柱含導水性
Ａ8陷落柱具有一定的導水性。2004年2月4日于540集中機巷迎頭揭露陷落柱時,發現Ａ8陷落柱內堆積物松散,并有滲水現象。揭露陷落柱初期,柱內出水0 1ｍ3/ｈ左右,隨后逐漸增大,40ｈ后水量增到5ｍ3/ｈ,之后一直穩定在5ｍ3/ｈ,鉆孔探測水量最大達15ｍ3/ｈ。出水一直穩定在25 5℃,水質化驗表明全硬度為73 62～77 80德國度,總礦化度為2716 57～2989 05ｍｇ/ｌ,ＳＯ42-含量為75 31%～78 46%,ＨＣＯ3-含量為9 01%～10 35%。水質類型為:ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型,與太灰水質極為相似,與以往陷落柱出水的水質特征均不相同,具有特殊性。從實際巷道揭露可以看出,陷落柱內存在一定水量,從揭露之后的1個月時間中,水量基本穩定在5ｍ3/ｈ,探查孔均有0 1～15ｍ3/ｈ不等的出水量,說明此陷落柱含有一定水量,從水量的不均等性反映出柱體內部連通性存在很大差異、空隙分布也不均勻。
(1)與奧灰水的聯系分析。揭露陷落柱之后,對礦區奧灰長觀孔進行了加密觀測,從2月6日的+15 83ｍ到2月28日的+15 02ｍ共下降了0 81ｍ,與原奧灰下降曲線一致;另陷落柱出水水質化驗為ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型,而奧灰水質則為ＨＣＯ3-Ｃａ•Ｍｇ型。說明目前Ａ8出水與奧灰水暫無聯系,陷落柱未導通奧灰水。
(2)與太灰水的聯系分析。遇陷落柱出水時,進行了水質、水量、水溫和水壓觀測,水質化驗資料表明其與太灰水均為ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型;從水量觀測分析陷落柱出水后,臨近太灰長觀孔(水12孔),從2月4日～2月28日水位由-245 50ｍ下降到-249 52ｍ,下降了4 02ｍ,比正常下降幅度稍有增大,說明陷落柱出水可能與太灰水有聯系;從水壓觀測情況看,探查陷落柱鉆孔出水水壓測試為2ＭＰａ,而臨近太灰長觀孔的太灰水壓為2 74ＭＰａ,較為接近;水溫測試陷落柱出水水溫為25 5℃,與此水平太灰水溫一致。綜合分析陷落柱出水與太灰水有一定聯系。
5.結語
巖溶陷落柱多形成在現代伸展構造或自重應力為主的地區,柱體圍巖具備易于冒落的巖體結構,陷落過程圍巖應力條件與采空區覆巖冒落過程類似,奧灰巖溶的持續作用是陷落柱柱體不斷向上發展的根本原因。
參考文獻
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