偃龙煤田上寒武统渗流特性研究.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.032偃龙煤田上寒武统渗流特性研究（河南省资源环境调查二院，河南 洛阳 471000）摘要 分析了偃龙煤田矿区岩溶发育规律，根据水文地质勘查、底板注浆工程、龙门石窟剖面资料，研究了偃龙煤田上寒武统渗流特性。研究结果表明，寒武系顶部岩溶裂隙含水层普遍富水，但富水性弱甚至无水，不构成主要突水威胁含水层；寒武系中、下部岩溶含水层为区域岩溶含水层，是造成灾害性突水间接充水含水层。关键词 岩溶规律；水文地质勘查；底板注浆；龙门石窟剖面；渗流特性中图分类号P641文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0104蛳 031项目概况偃龙煤田位于偃师、孟津、巩义、洛阳诸县、市境内，面积 670 km2。该煤田属石炭二叠纪煤田，可采和局部可采煤 4 层。煤种主要为无烟煤。偃龙煤田主采山西组二 1 煤，煤层底板下伏寒武系岩溶水水压大于 5 MPa，二 1 煤与寒武系之间的太原组厚度不足 50 m。二 1 煤底板与太原组受层滑断裂等构造破坏严重咱1暂。太原组中薄层灰岩破碎且岩溶发育，与寒武系水力联系密切。太原组薄层灰岩之间泥岩和二 1 煤层顶板泥岩为高流变岩层，受水侵润后极易泥化，巷道支护困难，增大了二 1 煤防治底板灰岩突水的难度咱2暂。同时，常村、龙门矿岩石集中巷布置于太原组 7 灰。7 灰距寒武系更近，岩溶裂隙发育，富水性较强，充水条件更复杂，掘井工作面涌水量大，加固困难大。2矿区岩溶规律分析嵩山断层将偃龙煤田岩溶系统分为东西 2 个部分，西部为偃龙矿区所属的龙门-佛光岩溶系统。龙门-佛光岩溶系统包括上部龙门和下部佛光2 个寒武系岩溶子系统。龙门中-上寒武统岩溶子系统含水层由中-上寒武统毛庄组、徐庄组、张庄和崮山组构成。佛光下寒武统岩溶子系统含水层由下寒武统朱砂硐组构成咱猿暂。2 个含水层组之间相对独立，由隔水层馒头组分开，偃龙矿区寒武系富水性划分如表 1 所示。龙门岩溶子系统为强区域岩溶系统，而佛光岩溶系统岩溶发育相对微弱，而且上距煤系较远，所以佛光泉子系统不作为研究重点。项目重点研究龙门岩溶系统岩溶发育规律及其对二 1 煤回采的影响。表 1偃龙矿区寒武系富水性划分龙门岩溶系统有嵩山井田、郭村井田（永华能源）、偏桥井田（常村）、诸葛井田和龙门井田（现龙门矿）。泉域自东部和南寒武系露头区接受补给，向西径流，在龙门形成断层上升泉排泄。其中，嵩山井田处于龙门泉域补给区，永华和常村矿处于泉域径流区，而龙门矿处于岩溶排泄区。常村矿与龙门矿岩溶系统对比情况及岩溶系统对二 1 煤开采影响如表 2 所示。表 2龙门矿与常村矿岩溶系统对比3勘查孔揭露寒武系岩溶特征根据常村矿和龙门矿水文地质勘查资料，水文地质钻孔揭露的偃龙矿区上寒武统崮山组特征如序号内容龙门矿常村矿1所属岩溶子系统排泄区径流区2岩溶水径流与循环方向转而向上为主 以水平、侧向为主3太原组 L1L7 水力联系较好一般4寒武系与太原组水力联系较好一般5寒武系水位标高/m+150+1586二 1 煤与寒武系间距/m45727淹井次数/次318矿井涌水量/（m3/h）750预计 5949水文地质条件类型复杂中等能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4岩石地层富水性组层号寒武系上统凤山组缀1f弱富水长山组缀3c弱富水崮山组缀3g弱 中富水中统张夏组缀2z中 强富水徐庄组缀2x中 强富水毛庄组缀2m中 强富水下统馒头组缀1m隔水层朱砂硐组缀1z含水层辛集组缀1x隔水层系统1042023 年 8 月Aug.,2023下：岩性主要为白云质灰岩，浅灰色，厚层状，泥晶结构，含岩溶裂隙承压水；但本项目镜下鉴定结果在寒武顶仅有薄层白云岩，而以泥晶灰岩和灰质中角砾岩为主咱源暂。岩溶发育不均匀，钻孔揭露寒武最大厚度 44 m（龙门 6-5 孔），仅见有小溶隙，隙宽 22.5 mm。水位标高为+150+158 m，单位涌水量 0.001 720.036 8 L/（s m），渗透系数 0.011 60.071 5 m/d，地下水水化学类型为 HCO3-Ca Mg。经抽水试验和龙门与常村煤矿突水分析认为，井田内隐伏寒武系岩溶发育程度和富水性极不均一，是受断裂构造影响的结果。寒武系距二 1 煤层一般间距 4572 m，正常情况下对开采二 1 煤层影响不大。但遇构造、裂隙带或开采煤层较浅时（区域岩溶发育标高深度为 35 m 或标高-200 m 以上岩溶裂隙发育），容易引起大型甚至灾害性突水。4注浆孔揭露上寒武统顶部富水规律在偃龙煤田矿区内，最能揭示隐伏的龙门岩溶系统上寒武统顶部岩溶发育规律的是矿区内大量二 1 煤底板注浆孔。为最大限度注浆加固二 1 煤底板，这些钻孔平均揭露上寒武统深度 510 m，最大揭露深度超过 30 m。它们充分揭露了上寒武统顶部岩层的岩溶发育特征、富水规律。本课题以常村矿1105、1106 工作面为例，统计、分析了注浆孔所揭露的上寒武统顶部岩溶发育规律。常村矿 1105 工作面底板注浆工程共施工注浆孔 149 个，其中 55 个钻孔揭露上寒武统。常村矿1105 工作面各含水层出水点、涌水量、注浆量统计如表 3 所示。王长新，等偃龙煤田上寒武统渗流特性研究表 3常村矿 1105 工作面各含水层出水点、涌水量、注浆量统计地层出水点注浆量数量/个比例/%概率/%比例/%单孔涌水量/（m3/h）数量/m3比例/%单孔注浆量/（m3/h）寒武5436.2498.125.636.71 50517.5427.9本溪2013.4227.017.8212.73 52741.12176.3L1L46442.9549.652.8913.73 42939.9862.3L7117.387.93.664.71171.3610.6合计149100-10010.08 577.210061.3涌水量由表 1 可知，揭示的上寒武统顶部岩溶发育、富水规律如下：（1）在这 55 个钻孔中，54 个钻孔上寒武统顶部出水，出水钻孔比例占 98%，即 1105 工作面上寒武统钻孔出水的概率高达 98%。这说明上寒武统为典型的含水层。（2）54 个出水钻孔的涌水量总和为 364 m3/h，平均单孔涌水量为 6.7 m3/h，而本溪与 L1L4 含水层段的单孔涌水量是上寒武统顶部单孔涌水量的2 倍。其中，最大的单孔涌水量为 50 m3/h，2 个钻孔涌水量为 30 m3/h，其它 60%70%钻孔涌水量仅 15 m3/h。这说明，虽然上寒武统顶部岩溶普遍含水，但是富水性较弱，上寒武统顶部不是二 1 煤底板突水的强含水层。（3）上寒武统顶部钻孔涌水量总和占 1105 工作面底板注浆孔总涌水量的 25.63%，说明 1105 工作面涌水量组成主要来自 L1L4 含水层段，而不是上寒武统顶部含水层段。（4）利用钻孔在上寒武统顶部消耗浆液的数量说明该段的岩溶孔隙、裂隙发育程度。该段总耗浆量 1 505 m3，仅占总耗浆量的 17.5%，耗浆比例小于该段涌水量所占比例 25.6%，一定程度说明该段岩溶孔隙与裂隙数量少，且以小型孔隙、裂隙为主。常村矿 1106 工作面底板注浆工程共施工注浆孔 66 个，其中 19 个钻孔揭露上寒武统。1106 工作面各含水层出水点、涌水量、注浆量统计如表 4 所示。表 41106 工作面各含水层出水点、涌水量、注浆量统计地层出水点注浆量数量/个比例/%概率/%比例/%单孔涌水量/（m3/h）数量/m3比例/%单孔注浆量/（m3/h）寒武1928.7910015.113.58205.71.8210.83本溪57.5820.836.676290.265.8L1-42233.3347.8329.115.95658.95.8329.95L72030.3030.3049.1111.0510 400.792.10520.04合计66100-100-11 293.4100171.11涌水量由表 2 可知，揭示的上寒武统顶部岩溶发育、富水规律如下：该层段出水钻孔 19 个，出水概率达 100%；平均单孔涌水量更小，为 3.58 m3/h，富水性较弱；耗浆量仅占 1106 工作面底板注浆加1052023 年 8 月Aug.,2023固总耗浆量的 1.8%，远小于该段涌水量所占比例。这说明上寒统顶部以少量、微小溶蚀孔隙、裂隙为主。总之，注浆钻孔揭露的上寒武统岩溶发育及富水规律是最直接和可靠的；上寒武统顶部微 小型溶蚀孔（裂）隙发育，普遍弱富水；该层段既不属于真正的底板突水强含水层，也不是主要二 1 煤底板注浆加固层段，而是防止下伏区域强岩溶含水层突水的重要隔水屏障。同时，该结果证明白海波教授咱5暂2008 年提出的“我国华北大型石炭-二叠系聚煤盆地的早古生代基底（寒武-奥陶系）顶部普遍存在弱含水层甚至隔水层”的观点，在偃龙煤田也是适用的。5龙门石窟剖面揭露寒武岩溶规律龙门石窟东门剖面如图 1 所示。从图 1 可以看出，剖面揭露地层由北向南为太原组薄层灰岩、本溪和上寒武统，地层产状 345毅23毅。L1、L2 和 L7灰岩为均厚层状（单层大于 1 m），分别为 L1 灰厚4.5 m、L2 灰厚 5.1 m、L7 灰厚 12.7 m；该灰岩组垂直于层面节理发育咱6暂。本溪组大致呈 3 个层段，地层组成与常村矿补 26-2 孔和补 26-3 孔薄片鉴定结果一致。泥岩及菱铁岩已经风化、破碎。注浆钻孔在本溪组突水后，随钻孔涌水返出大量泥岩和菱铁矿层碎屑。上寒武统顶部呈破碎、压密状态；该破碎带充填特征即为青灰色粘土矿物密实充填咱7暂。该现象一定程度上解释了上寒武统弱富水的原因。上寒武统破碎带之下寒武系灰岩以致密的节理、裂隙为特征，岩溶不发育，是该段岩溶不发育的重要证据；自上寒武统沿剖面方向 120 m 才见岩溶逐渐发育，该段为重要的区域岩溶强含水层。图 1龙门石窟东部地质剖面6结论（1）偃龙矿属于上寒武统龙门岩溶系统，岩溶含水层为上寒武统毛庄组-崮山组，嵩山断裂为岩溶系统东部边界，岩溶水自东部补给区向西径流，在龙门以泉形式排泄。（2）永华和常村矿处于龙门岩溶系统径流区，岩溶以沿近北向倾斜的单斜走向径流为主，而龙门矿岩溶水单斜倾向且转而向上穿太原组沿断层排泄为主。（3）注浆钻孔揭露的上寒武统岩溶发育及富水规律是最直接和可靠的；注浆钻孔揭露隐伏的常村与龙门上寒武统顶部岩溶不发育，平均钻孔涌水量小于 10 m3/h。上寒武统顶部微 小型溶蚀孔（裂）隙发育，普遍弱富水；该层段既不属于真正的底板突水强含水层，也不是主要二 1 煤底板注浆加固层段，而是防止下伏区域强岩溶含水层突水的重要隔水屏障。（4）龙门石窟东门剖面揭露：上寒武统顶部呈破碎、压密状态，主要为青灰色粘土矿物密实充填；上寒武统破碎带之下寒武系灰岩以致密的节理、裂隙为特征岩溶不发育；自上寒武统沿剖面方向120 m 才见岩溶逐渐发育。（5）我国华北大型石炭-二叠系聚煤盆地的早古生代基底（寒武奥陶系）顶部普遍存在弱含水层甚至隔水层的观点在偃龙煤田也是适用的。参考文献1廉有轩，宋志敏，刘传喜.论豫西滑动构造的序次及特征 J.中州煤炭，2003（3）：18-19.2李日升.井陉煤田滑动构造初步探讨 J.河北煤炭，1994（1）：21-22.3鲁正清，柴世刚，刘会星，等.豫西偃龙煤田深部铝土矿地质特征及矿床成因 J.地质与勘探，2016（4）：627-634.4叶建.偃龙煤田西部滑动构造控煤特征浅析 J.能源与节能，2019（2）：19-20.5白海波.奥陶系顶部岩层渗流力学特性及作为隔水关键层应用研究 J.岩石力学与工程学报，2011，30（6）：1298.6王志荣，高文泰.大冶滑动构造与芦店滑动构造关系的认识 J.煤田地质与勘探，1993（1）：18-21.7张伯声，李侠.略论滑动构造 J.长安大学学报（地球科学版），1986（3）：1-6.作者简介王长新（1967-），男，高级工程师，毕业于中国地质大学（北京）水文地质专业，长期从事水文地质勘探工作。收稿日期：2022-08-0930毅210毅破碎带岩溶不发育带岩溶发育带40204020龙门石窟东门龙门石窟对岸寒武348毅蚁30毅寒武356毅蚁28毅溶洞L1L4345毅蚁23毅本溪厚/m厚/m能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4106