淮北朱仙庄煤矿侏罗系地质特征研究.pdf
第 4 2卷第 7期能 源 与 环 保 V o l . 4 2 N o . 7 2 0 2 0年7月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nJ u l . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 4- 0 7 ; 责任编辑 刘欢欢 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 7 . 0 2 7 基金项目 国家自然科学基金资助项目( 4 1 4 0 2 1 3 6 , 4 1 7 0 2 1 7 2 ) 作者简介 何登云( 1 9 8 4 ) , 男, 甘肃兰州人, 工程师, 2 0 0 6年毕业于淮南职业技术学院, 主要从事矿井地质测量技术管理等方面工作。 通讯作者 李 明( 1 9 8 7 ) , 男, 安徽宿州人, 博士, 2 0 1 3年毕业于中国矿业大学, 现从事构造地质学方面的教学与研究工作。 引用格式 何登云, 朱冠宇, 李明. 淮北朱仙庄煤矿侏罗系地质特征研究[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 7 ) 1 2 6 - 1 2 9 , 1 3 7 . H eD e n g y u n , Z h uG u a n y u , L i M i n g . J u r a s s i c g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f Z h u x i a n z h u a n g C o a l M i n e i nH u a i b e i C o a l f i e l d [ J ] . C h i n a E n e r g y a n d E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 7 ) 1 2 6 - 1 2 9 , 1 3 7 . 淮北朱仙庄煤矿侏罗系地质特征研究 何登云1, 朱冠宇2, 李 明2 ( 1 . 淮北矿业股份有限公司 朱仙庄煤矿, 安徽 宿州 2 3 4 1 1 1 ; 2 . 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘要 朱仙庄煤矿北部侏罗系砾岩含水层水害严重威胁下伏8 煤的安全开采, 在侏罗系钻孔岩心系统 观测的基础上, 结合钻探和物探资料综合分析, 进而探讨了“ 五含” 岩性特征、 分布规律和地质结构特 征。研究表明, 朱仙庄煤矿侏罗系表现为单层结构、 双层结构和三层结构的地层组合发育特征, “ 五 含” 厚度分布表现为“ 北部厚南部薄、 东部厚西部薄” 的特征, 西部和南部隐伏露头区“ 五含” 沿其地层 倾向方向发生急剧增厚, 主要受控于后期构造和剥蚀影响。“ 五含” 构造特征表现为受控于近 N S向 延伸、 向 N倾伏向斜构造的发育, W翼平缓、 呈 N W- S E向展布; E翼相对较陡、 为近 N - S向 F 2 1逆断层 所截切。新鲜“ 五含” 主要为致密紫红色细砾岩、 中砾岩和粗砾岩, 分选性差, 砾石成分以灰岩为主, “ 五含” 砾岩成岩后遭受强烈的岩溶和风化作用、 且非均质性极强。 关键词 朱仙庄煤矿; 侏罗系; 地层结构; 含水层; “ 五含” ; 岩溶; 砾岩 中图分类号 T E 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 7- 0 1 2 6- 0 4 J u r a s s i cg e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f Z h u x i a n z h u a n gC o a l Mi n ei nH u a i b e i C o a l f i e l d H eD e n g y u n 1, Z h uG u a n y u2, L i M i n g2 ( 1 . Z h u x i a n z h u a n gC o a l M i n e o f H u a i b e i M i n i n gC o r p o r a t i o nL i m i t e d , S u z h o u 2 3 4 1 1 1 , C h i n a ; 2 . S c h o o l o f R e s o u r c e s a n de a r t hs c i e n c e , C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y , X u z h o u 2 2 1 1 1 6 , C h i n a ) A b s t r a c t T h ew a t e r d a m a g eo f J u r a s s i c c o n g l o m e r a t e a q u i f e r i nt h e n o r t ho f Z h u x i a n z h u a n g C o a l M i n e s e r i o u s l y t h r e a t e n s t h e s a f e m i n - i n go f u n d e r l y i n g 8c o a l . O nt h eb a s i so f s y s t e m a t i co b s e r v a t i o no f J u r a s s i cd r i l l i n gc o r e , c o m b i n e dw i t hd r i l l i n ga n dg e o p h y s i c a l d a t a c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s t h el i t h o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s , d i s t r i b u t i o nr u l e s a n dg e o l o g i c a l s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef i f t ha q u i f e r w e r e d i s c u s s e d . T h er e s u l t s s h o w e dt h a t t h eJ u r a s s i ci nt h er e a c ha r e a s i s c h a r a c t e r i z e db ys t r a t i g r a p h i ca s s e m b l a g e s o f s i n g l el a y e r , d o u b l e l a y e r a n dt h r e el a y e r s t r u c t u r e s . T h et h i c k n e s s d i s t r i b u t i o ni s c h a r a c t e r i z e db yt h i c k e r t h i c k n e s s i nt h e n o r t ht h a nt h a t i nt h e s o u t h ; a n d t h i c k e r t h i c k n e s s i nt h ee a s t t h a nt h a t i nt h e w e s t . T h e f i f t ha q u i f e r t h i c k e ns h a r p l y a l o n g i t s d i pd i r e c t i o ni nt h e h i d d e no u t c r o pa r e a s i n t h ew e s t a n ds o u t h , w h i c hi s m a i n l y c o n t r o l l e db y l a t e s t r u c t u r e m o v e m e n t a n dd e n u d a t i o n . T h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f i f t ha q u i - f e r a r ec o n t r o l l e db y t h e s y n c l i n e w h i c hi s a l m o s t N Sd i r e c t i o nt r e n d i n g a n dp l u n g i n g t o t h e n o r t h . T h e w e s t w i n g o f t h e s y n c l i n e i s g e n t l e a n de x t e n d s i nt h eN W- S Ed i r e c t i o n . T h ee a s t w i n g o f t h e s y n c l i n e i s r e l a t i v e l y s t e e pa n dt r u n c a t e db y t h e t h r u s t f a u l t F 2 1w h i c hi s n e a r N - St r e n d i n g . T h e f r e s h" f i f t ha q u i f e r "a r e m a i n l y d e n s e p u r p l i s hr e df i n e c o n g l o m e r a t e , m e d i u mc o n g l o m e r a t e a n dc o a r s e c o n g l o m e r a t e , w i t hp o o r s e p a r a b i l i t y . T h e g r a v e l c o m p o s i t i o ni s m a i n l y l i m e s t o n e , w h i c hi s s t r o n g l y a n dd i f f e r e n t i a l l y s u b j e c t e dt o k a r s t a n dw e a t h e r i n g , a n di s h i g h l yh e t e r o g e n e o u s . K e y w o r d s Z h u x i a n z h u a n gC o a l M i n e ; J u r a s s i c ; s t r a t u mf e a t u r e ; a q u i f e r ; " f i f t ha q u i f e r " ; k a r s t ; c o n g l o m e r a t e 0 引言 淮北矿业集团公司朱仙庄煤矿侏罗系为一套紫 红色陆相沉积物, 分布于矿井东北角, 面积约 2 . 8 k m 2, 揭露最大厚度 2 4 0m[ 1 ]。下部为砾岩段含水层 ( 五含) , 厚度 0~ 1 0 0m , 一般厚 5 0~ 6 0m , 主要由 石灰岩、 少量的砂岩和变质岩组成[ 2 - 3 ]。前期勘探表 明, “ 五含”- 3 5 0m以上岩溶极为发育, 富水性强, 621 万方数据 2 0 2 0年第 7期何登云, 等 淮北朱仙庄煤矿侏罗系地质特征研究 第 4 2卷 导水性好, 静储量大[ 4 - 8 ]。由于“ 五含” 与“ 四含” 、 “ 太灰” 和“ 奥灰” 的特殊接触关系, “ 五含” 与以上 3 个主要含水层之间存在明显水力联系, 奥灰水可直 接向“ 五含” 或通过“ 四含” 向“ 五含” 补给。“ 五含” 直接压覆于煤系地层之上, 采掘过程中, 受人为扰动 影响, “ 五含” 水和参与补给的太灰、 奥灰水可通过 各类导水通道进入矿井而造成水害事故[ 9 - 1 0 ]。 朱仙庄矿 8号煤层为主采煤层, 据统计“ 五含” 下伏 8煤资源总储量约 15 0 0万 t , 探明可采储量约 10 0 0万 t [ 1 ]。该套岩层富水性好、 渗透性强、 水压 较高、 非均质性强、 地层单层厚度大, 是皖北地区首 次在侏罗系山麓洪积相厚层砾岩下开采, 对该矿北 段预主采煤层开采的矿山压力控制和矿井水害防治 等具有极大威胁[ 1 1 - 1 4 ]。2 0 1 5年 1月 3 0日, “ 五含” 压覆下的 8号煤层首采 8 6 6 - 1工作面发生顶板“ 五 含” 突水事故, 造成重大人员伤亡和财产损失[ 1 ]。 “ 五含” 水害严重威胁下伏 8煤的安全开采[ 1 5 - 1 7 ], 淮 北矿业集团公司全面推进了朱仙庄煤矿“ 五含” 帷 幕截流疏干开采综合治理项目工程[ 1 8 - 1 9 ], 现今“ 五 含” 水害治理工程已经完成, 被压覆采区回采范围 内的“ 五含” 水已基本疏干[ 2 0 - 2 1 ], 但对“ 五含” 的岩性 特征、 厚度分布等地质特征仍缺乏系统的认识, 当前 “ 五含” 岩性特征、 分布规律和地质结构特征亟待系 统研究, 将对矿井安全开采和水害防治具有重要的 指导意义。 1 侏罗系地层结构特征 朱仙庄煤矿侏罗系受控于原始地层沉积和后期 构造剥蚀作用, 现今侏罗系表现为单层结构、 双层结 构和三层结构的地层组合发育特征( 图 1 ) 。侏罗系 厚度 0~ 4 4 9 . 0 5m , 一般为 5 0 . 0 0~ 2 0 0 . 0 0m 。 单层结构 J砂岩隔水层 完整型 滞留区径流区 岩溶型复合型 风化 壳型 补给区 完整型 岩溶型 风化 壳型 双层结构 三层 结构双层结构 SN Q “五含” 图 1 侏罗系地层结构与“ 五含” 结构分布示意 F i g . 1 J u r a s s i cs t r a t i g r a p h i cs t r u c t u r ea n d d i s t r i b u t i o no f " f i f t ha q u i f e r "s t r u c t u r e 侏罗系三层结构地层垂向上可划分为上部砂泥 岩段、 中部砂砾互层段和下部砾岩段。 ( 1 ) 砂泥岩段。岩性以灰绿色块状致密较坚硬 砂岩和浅灰色粉砂岩为主( 图 2 ( a ) ) , 砂岩成分以 石英为主, 硅、 钙质胶结, 透水率 0 . 4 0~ 3 . 8 1L u , 渗 透性差, 岩层较完整, 绝大部分 R Q D值 > 7 5 %, 隔水 性良好, 为侏罗系顶部砂岩隔水层。 (a)砂泥岩段(b)砂砾互层段(c)砾岩段 图 2 侏罗系不同层位岩性特征 F i g . 2 L i t h o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s o f s t r a t ai nJ u r a s s i c ( 2 ) 砂砾互层段。薄层厚层粉砂岩和泥岩为 主、 细砂岩次之, 与薄层厚层砾岩互层沉积( 图 2 ( b ) ) 。具明显的多层次的下粗上细的沉积韵律, 泥 岩、 粉砂岩颜色以紫红色为主, 钙质胶结, 局部夹薄 层细砂岩; 砾岩颜色呈灰绿色浅棕红色, 砾石成分 以灰岩为主、 含少量砂岩碎屑, 分选性差中等, 磨 圆度一般中等, 砾径为 0 . 5~ 2 . 0c m , 泥质胶结, 单层厚度一般在 2~ 5m , 为下部砾岩及上部砂岩段 的过渡带岩性组合( 图 1 ) 。 ( 3 ) 砾岩段。为井田第五含水层, “ 五含” 为侏 罗系下段的紫红色砾岩含水层( 图 2 ( c ) ) , 属山麓 洪积相沉积, 其上覆为河流相、 河湖相沉积的砂砾岩 段、 砂泥岩段, 砾石成分主要为石灰岩及少量的砂岩 和变质岩, 钙质胶结为主, 次为泥质、 砂质胶结, 岩溶 发育, 富水性好。 侏罗系上部砂泥岩段、 中部砂砾互层段和下部 砾岩段构成的三层结构完全发育的地层主要分布于 研究区的中东部区域, 其北部物源区有一定距离, 为 沉积环境交替变化部位。双层结构一般为上部砂泥 岩段和下部砾岩段地层组合, 分布于研究区的北部 和中西部区域, 局部表现为上部砂砾互层段和下部 砾岩段地层组合, 是三层结构地层顶分层遭受风化 剥蚀后产物, 主要分布于研究区的中南部区域; 单层 结构表现为侏罗系仅发育砾岩段, 为三层结构或双 层结构地层遭受风化剥蚀后仅残留下部砾岩段所 致, 呈狭长条带状分布于研究区西部和南部的侏罗 系底面隐伏露头线内侧, 可见研究区侏罗系底部均 发育有下部砾岩段。 721 万方数据 2 0 2 0年第 7期 能 源 与 环 保第 4 2卷 2 “ 五含” 分布规律与构造特征 “ 五含” 分布在朱仙庄矿东北部, 经物探和钻探 查明井田以北 17 0 0m处有落差 10 0 0m的塔桥断 层, 使下盘“ 五含” 成为孤立块段, “ 五含” 的影响面 积由原来的 5 0 0k m 2缩小为 9k m2, 其中矿内有 2 . 8 k m 2, 即分布于六采区、 八采区、 十采区及十二采区 的部分范围内, 由北向南呈一长舌状分布。 “ 五含” 与上覆“ 四含” 及下伏煤系地层均为不 整合接触, 东侧被 F 2 1逆断层截断, 断层上盘被剥蚀, 下盘“ 五含” 与上盘煤系地层接触, 为隔水边界; 西 侧为隐伏露头, 不整合于新生界底界面, 即四含与 “ 五含” 直接接触带。 “ 五含” 倾角为 1 5 ~ 2 5 , 底板标高为 - 2 2 0~ - 6 6 0m , 构造特征表现为受控于近 N S 向延伸、 向 N 倾伏向斜构造的发育, W 翼平缓、 呈 N W- S E向展 布; E翼相对较陡、 为近 N S 向 F 2 1逆断层所截切。 “ 五含” 内发育断层 1 3条, 南部发育 N E E向横 向正断层为主、 北部发育 N N W 向纵向逆断层和正 断层, 为燕山期构造产物, 断层落差在一般小于 4 0 m , 均未将“ 五含” 完全断开, 为燕山期构造产物。 “ 五含” 厚度在井田范围主要受古基岩面形态 及后期剥蚀影响, 厚度 0~ 1 1 0m 。厚度分布规律表 现为“ 北部厚南部薄、 东部厚西部薄” 的特征, 同时 厚度在 0~ 5 0m范围的“ 五含” 沿着其地层倾向方 向发生急剧增厚、 走向方向厚度稳定一致, 表现为西 部和南部隐伏露头遭风化剥蚀、 厚度较薄, 且分别朝 东部和北部急剧增厚。而厚度大于 5 0m以后则相 对较为稳定, 至中部一般厚度为 5 0~ 7 0m 。 3 “ 五含” 岩性特征与岩层破碎规律 通过对 1 7 - 观 1 0 、 1 7 - 观 1 2 、 1 7 - 观 1 3 、 1 8 - 3 、 1 8 - 4 、 1 9 - 水 5孔、 1 9 - “ 五含” 观 3和地面“ 五含” 检查孔钻 孔岩心的系统观察与鉴定, 结合 1 1 0个前期勘探钻 孔资料分析, 认为新鲜“ 五含” 主要为灰黄色、 灰红 色、 紫红色砾岩, 可分为细砾岩、 中砾岩和粗砾岩, 砾 径大小不等, 砾石以次圆状为主, 分选性差, 砾石成 分以石灰岩碎屑为主、 其次为砂岩和变质岩碎屑, 填 隙物为泥、 粗砂和细砾为主, 基底式胶结, 钙泥质胶 结。“ 五含” 砾岩成岩后遭受强烈的岩溶和风化作 用、 且非均质性极强。 “ 五含” 砾岩岩溶发育非均质性极强, 部分层段 “ 五含” 岩溶极为发育, 出现溶洞、 溶隙和蜂窝状溶 蚀, 属于岩溶含水层, 但分布不均匀( 图 3 ) 。钻探时 见 1 2~ 1 6m的洞穴, 一般 0 . 2~ 1 . 0m的溶洞最常 见, 充填有泥质、 方解石和石膏等物。岩溶发育程度 主要和岩性、 断裂构造及埋藏深度有密切关系。从 岩性上看, 受控于砾岩中砾石可溶性的不同而表现 出差异溶蚀作用, 岩溶主要发育于砾岩中灰岩砾石 的内部, 填隙物中岩溶不发育, 同时不同灰岩砾石中 岩溶差异显著, 取决于其矿物成分和结构类型。 1 2 3 4 68 单位cm 图 3 “ 五含” 砾岩岩溶发育特征 F i g . 3 K a r s t c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n g l o me r a t e i n" f i f t ha q u i f e r " 其次是“ 四含” 和“ 五含” 直接接触带附近, 基岩 面上砾岩层顶面和底面露头线分布范围之内, 呈 N W向条带状分布于研究区西部和南部。由于风化 溶蚀作用, 形成风化溶隙和溶洞, 砾岩多呈灰黄色、 灰白色, 破坏严重, 且多为黄泥充填, 为典型的古风 化壳型岩溶。同时在断裂构造附近岩性破碎, 如在 中南部 F 2 5断层两侧岩溶较发育, 钻进中断层附近的 钻孔漏失严重, 不过其发育和影响范围较小。 4 结论 ( 1 ) 朱仙庄煤矿侏罗系表现为单层结构、 双层 结构和三层结构的地层组合发育特征, 底部砾岩段 为井田第五含水层。“ 五含” 厚度分布表现为“ 北部 厚南部薄、 东部厚西部薄” 的特征, 西部和南部隐伏 露头区“ 五含” 沿其地层倾向方向发生急剧增厚, 至 中部一般厚度为 5 0~ 7 0m , 相对较为稳定, “ 五含” 厚度主要受控于后期构造和剥蚀影响。 ( 2 ) “ 五含” 构造特征表现为受控于近 N S向延 伸、 向 N倾伏向斜构造的发育, W翼平缓、 呈 N W- S E 向展布; E翼相对较陡、 为近 N S向 F 2 1逆断层所截 821 万方数据 2 0 2 0年第 7期何登云, 等 淮北朱仙庄煤矿侏罗系地质特征研究 第 4 2卷 切。南部发育 N E E向横向正断层为主、 北部发育 N N W向纵向逆断层和正断层, 为燕山期构造产物。 ( 3 ) 新鲜“ 五含” 主要为灰黄色、 灰红色、 紫红色 砾岩, 可分为细砾岩、 中砾岩和粗砾岩, 砾径大小不 等, 砾石以次圆状为主, 分选性差, 砾石成分以灰岩 为主、 含少量砂岩碎屑, 填隙物以泥、 粗砂和细砾为 主, 基底式支撑, 钙泥质胶结。“ 五含” 砾岩成岩后 遭受强烈的岩溶和风化作用、 且非均质性极强。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 朱冠宇, 姜波, 朱慎刚. 朱仙庄煤矿“ 五含” 水文地质特征及水 害防治对策[ J ] . 煤田地质与勘探, 2 0 1 8 , 4 6 ( 2 ) 1 1 1 - 1 1 7 . 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