山东新驿井田奥陶系灰岩岩溶发育特征及富水性分析

王利军 赵 璞 刘晓威

(1.中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北 邯郸 056004；2.中国煤炭地质总局水文地质局，河北 邯郸 056004)

我国北方石炭—二叠纪含煤岩系是我国最主要的含煤岩系之一，上覆第四系巨厚松散含水层，下伏富水性极强的奥陶系灰岩（下面简称奥灰）含水层。受下部奥灰水突水威胁的太原组下组煤资源量较大，如东部的冀、豫、鲁地区，其下组煤煤炭资源量占到总资源量的40%以上，部分矿区所占比例甚至超过65%，深部开发潜力巨大。于是，随着老矿区上部煤炭资源的枯竭，下组煤的进一步开采将无疑是延长老矿井服务年限的重要途径，但相对的奥陶系灰岩的底板威胁程度也逐渐增大，严重威胁矿井的生产安全。所以，下伏奥灰富水性规律分析对于矿井安全生产的矿井涌水量预测和突水危险性评价都有十分重要的意义。

1 矿井地质概况

1.1 矿区概况

新驿井田位于山东省宁汶煤田南部，东距兖州市19km，西距汶上县城20km，行政区划归兖州市新驿镇管辖，面积56.9km2。目前主采煤层为上组3煤，生产规模为年产原煤100余万吨，为提高效益，下一步计划同时配采下组煤。

1.2 地层

本区属华北地层区鲁西地层分区济宁小区，地层自下而上为下古生界寒武系、奥陶系；上古生界石炭系、二叠系；中生界侏罗系；新生界古近系、新近系、第四系。其中含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，平均厚度为247.82m。区域地层缺失志留系、泥盆系、三叠系、白垩系。

1.3 构造

通过物探及钻探资料揭示，井田北侧为郓城断层、西侧为孙氏店断层，井田内断层主要是受此断层后期东西向拉伸及南北向挤压作用而形成的张扭性断层，造成井田内构造方向大致为北东向（图1）。

图1 研究区构造示意图

1.4 含（隔）水层

依据地下水含水介质及孔隙类型，区内主要的含水层自上而下可分为第四系冲洪积层孔隙含水层；二叠系砂岩裂隙含水层；石炭系层间岩溶裂隙含水层；奥陶系岩溶裂隙含水层。主要隔水层由上而下有第四系中段隔水层、上下石盒子隔水层、三灰至16煤之间隔水层、16煤、17煤下伏隔水层等。其中除奥灰含水层外，其他含水层在与奥灰没有水力联系的情况下易于疏干。

2 奥陶系灰岩岩溶发育特征

煤层下伏的奥陶系灰岩岩溶发育，形态以溶孔和溶蚀裂隙为主，局部见孔洞。含水层主要为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩。矿区中埋藏深度东部浅，只有200m左右；中部及西南部深，一般510.44～726.96m，最深达900m。

2.1 岩溶形态特征

2.1.1 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，直径一般0.5～2.0cm，泥质、方解石充填或半充填，一般连通性较差。

2.1.2 溶蚀裂隙

溶蚀裂隙多见于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩中，宽度一般小于2.5cm，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，岩溶连通性总体中等。

2.1.3 孔洞

姚小二参赛获奖，得到一双大号皮鞋，直接穿起来太大且伤脚，不穿可惜，送人又舍不得。思前想后，姚小二买来裹脚布，自己给自己缠脚。姚小二缠足适履，别扭，难受，脚臭，脚指头烂，走路慢，而且经常摔跤，一怒之下，姚小二扔掉大鞋和裹脚布，改穿布鞋。

孔洞主要见于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩中，直径一般为2～5cm，多沿溶蚀裂隙发育，方解石半充填。

2.2 岩溶发育规律

2.2.1 埋深的影响

勘查区岩溶在平面和垂向的发育规律都跟奥灰的埋深有着密切的关系，水1、群1、3-3孔、井下5-5孔、井下3-7孔等的勘查资料（进入钻孔的深度见表1）显示，随着奥灰埋深增加，岩溶发育变差，富水性有逐渐变弱的规律，物探资料也证实了这一点。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700m时，岩溶发育明显变差，如图2。

表1 主要钻孔进入钻孔一览表

图2 奥灰岩溶发育与埋深关系图

2.2.2 岩溶发育与构造的关系

在区内断层带附近地层破碎、裂隙发育，富水性总体强于一般地段，特别是在区内长沟支五断层及DF103断层东段，为异常低阻富水地段。本次水1孔、群2孔均距断层带较近，钻进中浆液漏失量及抽水涌水量均大于一般地区。此外，穿过区内的半边店向斜造成西南部及北部奥灰埋深增大，岩溶发育明显变差。

3 岩溶含水层的富水性分析

通过对勘查资料的研究，奥灰岩溶含水层的富水性主要取决于岩溶发育程度、边界的补给条件及地下水的径流条件。

3.1 岩溶地下水系统的边界补给条件

勘查区位于渊源泉岩溶水系统北部径流区上游西部。井田北部郓城断层为区域性隔水边界；南部长沟断层为导水断层，且长沟地垒区属强富水区；西部孙氏店断层落差达500m，闭合较好，西侧侏罗系及煤系泥页岩与东侧奥灰直接接触，可视为勘查区奥灰地下水的阻水边界；东部奥灰隐伏露头线以东，奥灰及第四系地下水、地表水均十分丰富，为勘查区内岩溶地下水的侧向补给区。因此，勘查区奥灰岩溶地下水主要接受东部区岩溶水的侧向补给，其次接受西部区第四系地下水的垂直渗漏补给，补给源十分丰富。

3.2 岩溶地下水的径流条件

3.3 岩溶含水层的富水性分区

本区岩溶水属埋藏型岩溶区，富水性总体为中等～弱，根据岩溶的发育程度、边界的补给条件、地下水的径流条件及钻孔单位涌水量，参考岩溶水层的埋深划分出了四个分区：

Ⅰ区（强富水带）：长沟支五、DF103、DF155、DF143、DF54、DF68、DF84、DF97、XF14、XF27等断层带，瞬变电磁勘探有低阻异常反映，推断为富水构造带。发生突水时一般来水迅猛，对采煤的潜在威胁最大。

Ⅱ区（较强富水带）：东部一采区、西部三采区大部，奥灰埋藏较浅～中等，富水性相对较强，单位涌水量大于0.300L/s·m，如：水1孔为0.319L/s·m，补2孔为 0.422L/s·m。

Ⅲ区（中等富水带）：二采区东部、一采区与四采区西部，奥灰埋深中等，为相对中等富水区，单位涌水量为0.040～0.300L/s·m。如：3-3孔为0.166L/s·m，9-6 孔为 0.047L/s·m。

Ⅳ区（弱富水带）：五采区东部及二、三采区交界一带，属奥灰深埋区，富水性相对较弱，单位涌水量小于0.040L/s·m。如：井下5-5孔为0.038L/s·m。弱富水区虽初始水压高，但卸压后稳定流量不大，突水易于控制。

图3 奥灰富水性分区图

4 结论

奥灰底板突水对下组煤开采具有很大的威胁，其中富水性强弱是其重要影响因素之一。通过研究得出：

（1）在本研究区，奥灰的岩溶发育基本随其埋深增加而变差，在断层带附近发育较好。

（2）奥灰含水层的富水性取决于岩溶发育程度、边界的补给条件及地下水的径流条件。

（3）根据全面分析将本区划分出了强富水带、较强富水带、中等富水带和弱富水带等四个分区。

（4）奥灰含水层的富水性分析对于煤矿开采下组煤、预防煤矿突水的威胁、确保矿井的安全生产及延长老矿服务年限有十分重要的意义。