新驿井田奥灰岩溶裂隙含水层特征分析(煤炭)
柳汉丰1 游水凤1 高卫富2 刘 磊1 庞新龙1
(1.江西应用技术职业学院,江西省赣州市,341000;2.山东科技大学地球科学与工程学院,山东省青岛市,266590)
摘 要 在分析钻孔岩芯及水文观测孔资料基础上,从奥灰岩溶发育形态、富水性、水位动态变化三方面对新驿井田奥灰含水层进行系统研究,结果表明奥灰岩溶主要发育在奥灰顸部200 m岩层内,以溶孔和溶蚀裂隙为主,局部见孔洞,富水性情况区域差异性大,分布不均。奥灰岩溶水主要接受降水及第四系裂隙水补给,北东一南西方向补给强,西北方向补给弱,岩溶水地下径流强,是下组煤开采过程中主要含水层。
关键词 新驿井田 奥灰水 奥灰岩溶含水层特征 中图分类号 P641.4
近年来,以石炭 二叠系为主的华北型煤田经过半个多世纪的开采,下组煤已经成为当前主要开采煤层。从煤层沉积环境角度分析,石炭二叠系的煤层绝大多数直接沉积在奥陶系灰岩之上,缺失志留纪和泥盆纪地层。奥陶系灰岩长期在地表裸露,受到不同程度的风化,导致其发育程度不一的奥灰岩溶。奥灰岩溶水水压高,动储量大,外界大气降水补给强,使煤矿安全生产受到巨大的威胁。
1 井田区域概况
新驿矿井位于山东省兖州市境内,东距兖州市区19 km,西距汶上县城20 km。行政区划归兖州市新驿镇管辖。井田范围东、西边界为17#煤层露头,北起井田边界,南至长沟断层,井田东西长约6. 5~9.1 km,南北宽约6.0~8.8 km,面积为56.9 km2。
井田自上而下可分为第四系冲洪积孔隙含水岩组、二叠系砂岩裂隙含水岩组、石炭系层间岩溶裂隙含水岩组、奥陶系岩溶裂隙含水岩组。其中奥陶系总厚度大于500 m,揭露厚度81. 24~160. 72 m,含水层岩性主要为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩。东部埋藏深度浅,只有200 m左右;中部及西南部深,一般为510. 44~726. 96 m,最深达900 m。
2岩溶发育特征
据钻孔岩芯观测,该区奥灰岩溶发育形态以溶孔和溶蚀裂隙为主,局部见孔洞。
2.1 岩溶发育形态及特征
(1)溶孔。主要发育于泥质白云岩、白云岩、角砾状泥灰岩中,多呈零星状、蜂窝状分布,见图1。直径一般为5~20 mm,泥质、方解石充填或半充填,一般连通性较差。
(2)溶蚀裂隙。溶蚀裂隙多见于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩中,宽度一般为3~25 mm,部分被方解石半充填,部分裂隙面可见铁锈,测井验证溶蚀裂隙一般含水,岩溶联通性总体中等,见图2。
(3)孔洞。孔洞主要见于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩中,直径一般为20~50 mm,多沿溶蚀裂隙发育,方解石半充填,见图3。
2.2 岩溶发育与岩性的关系
据3-3孔、3-5孔、群1孔和水1孔统计,各类岩石见岩溶裂隙点数百分比分别为石灰岩35%、白云质灰岩30%、白云岩20%、灰质白云岩14%、泥灰岩1%。统计结果表明,石灰岩、白云质灰岩、白云岩可溶物含量较高,且脆性大,在构造应力作用下易形成裂隙而发育岩溶;灰质泥岩可溶物含量较低,且柔性大,不易形成宽大裂隙,故岩溶发育较差,本井田石灰岩、白云质灰岩、白云岩三者占85%以上,说明该区内岩溶发育。
2.3 岩溶发育与埋深的关系
勘查区内奥灰埋深变化较大,根据水1、群1、3-3孔、井下5-5孔、井下3-7孔等的勘查资料,单位涌水量与埋深的关系如图4所示。
随着奥灰埋深的增加,富水性有逐渐变弱的规律,总的来说东部浅埋区岩溶较发育,向西南及北部深埋区岩溶发育变差。当奥灰埋深大于700 m时,岩溶发育明显变差,因此,对下组煤开采影响较大的是奥灰顶部前200 m层段内。
3岩层富水性特征
据钻孔揭露,奥灰水位埋深一般在20. 37~24. 01 m,标高在28 m左右,奥陶系岩溶裂隙含水层组水文地质特征见表1。富水性主要受埋深、断裂构造、岩溶发育程度等因素控制,其特征表现为东部奥灰浅埋区富水性相对较强,如水1孔单位涌水量为0.3192 11(s.m),群2孔单位涌水量为2. 5446 11(s.m)。东北部、中东部奥灰中埋区3-3孔单位涌水量为0.1660 11(s.m);西部和南部随奥灰埋深增加,富水性逐渐减弱,如南部井下3-7孔涌水量为57.03m3/h,单位涌水量为0. 0434 11(s.,m)。西部井下5-5孔涌水量为44. 34m3 /h,单位涌水量为0.0376 11(s. m)。
4岩溶水位动态特征
4.1 年内水位变化特征
根据本次3-3孔、3-5孔及区外南部的观6孔、观9孔等几个岩溶孔的水位动态观测资料(测频率为5天一次),岩溶水位属气象一径流型动态特征。观测期间岩溶水位变化部分情况见表2。
年内水位变化过程可分为以下3个阶段:
(1)水位回升期。3-3孔、观9孔奥灰水位动态变化情况如图5、图6所示,在每年的6~9月份是区内主要降雨期,地下水获得较集中的补给,岩溶水位自7月份起缓慢回升,至9月底回升幅度约2. 26~3. 67 m。
(2)水位相对稳定期。10月初至次年3月份,水位处于高峰阶段,此阶段水位变化幅度不大,相对平稳。
(3)水位下降期。4月底岩溶水位开始明显下降,下降持续时间约3个半月,年内水位谷值一般出现在7月份。
综上所述,奥灰水位回升时间滞后大气降水约20~30 d,滞后时间较短,说明区内岩溶地下水靠近东部补给区,径流途径较近.受降雨补给影响明显。
4.2人工流场水位动态特征
为了充分揭示奥灰岩溶水文地质条件,以中部群1孔和群2孔为抽水主孔,以两者间的3-5孔为中心观测孔。外围在北部布置3-3孔、东部布置水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,在勘查区以外对以往施工的观6孔、观5孔和观9孔3个岩溶孔也投入了监测工作,共9个观测孔,基本控制了整个勘查区。
抽水目的层为八陡组和阁庄组,采用非稳定流方法。时间为2006年9月30日至10月7日,历时176 h,抽水总流量为171. 94 m3/h。其中群l孔定流量为80. 83 m3/h,降深为67. 53 m,群2孔定流量为91. 11m 3/h1,降深为11. 12 m。其它观测孔降深随着与抽水主孔距离的增加而变小。
从9月30日8时开始抽水试验,抽水3 h后中心观测孔 3-5孔的水位降深为3.56 m,下降斜率较大;10 h后下降趋势变缓,10月1日8时水位趋于稳定,降深为4. 08 m。抽水试验开始1 min后,东部外围观测孔水1孔水位开始下降;3 min后北部3-3孔水位开始下降。初期3h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,观测孔水位变化趋缓。各外围观测孔中西部5-5孔降深最大为0. 74 m,南部3-7孔降深为0.60 m,东部水1孔降深为0. 53 m、3-3孔降深为0.61 m。
4d后勘查区外围观5孔、观9孔水位略微受到影响,降幅小于0.15 m。10月7日停泵,同期水位恢复速率最大为3-5孔,水1孔比3-3孔水位恢复速率略大,反映了水1孔补给条件比3-3孔好。
停泵前,水位降落漏斗形态如图7所示,等水位线呈椭圆形,其中等水位漏斗中心降深为4. 08 m,外围孔水位降深在0~0. 74 m之间。等水位线椭圆长轴(长约6.0 km)方向反映北东一南西方向径流条件较好,地下水补给较充足;等水位线椭圆短轴为西北方向,长约4.5 km,反映北部及西部受隔水边界制约补给条件较差。
4.3奥灰地下水补径排特征
勘察区内奥灰岩溶地下水主要接受东部岩溶水的侧向补给,其次接受覆盖区第四系裂隙水的渗漏补给。岩溶地下水总体自东向西径流,进入勘查区后,受中部半边店向斜和西部孙氏店断层阻水作用的控制,径流方向逐渐转为由东向南,经长沟支五断层孔屯一颜家村段向南径流,群孔抽水前的天然流场图如图8所示。据研究区北部3-3孔与其南部3-5孔水位高度计算,北南方向的水力坡度为0. 42%0;根据研究区东部水1孔与研究区西部3-5孔水位高度计算,东西方向水力坡度为1.4‰。由以上可知,奥灰含水层是下组煤开采底板突水的主要含水层。
5结论
(1)新驿井田奥灰岩溶主要发育在奥灰顶部的200 m岩层,以溶孔和溶蚀裂隙为主,局部见孔洞。
(2)该井田奥灰含水层在东部奥灰浅埋区,富水性相对较强;研究区的东北部、中东部奥灰属于中埋区;研究区的西部、南部随埋深增加,富水性逐渐减弱。
(3)奥灰岩溶水主要接受降水及第四系裂隙水补给,北东一南西方向补给强,西北方向补给弱,其地下径流强。奥灰岩溶水对下组煤安全开采存在巨大的威胁。