华北奥陶系顶部碳酸岩隔水性及时空演化规律研究

华北奥陶系岩溶承压含水层具有厚度大，含水量丰富，突水危害高的特征。以现公认的隔水层厚度和方法进行评价，约5000亿吨的煤炭不能开采，占华北已探明储量的62.5%，深部比例将更高，如何既解放煤炭资源又保护水资源和环境已成为亟待解决的关键问题。为此，我们已前期对奥陶系做了部分现场试验工作，经过部分开采实践检验和初步分析，率先明确提出了华北奥陶系顶部存在碳酸盐岩隔水层的观点，但有待对其进行更深入的理论研究。本项目拟综合运用采动岩体渗流理论与构造地质、岩相古地理、岩溶学和水文地质等理论，研究奥陶系顶部碳酸盐岩残留层位分布特征，揭示碳酸盐岩隔水层的形成与演化规律，并结合室内实验、现场监测，分析奥陶系顶部碳酸盐岩隔水层的隔水性能和机理。在新理论的指导下，奥陶系顶部碳酸盐岩隔水层将成为解放巨大煤炭储量和保护水资源和环境的隔水关键层，此项研究成果必将丰富绿色采矿技术体系。

针对华北奥陶系顶部碳酸岩隔水性及时空分布规律的科学问题，选定了20余个典型煤田为研究试验现场，按计划和超额完成了地面与井下、间接探测与直接验证、现场与室内、宏观与微观等测试、试验工作，达到项目预期的研究目标和内容，在以下几方面取得了进展：（1）率先明确提出和定义了奥陶系顶部碳酸岩隔水层。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；该隔水层在新生代以来的岩溶发育、新构造断裂、陷落柱和岩浆岩体周围裂隙等破坏将会减弱或失去隔水性能。（2）宏观研究证实了奥陶系顶部碳酸盐岩隔水层在各大煤田均存在。提出地震反演解释岩层的含隔水性方法，对典型矿区奥陶系顶部岩层含、隔水性能进行波阻抗反演，表明奥陶系顶部隔水层大面积存在；典型矿区水文地质钻探及“三量”观测结果、抽注水试验和井下放水试验结果证实了在不同矿区奥陶系顶部碳酸盐岩层隔水层是存在的；典型矿区井下原地压水实测结果证明隔水层存在，即使岩层有一定的裂隙和岩溶扩容破坏，但仍有一定的阻水能力。（3）微观分析及室内实验揭示奥陶系顶部岩层高强度低渗透的的机理。分别对顶部隔水岩层为白云岩、石灰岩和泥灰岩进行细致分析，其岩石成分及微孔隙结构分析表明碳酸盐岩致密；全应力-应变渗透性试验表明完整碳酸盐岩渗透性较砂岩小； 20多个矿区300余组岩样基本岩石力学性质测试结果表明碳酸盐岩强度高于碎屑岩和泥岩类。（4）古地理环境和古成岩程度决定隔水层类型。（5）奥陶系顶部碳酸盐岩隔水层存在断裂、陷落柱、岩浆岩体伴生裂隙和露头新岩溶发育带等4中类型的缺陷，成为奥陶系强岩溶水突出的薄弱部位。（6）建立塞子模型初步研究了陷落柱突水和注浆堵水机理。从“变质量”与“渗流失稳”两个视角来阐述突水和注浆堵水的机理。（7）完成了现场应用推广工作。江苏龙固煤矿、山东新驿煤矿、内蒙古白云乌素煤矿均利用奥陶系顶部碳酸盐岩隔水层实现了下组煤的安全开采。.本研究项目在理论上改变了碳酸盐岩层就是含水层的固有观念，实践上为解放华北下组煤，实现保水采煤奠定了理论基础和提供了先例。