劉橋一礦岩溶陷落柱導水性分析

吳文金^1,2
(1 中國礦業大學(北京)北京市海澱區,100083;2 北京工業職業技術學院,北京市石景山區,100042)

摘　要　劉橋一礦是淮北煤田陷落柱發育數量最多、麵積最大的礦井,根據劉橋一礦已揭露的岩溶陷落柱的現場調查,結合以往華北煤田陷落柱資料,從劉橋一礦岩溶陷落柱發育的地質背景、岩溶陷落柱內部地質特征與水文地質特征,探討岩溶發育特征及對岩溶陷落柱含導水性03manbetx ,對未開采區進行預測,為煤礦安全生產提供地質資料。
關鍵詞　岩溶陷落柱　成因特征　導水03manbetx
1.前言
劉橋一礦位於安徽省淮北市濉溪縣城西劉橋鎮,東距淮北市約7ｋｍ,西接河南省永夏礦區。該礦井始建於1971年12月,至1981年5月建成投產,經1985年改擴建為130萬ｔ的大型礦井。礦區地層為華北地台沉積地層,井田主采煤層為二迭係下石盒子組4煤和山西組6煤,其下伏地層為太原組灰岩和巨厚層奧陶係灰岩(以下簡稱太灰和奧灰)。劉橋一礦自生產以來井下共揭露8個陷落柱,對礦井生產和安全造成了重大影響。為了保證岩溶陷落柱對礦井的安全與正常生產,減小岩溶陷落柱突水的危險性,有必要開展岩溶陷落柱研究工作,本文在現場的調研基礎上對劉橋一礦的岩溶陷落柱發育的地質背景、岩溶陷落柱成因特征及岩溶陷落柱含導水性進行03manbetx 。
2.岩溶陷落柱發育分布特征
2.1岩溶陷落柱發育的地質背景
劉橋一礦總體上處於大吳集複向斜南部仰起端,表現為一不完整的向斜構造形態,地層傾角一般8°～15°,受構造影響傾角變化較大,礦區主要斷裂構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育,總體上為一向斜構造形態,即陳集向斜,是礦區主體構造。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。在兩大斷層之間發育著較多的次級斷層,80%以上斷層走向近ＮＮＥ向,與主構造線近平行。斷層性質以正斷層為主,占近80%。
向斜構造決定了岩溶陷落柱的空間展布,可溶性岩層是岩溶陷落柱形成的前提。劉橋一礦奧陶紀灰岩厚約450ｍ,多為灰色中厚層至厚層灰岩,質地較純,屬埋藏型深岩溶。礦區外圍抽水資料顯示本區太灰、奧灰水量豐富,連通性較好,水質為ＨＣＯ3-Ｃａ-Ｍｇ型,溶蝕作用較強,這些為陷落柱的形成發育創造了良好條件。
2.2礦區可溶性碳酸鹽岩發育情況
劉橋礦區可溶性碳酸鹽岩地層主要有寒武係、奧陶係和石炭係。區域資料表明寒武係以白雲岩、白雲質灰岩為主,間有薄層灰岩,岩溶發育較弱,地層總厚度約1000ｍ,距離煤係地層較遠。
石炭係據本區鑽孔揭露(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,岩性以淺灰色到暗紅色的雜色含鋁泥岩為主,夾少量泥質灰岩,難以形成溶洞。太原組(Ｃ2ｔ)地層厚度115ｍ左右,岩性以深灰色的泥岩、粉砂岩及灰色砂岩為主,灰到深灰色石灰岩次之。太原組共含13層石灰岩,灰岩總厚約54ｍ,與砂、泥岩相間分布,難以形成較大溶洞。
本區奧陶係中下統發育穩定,地層厚度約500ｍ,岩性主要為碳酸鹽岩,是岩溶發育的物質基礎。
從水8鑽孔資料看(水8進入奧灰118 89ｍ),岩性為淺灰色厚層狀的石灰岩,質純、性脆、微晶結構,局部含白雲質,高角度裂隙發育,從岩性描述看主要為中統地層,其下應為馬家溝組灰岩,厚度在150ｍ以上,從區域資料看是形成大型溶洞的主要層段,也是本礦產生陷落柱的根基所在。
2.3劉橋一礦陷落柱發育特征03manbetx
劉橋一礦目前已發現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個陷落柱平麵分布看(圖1),可總結出如下特點。
(1)陷落柱均分布在陳集向斜軸部附近,且絕大多數發育在向斜軸的東翼;
(2)陷落柱的長軸多數基本平行於向斜軸;
(3)在陳集向斜仰起端陷落柱分布較密;
(4)陷落柱平麵多呈橢圓形,個別為不規則狀;
(5)陷落柱平麵上大小不等,小的僅710ｍ2,大的達2 96×104ｍ2。
3.劉橋一礦陷落柱內部地質特征及水文地質特征
3.1陷落柱內部堆積物的特點
對13次巷道揭露情況和鑽探情況分析,認為陷落柱內部堆積物具有以下特點。
(1)柱內岩石破碎,多具有棱角狀;
(2)柱內岩層均為上覆地層,在柱邊常見本層岩石;
(3)充填物多為泥砂物或煤屑、煤泥,充填於岩塊之間;
(4)柱內壓實程度不等,有的較為密實,有的鬆散易冒落,淺部發育陷落柱柱內壓實程度高於深部所見陷落柱;
(5)陷落柱在空間上呈倒漏鬥狀,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,絕大多數為不導水陷落柱,在巷道揭露初期多見潮濕、滲水,未出現溝通深部灰岩水的現象。Ａ1～Ａ7滲淋水多為煤係地層砂岩水,水量較小。

3.2太原群灰岩岩溶發育特征
劉橋一礦太原群由13層薄層灰岩組成,碳酸鹽岩的存在為岩溶發育提供了物質基礎。根據鑽探資料,一灰、二灰分別厚2～3ｍ,質較純;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,一至四灰岩水互補關係十分密切。地麵水8孔和井下探水1孔資料表明,三、四灰岩水向一、二灰補給。一至五灰局部岩溶發育,特別是處於斷裂構造附近,如邊界斷層、小斷層岩性破碎部位,岩溶相對發育,但太灰岩溶發育程度總體上屬中等偏弱。一至四灰鑽孔單位湧水量ｑ<1ｌ/ｓ•ｍ,含水量屬中等偏小,局部岩溶發育,有小溶洞出現,特別是處於斷裂構造附近,破碎帶部位,溶蝕現象比較明顯,但一般溶洞較小,連通性差。太灰岩溶發育程度總體上屬中等偏弱,結合區域地質資料分析,太原群灰岩岩溶溶洞在本礦區難以形成陷落柱。
3.3　奧陶係灰岩岩溶發育特征
奧陶紀灰岩在井田範圍內厚約450ｍ,其上部馬家溝組岩性多為灰色中厚層至厚層灰岩、白雲質灰岩,質較純。奧灰距六煤約180ｍ,頂麵埋深為120～620ｍ,屬埋藏型深岩溶,目前礦區奧灰水位標高為+10ｍ。井田北東向淮北相山一帶出露的奧灰是礦區岩溶水的露頭補給區,井田南部及東部有大片奧灰直接伏於鬆散層下。
礦區外圍供水水源資料顯示,奧灰鑽孔單位湧水量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後,距突水點16 2ｋｍ的童亭礦奧灰長觀孔水位下降了7 04ｍ,都說明本區奧灰水量豐富,連通性強。根據水質化驗資料,奧灰水水質類型為ＨＣＯ3-Ｃａ-Ｍｇ型,其中Ｃｌ-、ＳＯ42-含量較低,Ｆｅ2+、ＮＯ2含量極低,呈微量,反映礦區奧灰岩溶水目前仍處於逕流條件好的環境,岩溶作用仍較發育,陳集向斜軸部可能仍為集中循環交替帶。

4.岩溶陷落柱導水性分析　　
陷落柱的含水、導水性主要取決於柱內岩石的壓實程度,而壓實程度又取決於陷落柱的形成年代和柱內岩 石的水化程度。不同的地質及水文地質條件,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個陷落柱均未出現大的水害,範各莊礦見第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
現從Ａ1～Ａ7這7個陷落柱來看,發育年代較遠,柱體內的地下水活動很早就已結束。井下巷道觀測發現柱體內岩石的壓實作用較好,說明奧陶係界麵至六煤層間的垮落堆積物已經固結而形成了自然封閉的塞子,阻隔了奧灰水、太灰水和煤係砂岩水的聯係,這可從目前礦區太灰和奧灰的水位差得到反映;目前礦區太灰水位最低-249ｍ,而奧灰水位一般穩定在+10ｍ～+15ｍ範圍。所以Ａ1～Ａ7在自然狀態下不會給礦井生產帶來災害。
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日於540集中機巷迎頭揭露陷落柱時,發現Ａ8陷落柱內堆積物鬆散,並有滲水現象。揭露陷落柱初期,柱內出水0 1ｍ3/ｈ左右,隨後逐漸增大,40ｈ後水量增到5ｍ3/ｈ,之後一直穩定在5ｍ3/ｈ,鑽孔探測水量最大達15ｍ3/ｈ。出水一直穩定在25 5℃,水質化驗表明全硬度為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%。水質類型為:ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型,與太灰水質極為相似,與以往陷落柱出水的水質特征均不相同,具有特殊性。從實際巷道揭露可以看出,陷落柱內存在一定水量,從揭露之後的1個月時間中,水量基本穩定在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)與奧灰水的聯係分析。揭露陷落柱之後,對礦區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;另陷落柱出水水質化驗為ＳＯ4-Ｃａ•Ｍｇ型,而奧灰水質則為ＨＣＯ3-Ｃａ•Ｍｇ型。說明目前Ａ8出水與奧灰水暫無聯係,陷落柱未導通奧灰水。
(2)與太灰水的聯係分析。遇陷落柱出水時,進行了水質、水量、水溫和水壓觀測,水質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後,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係;從水壓觀測情況看,探查陷落柱鑽孔出水水壓測試為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係。
5.結語
岩溶陷落柱多形成在現代伸展構造或自重應力為主的地區,柱體圍岩具備易於冒落的岩體結構,陷落過程圍岩應力條件與采空區覆岩冒落過程類似,奧灰岩溶的持續作用是陷落柱柱體不斷向上發展的根本原因。
參考文獻
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