陈四楼矿太原组上段岩溶特征分析研究

高 俊

（永城永安矿山安全技术工程有限公司，河南 永城 476600）

陈四楼煤矿二2煤层底板隔水层厚度较小，加之采掘活动影响，底板发育一系列裂缝和底鼓，易导致含水层承压水突出，威胁矿井生产安全[1-4]。因此，研究底板岩溶特征及发育规律至关重要。矿井针对石炭系太原组及中奥陶统马家沟组岩溶开展了大量的勘探工程（表1）。此外，二2煤层底板注浆加固钻孔也揭露了底板大量太原组岩溶，是分析太原组岩溶发育程度和岩溶水动力条件的重要依据之一[5-7]。

表1 陈四楼矿隐伏岩溶勘探工作量统计表

前期勘探阶段，井田内揭露太原组灰岩和奥陶系灰岩钻孔较多，抽水试验数量和质量较高，二2煤底板岩溶的勘探程度和研究程度较高，二2煤底板岩溶的背景条件清楚。但在近30年煤炭开采条件下，永夏矿区二2煤底板太原组突水及底板注浆孔对太原组充分揭露，岩溶水被大量疏放。太原组原始条件下的水均衡早已被打破，各层岩溶系统之间的关系也发生了根本性改变[8]，亟需重新对底板岩溶发育特征进行分析、总结规律。

1 区域地质构造概况

研究区位于华北地台南缘，山东背斜徐蚌凹折带中，秦岭-昆仑纬向构造带东段的南侧，新华夏系第二沉降带的东侧。本区和华北地台一样，经历过多次构造运动，燕山期时形成现在的构造格局。在地质构造上，陈四楼煤矿所在井田属于永夏煤田，位于徐宿推覆体西部前缘滑动面以西，主要构造线方向为北北东，以高角度正断层为主。井田整体为一走向北北西单斜构造，褶曲、断层及岩浆活动均较发育[9]。井田内部构造近东西向以断层表现为主，褶曲次之；近南北向构造以褶曲表现为主，断层表现次之[10]。井田内共发育9条较大的褶皱构造，其中近南北向褶皱构造有7条，近东西向褶皱构造有2条。研究区构造纲要图如图1。

图1 研究区构造纲要图

2 矿井充水因素分析及主要含水层概况

2.1 充水因素

（1）顶板砂岩含水层是开采二2煤的直接充水水源，单位涌水量0.000 925～0.016 3 L/s·m；岩性以细粒砂岩、粉砂岩为主，间夹泥岩、砂质泥岩；厚度为0.60～65.09 m，平均厚度25.55 m；裂隙不发育，原始状态下，补给、排泄均以侧向水平渗透为主；一般随时间推移，水量逐渐变小，变为滴水或无水状态。在正常地层块段内砂岩裂隙水基本不影响矿井安全生产。

（2）石炭系太原组溶洞裂隙承压含水组含水层水压大，单位涌水量0.113～0.361 L/s·m，补给方式主要是灰岩含水层侧向补给[5]。该含水组共含灰岩11层，自下而上编号为L1～L11，岩性以灰岩、砂岩为主，间夹泥岩、砂质泥岩。上段（L11～L8）是矿井二2煤底板主要间接充水含水层，涌水量一般较顶板砂岩大，且水量衰减缓慢，治理困难，往往造成工作面停产、跳面搬家，是目前重点治理的含水层。

（3）井田内已发现断层1321条，其中决定井田边界及采区划分的大中型断层共计34条。矿井生产中，工作面实际揭露的小断层密度大，破碎带多被泥质碎块等物质充填，固结程度差。矿井采掘活动中曾发生断层涌水，涌水水源主要是L11～L8灰岩水。在断层发育地段，煤层底板完整性受到破坏，抗压强度低，在高压太原组灰岩水作用下易发生涌水。

（4）矿井自生产以来已经揭露三个陷落柱，其中两个陷落柱经巷道揭露后无水，为不富水、不导水的陷落柱体。在2209工作面上顺槽揭露一陷落柱，柱体内岩块胶结松散，在边缘处有滴水现象。经过采掘揭露后，工作面均绕过陷落柱回采。陷落柱在矿井范围内总体发育较少，导水性较弱，对采掘工程影响较小。

2.2 主要含水层概况

石炭系太原组溶洞裂隙承压含水层上段（L11～L8）是矿井二2煤底板主要间接充水含水层。二2煤下距太原组L11灰岩平均41.55 m，距L10灰岩平均60.16 m，距L9灰岩平均70.16 m，距L8灰岩平均75.19 m。L11灰岩均厚2.75 m，L10灰岩均厚3.84 m，L9灰岩均厚2.53 m，L8灰岩均厚11.18 m。L11～L8灰岩岩溶、裂隙发育，单位涌水量0.113～0.361 L/s·m，属于富水性中等的含水层。

中奥陶统马家沟组灰岩为厚层状灰岩，溶洞裂隙比较发育，但各部位不均，故富水性强弱差异悬殊。含水层原始水位标高+28.5 m，含水层单位涌水量1.929 L/s·m，渗透系数4.618 m/d，水质为SO4-Ca·Na型。奥陶系灰岩顶界面距二2煤层底板210 m，其间为灰岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩相隔，若无断层、陷落柱等垂向通道，本含水层对井田不构成突水威胁。

3 建立岩溶评价指标

在分析研究区底板注浆工程涌水特征和注浆规律的基础上，为评价太原组岩溶发育程度，建立单位面积岩溶涌水量、岩溶揭露出水概率、初始揭露岩溶涌水量、注浆量与涌水量比值等评价指标。

（1）单位面积岩溶涌水量

代表底板注浆孔在工作面内揭露同层岩溶水涌水量和的面积平均值，物理意义为单位面积单位时间内岩溶涌水量，表示为：

该指标越大，则该层灰岩单位面积涌水量越大，富水性越强。

（2）岩溶揭露出水概率

代表揭露同层岩溶时出水钻孔占总钻孔的比重，表示为：

式中：PLk为岩溶揭露出水概率；m为工作面内揭露Lk灰岩时出水钻孔数量；n为工作面内揭露Lk灰岩钻孔总数。

该指标越大，则揭露该层灰岩时钻孔出水概率越大。

（3）初始揭露岩溶涌水量

代表揭露同层岩溶时m个出水钻孔的平均涌水量，表示为：

（4）注浆量与涌水量比值

λ值越大，灰岩内非富水的孔、洞和裂隙越多，λ值在富水性弱的岩溶区或断裂带附近可高达5～6。

4 利用评价指标揭示底板岩溶特征

南翼二2煤底板水压4～6.5 MPa，以注浆加固L11～L8为主；北翼二2煤底板水压2～3 MPa，以注浆加固L11～L10为主；底板和南翼注浆加固钻孔揭露L11灰岩、L10灰岩和L8灰岩，南翼以L11灰、L10灰和L8灰出水为主，北翼以L11灰和L10灰出水为主。太原组灰岩水占钻孔揭露出水总量的95%以上。因此，二2煤底板注浆孔揭露的涌水特征和依据其得出的岩溶评价指标能够客观反映太原组岩溶发育程度和岩溶富水程度，见表2。

表2 注浆孔揭露L11～L8岩溶评价指标对比

4.1 L11灰岩岩溶发育规律

南翼L11灰岩溶单位面积岩溶涌水量为北翼10倍，岩溶初始揭露岩溶涌水量为北翼1.5倍，井田南翼与北翼发育差异明显。南翼L11因含水岩溶较发育，导致岩溶初始揭露强度较大；北翼L11出水点少、单位面积岩溶富水深度小、岩溶初始揭露强度小，L11含水岩溶不甚发育。从表4可以看出，L11灰岩富水性弱、最不均匀。

表4 陈四楼煤矿21501、21502、21503综采面注浆钻孔揭露太原组岩溶特征统计表

4.2 L10灰岩岩溶发育规律

南翼L10单位面积岩溶涌水量和岩溶初始揭露岩溶涌水量分别为北翼的5.6倍和1.4倍，可推测L10灰岩溶的南、北差异较L11灰减小，L10灰岩溶富水中心已略向北偏移，进一步推测底板注浆加固工程一定程度上加速了陈四楼向斜核部L10岩溶富水性的发展。

4.3 L9灰岩岩溶发育规律

底板注浆钻孔揭露L9灰岩钻孔比例非常少，L9主要依据地层间距推断，判断相对模糊。注浆成果对L9的划分证据不足，统计结果不佳。

表3 陈四楼煤矿21210工作面部分井下钻探钻孔成果台账

4.4 L8灰岩岩溶发育规律

南翼L8灰的单位面积岩溶涌水量、初始揭露岩溶涌水量和注浆量与涌水量比值分别比L10灰小20%、20%和23%，L8比L10岩溶富水性略弱，但富水更均匀，以充水岩溶为主，推测L8与L10具有一致的补给来源或通道。北翼L8灰以含水岩溶为主。南翼L8灰的单位面积岩溶涌水量是北翼的3倍，出水概率是北翼的2倍，表明南翼岩溶比北翼更发育，且富水性更强。

5 结论

综合太原组上段各灰岩层位的涌水特征，可以得出陈四楼煤矿岩溶特征具有以下规律：

（1）南翼以L10和L8灰岩涌水为主，L10比L8略多，二者占总涌水量80%～90%，L11涌水量仅占总涌水量10%～20%，L10和L8灰岩溶占钻孔揭露南翼富水岩溶的80%～90%。南翼岩溶整体比北翼更发育，且富水性更强。

（2）北翼各层灰岩涌水量比例变化较大，岩溶发育不均匀，北翼L11富水岩溶非常不发育，以少量非富水岩溶为主，总体仍以L10灰涌水为主，L10灰岩溶最发育。L10灰岩南翼注浆量与涌水量比值小于北翼，说明北翼非富水岩溶和构造裂隙更多。

综上所述，基于陈四楼煤矿开采现状及现有资料，通过建立若干岩溶评价指标对研究区太原组岩溶发育规律进行量化分析与评价，结合矿水文地质特征、二2煤底板注浆孔揭露的涌水特征，能够有效分析底板岩溶发育特征规律，为区内采掘设计、地质钻孔设计和煤层底板灰岩含水层改造提供参考依据。