华北奥陶系顶部碳酸岩层隔水特性及分布规律.pdf

第 3 6卷第 2期 2 0 1 1年 2月 煤 炭 学 报 J OURN AL O F C HI NA C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 6 No ． 2 Fe b． 2 01 1 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 1 0 2 0 1 8 5 0 9 华北奥 陶 系顶部碳酸岩层 隔水特性及分布规律 缪协兴， 白 海波 中国矿业大学 深 部岩土力学与地下工程 国家重点实验室 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 采用地质演化历史、 岩石成分、 微孔 隙结构分析及钻探资料统计等方法， 从宏观和微观上证 实 了奥 陶 系顶 部碳 酸岩层 的隔水特 性及 形 成机理 ， 提 出了利 用奥 陶 系顶 部 碳 酸岩 层 的 隔 水性 以增 加 隔水层的总厚度和 强度的观 点。奥 陶 系碳 酸岩层在 华北板块 中部残 留厚度 大， 残 留层位 高 新 ， 在近南北边缘则被剥蚀的较 多， 残留厚度薄到无， 残 留层位低 老 。在奥陶系顶部残留层位 以石灰岩为主或加里 东期古岩溶 台地、 古岩溶斜坡等 区域只存在厚度 不等的充填型隔水层 ； 顶部层 位 以白云岩为主或古岩溶盆 洼 地单元的区域隔水层 由充填型和岩溶不发 育型共 同构成 ， 隔水层 厚度大。后期的改造导致奥陶系顶部碳酸岩 隔水层的局部破坏 ， 主要是指导水陷落柱、 导水断裂、 岩 体接 触界 面 、 浅部露 头带和层 内新 岩溶 段 ， 这也 是 防水和 保 水的 重点部 位 。 关键词 奥陶系； 碳酸岩； 隔水特性 ； 残留层位 ； 分布规律 中图分 类号 P 6 4 1 ． 5 文 献标 志码 A W a t e r - r e s i s t i ng c ha r a c t e r i s t i c s a nd d i s t r i bu t i o n r ul e o f c a r b o na t e s t r a t a i n t he t o p o f 0r do v i c i a n i n No r t h Ch i na MI AO Xi e x i ng， BAI Ha i bo S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r G e o m e c h a n i c s a n d De e p U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t P r e s e n t e d a v i e wp o i n t t ha t i n c r e a s i n g t h e wh o l e t h i c k n e s s a n d s t r e n g t h o f a q u i f u g e b y t a k i n g a d v a n t a g e o f t h e wa t e r r e s i s t i n g c h a r a c t e ris t i c s o f c a r b o na t e r o c k i n t he t o p o f Or d o v i c i a n， wh i c h p r o v e d b y u s i ng s e v e r a l me t h o d s ． Ca r bo n a t e r o c k o f Or d o v i c i a n r e ma i n i n g i n t h e mi dd l e o f No r t h Ch i n a P l a i n i s t h i c k， wh o s e r e s i d ua l po s i t i o n i s h i g h n e w ， w h i l e g e t t i n g s ma l l e r i n t h e ma r g i n ， w i t h l o w e r r e s i d u a l p o s i t i o n o l d ． F i l l i n g t y p e a q u i f u g e o n l y e x i s t i n t h e t o p o f Or d o v i c i a n wh e r e c a r b o n a t e r o c k d o mi n a t e， a s we l l a s i n a r e a s s u c h a s o l d Ka r s t p l a t f o r m a n d o l d Ka r s t s l o p e o f c a l e do n i a n， wh i l e b o t h fil l i n g t y p e a nd n o nd e v e l o p me n t t y p e a q ui f u g e， wi t h l a r g e t hi c k n e s s ， e x i s t i n t h e t o p o f Or d o v i c i a n wh e r e d o l o mi t e r o c k i s t h e ma i n c o mp o s i t i o n， a s we l l a s i n a r e a o f o l d Ka r s t ba s i n． Re c o n s t r u c t i o n i n l a t e r p e rio d c a u s e d s o me da ma g e s t o c a r b o n a t e a q ui f u g e i n t he t o p o f Or do v i c i a n， i n c l u d i n g c o l l a p s e p i l l a r， f r a c t u r e s ， o ut c r o p z o n e s i n s h a l l o w p a r t a n d n e w Ka r s t i n s t r a t a， wh i c h a r e a l s o t h e mo s t i mp o r t a n t p a r t s o f wa t e r p r o t e c t i o n a nd c o n s e r v a t i o n． Ke y wor ds Or do v i c i a n； c a r b o n a t e； wa t e r - r e s i s t i n g c h a r a c t e ris t i c s； r e s i du a l s t r a t a； di s t rib u t i o n r u l e 当前 ， 中 国能源 生产 的 7 6 ． 0 ％ 和 能 源消 费 的 6 8 ． 9 ％为煤 炭 ， 而 9 0 ． O ％ 的煤炭 产 自华北 煤 田， 因 而， 华北煤 田的煤炭安全生产严重影响国民经济的发 展 图 1 。但是 ， 华北煤 田基底为奥陶系岩溶富含水 层 ， 因其富水性强， 补给和运移迅速 ， 底板奥灰突水往 往会形成重大淹井灾害。据统计 ， 在过去 的 2 0多年 里 ， 有 2 5 0多对矿井被水淹没 ， 经济损失 高达 3 5 0多 亿元人 民币， 造成 的直接经济损失列煤矿各类事故之 首。同时 ， 奥陶系岩溶水是华北地区重要的地下供水 水源， 占华北城 市地下水供水源 的 7 0 ％。全 国已有 缺水城市 3 0 0多座 ， 缺水 国有重点煤矿区 7 2个 ， 且多 分布在华北 ， 奥灰水资源 的宝贵性 和重要性毋容置 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 8 责任编辑 柴海涛 基金项 目 国家重点基础研究 发展计 划 9 7 3 项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ； 国家 自然 科学 基金 重点 项 目 5 0 6 3 4 0 5 0 ； 江苏 省创新 学者 攀登项 目 B K 2 0 0 8 0 0 7 作者简介 缪协兴 1 9 5 9 一 ， 男 ， 江苏江阴人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 博士。E - m a i l x x mi a o c u m t ． e d u ． c n 1 8 6 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 疑。欲用传统的疏水降压 的方法开采煤炭不但难 以 实现， 而且还破坏水资源和水环境 ， 带压开采成 为必 然选 择 J 。为此 ， 国内地质 界 、 采 矿 界及 岩 石力 学 界 对隔水层抵抗矿压 、 水压破坏的机理进行了长期不间 断探索 ， 从引用匈牙利学者的相对隔水层概念和前苏 联学者的静力学分析方法， 到提 出“ 突水系数” 的概 念 以及薄板结构 、 底板岩层移动的“ 原位张裂 和零位破坏” 』 、 “ 强渗通道” 说 J 、 “ 下三带” 和采 场底板岩体的“ 关键层 ” 等一系列理论和观点 ， 对指导带压开采发挥了重要作用。然而 ， 这些理论和 方法都是建立在已知隔水层厚度和性能基础之上的 ， 现行的 煤矿安全规程 等行业标准也是以这些理论 为基础 ， 如用之评价华北下组煤 ， 因煤层与奥陶系之 间的软岩隔水层太薄而大多只能得出不能安全带压 开采的结论 ， 下组煤和部分上组煤被评定为受奥灰水 威胁的储量 占到华北 已探 明储量的 6 2 ． 5 ％， 深部 比 例更高 。 图 1 我国华- I E 煤 田分布 Fi g ．1 Co a l fie l d d i s t r i bu t i o n i n No r t h Ch i n a 虽然可溶岩分布面积 占世界陆地面积 的 3 ／ 4 ， 但 国外主要产煤 国家 的煤 田基底大多不是可溶岩 ， 因此 ， 国外文献均把碳酸岩层整体作为含水层或含水 系统来研究 一 。国内对华北奥陶系碳酸岩研究主 要集中在岩溶发育规律上。其一是岩溶微观作用机 理研究 J 常温常压与高温高压溶蚀试验、 压汞试 验等室 内试验手段逐渐用来研究岩溶微观作用机理 ， 得出了碳酸盐岩矿物成分 、 化学成分和结构构造与比 溶蚀度、 比溶解度的相关性 ， 不同温压条件对石灰石 、 白云石的溶蚀、 溶解 的影响， 矿化度和硫酸盐的存在 对不同矿物溶解的影响 ， 较好地揭示 了浅部与深部岩 溶发育的不同机理和特征 ； 其二是岩溶洞穴及陷落柱 成 因机 理 的研 究 L 2 喀斯 特 洞穴 形 成 条 件 的认 识 较为统 一 ， 即有 可溶性 岩层 、 良好 的地 下水通 道 、 丰富 饱和的侵蚀水流、 地下水排泄 口等， 对于大洞穴和陷 落柱形成的机理主要有重力塌陷说、 石膏溶蚀说 、 真 空吸蚀说和热液成因说 4种观点 ； 其三是华北奥陶系 岩溶 及 富 水性 层 控 规 律 的研 究 曹 以临、 林 曾平 等 研究了峰峰矿区奥陶系岩溶发育特征， 据岩 性对奥陶系划分 了 3组 8段 ； 冯增 昭等 1 9 8 3 对 整个华北中奥陶统统称马家沟群 ， 根据沉积相和沉积 旋 回将马家沟群由下而上细分为 O 1T I ～O I T I ； 冯启 言 主要根据沉积旋 回和岩性 、 物性和岩溶发育情 况对滕沛煤田奥陶系划分为 3个含水组 8个含水段； 刘希新等 将兖州西部奥陶系划分为 7个含水段 ； 范春学等 经过鼓山露头野外详细观测后 ， 根据岩 性特征 ， 结合化石 ， 也把峰峰矿区奥陶系分为 3组 8 段 ； 王发锟 、 何宇彬等 钊等研究了太原地区岩溶发 育规律， 讨论 了岩性 、 结构 与岩溶发育之 间的关系。 总之 ， 现有的对奥陶系的水文地质研究集中在含水层 富水性平面变化规律的认识上 ， 如排泄区的岩溶发育 程度 和富水性 依次 强于径 流 区和补给 区 ； 剖 面上的研 究虽然注意到了岩层溶蚀和富水性 的差异， 划分出了 弱、 中、 强含水层 ， 但都是限定在含水层的范畴内， 对 其是否可 以成为隔水层特别是最顶部岩层的隔水性 并没有深入的研究 ， 突水危险性评价中也是把整个奥 陶系岩层作为含水层。 要实现华北煤 田的安全采煤和保护水资源的关 键是要有足够厚度和强度 的隔水层 ， 在 已公认的隔水 层厚度不足的情况下， 只有从紧邻其下的奥陶系顶部 岩层是否存在隔水层人手 了。因此 ， 本文的研究 目标 集中在奥陶系可溶岩层差异性和最顶部碳酸岩层 的 隔水性能上 ， 初步研究 了部分典型矿区奥陶系碳酸盐 岩的岩溶发育和演化规律 J ， 提 出了华北奥陶系 顶部存在隔水层 的观点 ， 并在矿井防治水技术研究和 工程实践 中取得 了突破。 1 奥陶 系顶部岩层 隔水特性 1 ． 1 奥陶 系顶部 隔水层 的定义 所谓奥陶系顶部隔水岩层是指奥 陶系与晚古生 代煤系地层假整合接触界 面以下一定厚度范围内的 碳酸盐岩层 ， 不同地区可为不同的层位。虽然其经历 过岩溶发育 如加里东期风化壳岩溶 ， 但经过再充 填 、 压实 、 胶结后 ， 具有高强度和低渗透性， 可以起到 隔水层的作用 图 2 。 在已有的研究 中， 未将奥陶系顶部岩层认作隔水 岩层的原因 ① 华北奥陶系为一套陆表海沉积的碳 酸岩 夹有石 膏 、 盐 岩 等可 溶 岩构 成 ， 当这 些岩 石 受力 破坏后 ， 其中的裂隙不易闭合， 这些可溶岩在水流的 作用下 ， 沿岩体裂隙和孔隙发生溶蚀而使储水空问和 导水通道被扩大 ， 这些岩层成为储存和透过大量水的 含导水介质； ② 华北型煤 田由浅人深的开采过程 中， 第 2期 缪协兴 等 华北奥 陶系顶部碳酸 岩层 隔水特性及分布规律 1 8 7 X X ／ X X 、 ／ X V、 、 八 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ _／ ／ ／ ／ ／ ／ ＼一 ／ 广 ／ ／ ， 、 ，／ ／ ～ ／ ／ ‘ 一 ／ ／～／ ／ I - “ ／I ， ， 1 ／ ， 1 ／ ， I ， ， 、 ， ， ， I ， ／ l／ ／ I ， ／ 1 ．／ ， d ， 、 } ／ ／ ， ’ ， ， ＼ ． 啦 ， ＼ ， ， ， ， I ／ 1 ／ 』 ， I／ J ／ I ／l ／ ／ I ／ 0 ’ ， r ／l ／ I ， ， ／ ／ ． ／I ， ， ， {／ ， ， f ／ ， I／ ‘。 ‘ 1 ． 叫● 岩 浴 承 胜 含 水层 图 2 底板 隔水层构成 Fi g ． 2 S ke t c h o f c o mp o s i t i o n o f ke y a qu i f u ge i n f l o o r 在浅部新 新生代 岩溶 发育使其 含导水性强 ， 常成 为突水淹井的水源 ， 一般很难想象其可成 为隔水层 ； ③ 奥陶系顶部在加里东期为长期裸露风化 和浅表岩 溶发育 ， 所以， 在 已有的水文地质概念和研究成果 中， 一 般是把碳酸盐岩层作为裂隙岩溶含水层 和含水系 统等含导水 介质来处理 。实际上 ， 碳酸盐 岩致密坚 硬 ， 岩石完整时渗透性很差 ， 利用在许 多典 型矿 区采 集的奥陶系碳酸岩样本所 做的应力应变全渗透试验 图 3 结果表 明， 其渗透 系数量 级小于 1 0 。 。 m ／ d ， 有 很好的隔水能力和很高的强度。 1 5 0 1 2 0 g 9 0 l。 6 o 一 3 0 0 0 ． 2 0 ． 4 0 6 0 8 1 ． 0 1 2 1 ．4 1 ． 6 一， s／1 0 图 3 灰岩渗透系数 K随应变 的变 化曲线 F i g ．3 F l u c t u a t i n g c u r v e o f p e r me a bi l i t y co e ffi c i e n t s wi t h s t r a i n o f Li me s t on e 1 ． 2 岩 石成 分及 微孔 隙结构 特 征分 析 奥陶系为四周大海包围的陆表海碳酸盐沉积 ， 由 于板块问的相互作用 ， 碳酸盐的沉积过程 中有海进和 海退期的沉积旋 回之分 ， 平面上有 陆地 、 岛屿、 滩 、 雏 滩 、 局限海和开阔海 的不同相带 ， 沉积 的岩性有平 、 剖 面差异分布规律 ， 在后期 的风化剥蚀过程 中， 最顶部 残留层位总体上有 以石灰岩为主和 以白云岩为主之 分 。因此 ， 选 取 了徐 州 和潞安 两 个典 型矿 区为 代表 进 行分 析 。徐 州 矿 区 残 留 的最 顶 部 奥 陶 系层 位 为 0 m ， 岩性以白云岩为主 ， 其他矿区残 留的类似岩性 的层位还有 0 I l l 、 0 m 和 0 等 ； 潞安 矿区残 留的最 顶部的奥陶系层位是 0 1 13 ， 岩性以石灰岩为主 ， 类似 的岩性层位还有 0 m 、 0 m 等 。 1 ． 2 ． 1 徐州矿区 0 1 3 1 岩性结构 在徐州矿区进入奥陶系的钻孔 1 8 8个 ， 其 中完整 揭露整个奥陶系的 l 孔 验 9 8 5孔 ， 奥 陶系残留的 最上部地层为 0 m ， 徐州矿区穿过整个 0 ， m 的钻孔 5 7个 ， 该组厚度 5 2～1 2 0 m， 一般厚度 为 1 0 2 m。与 丰沛和淄博 、 新汶等矿 区相 比， 不仅 O m 全部 ， 而且 0 m 上部 的石灰 岩及石灰岩 与 白云岩互层 已被溶 蚀 、 部分被剥蚀掉 ， 而残留下来的 0 IT I 中下部几乎全 为 白云岩及泥质 白云岩。 细粉晶一 砂晶白云岩是本区 0 m 的主要岩性 ， 垂 向上与泥一 细粉 晶白云岩共生 ， 层理不 明显 ， 以细砂 晶为主 ， 白云石呈半 自形 一自形 ； 浅灰 色粉晶 白云岩 由0 ． 0 1～ 0 ． 0 2 mm的他形一 半 自形 白云石 晶体组成 ， 具水平一 波状层理 ， 泥晶白云岩则为 0 ． 0 0 5 0 ． 0 1 m m 的白云石 ， 含少量 自形黄铁 矿， 局部层位 中尚含有未 白云化的泥晶灰岩斑块 ； 颗粒泥晶灰岩作为夹层存在 于 O m 白云岩中， 颗粒类型以细砂屑为主， 少量生物 碎屑 ， 分布不均 ， 分选差 ， 泥晶胶结 。 0 m 只发育连通性差 的溶孔和小溶洞 ， 在露头 及隐伏露头部位见到溶孔及刀砍状溶沟 ， 这些溶孔溶 沟 自身连通性差 ， 且被黏土和碎屑物及方解石充填 ， 渗透性差 。矿区供水及矿井防治水工作 中获取 的钻 探 、 巷探 、 物探等探测资料证实其为隔水层 ， 其中充填 带形成 的隔水层厚约 4 0 m， 白云岩及其非连通性岩 溶构成 的相对隔水层厚约 7 0 m。第 1 个岩溶含水段 是在下 伏 的 0 m 中上 部 ， 验 9 8 5孔 在 4 0 8 ． 5～ 4 1 0 ． 4 m深处为破碎段 ， 水蚀蜂窝发育。水补 1孔在 0 m 与 0 m 界面附近 的 7 7 6 ． 2 0～7 6 8 ． 3 0 m处发育 有小溶洞 ， 大小为 1 0 m m 1 2 minx 8 m m至 0 ． 5 mmx 0 ． 6 mmx O ． 4 mm， 偶见 2 ． 0 c mx 1 ． 5 C n l X 1 ． 0 c m的较 大溶洞 ， 半充填泥质物。因此 ， 徐州煤 田奥陶系顶部 隔水层主要为岩溶不发育的 白云岩层及其上充填带 构成 ， 厚度约 9 0～1 2 0 m。 选取水补 1 、 验 9 8 5和查 注 3孔 等岩芯样分析 其化学成分 、 矿物成分 、 微结构。证实 0 ， m 以质纯白 云岩为主 ， Mg O含量 为 1 5 ％ 一2 1 ％ ， 2 1种微 量元素 最高值有 8种出现在 0 m ， 其余出现在 0 。 中， 1 7种 最低值 出现在 0 m 中。微量元素含量与成岩后岩溶 发育过程中的水一 岩作用强度有关 ， 0 i n 下段岩溶发 育 ， 溶孔溶洞发育 ， 在水 一 岩 强烈作用过程 中微量元 素被淋滤进入地下水 中， 致使岩石 中 1 7种微量元素 均相对贫乏 ， 含量出现最低值 。与之相反 ， 0， 以灰黄 色泥灰岩、 泥质 白云岩 、 泥岩 、 页岩为 主， 由于泥质成 分含量高 ， 孔隙不发育 ， 水一 岩作用微弱 ， 微量元素的 淋滤也就较少 ， 1 0种元素在该段出现最高值 ， 0 m 多 种微量元素含量偏高也是与白云岩水岩作用弱有关 。 压汞试验测试 表 1 表明有效孔隙少 ， 平均孔隙直径 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 3 ． 7～ 2 5 m， 孔隙喉道均值 0 ． 0 1 0～8 ． 3 6 0 m， 有效 孑 L 隙度为 0 ． 4 3 ％ ～1 ． 0 0 ％， 大于 1 0 m孑 L 隙所 占体 积比例大于 6 0 ％， 大于 1 0 m孔隙所 占体积 比例要 比石灰岩的高 2倍。 表 1 水 补 1 孔阁庄组子 L 隙度测试结果 Tab l e 1 The por o s i t y me a s ur e me nt o f c ar b ona t e r o c k c o r e o f O2 m5 i n No． 1 1 ． 2 ． 2 潞安矿区 0 m ～0 m 岩性结构 位于沁水煤 田东翼中部的潞安矿区漳 5 4孔终孔 深度 8 6 4 ． 5 5 m， 揭露 奥灰 3 7 6 ． 3 7 m， 穿过 0 m ～ 0 m 并进人 了 0 m ， 取样间隔 5～1 0 m， 共取样 5 7 个 ， 选取其中 4 9个进行薄片鉴定、 2 2个进行了 x射 线荧光光谱分析 2 8个样品在 Mi c r o me t e r s 9 3 1 0型微 孔结构分析仪上进行压汞试验。综合野外现场岩芯 鉴定和室内镜下及 x射线荧光光谱分析结果 ， 在该 孔 中 O 2 m6 、 O 2 m 5 厚度分别为 1 4 2 ． 4 m和 1 4 3 ． 1 m。 0 m 以石灰岩为主 ， 其上部厚约 1 8 ． 4 m以粗粉 晶一 细砂晶石灰岩为主 ， 方解石含量 9 9 ％ ～1 0 0 ％， 晶 粒大小 0 ． 0 1 ～ 0 ． 2 0 mm； 粗粉晶一 细砂晶结构 ， 颗粒紧 密接触 ， 品间溶蚀孔隙和微缝合线较发育 ， 多为黏土 矿物 、 黄铁矿颗粒和方解石充填 ； 总的有效孔隙体积 0 ． 0 0 4 2～ 0 ． 0 0 5 5 c m ／ g ， 直径 ≥1 0 Ix m的孔 隙体积 占 1 7 ． 4 ％ ～2 5 ． 5 ％， 直 径 ≥0 ． 8 I x m 的孔 隙体 积 占 2 7 ． 2 ％ ～2 8 ． 5 ％ ， 直 径 ≥0 ． 3 5 m 的 孔 隙 体 积 占 2 8 ． 3 ％ ～3 5 ． 7 ％， 直径 ≥0 ． 3 5 m极细小 和超毛管微 孔隙 占 7 1 ． 7 ％ ～6 4 ． 3 ％； 体 积 中值 孔 径 0 ． 0 2 2～ 0 ． 0 5 3 Ix m； 表面积中值孔径 0 ． 0 0 9 8～ 0 ． 0 1 2 4 m， 平 均孔 隙直径 0 ． 0 1 9 8～ 0 ． 0 2 9 4 m 图 4 。 0 m 中下部 以含生屑砂屑泥 晶灰岩为主 ， 方解 石含 量 9 5 ％ ～1 0 0 ％ ， 晶粒 大小 0 ． 0 0 5～ 0 ． 2 0 0 m m， 砂 屑 0 ． 0 5～ 0 ． 5 0 m m， 生 屑 0 ． 1 ～ 3 ． 0 mm。泥 晶结构 为 主， 其次是含生屑砂屑粉晶结构与细砂晶结构。微缝 合线 、 微裂隙 、 溶孔 、 溶缝 最大隙宽 1～ 3 mm 发育， 多为亮晶方解石及少量泥质及黏土矿物充填。平均 总进汞量 0 ． 0 0 4 5 c m ／ g ， 有效孔隙度 1 ． 2 2 ％ ， 体积中 值孔 径 0 ． 0 3 8 m， 面 积 中 值 孔 径 0 ． 0 0 4 5 m， 篷 图 4奥 陶 系 琐 邵碳 酸岩 毛细 压 力 曲线 Fi g ． 4 T he c a pi l l a r y c u r v e o f t o p c a r bo na t e r o c k o f Or d o v i c i a n 1 0 m孑 L 隙体积 占 2 6 ％， 0 ． 8 m 孑 L 隙 占 3 2 ％， 0 ． 3 5 m孔 隙 占 3 5 ％， 极 细小 和超毛 细微孔 隙 占 6 5％ 。 0 ， m 以石膏岩、 硬石膏岩 与 白云岩互层为 主。 石膏岩多呈粉晶一 粗砂晶结构 ， 粒径 0 ． 0 5 0 ． 5 0 m m， 含量 7 5 ％ ～ 9 9 ％； 硬石膏岩主要为粗粉 晶一 细砂晶结 构， 粒径 0 ． 0 5～ 0 ． 2 5 m m， 含量8 5 ％ ～ 9 3 ％； 白云岩多 数呈泥晶一 粉晶结构 ， 白云石粒度 0 ． 0 0 5～ 0 ． 0 2 0 m m， 含量 6 0 ％ ～1 0 0 ％。溶蚀孔隙、 裂隙、 缝合线较发育 ， 被黏土矿物、 石膏及硬石膏等充填 。 0 m 顶部和下部的角砾状石膏质 白云岩孑 L 隙结 构以均匀细孑 L 隙为主， 直径 0 ． 0 7 0 2～ 0 ． 6 4 3 0 I, z m 的 细孔 隙 占 5 3 ％， 0 ． 0 0 6～0 ． 0 1 0 m 的孑 L 隙 占 1 3 ％ ， 1 0～ 3 O m 的 占 6 ％ ， 毛细压 力 曲线 具有 一个 明显 的 平缓段 ， 最大连通孔喉直径 1 ． 2 m， 但退汞曲线与进 汞曲线吻合 ， 退汞效率高 ， 说 明在这些细孔隙中孔喉 的体积所 占比例较大； 0 m 中上部孔 隙结构以超微 毛细孔 隙为 主， 占 5 9 ％ ， 直径 0 ． 3 5 m 的孔 隙 占 1 5 ． 8％ 第 2期 缪协兴等 华北奥 陶系顶部 碳酸岩层隔水特性及分布规律 1 8 9 经井上下钻探验证 ， 潞安矿区中深部奥陶系上界 面之下 最顶部 碳酸岩隔水层厚度 6 0～1 2 0 r n ， 其下 为厚约 2 0 r n的弱含水层 ， 其下又为厚 约 1 0 0 n l的隔 水层 ， 直到出现上马家沟组 0 i n 含水层。 2 奥陶 系顶部 隔水层分 布特征 2 ． 1 早古 生界 顶部 残 留层 位分布 加里东运动期 ， 由于华北板块与北侧的西伯利亚 板块及南侧的华南一 扬子板块的相互作用 ， 华北板块 被整体抬升出海平面 ， 板块 内部断裂和褶皱不发育 ， 岩层产状基本水平 ， 地势平坦 、 海拔较低 、 气候湿热 ； 奥陶系碳酸岩沉积不久即被整体抬升 出海面 ， 如同现 代分布在澳洲 、 中美洲等地的中一 新生代 的碳酸岩相 似 ， 岩石疏松 、 孔隙度大 ， 石灰岩的孔隙度约为 1 5 ％ ， 白云岩 的孔 隙度则 高达 3 0 ％ ， 易于水 平扩 散溶蚀 。 在此背景下 ， 碳酸盐岩层的风化剥蚀 ， 以溶蚀为主 ， 地 表切割不强烈 ， 剥蚀搬运动力不强 。地下水循环深度 小 ， 岩溶作用只能在浅表进行 ， 洞穴成层性明显 ， 岩溶 风化壳薄 。如潞安矿 区中深部奥陶系顶界面 向下 约 1 0 0 m处的硬石膏层仍然完整存在 ， 未受溶蚀 ； 太原 西山和东 山煤 田奥 陶系顶界面下 7 0～ 8 0 r n的石膏层 也仍然完整保存 。地表水的剥蚀夷平作用和地下水 的水平径流作用使得岩溶演化以水平作用为主 ， 奥陶 系顶部岩层 以层层溶蚀 的形式被剥蚀掉。板块中部 残留层位高 新 ， 板块南北边缘被剥蚀夷平更强烈 ， 残留层位低 老 ， 残 留厚度薄 ， 导致晚古生代煤系地 层与奥 陶系不同层位呈不整合接触 表 2 、 图 5 。 淄博一肥城一峰峰一 阳泉一太原一线 附近残 留 层位为 0 r n ， 残 留厚度大于 6 5 0 1T I ， 向南或向北逐渐 变低变薄。大同矿 区奥陶 、 寒武系灰岩由南 向北 ， 从 上而下依次遭剥蚀而缺失。南部怀仁煤 系地层下见 0 m， ， 然后向北依次见 0 I l l 、 O n l 等 ， 在煤 田中部 口 泉沟只残留 6 i n厚的 0 ， 在煤 田北部云 岗沟 以北仅 存下寒 武统 ￡ ． 图 5 。 表 2 典型矿 区奥 陶系最上 残留层位及其层厚 Ta bl e 2 Th e r e ma i ne d f or ma t i o n and i t s t h i c kne s s o f t he t o p Or dov i c i an i n r e pr e s e nt a t i v e c oa l fie l ds m 地 层 矿 区02 i n 6 02 n q 5 02 I 1 1 4 02 m3 02 m2 02 m1 0 韩城 柳林 阳泉 潞安 开滦 蔚县 大同 峰峰 焦作 登封 平顶 山 淄博 充州 丰沛 徐州 淮j E 淮南 2 1 1 2 6 l 4 2 6 3 一 一 一 l 2 5 9 3 2 0 ～6 5 8 0 ～1 l 0 4 5 1 2 1 1 5 一 一 1 l 0 0～8 O 6 注 一 表示缺失 ； 表示 口泉只残留到亮 甲山组 ； 表示南部张夏组下部 ， 北部崮山组下部。 焦作矿 区南部 只残 留 0 m 以下地层 ， 残 留厚度 约4 0 0 i n ， 嵩山一带残 留 0 11 1 以下地层 ， 至平顶山矿 区与晚古生代接触 的已经是 中寒武统 。山东中西部 煤矿区残留的奥陶系最顶层位为 0 i n ， 向南徐 州矿 区即为 0 n l ， 淮南矿区 0 IT I 仅残 留 1 2 m； 向北天津 一 带为 0 i n ， 到开滦矿区最上残留层位为 0 i n 。 2 ． 2 加里东期风化壳岩 溶充填带 加里东期风化壳岩溶充填带在全华北煤 田皆存 在。焦作 、 峰峰 、 开滦 、 徐州 、 肥城 、 晋城 、 潞安、 武乡、 左 权 、 阳泉 、 太原 、 韩 城 、 铜 川 矿 区 的充填 带厚 度 分 别 为 2 0～ 7 0 ， 4 5 ， 4 5 ， 3 0 5 0 ， 3 0 ， 4 0～ 7 0 ， 6 0～ 8 0 ， 9 0 ， 6 0 ， 9 0， 2 0， 4 0， 3 0 i n。 各矿区奥陶系顶部古剥蚀面 向下充填带厚度为 2 0～ 9 0 IT I ， 一般 5 0 n l ， 充填带上部充填物以碳酸盐风 化产物铁质 、 铝质黏土及沙等为主， 下部充填物渐变 为以方解石 、 白云石和石膏等化学沉淀物为主 ， 铁与 l 9 0 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年 第3 6 卷 硫酸盐在还原环境 中形成星散状黄铁矿颗粒充填。 5 大 I J 矿 区 地层 结 构 ／下意 Fi g ． 5 Ge o l o g y s e c t i o n o f Da t o n g c o a l fie l d 2 ． 3 奥陶系顶部残留层岩性结构 奥陶系顶部残留层岩性结构决定隔水层的构成。 岩性和结构及埋藏条件对岩溶发育程度具有控制作 用 ， 在剖面上表现为沉积旋 回、 平面上为沉积相变、 垂 向上为埋藏深度与岩溶发育程度 的相关性。露头观 察和浅部钻探揭露岩芯分析 ， 冶里组一 亮 甲山组 以白 云岩为主， 岩溶形态以水力连通性差的蜂窝状溶孔溶 穴为主 ， 另外 O m。 、 O m 和 O m 等每一旋 回海退期 沉 积岩段 的岩石成 分 以 白云 岩 和 白云 岩与 石 灰岩 混 合及夹有泥质和蒸发岩沉积 ， 岩溶发育程度差， 充填 带深度往往抵 达岩溶不 发育带。而 O m 、 O m 和 O m 等海进期沉积的岩石成 分以石灰岩为主 ， 岩溶 发育以水力连通性好的溶隙溶洞为主。后期的泥沙 充填带下 ， 往往为半充填和无充填 的古岩溶带 ， 即充 填带下即为岩溶含水层 。由于各地残 留的奥陶系最 上部地层岩性和后期改造条件不同， 导致隔水层构成 和厚度有差异。 枣庄 、 兖州矿区残 留的奥 陶系最上地层为 0 m 的下部， 厚 2 0～ 5 0 m， 岩性为白云岩夹泥灰岩、 灰岩 ， 连同下伏的阁庄组上部的白云岩与灰岩互层段溶孔、 溶洞 、 溶缝发育 ， 但由于近奥陶系顶界面 ， 被风化产物 和后期沉积产物所充填 ， 在浅部隐伏露头被新岩溶发 育改造 ， 充填程度差一些 ， 但渗透性仍不好 ， 在掩埋区 被方解石等全充填 ， 形成 隔水 的充填带。O m 中下 部 白云岩岩溶不发育或只有连通性很差的溶孔和小 溶穴， 总体上 可以定为隔水层。在煤 田浅部露头 附 近 ， 奥 陶 系 顶 部 为 充 填 带 形 成 的 隔 水 层 ， 厚 度 约 5 0 m， 其下为 O 13 1 上部未完全充填带构成的弱含水 层， 如兖州杨村煤矿井下钻孔揭穿奥灰厚度 大于 5 0 m才有少量岩溶水涌出； 在掩埋区深部阁庄组顶部几 乎只有连通性差的溶孔和小溶洞 ， 可以认为 O ， m 和 O m 皆为隔水层 ， 因此 ， 在矿区深部奥陶系顶部隔水 层 总厚度 为 5 0～1 2 0 m。 山东新汶、 淄博矿区奥陶系残留厚度最大， 0 m 残 留层位更高 ， 当地 O m 顶部存在厚 4 O～ 7 0 m的砂 岩 、 泥岩和白云岩段 ， 顶部充填带厚度约 6 0 m， 在矿 区浅中部 ， 0 m 的中下部为半充填和无充填的弱含 水层 ， 因此 隔水层厚度约为 6 0 m。新汶矿区各矿井 中深部对底板探水， 在钻孑 L 揭露奥陶系 5 0～ 8 0 m始 有水涌出， 且水量不大。 河北峰峰矿区 O m 顶部 2 0～ 5 0 m为角砾 、 中粗 晶白云岩 ， 即使在鼓山露头观察 ， 也可见到其中溶孔 、 溶隙均被完全充填 ， 为相对隔水层 ， 厚度约 4 5 m， 其 下为未完全充填 的岩溶含水层， 深部含水性变弱。 焦作矿区奥陶系顶部残留层位为 O m 石灰岩， 在开采 C ， 铝土矿时， 在奥陶系顶部揭露 的溶洼 、 溶斗 密度达 2 0个／ k m ， 这些溶洼 、 溶 斗及其 下的溶 洞溶 隙均被上覆 c 底部的铝土岩和方解石充填 ， 完全充 填