刘桥一井田北部断裂构造导水特征分析
（张广好 皖北煤电集团公司刘桥一矿， 安徽省濉溪县， 234001）
基金项目：安徽省教育厅自然科学基金
摘 要 根据钻孔揭露时的简易水文观测、矿井放水试验、瞬变电磁（TEM）法探水资料及井下煤（岩）巷揭露断层时断层的淋水、涌水情况和工作面出水期间断层两盘水文观测孔的水位变化情况，对断层导水性特征进行了分析。研究表明井田内主要断层导水性具有明显的差异性，导水断裂以北北东走向为主。
关键词 断裂构造 展布方向 导水性
1 前言
刘桥一井田位于安徽省淮北市濉溪县刘桥镇境内。矿井西北以土楼断层和谷小桥断层与刘桥二矿为界，东南以刘桥断层为界；浅部至六煤层露头，深部至-600m水平。该井田构造位置处于中朝板块南缘，郯庐断裂西部，徐宿弧形推覆构造中段的大吴集复向斜南部的翘起端，总体上为一不完整的向斜构造形态（图1）。地层倾角一般在8°~15°，受构造影响局部倾角变化较大，构造较为发育。区内落差大于10m的断层25条，其中正断层19条，逆断层6条。
根据钻探和井巷揭露，井田内所见地层有：奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系，主采二叠系下石盒子组及山西组的四、六煤层。随着六煤层回采与矿井的延深，底板下伏太原组灰岩水（简称太灰水）和奥陶系灰岩溶水（简称奥灰水）的突水危险将日趋突出，而大多数突水都与断裂构造有明显关系，因此，研究断裂构造的导水性，对井田预防底板突水具有十分重要的意义。
2 井田主要断层导水性分析
21 陈集断层导水性
陈集断层位于井田北部，向斜轴部东翼附近，为逆断层。断层走向NE，倾向SE，倾角25～60°，落差0~30m。其落差小于六煤底板隔水层厚度，因此不存在断层与煤层的对接。井下巷道多次穿过该断层，仅局部地段出现滴水，表明断层垂向不导水。
图1 刘桥矿区构造图（略）
该断层水平方向隔水性明显。为了研究矿井太灰水位变化规律，2001年在井田深部12线附近的陈集断层两盘分别布置了水16（下盘）和水15（上盘）太灰水位观测孔，两孔水平距离500m左右。
永夏矿区两孔初始水位分别是－11150m和－10197m，相差953m。由于下盘采区出水及放水作用，太灰观测孔水位不断下降。到2003年8月，水16孔水位下降到－2124m，水15孔水位下降到－108m，两孔水位差达1056m，如此大的水位差说明陈集断层在该区起着隔水作用。
22 土楼断层的导水性
土楼断层的最大落差达200m，从南向北断层的落差逐渐变小。为了研究断层的透水性，刘桥二矿放水试验时，采用水4(下盘)和Ⅱ检3(上盘)两观测孔分别监测断层两盘的水位变化。从放水试验所揭露的水动态特性来分析，土楼断层在隔水效果上显示出多重性。
（2）垂向不导水性。放水前土楼断层附近的太灰钻孔水位比较低，如水10和Ⅱ检3孔水位分别为-12722m和-12494m，均比放水孔附近G1孔的和G2孔的水位(-10604m和-10437m)低得多，如果土楼断层在垂向上导水，那么下伏奥陶系灰岩水将沿断层上升补给太原群灰岩，太灰水的水位绝不可能如此低。
（2）水平方向隔水不均一性明显。从断层两盘水位对比可发现这一规律，如断层中部的Ⅱ检3孔与水4孔分别位于土楼断层的上、下盘，水平距离仅550m左右，试验初始水位分别为－104174m和－12494m，两孔的水位差达2077m。若本地带断层隔水性能不好，二者间绝不可能有如此大的水位差。尽管紧靠土楼断层的Ⅱ检3孔 (上盘)与水4孔 (下盘)之间2077m的水位差显示出断层带的良好隔水性，但是在放水过程中，在中心孔附近的G1孔水位降深1112m的情况下，水4孔水位降深达789m，Ⅱ检3孔水位降深也达515m，在放水孔关闭后水4孔与Ⅱ检3孔水位分别回升了298m和131m，并且当G3孔封孔后，两个孔的水位都有一定反应。这些现象均表明放水孔与两个观测孔存在水力联系，只是与Ⅱ检3孔的联系性差一些。这实际意味着土楼断层并未在太灰含水层间起到完全隔水的效果。
刘桥一矿北翼深部瞬变电磁（TEM）法探水资料分析也表明，在深部土楼断层上盘存在视电阻率异常区。
以上资料表明，土楼断层的隔水性具有不均一性，在井田南部隔水能力最强；到中部一带，虽然有明显的隔水证据，但断层两侧太灰水的相互联系证据也异常明显；北部的相对较差。总的来看，土楼断层的隔水性也具有由南向北逐渐变差的特征。
23 刘桥断层的导水性
该断层位于井田东北部，为浅部边缘断层。落差110~290m。研究区内太原组灰岩与煤层直接接触。 刘桥断层的导水性与土楼断层的导水性具有相似性。钻孔资料表明，刘桥断层的渗透性相差较大，渗透系数在001154 ~0859 m/d（表1）。井下六煤开采资料表明该断层在井田南部隔水能力最强，但从瞬变电磁（TEM）法探水剖面分析，深部刘桥断层的北部上盘隔水性较差，具有一定的导水性。
3 导水断裂构造展布特征
根据井下裂隙观测统计（图2），按走向分，砂岩中裂隙主要发育有5~6个方向，其中主要一组为平均走向359°，倾角一般大于80°，倾向近东，该组裂隙的开启性较好，常有淋水或涌水现象；其它方向的裂隙或是裂隙面为紧密状，或是裂隙被泥质、钙质所充填。
井田早期形成的北东向剪切断层受到多次北北东向挤压，而多表现为右型走滑，且出现部分拉张，而具有一定的导水性。据统计，井下落差大于5m的导水特征的断层90%以上走向为N20~45°之间（图2、图3）。
图2 砂岩裂隙走向玫瑰花图（略）
图3 导水断层统计图（略）
4 导水性断裂构造的演化特征
构造展布特征表明，本区构造经历了多期不同方向应力场的复合作用，而局部应力场方向又无不受到区域大地构造应力场的控制。各期构造相互干扰、叠加，而形成现今矿区的构造格局。
表1 刘桥一矿主要断层水文孔抽水试验资料（略）
41 印支期
三叠纪时期，扬子板块与中朝板块发生碰撞。在近南北向主压应力场作用下，华北地区发生近东西向褶皱，并伴生轴向逆冲断层及北北东向左旋剪切断层，在本区表现为煤系形成后第一期应力场。在该应力作用下，刘桥断层、土楼断层此时表现为左旋张剪性。
42 燕山期（一期）
中生代晚期，东部Iznagi板块向北西西向移动，使中国东部褶皱成山，形成本区煤系形成后第二期应力场。据刘桥二矿砂岩石英光轴组构分析，本区发生的最大挤压方向为N102~ 124°之间。该期构造在本区主要表现为东西向缩短，形成了陈集向斜、土楼背斜等北北东向褶曲（图1），并出现北北东向逆冲断层。此时，刘桥断层、土楼断层进一步发育，并表现为压扭性。该期褶曲构造受印支期褶皱的限制，基本不穿越前期背斜轴。
印支期及燕山期为两近于垂直的主压应力场，是本区构造形迹的主要形成期。印支期及燕山期形成的断层时间较早，井下观测发现，其断层带充填物基本已胶结成岩。在未受后期改造的情况下，其断层基本不导水。
43 燕山期（二期）
早白垩世至始新世期，冈瓦拉板块北移，在本区形成北北东向挤压作用，形成本区煤系形成后第三期应力场。研究区构造主要表现为早期北北东向断裂活化，并出现右型走滑。在该应力作用条件下，本区形成了一系列较为平缓开阔、轴向近于平行，沿北北西向展布的褶曲，及与褶曲轴平行发育的逆冲断层。早期形成的北东向断裂出现一定程度的拉张，导致部分早期形成的北北东向断层活化。由于该期构造运动形成时间较晚，断裂带充填物胶结相对松散，矿井井下遇到该方向的断层易发生出水或涌水现象。
44 新构造运动
该期构造在本区主要表现拉张性质。井下发现各区段普遍发育一组近北东向张裂隙，裂隙的充填性较差，成为矿井砂岩中主要导水裂隙。当山西组六煤底板砂岩发育时，其裂隙易导通太原组灰岩水，使六煤开采时，易发生底板涌水。
5 结论
(1)井田内主要断层的导水在垂向和水平方向上具有明显的差异性。陈集逆断层在垂向具有不导水性，水平方向隔水性明显；土楼断层和刘桥断层在浅部（南部）隔水性明显，但隔水性具有由南向北逐渐变差的特征。
(2)本区构造形迹的主要形成于印支期及燕山一期，但由于形成的断层时间较早，其断层带充填物基本已胶结成岩。燕山一期及新构造运动使早期形成的北东向断裂出现一定程度的拉张，导致部分早期形成的北北东向断层活化。由于这两期构造运动形成时间较晚，断裂带充填物胶结相对松散，矿井井下遇到该方向的断层易发生出水或涌水现象。
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