大同煤田巖溶發(fā)育特征研究

　　摘 要: 大同煤田正大力向石炭-二疊紀(jì)煤田延深，其煤礦開采的主要水害已由原來的侏羅紀(jì)采空區(qū)積水轉(zhuǎn)變?yōu)樯喜抠_紀(jì)采空區(qū)積水水害和煤系基底奧陶-寒武系巖溶水突水雙重威脅。基于此，通過資料收集、鉆探、抽水試驗(yàn)、薄片鑒定及統(tǒng)計(jì)研究等手段，主要論述該區(qū)煤系基底巖溶發(fā)育特征。研究認(rèn)為該區(qū)巖溶發(fā)育呈現(xiàn)“雙層結(jié)構(gòu)”，巖溶發(fā)育主要為構(gòu)造控制，且受到后期巖漿巖改造影響。

　　關(guān)鍵詞: 巖性分析; 薄片鑒定; 資料分析; 構(gòu)造控水; “雙層結(jié)構(gòu)”; 巖漿巖改造

　　0引言

　　大同煤田位于山西省北部，地跨大同市南郊區(qū)、懷仁縣、山陰縣、左云縣、右玉縣，為我國重要的煤炭基地，為侏羅紀(jì)和石炭-二疊紀(jì)雙紀(jì)煤田。現(xiàn)今，侏羅紀(jì)煤炭資源已近枯竭，正逐步向下延深開采石炭-二疊系煤層。石炭-二疊紀(jì)煤田已探明儲量 308. 3 億 t，主采煤層為石炭系 3 號、5 號、8 號煤層及二疊系山 4 號煤層。

　　延深生產(chǎn)后礦井充水條件將發(fā)生較大變化，特別是煤層底板會直接面臨高承壓的煤系基底巖溶水突水威脅。同時(shí)，該區(qū)為缺水地區(qū)，煤系基底巖溶水即是礦井生產(chǎn)水害因素，但同時(shí)更是寶貴的深層地下水資源。

　　基于研究區(qū)以往對巖溶發(fā)育特征研究工作已不能滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)生活所需，因此，有必要對該區(qū)巖溶發(fā)育特征進(jìn)一步分析研究。

　　1 巖溶發(fā)育特征

　　1. 1 形態(tài)特征

　　大同煤田寒武-奧陶系為統(tǒng)一的含水巖體，其裸露區(qū)分布于東側(cè)和西南側(cè)的山脈，煤向斜軸部埋深逐步增大。據(jù)鉆孔巖心鑒定，巖溶形態(tài)主要以溶蝕裂隙、溶孔為主，溶蝕裂隙和溶孔多見于下奧陶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和中寒武鮞狀灰?guī)r中，裂隙寬度一般小于 2cm，溶蝕裂隙部分被方解石充填，局部裂隙斜交。見圖 1 和圖 2。

　　為了分析巖溶裂隙及成分，筆者 2015 年 12 月于研究區(qū)分別采集了奧陶系白云巖和寒武系鮞?；?guī)r( 野外定名) 送往中國地質(zhì)大學(xué)( 北京) 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了顯微鏡下薄片鑒定。白云巖采樣層位為奧陶系冶里組，據(jù)圖 3 可見其間化石殘?bào)w，多由生物碎屑灰?guī)r經(jīng)白云巖化交代作用而成生物碎屑白云巖，形成于淺海上部或潮間帶以上的環(huán)境中，其碎屑即由波浪或水流沖擊而成?？梢姲自茙r溶孔或裂隙較發(fā)育，部分為粗晶方解石充填。

　　鮞?；?guī)r采樣層位為寒武系張夏組。由顯微鏡下薄片鑒定結(jié)果可以看出該區(qū)鮞?；?guī)r中裂隙多細(xì)而零亂，其間發(fā)育不規(guī)則壓溶縫，后為方解石或殘余溶解的泥質(zhì)充填，鮞狀灰?guī)r裂隙發(fā)育，連通性相對較差。見圖 4。

　　1. 2 垂向特征

　　通過對研究區(qū)巖溶水勘查鉆孔巖溶發(fā)育段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)巖溶發(fā)育層段主要集中在奧陶系冶里組和亮甲山組白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r段，以及張夏組鮞狀灰?guī)r層段，兩層段巖溶發(fā)育率占全部巖溶發(fā)育段的 83. 90%，其中亮甲山和冶里組層段占比最高達(dá)到 53. 62%，張夏組層段為 30. 28%。據(jù)統(tǒng)計(jì)可見該區(qū)巖溶垂向發(fā)育呈現(xiàn)顯著的雙層結(jié)構(gòu)。見表 1。

　　由表 1 可見，第一層巖溶發(fā)育段距離奧陶-寒武系頂界 面 多 在 6 ～ 50m，巖溶發(fā)育段底界標(biāo)高在 722. 52～882. 85m; 第二層巖溶發(fā)育段距離奧陶-寒武系頂界面多在 120 ～ 200m，巖溶發(fā)育段底界標(biāo)高在 522. 92～809. 24m。

　　對于垂向的分層性，袁道先[3]已有論述，他認(rèn)為，山西高原在中生代以后一直處于裸露巖溶狀態(tài)，經(jīng)歷過中生代及新近紀(jì)或古近紀(jì)的強(qiáng)巖溶化作用。由于后期地殼上升，原先的地下巖溶形態(tài)大部分已處于后期地下水系統(tǒng)的包氣帶中。后期的地下巖溶系統(tǒng)的發(fā)育，一般不繼承老的溶洞。再者垂直方向上石灰?guī)r與泥灰?guī)r或白云巖交替出現(xiàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)巖溶垂向發(fā)育的多層性。

　　1. 3 平面特征

　　巖溶的平面發(fā)育可以通過該區(qū)巖溶含水層的富水性進(jìn)行分析。

　　通過 勘 查 研 究 區(qū) 巖 溶 含 水 層 單 位涌水量為 0. 000 3～ 2. 033L /( s · m ) ，滲 透 系 數(shù) 0. 000 3～ 39. 91m /d，富水性由弱至強(qiáng)，變化較大。見表 2。

　　據(jù)研究區(qū)鉆孔單位涌水量繪制巖溶水富水性分區(qū)。據(jù)圖 5 可知中等富水區(qū)集中于研究區(qū)中部，沿北西-南東向展布，僅在 ZK718 號鉆孔附近為強(qiáng)富水區(qū)域。分析可見富水性較強(qiáng)區(qū)域多為北西向斷層發(fā)育區(qū)域或北西向斷層與北東向構(gòu)造交割部位。

　　弱富水區(qū)分布于研究區(qū)西南部和北東部，東北部主要集中在同忻、四臺井田，其次為燕子山井田北部、馬脊梁井田大部分區(qū)域，塔山井田東北區(qū)域均為弱富水區(qū)。該區(qū)鉆孔單位涌水量最大 0. 066 5L/( s·m) ( DT10 號) ，最小為 0. 000 08L/( s·m) ( DT4 號) 。研究區(qū)西南部雖為弱富水區(qū)，但是因該區(qū)域接近西部補(bǔ)給區(qū)，富水性較東北部稍強(qiáng)，該區(qū)域鉆孔單位涌水量最大者為 0. 018 97L/( s·m) ( A8 號鉆孔) ，最小者為 0. 004 7L/( s ·m) ，東周窯西部鉆孔富水性也在 0. 006 81～0. 016L/( s·m) ，均較研究區(qū)東北部富水。

　　據(jù)已探明區(qū)域資料分析，研究區(qū)巖溶地下水主要為構(gòu)造控水，北西向構(gòu)造發(fā)育區(qū)和北西向與北東向構(gòu)造交割區(qū)域富水性較強(qiáng)。即巖溶發(fā)育的平面特征主要為北西向構(gòu)造控制，在北西向和北東向構(gòu)造切割區(qū)域巖溶亦較為發(fā)育，而其他區(qū)域巖溶發(fā)育較差。該區(qū)巖溶平面呈現(xiàn)一種線性或帶狀聯(lián)通模式而非類似其他大泉泉域水文地質(zhì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通模式。

　　2 巖漿巖對巖溶的后期改造

　　通過資料收集及地面調(diào)查，研究區(qū)煤礦采掘以及地面中發(fā)現(xiàn)該區(qū)主要有兩期巖漿巖運(yùn)動對煤層和原巖進(jìn)行了一定程度的改造。為此，筆者 2015 年于研究區(qū)采集了疑似石灰?guī)r被侵入改造的巖石樣品在中國地質(zhì)大學(xué)進(jìn)行了顯微鏡下薄片分析。

　　圖 6 為采集自冶里組巖樣分析結(jié)果，可以看到碳酸巖呈細(xì)脈穿入巖漿巖的現(xiàn)象，表明巖漿巖形成略晚于碳酸巖，與之接觸的圍巖一側(cè)具有褪色的蝕變邊。據(jù)前述分析，該區(qū)冶里組應(yīng)為巖溶較發(fā)育層段，本樣品卻表現(xiàn)為裂隙封閉，巖溶發(fā)育較差情況。皆因后期巖漿巖改造而致其裂隙閉合，富、導(dǎo)水性變差。

　　3 結(jié)論

　　1) 大同煤田巖溶發(fā)育呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)，其一發(fā)育于下奧陶統(tǒng)亮甲山組及冶里組，其二發(fā)育于中寒武統(tǒng)張夏組。相比上層巖溶更發(fā)育，為該區(qū)煤礦防治水和找水的重點(diǎn)。

　　2) 研究區(qū)巖溶發(fā)育主要呈現(xiàn)線狀( 帶狀) 聯(lián)通，主要為北西向構(gòu)造控制，其次為北西、北東向構(gòu)造切割控制。

　　3) 該區(qū)巖溶后期曾受多期巖漿巖活動改造，在該區(qū)煤礦防治水和找水過程中應(yīng)考慮其對原生巖溶富水性及水質(zhì)等的影響。

　　期刊推薦：《中國煤炭地質(zhì)》期刊，原名《中國煤田地質(zhì)》，由中國煤炭地質(zhì)總局于1989年創(chuàng)辦的。本刊主要設(shè)有：煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)、煤層氣、物探、鉆探等幾個(gè)欄目。有投稿需求的作者，可以直接與在線編輯聯(lián)系。

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