山西省奥陶系峰峰组富水性影响因素研究

李 淼

(山西省煤炭地质148勘查院, 太原 030053)

0 引言

奥陶系灰岩岩溶水的高压水头是导致华北聚煤区下组煤层底板突水的主要因素之一。峰峰组作为奥陶系石灰岩的顶部地层，是山西五大含煤盆地下组煤煤层底板的间接充水含水层，同时也是现行煤炭地质勘查煤田孔的主要终孔层位，其富水性质直接决定下组煤的采掘安全。峰峰组上段在岩溶发育和补给条件良好的情况下，是太原组下部煤层底板的第一主要含水层，也是煤矿底板岩溶水的主要勘查和研究对象，因此查明矿区峰峰组水文地质特征是研究灰岩岩溶水的重要内容，同时也是保证下组煤安全采掘的关键[1-2]。但以往对山西奥陶系峰峰组水文地质条件的研究仅局限于矿区水文地质钻探资料分析，对全省含煤地层峰峰组的水文地质条件和富水性研究较少，对影响峰峰组富水性强弱的关键因素缺乏系统深入分析，本文在综合前人研究的基础上，分析了全省奥陶系峰峰组富水性的影响因素。

1 分布及岩性特征

寒武奥陶系石灰岩是华北含煤地区煤系的基底，峰峰组作为中奥陶系残留地层的顶板，下伏于本溪组之下，广泛分布于山西五大煤田中(图1)。山西的奥陶系统峰峰组，分布范围大致在河津、翼城一线以北，兴县木崖头，娄烦、定襄县尉池凹一线以南的地区[3]。地层一般厚200m，南部厚50～150m，太原地区100～150m，阳泉地区厚137～250m[4]。全省峰峰组分为上下两段。下段为灰黄色白云质泥灰岩夹白云质灰岩，厚90～150m，底部以泥灰岩底板与下伏地层分界。上段为灰黑色、青灰色厚层、中厚层含生物碎屑灰岩，具豹皮状构造。在太原市—晋中一带上段厚4～12m，河津厚7m，翼城一般厚35m，沁水盆地及霍东地区厚70～94m。

图1 山西省奥陶系峰峰组分布Figure 1 Distribution of Ordovician Fengfeng Formation in Shanxi Province

2 各煤田富水性分析

2.1 河东煤田

河东煤田北部兴县地区峰峰组平均厚88m，上段顶部岩性为古风化壳二次胶结成岩，泥质含量较高，裂隙发育较差，且多为方解石和黏土矿物质充填，岩溶发育较差，富水性弱。未风化地层为致密状粉晶泥晶灰岩为主。抽水试验显示，峰峰组含水层单位涌水量为0.000 7～0.036 7L/(s·m)，富水性较弱，顶部30～50m可视为相对隔水层[5]。

河东煤田中部峰峰组厚度为108m左右，其中上段厚70m，岩性以厚层状白云质灰岩为主(图2)，矿物成分以方解石为主，为弱含水层。下段厚20～30m，岩性以膏溶角砾岩、硬石膏岩、泥质灰岩为主，裂隙发育较差，且大部分为泥质充填，为隔水层。测井资料显示，离柳地区峰峰组顶部隔水层厚6～17m[6]。贺西煤矿，抽水试验资料表明峰峰组整体渗透系数仅为0.008 64～0.056m/d，富水性差[7]。

图2 河东煤田中部峰峰组上段白云质灰岩[7]Figure 2 Fengfeng Formation upper member dolomitic limestone in middle Hedong coalfield[7]

河东煤田南部峰峰组厚120m左右，根据岩性特征分为下部的石膏段夹厚层泥晶灰岩段和上部的风化淋滤段。抽水试验表明，本区峰峰组上段地层属于弱含水层，下段含硬石膏段由于位于地下水滞留区，水动力条件较弱，属于强隔水层[8-9]。

2.2 西山煤田

西山煤田峰峰组厚108～127m，平均厚度118m，下段以浅灰、灰色角砾状泥灰岩、白云质泥灰岩为主(图3)，夹脉状、纤维状石膏层，上段为深灰色、灰色厚层状石灰岩夹角砾状泥灰岩、白云岩质灰岩或白云岩、致密坚硬，含黄铁矿及方解石脉。南部边山清交断裂带地区，峰峰组上段岩心较完整，裂隙不发育，且多为方解石充填[10]。中下部局部见溶蚀孔洞，孔洞直径小于2 mm。

图3 西山煤田峰峰组下部角砾状石灰岩[11]Figure 3 Fengfeng Formation lower part brecciola in Xishan coalfield[11]

西山煤田古交矿区峰峰组上段岩性主要为泥晶-细晶石灰岩，矿物以方解石为主，裂隙溶洞发育，为弱含水层，而下段以粉晶白云岩、泥质石灰岩和角砾状石灰岩为主(图3)，岩溶不发育，裂隙中充填泥质方解石、粉晶石膏等，为典型的隔水岩组[11-12]。

屯兰矿区峰峰组上段为含黄铁矿的石灰岩和泥灰岩，下段为角砾状泥灰岩、灰岩及石膏，岩溶裂隙不发育，加之矿区处于西山岩溶地下水相对滞留区，屯兰矿区峰峰组上段顶部和下段底部富水性均较差，均可作为相对隔水层[13]。

西山矿区除白家庄矿外，大部分煤层位于岩溶水位以上。古交矿区大部位于岩溶水位以下，有带压开采威胁，但单位涌水量小于0.05L/(s·m)，开采证实对煤层开采影响不大。清交边山地区峰峰组含水层厚1.40～11.65m，单位涌水量0.000 819-0.001 89 L/(s·m)，渗透系数0.000 02～0.001 80 m/d，富水性较差，可作为煤系与上马家沟的相对隔水层[10]。

2.3 沁水煤田

沁水煤田北部太原东山地区峰峰组厚130m左右，上段40～50m厚层石灰岩与泥灰岩，岩溶裂隙发育，富水性较强，钻孔单位涌水量在2.23 L/(s·m)。下段为角砾状泥灰岩夹厚层石膏两层，为良好的隔水层。研究表明，东山地区太原组、本溪组、峰峰组之间，在垂向上无水力联系[14];即使在奥陶系之内，由于各组段之间存在相对隔水层，在无构造导通的情况下，其纵向水力联系也较弱[15]。横向上，含水层的赋存条件主要受地质构造控制，富水性差异较大，受断层影响带的富水性较强。

阳泉地区峰峰组上段以石灰岩、灰质角砾岩为主，厚94m左右，下段以白云岩、硬石膏岩、角砾岩为主，厚138m左右[16](图4)。下段硬石膏较发育，结构致密且多与白云岩共生，构造简单地区可以作为隔水层[17]。

潞安地区峰峰组上段为泥晶和细砂晶灰岩，结构致密，富水性较差。下段上部为石膏与白云岩互层，中下部为角砾状石灰岩段，岩溶孔隙较发育，为弱含水层(图4)，底部泥质白云岩含量较高，岩溶不发育，为相对隔水层[18]。上段含水层厚度变化较大，东部地区地层位于岩溶水位之上的，一般不含水。中部含水层厚度达120m，含水性较好。西部由于埋藏深，岩溶孔隙发育差，含水层最薄处为6.4m，含水性变弱。含水层厚度为30～70m。单位涌水量0.001～5.23L/(s·m)，一般为2.30L/(s·m)。含水性从东向西逐渐减弱，局部受构造影响，富水性明显增强。

沁水煤田南部长治县经坊一带，峰峰组厚153～183m，平均174m。上段平均厚120 m，岩性主要为石灰岩夹豹皮状角砾灰岩。下段平均厚54m， 岩性以泥灰岩，角砾状泥灰岩为主，含少量石灰岩、白云质灰岩。底部以石膏层与下伏马家沟组分界。长治南部地区峰峰组上段岩溶裂隙溶孔发育，富水性普遍强，钻孔单位涌水量为1.267～28.766 L/(s·m)，平均为7.273 L/(s·m)，渗透系数0.94～205 m/d[19]。

a.潞安矿区峰峰组上段泥晶灰岩[16]； b.阳泉矿区峰峰组上段白云质灰岩[18]；c.阳泉矿区峰峰组下含硬石膏质白云岩[18]； d.潞安矿区峰峰组下段泥晶白云岩[18]图4 沁水煤田峰峰组岩性Figure 4 Lithology of Fengfeng Formation in Qinshui coalfield

沁水煤田东南部寺河矿峰峰组抽水试验显示峰峰组单位涌水量在0.000 9～0.005 9L/ (s·m) ,是上马家沟组平均单位涌水量的0.1～0.01倍，说明峰峰组与马家沟组水力联系微弱，分析认为峰峰组上部35 ～70 m可作为下部马家沟组的相对隔水层[20]。

2.4 宁武煤田

煤田北部地区峰峰组为深灰色厚层花斑状石灰岩，夹数层白云质灰岩，厚0～50m，岩溶裂隙发育，以溶孔溶隙和蜂窝状溶孔为主，地面也有成层溶洞，中下段含水性强，轩岗一带钻孔涌水量为0.65L/(s·m)，大部分钻孔穿过此层时漏水，岩心裂隙小溶洞有充填现象，含水性弱。南部岚县矿区岩性为微晶质花斑状石灰岩，角砾状石灰岩，泥灰岩与钙质泥岩互层，石灰岩岩溶裂隙较为发育，钻孔单位涌水量为4.67～74.31L/(s·m)，渗透系数为0.159～155.4m/d[4]。

2.5 霍西煤田

霍西煤田峰峰组以厚层状、致密，块状、质纯石灰岩为主，矿物成分以方解石为主，其次为白云石，泥质少量，厚70～94m，北厚南薄，翼城一带约35m。根据岩性特征，分为上下两段，上段以纯石灰岩为主，岩溶发育，是主要含水层。下段含石膏泥灰岩中所夹薄层白云质灰岩也是含水层之一。李雅庄井田峰峰组上段以厚层状灰岩为主，平均29m，下段为含石膏泥灰岩夹白云质灰岩，但由于区内断裂发育，局部与上覆太原组灰岩水沟通，导致富水性差异较大[21]。高阳地区峰峰组下段由泥灰岩、石膏、硬石膏组成，平均厚度58m，岩溶裂隙不发育，为相对隔水层。上段由泥晶、粉晶灰岩组分，平均厚44m，个别钻孔单位涌水量为0.956 9 L/(s·m)，富水性能中等，但与上马家沟组无水力联系[22-23]。

3 分析与讨论

整理目前五大煤田勘探资料，根据煤矿防治水[24]细则(晋安监调查〔2018〕14号)含水层富水性及突水点等级划分标准，将五大煤田峰峰组富水性进行分类，如表1。可以看出，沁水煤田大部分地区和霍西煤田部分地区峰峰组上段富水性较强，宁武煤田峰峰组下段富水性中等以上。除此之外，山西大部分含煤地区峰峰组富水性均较弱，峰峰组上段顶部或下段底部均有稳定隔水层存在；影响峰峰组富水性的因素除岩性条件外，还与地层所处的岩溶大泉的水力位置和区域构造复杂程度有关。其中岩性条件是富水强弱的基础，地层所处的岩溶大泉地下水力位置和区域构造条件是富水性强弱的必要条件。

表1 五大煤田峰峰组富水性分类、影响因素及隔水层位置

3.1 岩性条件

岩溶裂隙决定岩层富水性强弱，而岩性条件是岩溶裂隙的决定因素。峰峰组上段的风化层和下段的含石膏性决定了峰峰组岩溶发育程度，进而影响富水性。河东煤田峰峰组整体泥质、石膏含量较高，孔隙以微孔隙和超微孔隙为主，地下水渗流条件较差。古交矿区峰峰组上段的泥晶细粉晶石灰岩中方解石含量大于95%[25]，质地纯净，所以孔隙、岩溶，富水性较强。下段以粉晶白云岩、泥质石灰岩和角砾状石灰岩为主，渗透性较差，岩溶不发育，且裂隙被泥质、粉晶方解石、粉晶石膏等充填，而成为隔水层。漳村矿峰峰组上段灰岩孔隙为泥质、方解石、石膏充填，岩溶不发育[18]。斜沟煤矿峰峰组上段灰岩中氧化钙比例大于51%， 孔隙类型以晶间孔、 晶间溶蚀孔隙、微裂隙为主，孔隙度较小，渗透性较差，岩溶裂隙不发育，富水性较差[5]。阳泉矿区峰峰组中硬石膏发育，结构致密，并与白云岩共生，导致峰峰组渗透性和孔隙度变差，隔水性增强[17]。

3.2 水力位置和埋深

地层所处的岩溶地下水补给、径流、排泄位置和埋深是含水层富水性的重要条件。受大气降水和地表水补给，峰峰组地下水在沿岩溶裂隙、孔隙流动过程中，在具侵蚀性CO2的参与下，与可溶性岩层发生持续的物理化学作用，进一步加剧了岩层中的岩溶和裂隙，进而导致富水性增强。即在岩溶地下水径流带上，溶蚀裂隙、溶蚀孔发育，富水性就强。如沁水煤田中部潞安—长治一带，由于受辛安泉径流带影响，峰峰组上段岩溶裂隙、溶孔发育，富水性普遍较强[19]。而离柳矿区贺西煤矿由于处于柳林泉地下水滞留区，地下水交替滞缓，岩溶裂隙不发育，富水性变差[7]。西山煤田屯兰矿区，由于处于岩溶地下水缓流区，峰峰组富水性也较差[13]。

此外，地层埋深也是峰峰组含水层富水性强弱的重要影响因素。在峰峰组出露区，岩溶裂隙发育，大气降水和地表水补给丰富，富水性较强。而在埋藏区，随着埋藏深度的增加，峰峰组所处的奥灰水的水力位置逐渐过渡为缓慢交替带及滞留带，岩溶裂隙减少，岩溶极不发育，富水性就变的很弱。如位于西山煤田西南缘边山地区的王家庄煤矿，在峰峰组出露区，峰峰组富水较强，出水量可达40 m3/h[10]。随着峰峰组埋深的增加，岩溶裂隙逐渐减少，富水性逐渐减弱，在峰峰组671m埋深时，单位涌水量仅为0.001 89 L/(s·m)，渗透系数仅为0.000 05 m/d[10]。霍西煤田高阳煤矿西部峰峰组埋深较浅区矿井稳定涌水量高达260m3/h，单位涌水量为0.1～1 L/(s·m)，为中等富水区。而在向斜轴部埋深较大区，单位涌水量均小于0.1 L/(s·m)[22]，为弱富水区。沁水煤田长治经坊地区，峰峰组埋藏较浅区渗透系数平均为70.7 m/d，而深埋区JS-3号孔的渗透系数仅为0.94 m/d[19]。

3.3 构造导通

构造导通是强富水性形成的重要条件。山西中南部地区太原组中发育3～5层灰岩，但由于厚度较小，岩溶裂隙不发育，富水性并不强。但在浅埋藏地区，可接受大气降水或河流渗漏补给时，富水性变强。在断层或陷落柱导致与下伏峰峰含水层导通时，又会导致峰峰组富水性变强[26]。如霍西煤田霍州矿区断裂构造发育，断层、陷落柱导致白龙矿、南下庄矿、李雅庄井田峰峰组与上覆太原组灰岩水沟通，富水性变强，下组煤突水事件频发[27-29]。沁水煤田东北部太原东山地区太原组、本溪组、峰峰组、上马家沟组之间，在无构造导通的情况下，纵向水力联系极弱，而受断层或陷落柱影响地带，由于上下含水层沟通，富水性较强[14-15]。如太原东山煤矿峰峰组上段单位涌水量为2.23 L/(s·m)，而在构造导通的观门前地段，受断层影响，钻孔单位涌水量高达77.73 L/(s·m)[15]，含水层的富水性受地质构造控制明显。阳泉地区峰峰组下段在无构造导通地段富水性也较差[17]。可以看出，构造导通是峰峰组富水性强的必要条件。

4 结论

综合以上分析，可以看出，岩性条件是山西省峰峰组岩溶孔隙、裂隙发育的基础，岩溶裂隙的发育程度是峰峰组富水性强弱的重要条件。峰峰组上段和下段底部岩溶裂隙整体发育较差，富水性差。在全省不同地区，由于岩性的不同，岩溶孔隙和裂缝发育程度不同，富水性也就不同。质地纯净、方解石含量高的灰岩、白云岩空裂隙发育程度显著强于泥质灰岩和泥质白云岩以及角砾状灰岩。峰峰组所处的水力位置是决定富水性强弱的另一重要条件。岩溶径流带峰峰组的富水性强于滞留带，出露区富水性大于浅藏区大于深埋区。构造导通是峰峰组富水性强的另一重要条件。在无构造导通的情况下，山西大部分地区峰峰组与下伏强含水层无水力联系，在富水性较弱地区，峰峰组上段顶部和下段底部可视为煤系与上马家沟组的相对的隔水层。