大同煤田岩溶发育特征研究

王锋利

(中国煤炭地质总局第三水文地质队,河北 邯郸 056006)

0 引言

大同煤田位于山西省北部，地跨大同市南郊区、怀仁县、山阴县、左云县、右玉县，为我国重要的煤炭基地，为侏罗纪和石炭-二叠纪双纪煤田。现今，侏罗纪煤炭资源已近枯竭，正逐步向下延深开采石炭-二叠系煤层。石炭-二叠纪煤田已探明储量308.3亿t，主采煤层为石炭系3号、5号、8号煤层及二叠系山4号煤层。

延深生产后矿井充水条件将发生较大变化，特别是煤层底板会直接面临高承压的煤系基底岩溶水突水威胁。同时，该区为缺水地区，煤系基底岩溶水即是矿井生产水害因素，但同时更是宝贵的深层地下水资源。

基于研究区以往对岩溶发育特征研究工作已不能满足现阶段生产生活所需，因此，有必要对该区岩溶发育特征进一步分析研究。

1 岩溶发育特征

1.1 形态特征

大同煤田寒武-奥陶系为统一的含水岩体，其裸露区分布于东侧和西南侧的山脉，煤向斜轴部埋深逐步增大。据钻孔岩心鉴定，岩溶形态主要以溶蚀裂隙、溶孔为主，溶蚀裂隙和溶孔多见于下奥陶灰岩、白云质灰岩、白云岩和中寒武鲕状灰岩中，裂隙宽度一般小于2cm，溶蚀裂隙部分被方解石充填，局部裂隙斜交。见图1和图2。

为了分析岩溶裂隙及成分，笔者2015年12月于研究区分别采集了奥陶系白云岩和寒武系鲕粒灰岩(野外定名)送往中国地质大学(北京)实验室进行了显微镜下薄片鉴定。白云岩采样层位为奥陶系冶里组，据图3可见其间化石残体，多由生物碎屑灰岩经白云岩化交代作用而成生物碎屑白云岩，形成于浅海上部或潮间带以上的环境中，其碎屑即由波浪或水流冲击而成。可见白云岩溶孔或裂隙较发育，部分为粗晶方解石充填。

图1 DT12钻孔奥陶系顶面Figure 1 Ordovician top surface in borehole DT12

图2 DT12钻孔张夏组Figure 2 Zhangxia Formation in borehole DT12

鲕粒灰岩采样层位为寒武系张夏组。由显微镜下薄片鉴定结果可以看出该区鲕粒灰岩中裂隙多细而零乱，其间发育不规则压溶缝，后为方解石或残余溶解的泥质充填，鲕状灰岩裂隙发育，连通性相对较差。见图4。

1.2 垂向特征

通过对研究区岩溶水勘查钻孔岩溶发育段数据统计分析，发现该区岩溶发育层段主要集中在奥陶系冶里组和亮甲山组白云岩及白云质灰岩段， 以及张夏组鲕状灰岩层段，两层段岩溶发育率占全部岩溶发育段的83.90%，其中亮甲山和冶里组层段占比最高达到53.62%，张夏组层段为30.28%。据统计可见该区岩溶垂向发育呈现显著的双层结构。见表1。

图3 白云岩薄片(X40)Figure 3 Dolomite thin-section

图4 鲕粒灰岩薄片Figure 4 Oolitic limestone thin-section

孔号顶面标高/m底界标高/m层位岩性距顶界面距离/mDT1607.79557.00张夏组白云质灰岩124.01DT2726.00709.98张夏组白云质灰岩126.73722.62722.52冶里组灰岩38.70DT3524.02523.82张夏组鲕状灰岩237.50523.02522.92张夏组鲕状灰岩238.40DT5811.92768.64张夏组灰岩47.18DT6751.31744.66张夏组鲕状灰岩129.47DT7795.31785.41崮山组灰岩13.90DT8788.76786.57张夏组灰岩122.93723.01719.60张夏组灰岩189.90DT9771.38759.99亮甲山组白云质灰岩、灰岩16.62DT10835.07798.67亮甲山组白云质灰岩42.21780.07767.57冶里组白云岩73.31745.82712.82冶里组白云岩128.06677.18670.04崮山组鲕状灰岩170.84DT11890.69882.85亮甲山组白云岩7.84855.43845.98冶里组白云岩44.71808.80790.76凤山组灰岩99.93DT12780.79776.09亮甲山组泥灰岩30.27757.62702.62冶里组碎屑灰岩、灰岩103.74DT13655.64629.10长山组灰岩、竹叶状灰岩142.51618.66612.73崮山组灰岩158.88562.77562.37张夏组鲕状灰岩209.24DT14886.80874.12亮甲山组白云岩12.68832.63820.33冶里组白云岩66.47785.02765.57冶里组灰岩121.23DT15873.53868.56冶里组白云岩6.27857.43852.23冶里组灰岩22.60DT20813.03809.24张夏组竹叶状灰岩32.42807.66807.46张夏组鲕状灰岩34.20

注：统计时间2018年3月，统计范围为2010—2016年岩溶水勘查钻孔。

由表1可见，第一层岩溶发育段距离奥陶-寒武系顶界面多在6～50m，岩溶发育段底界标高在722.52～882.85m；第二层岩溶发育段距离奥陶-寒武系顶界面多在120～200m，岩溶发育段底界标高在522.92～809.24m。

对于垂向的分层性，袁道先[3]已有论述，他认为，山西高原在中生代以后一直处于裸露岩溶状态，经历过中生代及新近纪或古近纪的强岩溶化作用。由于后期地壳上升，原先的地下岩溶形态大部分已处于后期地下水系统的包气带中。后期的地下岩溶系统的发育，一般不继承老的溶洞。再者垂直方向上石灰岩与泥灰岩或白云岩交替出现，导致出现岩溶垂向发育的多层性。

1.3 平面特征

岩溶的平面发育可以通过该区岩溶含水层的富水性进行分析。

通过勘查研究区岩溶含水层单位涌水量为0.000 3～2.033L/(s·m)，渗透系数0.000 3～39.91m/d，富水性由弱至强，变化较大。见表2。

据研究区钻孔单位涌水量绘制岩溶水富水性分区。据图5可知中等富水区集中于研究区中部， 沿北西-南东向展布，仅在ZK718号钻孔附近为强富水区域。分析可见富水性较强区域多为北西向断层发育区域或北西向断层与北东向构造交割部位。

弱富水区分布于研究区西南部和北东部，东北部主要集中在同忻、四台井田，其次为燕子山井田北部、马脊梁井田大部分区域，塔山井田东北区域均为弱富水区。该区钻孔单位涌水量最大0.066 5L/(s·m)(DT10号)，最小为0.000 08L/(s·m)(DT4号)。研究区西南部虽为弱富水区，但是因该区域接近西部补给区，富水性较东北部稍强，该区域钻孔单位涌水量最大者为0.018 97L/(s·m)(A8号钻孔)，最小者为0.004 7L/(s·m)，东周窑西部钻孔富水性也在0.006 81～0.016L/(s·m)，均较研究区东北部富水。

表2 岩溶含水层水文地质参数统计

注：统计范围为2008—2017年研究区施工岩溶水勘查钻孔，资料来源为中国煤炭地质总局第三水文地质队、山西省煤田地质局115队、山西省地矿局217队。

图5 研究区富水性分区示意Figure 5 A schematic diagram of water yield property partitioning in study area

据已探明区域资料分析，研究区岩溶地下水主要为构造控水，北西向构造发育区和北西向与北东向构造交割区域富水性较强。即岩溶发育的平面特征主要为北西向构造控制，在北西向和北东向构造切割区域岩溶亦较为发育，而其他区域岩溶发育较差。该区岩溶平面呈现一种线性或带状联通模式而非类似其他大泉泉域水文地质系统的网络联通模式。

2 岩浆岩对岩溶的后期改造

通过资料收集及地面调查，研究区煤矿采掘以及地面中发现该区主要有两期岩浆岩运动对煤层和原岩进行了一定程度的改造。为此，笔者2015年于研究区采集了疑似石灰岩被侵入改造的岩石样品在中国地质大学进行了显微镜下薄片分析。

图6为采集自冶里组岩样分析结果，可以看到碳酸岩呈细脉穿入岩浆岩的现象，表明岩浆岩形成略晚于碳酸岩，与之接触的围岩一侧具有褪色的蚀变边。据前述分析，该区冶里组应为岩溶较发育层段，本样品却表现为裂隙封闭，岩溶发育较差情况。皆因后期岩浆岩改造而致其裂隙闭合，富、导水性变差。

图6 岩浆岩侵入白云岩(X40)Figure 6 Magmatic rock intruded into dolomite

3 结论

1)大同煤田岩溶发育呈现双层结构，其一发育于下奥陶统亮甲山组及冶里组，其二发育于中寒武统张夏组。相比上层岩溶更发育，为该区煤矿防治水和找水的重点。

2)研究区岩溶发育主要呈现线状(带状)联通，主要为北西向构造控制，其次为北西、北东向构造切割控制。

3)该区岩溶后期曾受多期岩浆岩活动改造，在该区煤矿防治水和找水过程中应考虑其对原生岩溶富水性及水质等的影响。