霄云井田奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律研究

于小鴿，呂華東，張德明，呂昌興，曲林燕

（1.山東科技大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，山東泰安 271000；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，山東濰坊 261021；4.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東泰安 271000；5.濟(jì)南能源工程集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250300）

華北型煤田煤炭資源豐富，資源總量占全國(guó)總量的60%，總面積約為727 600 km2，是我國(guó)最主要的產(chǎn)煤區(qū)[1]，但是華北型煤田在開(kāi)采時(shí)幾乎都受到奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層的影響，煤層底板突水事故時(shí)有發(fā)生[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，逐步形成了一些理論和學(xué)說(shuō)。如“下三帶”理論[3]，原位張裂與零位破壞理論[4]，底板巖體“兩帶”的模型[5]，關(guān)鍵層理論[6]，“下四帶”理論[7]。但是這些理論需要不斷地豐富和發(fā)展。隨著開(kāi)采深度的增加，深部煤層的開(kāi)采受底板奧陶系灰?guī)r巖溶水威脅日益增加。因此研究深部巖溶的受控因素以及橫向與縱向變化規(guī)律是深部煤層開(kāi)采水害防治的重要課題。這也符合《煤礦防治水細(xì)則》[8]中的“防治水工作由過(guò)程治理向源頭預(yù)防，治水為主向治保結(jié)合的轉(zhuǎn)變”的要求[9]。為此，以霄云井田為研究背景，依據(jù)分形理論、X 衍射試驗(yàn)及玻片鑒定試驗(yàn)分析，研究斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度、巖石礦物成分及裂隙發(fā)育程度；借助水質(zhì)分析，研究巖溶水體穩(wěn)定性；結(jié)合構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖，礦物成分及水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出研究區(qū)奧陶系灰?guī)r巖溶的發(fā)育規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

霄云井田位于濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣霄云鎮(zhèn)，地勢(shì)平坦。鉆孔揭露的地層自下而上分別為奧陶系、石炭系、二疊系，新近系及第四系，其中主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組。研究區(qū)總體為北傾的單斜構(gòu)造，褶曲不發(fā)育，以斷裂構(gòu)造為主，且均為正斷層[10]。

霄云井田屬于華北板塊魯西南潛隆起區(qū)，華北地區(qū)三疊紀(jì)以后，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制下，經(jīng)歷了多期次不同方向的擠壓，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂發(fā)育，導(dǎo)致地下水循環(huán)加速，已經(jīng)被充填的古代巖溶在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下抬升，伴隨強(qiáng)烈的溶蝕作用，發(fā)育形成了現(xiàn)代巖溶。地下深部未被充填的古代巖溶在分異巖溶的疊加作用下，發(fā)育了大量的暗河、洞穴和陷落柱[11]。

2 霄云井田奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律

2.1 奧陶系灰?guī)r巖溶橫向發(fā)育規(guī)律

鉆孔資料分析表明，研究區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶沿?cái)嗔褬?gòu)造發(fā)育，形成明顯的構(gòu)造巖溶帶，同時(shí)在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期產(chǎn)生的斷裂帶連通了古巖溶與露頭區(qū)的現(xiàn)代巖溶，對(duì)巖溶起到改造和強(qiáng)化作用。因此，分析研究區(qū)巖溶橫向發(fā)育規(guī)律，首先要對(duì)研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。斷層分維值可以作為反映斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度的一個(gè)定量參數(shù)，該值與斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度成正相關(guān)關(guān)系[12]，是定量評(píng)價(jià)斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度的一種有效的指標(biāo)[13]。應(yīng)用斷層分維值對(duì)研究區(qū)的斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

斷層在空間上的展布形狀、形態(tài)等也呈現(xiàn)分形特點(diǎn)，斷層跡線的分形特征可以用來(lái)反映構(gòu)造在空間發(fā)育展布的復(fù)雜性及成熟度。

斷層分維值是1 個(gè)綜合性指標(biāo)，充分反映斷裂構(gòu)造的發(fā)育程度及其對(duì)周圍地層的影響程度。選用塊段分級(jí)法計(jì)算礦井區(qū)域的斷層分維值，首先將研究區(qū)分成邊長(zhǎng)r=r0的n 個(gè)正方形塊段，查明研究區(qū)內(nèi)存在斷層的塊段數(shù)目，記為N（r0）。后使r=r0/2、r0/4、r0/8、r0/16，得到相應(yīng)的N（ri），并投放到lgN（r）－lgr 坐標(biāo)系中擬合，所得擬合直線斜率的絕對(duì)值即為該塊段的斷層分維值，據(jù)此分析不同區(qū)域斷層復(fù)雜程度。具體算式如式（1）：

式中：DS為相似維分維；ri為塊段邊長(zhǎng)；n 為塊段數(shù)量；N（ri）為不同邊長(zhǎng)下存在斷層的塊段數(shù)目。

令研究區(qū)最大塊段邊長(zhǎng)r0為400 m，將研究區(qū)劃分為198 個(gè)正方形塊段，分別統(tǒng)計(jì)每1 個(gè)塊段內(nèi)含有斷層跡線的網(wǎng)格數(shù)N（ri），并根據(jù)式（1）計(jì)算不同塊段內(nèi)的斷層分維值。斷層分維等值線與構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖如圖1。

為了對(duì)斷層危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，采用高斯混合模型（GMM）的最大期望（EM）聚類[14-15]，將斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)的閾值定為0.5 和0.9，從而研究區(qū)域分成了地層完整區(qū)（DS≤0.5）、構(gòu)造影響區(qū)90.5＜DS≤0.9）和構(gòu)造破壞區(qū)（DS＞0.9）等3 個(gè)區(qū)。

斷裂構(gòu)造是巖溶發(fā)育的重要影響因素之一。斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的裂隙為地下水之間的聯(lián)系提供了通道，為巖溶的發(fā)育提供了有利條件，因此，在斷裂構(gòu)造越復(fù)雜的區(qū)域，越有利于巖溶的發(fā)育。

由圖1（b）可以看出，地層完整區(qū)位于井田的西南部、北部以及西北部。該區(qū)域幾乎沒(méi)有斷層發(fā)育，構(gòu)造交點(diǎn)和端點(diǎn)也較少，不利于巖溶的發(fā)育。構(gòu)造影響區(qū)作為地層完整區(qū)和構(gòu)造破壞區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域中構(gòu)造交點(diǎn)和端點(diǎn)發(fā)育程度一般，斷層規(guī)模和發(fā)育程度中等，巖體破碎程度中等，具有一定的巖溶發(fā)育條件。構(gòu)造破壞區(qū)位于井田中部和西部，該區(qū)域大斷層密集，該區(qū)巖體較為破碎，非常有利于巖溶的發(fā)育。

圖1 斷層分維等值線與構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖Fig.1 Fault dimension and tectonic complexity zone diagrams

2.2 奧陶系灰?guī)r巖溶縱向發(fā)育規(guī)律

奧陶系灰?guī)r的礦物成分和裂隙發(fā)育程度影響著巖溶的縱向發(fā)育規(guī)律，在相同的條件下，巖溶的發(fā)育程度隨著灰?guī)r的方解石含量和裂隙數(shù)量的增加而增大。為了研究霄云井田的奧陶系灰?guī)r巖溶的縱向發(fā)育規(guī)律，對(duì)取自霄云井田J8-3 號(hào)、J9-4 號(hào)鉆孔的巖樣進(jìn)行X 衍射試驗(yàn)和玻片鑒定試驗(yàn)，來(lái)分析巖樣的礦物組成成分和裂隙發(fā)育程度[16]。

試驗(yàn)設(shè)備采用Rigaku X 射線粉末衍射儀，將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)用HighScore Plus 軟件分析，得出樣品中的礦物成分，再用Origin 軟件進(jìn)行作圖，得到的X 衍射成果圖如圖2（距奧陶系灰?guī)r頂界面20 m）。圖中：θ 為衍射角。

由圖2 可以看出，距奧陶系灰?guī)r頂界面20 m 的奧陶系灰?guī)r樣品的方解石含量為79%，白云石含量為16%，其他礦物含量為5%，該樣品中白云石含量相對(duì)較高。將所有樣品的礦物含量百分比匯總分析，使用Origin 軟件繪制的礦物成分分析圖如圖3。

圖2 X 衍射成果圖Fig.2 X-ray diffraction results

由圖3 可以看出，巖樣主要由方解石和部分白云石組成，隨著深度的增加，方解石的含量逐漸增高，白云石的含量逐漸減少。根據(jù)白云石和方解石的含量，可以將巖樣分為2 段：第1 段是距奧陶系灰?guī)r頂界面0～40 m，這段中，白云石的含量較高；第2段是距奧陶系灰?guī)r頂界面40～100 m，這段中白云石的含量較小甚至為0，主要由方解石組成。

圖3 礦物成分分析圖Fig.3 Mineral composition analysis diagrams

在同等條件下，白云石的溶解度小于方解石的溶解度[17]，方解石更容易被溶蝕，形成大規(guī)模的溶洞。在此段巖樣中，白云石主要存在于第1 段，也就是灰?guī)r的上部，方解石集中分布在灰?guī)r的中下段，因此，在奧陶系灰?guī)r的中下部，距奧陶系灰?guī)r頂界面40～100 m，更容易發(fā)育大規(guī)模的溶洞，在奧陶系灰?guī)r的上部，距奧陶系灰?guī)r頂界面0～40 m，可能會(huì)發(fā)育少量小規(guī)模的溶洞。

根據(jù)X 衍射試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同深度的奧陶系灰?guī)r樣品的主要礦物晶體軸長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制出的礦物晶體軸長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)圖如圖4。

圖4 礦物晶體軸長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Mineral crystal axial length statistics

由圖4 可以看出，奧陶系灰?guī)r主要礦物的晶體軸長(zhǎng)變化比較平穩(wěn)，這表明礦物在1 個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的靜水環(huán)境中結(jié)晶[18]，這有利于碳酸鹽巖礦物的形成，為巖溶的發(fā)育提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，這也說(shuō)明巖溶形成的物質(zhì)基礎(chǔ)基本一致，從而推斷出斷裂構(gòu)造及裂隙等后期因素對(duì)不同深度巖溶的發(fā)育程度有較大影響。因此，為了研究不同深度巖溶的發(fā)育程度，需要對(duì)巖樣的裂隙發(fā)育程度進(jìn)行分析。

采用玻片鑒定試驗(yàn)的方法對(duì)巖樣的裂隙發(fā)育程度進(jìn)行分析，巖石玻片鑒定試驗(yàn)如圖5。結(jié)合玻片鑒定試驗(yàn)的結(jié)果，分析出巖樣礦物結(jié)晶體以中晶、細(xì)晶、粉晶和泥晶為主，這有利于灰?guī)r在地下水中的溶解、溶蝕作用。巖樣的裂隙發(fā)育隨著深度而變化，在距奧陶系灰?guī)r頂界面0～20、80～100 m 的裂隙發(fā)育規(guī)模較小。在距奧陶系灰?guī)r20～80 m 的裂隙發(fā)育規(guī)模較大，圖5（c）中可見(jiàn)1 條大的裂隙并被方解石充填，圖5（d）中可見(jiàn)1 條大的裂隙并未被充填，判斷在此段較容易發(fā)生溶蝕，形成溶洞。

圖5 巖石玻片鑒定圖Fig.5 Glass slide qualification test

2.3 奧陶系灰?guī)r巖溶水水質(zhì)分析

水對(duì)碳酸鹽巖的溶解是1 個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在巖性條件和水流條件保持不變的情況下，水中的CaCO3是否飽和，是巖溶是否能繼續(xù)產(chǎn)生的條件和基礎(chǔ)。為此對(duì)奧陶系灰?guī)r的水樣進(jìn)行分析，利用水樣的水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)來(lái)判定水中CaCO3飽和狀態(tài)，水質(zhì)化驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)化驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of water quality tests

計(jì)算水飽和指數(shù)（L.S.I.），水穩(wěn)定指數(shù)（R.S.I.）和沉淀指數(shù)（P.S.I.）來(lái)分析水質(zhì)情況。計(jì)算公式：

式中：A 為總?cè)芙夤腆w系數(shù)；B 為溫度系數(shù)；C為鈣硬度系數(shù)；D 為堿度系數(shù)；M 為系統(tǒng)中水的總堿度（以CaCO3計(jì)），mg/L。

水穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算表見(jiàn)表2。得知奧陶系灰?guī)r水樣的飽和指數(shù)（L.S.I.）為0.63～1.81，平均1.06，均大于0，碳酸鹽巖過(guò)飽和；Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)（R.S.I.）為4.33～5.87，平均5.40，均小于6，水體不穩(wěn)定；沉淀指數(shù)（P.S.I.）為3.74～6.31，平均4.81，均小于6，屬于沉淀趨勢(shì)。總體來(lái)講，奧陶系灰?guī)r巖溶水飽和度高，巖溶發(fā)育完全趨勢(shì)穩(wěn)定，繼續(xù)發(fā)生溶蝕可能性不大。

表2 水穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算表Table 2 Water stability index calculation

3 結(jié) 語(yǔ)

1）斷裂構(gòu)造的發(fā)育程度影響著水的匯集和流通，是巖溶發(fā)育的重要影響因素，結(jié)合構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖，確定了橫向上巖溶最有利于發(fā)育的區(qū)域，即位于井田中部和西部的構(gòu)造破壞區(qū)。

2）綜合X 衍射試驗(yàn)分析結(jié)果和玻片試驗(yàn)鑒定分析結(jié)果，可得出在縱向上，距奧陶系灰?guī)r頂界面40～80 m 這段最有利于巖溶的發(fā)育。

3）根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，可得出奧陶系灰?guī)r巖溶水飽和度高，巖溶發(fā)育完全趨勢(shì)穩(wěn)定，繼續(xù)發(fā)生溶蝕可能性不大。