吳文金^1,2
(1 中國礦業(yè)大學(北京)北京市海淀區(qū),100083;2 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,北京市石景山區(qū),100042)

　　
摘　要　劉橋一礦是淮北煤田陷落柱發(fā)育數(shù)量最多、面積最大的礦井,根據(jù)劉橋一礦已揭露的巖溶陷落柱的現(xiàn)場調(diào)查,結(jié)合以往華北煤田陷落柱資料,從劉橋一礦巖溶陷落柱發(fā)育的地質(zhì)背景、巖溶陷落柱內(nèi)部地質(zhì)特征與水文地質(zhì)特征,探討巖溶發(fā)育特征及對巖溶陷落柱含導水性分析,對未開采區(qū)進行預測,為煤礦安全生產(chǎn)提供地質(zhì)資料。
關(guān)鍵詞　巖溶陷落柱　成因特征　導水分析
1.前言
劉橋一礦位于安徽省淮北市濉溪縣城西劉橋鎮(zhèn),東距淮北市約7ｋｍ,西接河南省永夏礦區(qū)。該礦井始建于1971年12月,至1981年5月建成投產(chǎn),經(jīng)1985年改擴建為130萬ｔ的大型礦井。礦區(qū)地層為華北地臺沉積地層,井田主采煤層為二迭系下石盒子組4煤和山西組6煤,其下伏地層為太原組灰?guī)r和巨厚層奧陶系灰?guī)r(以下簡稱太灰和奧灰)。劉橋一礦自生產(chǎn)以來井下共揭露8個陷落柱,對礦井生產(chǎn)和安全造成了重大影響。為了保證巖溶陷落柱對礦井的安全與正常生產(chǎn),減小巖溶陷落柱突水的危險性,有必要開展巖溶陷落柱研究工作,本文在現(xiàn)場的調(diào)研基礎(chǔ)上對劉橋一礦的巖溶陷落柱發(fā)育的地質(zhì)背景、巖溶陷落柱成因特征及巖溶陷落柱含導水性進行分析。
2.巖溶陷落柱發(fā)育分布特征
2.1巖溶陷落柱發(fā)育的地質(zhì)背景
劉橋一礦總體上處于大吳集復向斜南部仰起端,表現(xiàn)為一不完整的向斜構(gòu)造形態(tài),地層傾角一般8°～15°,受構(gòu)造影響傾角變化較大,礦區(qū)主要斷裂構(gòu)造與陳集向斜軸基本一致,總體方向為ＮＮＥ向。同時次級褶曲較為發(fā)育,總體上為一向斜構(gòu)造形態(tài),即陳集向斜,是礦區(qū)主體構(gòu)造。向斜軸沿ＮＮＥ方向延伸,樞紐向ＮＮＥ向傾伏,傾伏角7°～13°,且呈波狀起伏;向斜兩翼不對稱,東翼地層較陡,傾角一般為12°～40°,最大64°;西翼地層傾角較緩,傾角一般為6°～15°,其特點是東翼陡西翼緩,北部寬而南部窄,向斜東翼被劉橋斷層切割,西翼被土樓斷層切割。在兩大斷層之間發(fā)育著較多的次級斷層,80%以上斷層走向近ＮＮＥ向,與主構(gòu)造線近平行。斷層性質(zhì)以正斷層為主,占近80%。
向斜構(gòu)造決定了巖溶陷落柱的空間展布,可溶性巖層是巖溶陷落柱形成的前提。劉橋一礦奧陶紀灰?guī)r厚約450ｍ,多為灰色中厚層至厚層灰?guī)r,質(zhì)地較純,屬埋藏型深巖溶。礦區(qū)外圍抽水資料顯示本區(qū)太灰、奧灰水量豐富,連通性較好,水質(zhì)為ＨＣＯ3-Ｃａ-Ｍｇ型,溶蝕作用較強,這些為陷落柱的形成發(fā)育創(chuàng)造了良好條件。
2.2礦區(qū)可溶性碳酸鹽巖發(fā)育情況
劉橋礦區(qū)可溶性碳酸鹽巖地層主要有寒武系、奧陶系和石炭系。區(qū)域資料表明寒武系以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主,間有薄層灰?guī)r,巖溶發(fā)育較弱,地層總厚度約1000ｍ,距離煤系地層較遠。
石炭系據(jù)本區(qū)鉆孔揭露(水8、水18)地層厚度約130ｍ,為本溪組和太原組,本溪組(Ｃ2ｂ)地層厚度14ｍ左右,巖性以淺灰色到暗紅色的雜色含鋁泥巖為主,夾少量泥質(zhì)灰?guī)r,難以形成溶洞。太原組(Ｃ2ｔ)地層厚度115ｍ左右,巖性以深灰色的泥巖、粉砂巖及灰色砂巖為主,灰到深灰色石灰?guī)r次之。太原組共含13層石灰?guī)r,灰?guī)r總厚約54ｍ,與砂、泥巖相間分布,難以形成較大溶洞。
本區(qū)奧陶系中下統(tǒng)發(fā)育穩(wěn)定,地層厚度約500ｍ,巖性主要為碳酸鹽巖,是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。
從水8鉆孔資料看(水8進入奧灰118 89ｍ),巖性為淺灰色厚層狀的石灰?guī)r,質(zhì)純、性脆、微晶結(jié)構(gòu),局部含白云質(zhì),高角度裂隙發(fā)育,從巖性描述看主要為中統(tǒng)地層,其下應為馬家溝組灰?guī)r,厚度在150ｍ以上,從區(qū)域資料看是形成大型溶洞的主要層段,也是本礦產(chǎn)生陷落柱的根基所在。
2.3劉橋一礦陷落柱發(fā)育特征分析
劉橋一礦目前已發(fā)現(xiàn)8個陷落柱,巷道揭露13次,其中四層煤9次揭露,六層煤4次揭露。按揭露時間順序分別編號為Ａ1～Ａ8,見表1。這些陷落柱至少被巷道揭露一次,有的則多次揭露,其中Ａ1被南大巷穿過。
從已揭露的8個陷落柱平面分布看(圖1),可總結(jié)出如下特點。
(1)陷落柱均分布在陳集向斜軸部附近,且絕大多數(shù)發(fā)育在向斜軸的東翼;
(2)陷落柱的長軸多數(shù)基本平行于向斜軸;
(3)在陳集向斜仰起端陷落柱分布較密;
(4)陷落柱平面多呈橢圓形,個別為不規(guī)則狀;
(5)陷落柱平面上大小不等,小的僅710ｍ2,大的達2 96×104ｍ2。
3.劉橋一礦陷落柱內(nèi)部地質(zhì)特征及水文地質(zhì)特征
3.1陷落柱內(nèi)部堆積物的特點
對13次巷道揭露情況和鉆探情況分析,認為陷落柱內(nèi)部堆積物具有以下特點。
(1)柱內(nèi)巖石破碎,多具有棱角狀;
(2)柱內(nèi)巖層均為上覆地層,在柱邊常見本層巖石;
(3)充填物多為泥砂物或煤屑、煤泥,充填于巖塊之間;
(4)柱內(nèi)壓實程度不等,有的較為密實,有的松散易冒落,淺部發(fā)育陷落柱柱內(nèi)壓實程度高于深部所見陷落柱;
(5)陷落柱在空間上呈倒漏斗狀,上小下大,塌陷角一般為60°～85°,平均75°。從已揭露的8個陷落柱水文情況分析,絕大多數(shù)為不導水陷落柱,在巷道揭露初期多見潮濕、滲水,未出現(xiàn)溝通深部灰?guī)r水的現(xiàn)象。Ａ1～Ａ7滲淋水多為煤系地層砂巖水,水量較小。

3.2太原群灰?guī)r巖溶發(fā)育特征
劉橋一礦太原群由13層薄層灰?guī)r組成,碳酸鹽巖的存在為巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)鉆探資料,一灰、二灰分別厚2～3ｍ,質(zhì)較純;三、四、五灰分別厚8ｍ、12ｍ、4ｍ。三灰頂至五灰底總厚約29ｍ左右,實際為一含水層組,一至四灰?guī)r水互補關(guān)系十分密切。地面水8孔和井下探水1孔資料表明,三、四灰?guī)r水向一、二灰補給。一至五灰局部巖溶發(fā)育,特別是處于斷裂構(gòu)造附近,如邊界斷層、小斷層巖性破碎部位,巖溶相對發(fā)育,但太灰?guī)r溶發(fā)育程度總體上屬中等偏弱。一至四灰鉆孔單位涌水量ｑ<1ｌ/ｓ•ｍ,含水量屬中等偏小,局部巖溶發(fā)育,有小溶洞出現(xiàn),特別是處于斷裂構(gòu)造附近,破碎帶部位,溶蝕現(xiàn)象比較明顯,但一般溶洞較小,連通性差。太灰?guī)r溶發(fā)育程度總體上屬中等偏弱,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,太原群灰?guī)r巖溶溶洞在本礦區(qū)難以形成陷落柱。
3.3　奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育特征
奧陶紀灰?guī)r在井田范圍內(nèi)厚約450ｍ,其上部馬家溝組巖性多為灰色中厚層至厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,質(zhì)較純。奧灰距六煤約180ｍ,頂面埋深為120～620ｍ,屬埋藏型深巖溶,目前礦區(qū)奧灰水位標高為+10ｍ。井田北東向淮北相山一帶出露的奧灰是礦區(qū)巖溶水的露頭補給區(qū),井田南部及東部有大片奧灰直接伏于松散層下。
礦區(qū)外圍供水水源資料顯示,奧灰鉆孔單位涌水量ｑ=3 83ｌ/ｓ•ｍ,ｋ=2 36ｍ/ｄ。從任樓礦這次突水情況來看,奧灰突水量達到11854ｍ3/ｈ,突水4ｄ后,距突水點16 2ｋｍ的童亭礦奧灰長觀孔水位下降了7 04ｍ,都說明本區(qū)奧灰水量豐富,連通性強。根據(jù)水質(zhì)化驗資料,奧灰水水質(zhì)類型為ＨＣＯ3-Ｃａ-Ｍｇ型,其中Ｃｌ-、ＳＯ42-含量較低,Ｆｅ2+、ＮＯ2含量極低,呈微量,反映礦區(qū)奧灰?guī)r溶水目前仍處于逕流條件好的環(huán)境,巖溶作用仍較發(fā)育,陳集向斜軸部可能仍為集中循環(huán)交替帶。

4.巖溶陷落柱導水性分析　　
陷落柱的含水、導水性主要取決于柱內(nèi)巖石的壓實程度,而壓實程度又取決于陷落柱的形成年代和柱內(nèi)巖 石的水化程度。不同的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,形成的陷落柱類型和特征也不相同,其含水、導水性差異也大。劉一礦已揭露8個陷落柱均未發(fā)生水患,而任樓礦遇見第一個陷落柱時卻淹了井,開灤局前8個陷落柱均未出現(xiàn)大的水害,范各莊礦見第9個陷落柱時最大水量達123180ｍ3/ｈ,給礦井帶來滅頂之災。因此,陷落柱的含導水性受控因素太多,難以簡單地判定出它的含導水性。
4.1　Ａ1～Ａ7陷落柱含導水性
現(xiàn)從Ａ1～Ａ7這7個陷落柱來看,發(fā)育年代較遠,柱體內(nèi)的地下水活動很早就已結(jié)束。井下巷道觀測發(fā)現(xiàn)柱體內(nèi)巖石的壓實作用較好,說明奧陶系界面至六煤層間的垮落堆積物已經(jīng)固結(jié)而形成了自然封閉的塞子,阻隔了奧灰水、太灰水和煤系砂巖水的聯(lián)系,這可從目前礦區(qū)太灰和奧灰的水位差得到反映;目前礦區(qū)太灰水位最低-249ｍ,而奧灰水位一般穩(wěn)定在+10ｍ～+15ｍ范圍。所以Ａ1～Ａ7在自然狀態(tài)下不會給礦井生產(chǎn)帶來災害。
4.2　Ａ8陷落柱含導水性
Ａ8陷落柱具有一定的導水性。2004年2月4日于540集中機巷迎頭揭露陷落柱時,發(fā)現(xiàn)Ａ8陷落柱內(nèi)堆積物松散,并有滲水現(xiàn)象。揭露陷落柱初期,柱內(nèi)出水0 1ｍ3/ｈ左右,隨后逐漸增大,40ｈ后水量增到5ｍ3/ｈ,之后一直穩(wěn)定在5ｍ3/ｈ,鉆孔探測水量最大達15ｍ3/ｈ。出水一直穩(wěn)定在25 5℃,水質(zhì)化驗表明全硬度為73 62～77 80德國度,總礦化度為2716 57～2989 05ｍｇ/ｌ,ＳＯ42-含量為75 31%～78 46%,ＨＣＯ3-含量為9 01%～10 35%。水質(zhì)類型為:ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型,與太灰水質(zhì)極為相似,與以往陷落柱出水的水質(zhì)特征均不相同,具有特殊性。從實際巷道揭露可以看出,陷落柱內(nèi)存在一定水量,從揭露之后的1個月時間中,水量基本穩(wěn)定在5ｍ3/ｈ,探查孔均有0 1～15ｍ3/ｈ不等的出水量,說明此陷落柱含有一定水量,從水量的不均等性反映出柱體內(nèi)部連通性存在很大差異、空隙分布也不均勻。
(1)與奧灰水的聯(lián)系分析。揭露陷落柱之后,對礦區(qū)奧灰長觀孔進行了加密觀測,從2月6日的+15 83ｍ到2月28日的+15 02ｍ共下降了0 81ｍ,與原奧灰下降曲線一致;另陷落柱出水水質(zhì)化驗為ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型,而奧灰水質(zhì)則為ＨＣＯ3-Ｃａ•Ｍｇ型。說明目前Ａ8出水與奧灰水暫無聯(lián)系,陷落柱未導通奧灰水。
(2)與太灰水的聯(lián)系分析。遇陷落柱出水時,進行了水質(zhì)、水量、水溫和水壓觀測,水質(zhì)化驗資料表明其與太灰水均為ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型;從水量觀測分析陷落柱出水后,臨近太灰長觀孔(水12孔),從2月4日～2月28日水位由-245 50ｍ下降到-249 52ｍ,下降了4 02ｍ,比正常下降幅度稍有增大,說明陷落柱出水可能與太灰水有聯(lián)系;從水壓觀測情況看,探查陷落柱鉆孔出水水壓測試為2ＭＰａ,而臨近太灰長觀孔的太灰水壓為2 74ＭＰａ,較為接近;水溫測試陷落柱出水水溫為25 5℃,與此水平太灰水溫一致。綜合分析陷落柱出水與太灰水有一定聯(lián)系。
5.結(jié)語
巖溶陷落柱多形成在現(xiàn)代伸展構(gòu)造或自重應力為主的地區(qū),柱體圍巖具備易于冒落的巖體結(jié)構(gòu),陷落過程圍巖應力條件與采空區(qū)覆巖冒落過程類似,奧灰?guī)r溶的持續(xù)作用是陷落柱柱體不斷向上發(fā)展的根本原因。
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