王鋒利

(中國煤炭地質總局第三水文地質隊,河北 邯鄲 056006)

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，為侏羅紀和石炭-二疊紀雙紀煤田?，F今，侏羅紀煤炭資源已近枯竭，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，該區(qū)為缺水地區(qū)，煤系基底巖溶水即是礦井生產水害因素，但同時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階段生產生活所需，因此，有必要對該區(qū)巖溶發(fā)育特征進一步分析研究。

1 巖溶發(fā)育特征

1.1 形態(tài)特征

大同煤田寒武-奧陶系為統一的含水巖體，其裸露區(qū)分布于東側和西南側的山脈，煤向斜軸部埋深逐步增大。據鉆孔巖心鑒定，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)送往中國地質大學(北京)實驗室進行了顯微鏡下薄片鑒定。白云巖采樣層位為奧陶系冶里組，據圖3可見其間化石殘體，多由生物碎屑灰?guī)r經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。

圖1 DT12鉆孔奧陶系頂面Figure 1 Ordovician top surface in borehole DT12

圖2 DT12鉆孔張夏組Figure 2 Zhangxia Formation in borehole DT12

鮞?；?guī)r采樣層位為寒武系張夏組。由顯微鏡下薄片鑒定結果可以看出該區(qū)鮞?；?guī)r中裂隙多細而零亂，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)育段數據統計分析，發(fā)現該區(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到53.62%，張夏組層段為30.28%。據統計可見該區(qū)巖溶垂向發(fā)育呈現顯著的雙層結構。見表1。

圖3 白云巖薄片(X40)Figure 3 Dolomite thin-section

圖4 鮞?；?guī)r薄片Figure 4 Oolitic limestone thin-section

孔號頂面標高/m底界標高/m層位巖性距頂界面距離/mDT1607.79557.00張夏組白云質灰?guī)r124.01DT2726.00709.98張夏組白云質灰?guī)r126.73722.62722.52冶里組灰?guī)r38.70DT3524.02523.82張夏組鮞狀灰?guī)r237.50523.02522.92張夏組鮞狀灰?guī)r238.40DT5811.92768.64張夏組灰?guī)r47.18DT6751.31744.66張夏組鮞狀灰?guī)r129.47DT7795.31785.41崮山組灰?guī)r13.90DT8788.76786.57張夏組灰?guī)r122.93723.01719.60張夏組灰?guī)r189.90DT9771.38759.99亮甲山組白云質灰?guī)r、灰?guī)r16.62DT10835.07798.67亮甲山組白云質灰?guī)r42.21780.07767.57冶里組白云巖73.31745.82712.82冶里組白云巖128.06677.18670.04崮山組鮞狀灰?guī)r170.84DT11890.69882.85亮甲山組白云巖7.84855.43845.98冶里組白云巖44.71808.80790.76鳳山組灰?guī)r99.93DT12780.79776.09亮甲山組泥灰?guī)r30.27757.62702.62冶里組碎屑灰?guī)r、灰?guī)r103.74DT13655.64629.10長山組灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r142.51618.66612.73崮山組灰?guī)r158.88562.77562.37張夏組鮞狀灰?guī)r209.24DT14886.80874.12亮甲山組白云巖12.68832.63820.33冶里組白云巖66.47785.02765.57冶里組灰?guī)r121.23DT15873.53868.56冶里組白云巖6.27857.43852.23冶里組灰?guī)r22.60DT20813.03809.24張夏組竹葉狀灰?guī)r32.42807.66807.46張夏組鮞狀灰?guī)r34.20

注：統計時間2018年3月，統計范圍為2010—2016年巖溶水勘查鉆孔。

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)育段底界標高在522.92～809.24m。

對于垂向的分層性，袁道先[3]已有論述，他認為，山西高原在中生代以后一直處于裸露巖溶狀態(tài)，經歷過中生代及新近紀或古近紀的強巖溶化作用。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的包氣帶中。后期的地下巖溶系統的發(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，導致出現巖溶垂向發(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0.000 3～39.91m/d，富水性由弱至強，變化較大。見表2。

據研究區(qū)鉆孔單位涌水量繪制巖溶水富水性分區(qū)。據圖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號鉆孔附近為強富水區(qū)域。分析可見富水性較強區(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)域接近西部補給區(qū)，富水性較東北部稍強，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。

表2 巖溶含水層水文地質參數統計

注：統計范圍為2008—2017年研究區(qū)施工巖溶水勘查鉆孔，資料來源為中國煤炭地質總局第三水文地質隊、山西省煤田地質局115隊、山西省地礦局217隊。

圖5 研究區(qū)富水性分區(qū)示意Figure 5 A schematic diagram of water yield property partitioning in study area

據已探明區(qū)域資料分析，研究區(qū)巖溶地下水主要為構造控水，北西向構造發(fā)育區(qū)和北西向與北東向構造交割區(qū)域富水性較強。即巖溶發(fā)育的平面特征主要為北西向構造控制，在北西向和北東向構造切割區(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)巖溶平面呈現一種線性或帶狀聯通模式而非類似其他大泉泉域水文地質系統的網絡聯通模式。

2 巖漿巖對巖溶的后期改造

通過資料收集及地面調查，研究區(qū)煤礦采掘以及地面中發(fā)現該區(qū)主要有兩期巖漿巖運動對煤層和原巖進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大學進行了顯微鏡下薄片分析。

圖6為采集自冶里組巖樣分析結果，可以看到碳酸巖呈細脈穿入巖漿巖的現象，表明巖漿巖形成略晚于碳酸巖，與之接觸的圍巖一側具有褪色的蝕變邊。據前述分析，該區(qū)冶里組應為巖溶較發(fā)育層段，本樣品卻表現為裂隙封閉，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、導水性變差。

圖6 巖漿巖侵入白云巖(X40)Figure 6 Magmatic rock intruded into dolomite

3 結論

1)大同煤田巖溶發(fā)育呈現雙層結構，其一發(fā)育于下奧陶統亮甲山組及冶里組，其二發(fā)育于中寒武統張夏組。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。

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

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考慮其對原生巖溶富水性及水質等的影響。