霄云井田奥陶系灰岩岩溶发育规律研究

2022-02-10于小鸽吕华东张德明吕昌兴曲林燕

煤矿安全 2022年12期

于小鸽，吕华东，张德明，吕昌兴，曲林燕

（1.山东科技大学资源与土木工程学院，山东泰安 271000；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；3.山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，山东潍坊 261021；4.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿，山东泰安 271000；5.济南能源工程集团有限公司，山东济南 250300）

华北型煤田煤炭资源丰富，资源总量占全国总量的60%，总面积约为727 600 km2，是我国最主要的产煤区[1]，但是华北型煤田在开采时几乎都受到奥陶系灰岩强含水层的影响，煤层底板突水事故时有发生[2]。针对这一问题，很多学者对此进行了大量的研究，逐步形成了一些理论和学说。如“下三带”理论[3]，原位张裂与零位破坏理论[4]，底板岩体“两带”的模型[5]，关键层理论[6]，“下四带”理论[7]。但是这些理论需要不断地丰富和发展。随着开采深度的增加，深部煤层的开采受底板奥陶系灰岩岩溶水威胁日益增加。因此研究深部岩溶的受控因素以及横向与纵向变化规律是深部煤层开采水害防治的重要课题。这也符合《煤矿防治水细则》[8]中的“防治水工作由过程治理向源头预防，治水为主向治保结合的转变”的要求[9]。为此，以霄云井田为研究背景，依据分形理论、X 衍射试验及玻片鉴定试验分析，研究断裂构造复杂程度、岩石矿物成分及裂隙发育程度；借助水质分析，研究岩溶水体稳定性；结合构造复杂程度分区图，矿物成分及水质分析试验结果，总结出研究区奥陶系灰岩岩溶的发育规律。

1 研究区概况

霄云井田位于济宁市金乡县霄云镇，地势平坦。钻孔揭露的地层自下而上分别为奥陶系、石炭系、二叠系，新近系及第四系，其中主要含煤地层为石炭系上统太原组及二叠系下统山西组。研究区总体为北倾的单斜构造，褶曲不发育，以断裂构造为主，且均为正断层[10]。

霄云井田属于华北板块鲁西南潜隆起区，华北地区三叠纪以后，在区域构造应力场的控制下，经历了多期次不同方向的挤压，构造运动强烈，断裂发育，导致地下水循环加速，已经被充填的古代岩溶在构造运动下抬升，伴随强烈的溶蚀作用，发育形成了现代岩溶。地下深部未被充填的古代岩溶在分异岩溶的叠加作用下，发育了大量的暗河、洞穴和陷落柱[11]。

2 霄云井田奥陶系灰岩岩溶发育规律

2.1 奥陶系灰岩岩溶横向发育规律

钻孔资料分析表明，研究区内奥陶系灰岩岩溶沿断裂构造发育，形成明显的构造岩溶带，同时在新构造运动时期产生的断裂带连通了古岩溶与露头区的现代岩溶，对岩溶起到改造和强化作用。因此，分析研究区岩溶横向发育规律，首先要对研究区构造复杂性进行评价。断层分维值可以作为反映断裂构造复杂程度的一个定量参数，该值与断裂构造复杂程度成正相关关系[12]，是定量评价断裂构造复杂程度的一种有效的指标[13]。应用断层分维值对研究区的断裂构造复杂程度进行评价。

断层在空间上的展布形状、形态等也呈现分形特点，断层迹线的分形特征可以用来反映构造在空间发育展布的复杂性及成熟度。

断层分维值是1 个综合性指标，充分反映断裂构造的发育程度及其对周围地层的影响程度。选用块段分级法计算矿井区域的断层分维值，首先将研究区分成边长r=r0的n 个正方形块段，查明研究区内存在断层的块段数目，记为N（r0）。后使r=r0/2、r0/4、r0/8、r0/16，得到相应的N（ri），并投放到lgN（r）－lgr 坐标系中拟合，所得拟合直线斜率的绝对值即为该块段的断层分维值，据此分析不同区域断层复杂程度。具体算式如式（1）：

式中：DS为相似维分维；ri为块段边长；n 为块段数量；N（ri）为不同边长下存在断层的块段数目。

令研究区最大块段边长r0为400 m，将研究区划分为198 个正方形块段，分别统计每1 个块段内含有断层迹线的网格数N（ri），并根据式（1）计算不同块段内的断层分维值。断层分维等值线与构造复杂程度分区图如图1。

为了对断层危险性进行分区评价，采用高斯混合模型（GMM）的最大期望（EM）聚类[14-15]，将断裂构造复杂程度分区的阈值定为0.5 和0.9，从而研究区域分成了地层完整区（DS≤0.5）、构造影响区90.5＜DS≤0.9）和构造破坏区（DS＞0.9）等3 个区。

断裂构造是岩溶发育的重要影响因素之一。断裂构造运动形成的裂隙为地下水之间的联系提供了通道，为岩溶的发育提供了有利条件，因此，在断裂构造越复杂的区域，越有利于岩溶的发育。

由图1（b）可以看出，地层完整区位于井田的西南部、北部以及西北部。该区域几乎没有断层发育，构造交点和端点也较少，不利于岩溶的发育。构造影响区作为地层完整区和构造破坏区的过渡区域，该区域中构造交点和端点发育程度一般，断层规模和发育程度中等，岩体破碎程度中等，具有一定的岩溶发育条件。构造破坏区位于井田中部和西部，该区域大断层密集，该区岩体较为破碎，非常有利于岩溶的发育。

图1 断层分维等值线与构造复杂程度分区图Fig.1 Fault dimension and tectonic complexity zone diagrams

2.2 奥陶系灰岩岩溶纵向发育规律

奥陶系灰岩的矿物成分和裂隙发育程度影响着岩溶的纵向发育规律，在相同的条件下，岩溶的发育程度随着灰岩的方解石含量和裂隙数量的增加而增大。为了研究霄云井田的奥陶系灰岩岩溶的纵向发育规律，对取自霄云井田J8-3 号、J9-4 号钻孔的岩样进行X 衍射试验和玻片鉴定试验，来分析岩样的矿物组成成分和裂隙发育程度[16]。

试验设备采用Rigaku X 射线粉末衍射仪，将试验所得的数据用HighScore Plus 软件分析，得出样品中的矿物成分，再用Origin 软件进行作图，得到的X 衍射成果图如图2（距奥陶系灰岩顶界面20 m）。图中：θ 为衍射角。

由图2 可以看出，距奥陶系灰岩顶界面20 m 的奥陶系灰岩样品的方解石含量为79%，白云石含量为16%，其他矿物含量为5%，该样品中白云石含量相对较高。将所有样品的矿物含量百分比汇总分析，使用Origin 软件绘制的矿物成分分析图如图3。

图2 X 衍射成果图Fig.2 X-ray diffraction results

由图3 可以看出，岩样主要由方解石和部分白云石组成，随着深度的增加，方解石的含量逐渐增高，白云石的含量逐渐减少。根据白云石和方解石的含量，可以将岩样分为2 段：第1 段是距奥陶系灰岩顶界面0～40 m，这段中，白云石的含量较高；第2段是距奥陶系灰岩顶界面40～100 m，这段中白云石的含量较小甚至为0，主要由方解石组成。

图3 矿物成分分析图Fig.3 Mineral composition analysis diagrams

在同等条件下，白云石的溶解度小于方解石的溶解度[17]，方解石更容易被溶蚀，形成大规模的溶洞。在此段岩样中，白云石主要存在于第1 段，也就是灰岩的上部，方解石集中分布在灰岩的中下段，因此，在奥陶系灰岩的中下部，距奥陶系灰岩顶界面40～100 m，更容易发育大规模的溶洞，在奥陶系灰岩的上部，距奥陶系灰岩顶界面0～40 m，可能会发育少量小规模的溶洞。

根据X 衍射试验数据，对不同深度的奥陶系灰岩样品的主要矿物晶体轴长进行统计，绘制出的矿物晶体轴长统计图如图4。

图4 矿物晶体轴长统计图Fig.4 Mineral crystal axial length statistics

由图4 可以看出，奥陶系灰岩主要矿物的晶体轴长变化比较平稳，这表明矿物在1 个相对稳定的静水环境中结晶[18]，这有利于碳酸盐岩矿物的形成，为岩溶的发育提供了基础。同时，这也说明岩溶形成的物质基础基本一致，从而推断出断裂构造及裂隙等后期因素对不同深度岩溶的发育程度有较大影响。因此，为了研究不同深度岩溶的发育程度，需要对岩样的裂隙发育程度进行分析。

采用玻片鉴定试验的方法对岩样的裂隙发育程度进行分析，岩石玻片鉴定试验如图5。结合玻片鉴定试验的结果，分析出岩样矿物结晶体以中晶、细晶、粉晶和泥晶为主，这有利于灰岩在地下水中的溶解、溶蚀作用。岩样的裂隙发育随着深度而变化，在距奥陶系灰岩顶界面0～20、80～100 m 的裂隙发育规模较小。在距奥陶系灰岩20～80 m 的裂隙发育规模较大，图5（c）中可见1 条大的裂隙并被方解石充填，图5（d）中可见1 条大的裂隙并未被充填，判断在此段较容易发生溶蚀，形成溶洞。

图5 岩石玻片鉴定图Fig.5 Glass slide qualification test

2.3 奥陶系灰岩岩溶水水质分析

水对碳酸盐岩的溶解是1 个复杂的过程，在岩性条件和水流条件保持不变的情况下，水中的CaCO3是否饱和，是岩溶是否能继续产生的条件和基础。为此对奥陶系灰岩的水样进行分析，利用水样的水质稳定指数来判定水中CaCO3饱和状态，水质化验统计表见表1。

表1 水质化验统计表Table 1 Statistical table of water quality tests

计算水饱和指数（L.S.I.），水稳定指数（R.S.I.）和沉淀指数（P.S.I.）来分析水质情况。计算公式：

式中：A 为总溶解固体系数；B 为温度系数；C为钙硬度系数；D 为碱度系数；M 为系统中水的总碱度（以CaCO3计），mg/L。

水稳定指数计算表见表2。得知奥陶系灰岩水样的饱和指数（L.S.I.）为0.63～1.81，平均1.06，均大于0，碳酸盐岩过饱和；Ryznar 稳定指数（R.S.I.）为4.33～5.87，平均5.40，均小于6，水体不稳定；沉淀指数（P.S.I.）为3.74～6.31，平均4.81，均小于6，属于沉淀趋势。总体来讲，奥陶系灰岩岩溶水饱和度高，岩溶发育完全趋势稳定，继续发生溶蚀可能性不大。