宿縣礦區(qū)太原組上部灰?guī)r巖溶發(fā)育控制因素研究＊

鄭 晨，吳基文，沈書豪

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 概述

近年來隨著淺部煤炭資源的枯竭，很多煤礦現(xiàn)已進(jìn)入對深部煤炭資源開采的階段，有些礦井的最大開采深度已接近或者到達(dá)1000m〔1〕。我國重要煤產(chǎn)地60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，受水害的面積和嚴(yán)重程度均居世界各主要產(chǎn)煤國家的首位〔2-3〕。在我國煤礦水害史上，曾發(fā)生過百余起重大淹井事故，其中55%以上的案例屬底板突水引起的〔4-5〕。

山西組的10煤層是宿縣礦區(qū)各個煤礦現(xiàn)階段的主采煤層，在開采過程中受到底板太灰水的直接影響。太原組含有灰?guī)r12～14層，由于五灰及其以下各層灰?guī)r距離10煤層較遠(yuǎn)，對10煤層開采影響不大。影響碳酸鹽巖巖溶發(fā)育的因素有很多，如巖性因素、構(gòu)造因素、氣候因素、時間因素等〔6〕。有關(guān)學(xué)者〔7-9〕對宿縣礦區(qū)太灰?guī)r溶發(fā)育問題的研究較少，本文主要以太原組一～四層灰?guī)r為研究對象，從灰?guī)r成分、灰?guī)r結(jié)構(gòu)、巖層組合類型、古地貌以及礦區(qū)構(gòu)造五個方面分析宿縣礦區(qū)太原組上部灰?guī)r巖溶發(fā)育的影響因素。

2 宿縣礦區(qū)太原組上部灰?guī)r巖溶發(fā)育控制因素

2.1 灰?guī)r成分對巖溶發(fā)育的控制

碳酸鹽巖的成分比較復(fù)雜，主要由方解石、白云石和酸不溶物組成。質(zhì)地較純的碳酸鹽巖對巖溶的發(fā)育最為有利，不同成分的碳酸鹽巖對巖溶發(fā)育難易的影響具有一定規(guī)律：灰?guī)r＞白云質(zhì)灰?guī)r＞白云巖＞不純灰?guī)r〔10〕。若碳酸鹽巖中的方解石含量大于白云石，并且酸不溶物（如泥質(zhì)）含量較少，說明此類碳酸鹽巖巖溶發(fā)育較強烈。

從宿縣礦區(qū)太原組灰?guī)r成分上看，主要為灰?guī)r，灰?guī)r質(zhì)地不純～純，裂隙中充填有方解石脈，局部含有泥巖，整體上來說有利于巖溶的發(fā)育。

2.2 灰?guī)r結(jié)構(gòu)對巖溶發(fā)育的控制

實踐中發(fā)現(xiàn)，有些地區(qū)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r的巖溶比純灰?guī)r中的巖溶更發(fā)育。此外，有的灰?guī)r地區(qū)灰?guī)r的成分相近，其它條件也相近，但巖溶發(fā)育的層位卻有一定的選擇性，說明僅用巖石成分來解釋碳酸鹽巖的溶蝕性有一定的片面性〔11〕。

灰?guī)r結(jié)構(gòu)在一定程度上影響著巖溶的發(fā)育，宿縣礦區(qū)內(nèi)一～四層灰?guī)r結(jié)構(gòu)與巖溶發(fā)育關(guān)系見表1。從表1可以看出，宿縣礦區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度與灰?guī)r結(jié)構(gòu)的關(guān)系不是很明顯，但是不難看出，由于桃園礦發(fā)生過底板灰?guī)r突水事件，根據(jù)相關(guān)資料分析其巖溶發(fā)育程度較其它各礦好，說明灰?guī)r的隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于巖溶的發(fā)育。

表1 宿縣礦區(qū)太原組上部灰?guī)r結(jié)構(gòu)與巖溶發(fā)育關(guān)系

2.3 巖層組合結(jié)構(gòu)對巖溶發(fā)育的控制

碳酸鹽巖與非可溶鹽巖組合特點不同，就會形成各具特色的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而控制著巖溶的發(fā)育和空間分布〔12〕。

宿縣礦區(qū)太原組巖性組合特征為典型的碳酸鹽巖與非可溶巖層互層，巖性主要由石灰?guī)r、砂巖、泥巖和薄煤層組成，且以石灰?guī)r為主。穩(wěn)定的非可溶性巖層可形成相對隔水層，在一定程度上起到了溶蝕基準(zhǔn)面的作用。因此，太原組灰?guī)r形成了多層的水動力剖面。

從巖性對比（見圖1）上可以看出，一～四灰中以第三、四層灰?guī)r厚度較大，各層灰?guī)r之間有一層或幾層泥巖、粉砂巖相阻隔。對于影響太原組各灰?guī)r含水層層間水力聯(lián)系的泥巖分布情況以及厚度來看，礦區(qū)揭露的太原組一～四灰含水層中，泥巖較粉砂巖所占的比例大，且局部泥巖的厚度較厚。就泥巖在各層灰?guī)r間的分布情況來看，二、三灰間泥巖分布相對穩(wěn)定，使得一二灰與三四灰間水力聯(lián)系減弱，一、二灰間和三、四灰間的泥巖分布不穩(wěn)定，粉砂巖也有一定程度的分布，且三、四灰間泥巖厚度出現(xiàn)極大值和極小值。所以一、二灰間有一定的水力聯(lián)系，三、四灰間也有一定程度的水力聯(lián)系。宿縣礦區(qū)太灰?guī)r溶的垂向分布特征為：三、四灰較一、二灰?guī)r溶發(fā)育好。

圖1 宿縣礦區(qū)太原組一至四灰?guī)r性對比

2.4 礦區(qū)地形地貌對巖溶發(fā)育的控制

區(qū)域古地形地貌反映侵蝕基準(zhǔn)面和地下水排泄基準(zhǔn)面的性質(zhì)和分布，控制著地下水的補給和徑流方向，從而控制巖溶發(fā)育的總趨勢。在比較平緩的地段，降水所形成的地表徑流緩慢，則入滲量就大，有利于巖溶發(fā)育。相反，在地面坡度較陡的地段，地表徑流較快，滲入量小，巖溶發(fā)育較差〔11〕。

根據(jù)宿縣礦區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的基巖面標(biāo)高，繪制出古地形地貌空間分布（見圖2）。其中宿南向斜之上疊加了多個時期、不同規(guī)模、多個方向上的斷層，破壞了巖體的完整性。例如西寺坡逆沖斷層導(dǎo)致奧陶及寒武系地層隆起，另外在桃園北部的F1、F2斷層、魏廟斷層等共同作用下導(dǎo)致地層出現(xiàn)多處斷裂和凹陷，這在一定程度上控制著宿南向斜處古地形的高差和地貌。此外，宿南背斜在一定程度上控制了古地形西部的隆起，最終使宿南向斜形成了東、西兩側(cè)較為高聳、中間低洼，北高南低的古地形地貌。

據(jù)宿南礦區(qū)新生界底部沉積物特征與沉積模式的研究和分析〔13〕，新生界底部沉積物的沉積相可以分為洪積相、河流相（河道、天然堤）、坡積相等多種沉積相。其中河道相主要受到古地形地貌的控制，平面上發(fā)育了帶狀長條形，走向為西北—東南的古河道，河道相富水性好，是下伏太原組灰?guī)r豐富的地下水補給來源，對太原組灰?guī)r巖溶發(fā)育有著重要的影響。

圖2 宿縣礦區(qū)古地形地貌空間分布

另一方面（見圖3），紅色線條為太原組灰?guī)r隱伏露頭線。其中宿南向斜處存在較大范圍的灰?guī)r露頭區(qū)，其中桃園礦、祁南礦、祁東礦、龍王廟南部煤礦周圍灰?guī)r露頭多位于低洼處，巖溶較發(fā)育；龍王廟北部煤礦處灰?guī)r露頭多位于古基巖面的陡坡地段，巖溶發(fā)育較差；祁南深部煤礦周圍無灰?guī)r露頭，巖溶發(fā)育較差。宿東向斜內(nèi)灰?guī)r也有大范圍的出露，朱仙莊礦和蘆嶺礦周圍灰?guī)r出露的地方古地形相對較為平坦，巖溶發(fā)育具有不均一性，整體上來說發(fā)育較差，宿南背斜西部的的鄒莊礦、錢營孜礦及騎路孫礦周圍灰?guī)r出露很少，巖溶發(fā)育差。

圖3 宿縣礦區(qū)灰?guī)r露頭線分布

2.5 礦區(qū)構(gòu)造條件對巖溶發(fā)育的控制

構(gòu)造條件對巖溶發(fā)育的控制極為密切，不僅控制著巖溶發(fā)育的方向，而且控制著巖溶發(fā)育的規(guī)模和大小。宿縣礦區(qū)構(gòu)造綱要見圖4。

圖4 宿縣礦區(qū)構(gòu)造綱要

2.5.1 褶皺的控制

一般來說，褶皺的核部比翼部的斷裂發(fā)育程度要強。核部具有較大寬度和長度的巨型張裂隙，是地下水良好的補給路徑。雨水和地表水沿著這些張裂隙做垂向運動，有利于地下水的匯集，從而容易形成地下水的相對富集區(qū)，巖溶發(fā)育較強烈，易形成地下溶洞。褶皺開闊平緩時，碳酸鹽巖在地表的分布較廣泛，巖溶的分布亦較廣泛；在緊密褶皺區(qū)，可溶鹽巖與非可溶鹽巖相間分布，地表侵蝕與溶蝕地貌景觀亦呈相間分布，地下溶洞系統(tǒng)橫向發(fā)展受限，巖溶主要沿巖層走向發(fā)育〔11〕。宿縣礦區(qū)內(nèi)主要的褶皺有：宿東向斜、宿南向斜、宿南背斜。

宿縣礦區(qū)各個煤礦基本上均位于褶曲的翼部，除了宿南向斜較為寬緩?fù)?，宿東向斜與宿南背斜較為緊密，整體上來說，位于宿南向斜內(nèi)部的各個煤礦巖溶發(fā)育較宿東向斜和宿南背斜好。宿縣礦區(qū)的褶皺形態(tài)通過褶皺核部和翼部力學(xué)性質(zhì)不同，影響著不同位置灰?guī)r巖溶發(fā)育的程度。另外，褶皺形態(tài)通過控制灰?guī)r層位地下水的徑流條件，控制著巖溶在空間上的分布規(guī)律。

2.5.2 斷裂的控制

礦區(qū)內(nèi)的大斷裂主要有：北部的宿北斷裂，東部的固鎮(zhèn)～長豐斷裂，南部的板橋斷裂，西部的南坪斷層，以及礦區(qū)內(nèi)部的東三鋪斷層和西寺坡斷裂。宿縣礦區(qū)受構(gòu)造作用的影響，大體上又可將其劃分為宿東和宿南兩個亞礦區(qū)。

（1）宿東礦區(qū)

宿東礦區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造為宿東向斜，由于宿東向斜較為緊閉，故其構(gòu)造形態(tài)決定了該區(qū)處于一個相對獨立的水文地質(zhì)單元。

淮北礦區(qū)巖溶水文地質(zhì)單元的地下水在進(jìn)入宿東礦區(qū)過程中，由于受到北部宿北斷裂的阻隔，而且整個區(qū)域內(nèi)灰?guī)r由第四系松散層所覆蓋，垂向補給較差，所以無論是從垂向上還是徑向上，灰?guī)r補給條件都不大。宿東礦區(qū)的斷裂構(gòu)造以逆斷層為主，壓扭性斷裂帶多為壓碎巖、糜棱巖、斷層泥所組成，一般呈致密的膠結(jié)狀態(tài)，空隙率低，構(gòu)造封閉條件良好，不利于地下水的流通。在宿東向斜的核部沒有地下水的排泄點。因此，在礦井深部，灰?guī)r水流動處于停滯狀態(tài)，該徑流環(huán)境不利于灰?guī)r巖溶的發(fā)育，從而導(dǎo)致宿東礦區(qū)深部太原組灰?guī)r巖溶發(fā)育程度和富水性較差。

（2）宿南礦區(qū)

本單元的主要構(gòu)造為宿南向斜、宿南背斜。在向斜轉(zhuǎn)折端正斷層較為發(fā)育，此張性斷裂帶受到張拉應(yīng)力作用，張力程度較大，斷裂面粗糙不平，結(jié)構(gòu)松散，裂隙率高，是地下水滲流的有利通道，地下水含量相對較高，區(qū)內(nèi)灰?guī)r巖溶發(fā)育程度和富水性一般較強。宿南背斜核部為寒武、奧陶系地層組成，兩翼由石炭、二疊系地層組成，東翼傾角25°左右，總體上淺部陡，深部緩，這在一定程度上使得淺部灰?guī)r巖溶發(fā)育和富水性要強于深部，受構(gòu)造作用影響，背斜西部各礦巖溶發(fā)育情況較宿南向斜內(nèi)各礦要弱。

3 結(jié)語

1）在影響太灰?guī)r溶發(fā)育的幾個因素中，灰?guī)r成分、灰?guī)r結(jié)構(gòu)起到次要作用，巖性組合及古地貌的作用次之，礦區(qū)構(gòu)造是影響太灰?guī)r溶發(fā)育的主控因素。

2）通過分析，位于宿南向斜內(nèi)的各個煤礦太灰上部含水層巖溶發(fā)育較位于宿東向斜和宿南背斜西部的各個煤礦好。

3）在垂向上，一、二層灰?guī)r具有水力聯(lián)系，三、四層灰?guī)r間也具有水力聯(lián)系，但是一、二層灰?guī)r和三、四層灰?guī)r間的水力聯(lián)系程度不好。

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