黄　亮,马　杰,程志伟,黄　浩,吴斌斌

(宿州学院资源与土木工程学院,安徽 宿州 234000)

2　太原组灰岩厚度赋存规律统计分析



皖北区域深部太原组灰岩岩溶发育及富水性特征研究

黄亮,马杰,程志伟,黄浩,吴斌斌

(宿州学院资源与土木工程学院,安徽 宿州 234000)

摘要：在统计分析皖北区域典型矿井——芦岭矿、杨庄矿2个矿井各勘探阶段的大量钻孔地质资料基础上，总结出该区域深部太原组上段(L1～L4)薄层灰岩岩溶发育规律，重点对L1～L4各薄层灰岩及其之间隔水层的赋存规律进行定量分析。并结合2矿井的多个钻孔抽水试验成果资料，研究深部太原组上段灰岩的富水性特征，即钻孔单位涌水量随着埋深的增加而逐渐递减的规律。研究成果对指导高承压岩溶水上下组煤的安全开采有一定参考指导意义。

关键词：太原组灰岩；岩溶；钻孔单位涌水量；深部

1引言

中国的煤矿床水文地质条件极为复杂，目前有30多对矿井深度超过了1 000 m，华北东部地区居多。随着开采深度不断向更深处地下发展，不仅采矿成本高，而且高水压、高地压和高地温等问题也日益严重，同时易发一些难以预料的地质灾害(如突水、岩爆、冲击地压等)。矿井水害6大主要原因中(分别为煤层顶板松散层含水体突水、煤层底板灰岩含水体突水、陷落柱突水、断层突水、老空区突水和矿井酸性水害)，煤层底板灰岩含水体突水问题是制约华北煤矿区工业可持续发展的主要水患，其主要来自于煤系基底的奥灰和石炭系太原组承压含水层的岩溶裂隙水。

皖北含煤区域作为国内煤炭资源的主要集中地，煤炭资源丰富，赋存层位于石炭-二叠系。煤田多形成于早石炭世的海陆交互相沉积环境，并伴有一定的沉积旋回，在地层反复经受海侵海退之后，沉积了一套以陆源碎屑岩(砂岩、泥岩、页岩)及海相石灰岩为主的海陆交互相的岩性地层。区内突水机理研究成果颇多，相应的技术集成也已成功应用于煤矿的安全开采。深部地质环境，特别是对承压水上太原组灰岩赋存规律及其富水规律研究甚少。笔者通过对研究区内典型矿井大量钻孔及抽水试验成果的地质信息进行统计与分析(图1)，以期对皖北区域内深部地质环境太灰上段岩溶的发育规律、富水性及高承压岩溶水上安全开采提供一定的地质基础资料。

图1　研究区的区域位置图

2太原组灰岩厚度赋存规律统计分析

太原组含水灰岩厚度较大，是区域稳定的含水层，岩溶裂隙发育具有不均一性，垂向上岩溶裂隙发育程度高，横向上发育规律不明显，表现为灰岩富水性不均一。本文收集了芦岭矿和杨庄矿大量的钻孔地质资料，统计分析了区内太原组灰岩的发育情况(表1)，太灰总体厚度及各单层发育规律如下：

表1　芦岭矿、杨庄矿太灰各段厚度、平均距离及层间距统计表

1)区内太原组灰岩普遍发育且完整，L1灰～L11灰均有不同程度的发育，总体上各层发育厚度均在30 m以内，较为一致。其中L1灰～L4灰各单层灰岩发育厚度较大，最大26.49 m。反映了皖北太灰岩沉积厚度总体上发育较为均匀。

2)区内太灰岩总体上发育较为均一，但各单层灰岩发育厚度变化大，据钻孔地质资料显示，各单层灰岩两级厚度差值大，具有明显的海湾泻湖沉积相特征，其中部分钻孔揭露表明区内L11灰偶有沉积缺失现象出现。同时各层灰岩间距变化大，最小0.49 m，最大44.77 m，表明了煤矿区内灰岩与灰岩的沉积旋回之间的原始沉积环境的复杂性及灰岩间碎屑岩沉积相的多变。

3)2个矿区内L3灰发育厚度最小2.28 m，最大11.59 m；L4灰发育厚度最小0，最大26.49 m；L1灰发育厚度最小0.44 m，最大5.9 m；L2灰发育厚度最小1.25 m，最大7.79 m。可以得出矿区内L3灰和L4灰的发育厚度明显大于L1灰和L2灰的发育厚度，反映了区内太原组上段(L1～L4)灰岩中，L3灰和L4灰发育情况明显优于L1灰和L2灰，在煤炭开采过程中，应该注意这一区域性规律。

4)太灰岩中灰岩发育总厚度与灰岩间隔的其他岩性的岩层发育总厚度基本一致，这种灰岩与其他岩性岩石交互发育的特点反映了研究区内曾受到海陆交互相沉积古地理环境的影响，一定程度上改变了原先太灰段岩层的水力学性质和过水能力，同时也影响了深部岩溶发育的水动力环境，对太灰岩溶的发育产生一定的影响。

3太灰岩溶裂隙发育特征

2个矿区共24个钻孔揭露太原组上段(L1～L4)灰岩地层，其中10个钻孔现场描述验证：该区太原组灰岩L1灰～L4灰裂隙发育程度高，部分被方解石脉充填，局部破碎或伴有小溶洞(表2)。相关研究表明：裂隙发育程度高会促进岩溶的发育，与孔隙地层相比较，裂隙地层渗透性具有明显的各向异性和非均质性，致使岩层渗流水流动性增强，岩溶发育的水动力环境变好，灰岩岩层富水性也因此增强，从而在深部煤炭开采过程中容易发生煤层底板突水事故。

表2　芦岭矿杨庄矿太原组上段(L1～L4)灰岩裂隙描述统计

4太灰富水性研究

本文统计了芦岭矿、杨庄矿2个井田内16个太灰抽水钻孔。评价抽水试验成果中含水层富水性指标(即单位涌水量)进行非线性拟合，得到了标准孔径条件下测试深度与钻孔单位涌水量q的关系 (图2、图3)。

表3　杨庄矿抽水试验段测深与q值统计表

表4　芦岭矿抽水试验段测深与q值统计表

图2杨庄矿q值随深度变化趋势图图3芦岭矿q值随深度变化趋势图

从表3、表4可以看出，矿井钻孔单位涌水量并不是一个定值，而是随着测试深度的不同发生某种变化。同时，结合图1、图2做进一步分析，当测试深度H由70 m增加至500 m时，矿井钻孔单位涌水量q值从6×10-2L·s-1·m-1左右降低到0左右，显示出钻孔单位涌水量q随深度的加大而逐渐减小的弱化趋势。这种变化可揭示，随太灰含水层的埋深不断加大，地应力与之增大，进而导致岩溶裂隙张开度变小，裂隙呈逐渐闭合的趋势，最终导致深部岩溶裂隙含水层的富水性逐渐变弱。

5结论

华北东部地区皖北煤矿区太原组灰岩发育程度良好，L1灰到L11灰沉积完整，L1灰～L4灰发育厚度较大。其中，太原组上段(L1～L4)灰岩中，L3灰和L4灰的发育厚度明显大于L1灰L2灰的发育厚度。

大量矿井钻孔资料数据表明：太原组上段(L1～L4)灰岩中岩溶裂隙普遍发育，偶有小溶洞，部分裂隙被方解石充填。

通过非线性拟合分析，当矿井钻孔深度在70～500 m变化时，得到了矿井钻孔单位涌水量q随着测试深度H的增加而减小这一普遍性规律。在深部地区高围压、高应力条件下，裂隙发育程度低甚至不发育，渗流作用减弱。

参考文献：

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[责任编辑：刘守义英文编辑：刘彦哲]

Karst Development and Water Abundance Character of Taiyuan Formation’s Deep Limestone in North Anhui Province

HUANG Liang,MA Jie,CHENG Zhi-wei,HUANG Hao,WU Bin-bin

(School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

Abstract:Based on Lu-ling and Yang-zhuang coal mines’ massive borehole data of each exploration stages,this paper summarized the karst development law of upper member in Taiyuan formation(L1～L4),and especially quantitatively analyzed the occurrence regulation of each thin bedded limestone and its aquifuge.Meanwhile,according to multiple-well pumping tests,this paper studied the water abundance character of the upper member in Taiyuan formation.The units-inflow of drilling displayed a decline law with the increase of depth.The results are helpful for mining under-group coal seams on karst water with high-pressure.

Key words:limestone of taiyuan formation;karst development;units-inflow of drilling;depth

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2016.01.007

中图分类号：TU 457

文献标识码：A

作者简介：黄亮(1994-)，男，安徽池州人，安徽省宿州学院本科学生，主要研究方向：工程地质水文地质；马杰(1984-)，男，安徽宿州人，安徽省宿州学院硕士，助教，主要研究方向：工程地质水文地质。

基金项目：安徽省教育厅重点资助项目(Kj2013A249)；安徽省煤矿勘探工程技术研究中心资助项目(2012YKF14)；宿州区域发展协同创新中心全国开放课题资助项目(2014SZXTQP06)

来稿日期：2015-10-27