煤礦陷落柱的應用分析

1、煤礦陷落柱的應用分析煤礦陷落柱的應用分析 2011年01月26日摘要：陷落柱在華北地區(qū)分布十分廣泛，是一種較為復雜的研究對象，它結構特殊，而且很少出露地表。由于受觀察和研究條件的限制，只能從局部或有限的側面認識陷落柱。 關鍵詞：陷落柱；巖溶；井巷工程 一、前言 關于陷落柱的記錄最早出現在20世紀40年代初的文獻中。在此之前，山西太原西山煤礦、陽泉煤礦、靈石富家灘石膏礦和河北井陘煤礦都發(fā)現了這種構造，當時，礦工和采礦技術人員將其稱為砂墩、無炭柱、環(huán)狀陷落、柱狀陷落、圓形斷層等。目前，陷落柱仍沒有統(tǒng)一的定義。巖溶學詞典對該詞的解釋為：巖溶陷落柱（karst collapse breccia pip

2、e），是埋藏型巖溶區(qū)的地下溶洞的頂部巖層及覆蓋層失去支撐，發(fā)生塌陷所產生的上小下大的椎狀陷落體。 按照碳酸鹽巖的出露情況，巖溶可分為三種類型：裸露型巖溶，指可溶巖裸露地表的地區(qū)所發(fā)育的巖溶；覆蓋型巖溶，指被松散堆積物覆蓋的巖溶；埋藏型巖溶，指已成巖的非可溶性巖層之下的可溶巖層所發(fā)育的巖溶。巖溶塌陷在各類巖溶區(qū)都有發(fā)生，而陷落柱是煤系下伏溶洞塌陷的產物，屬埋藏型巖溶塌陷。 華北地區(qū)巖溶陷落柱已見于晉、冀、豫、陜、蘇等省的二十余個煤田中，以汾河沿岸，太行山東、西麓礦區(qū)最為發(fā)育，如西山、汾西、霍州、陽泉、井陘等礦區(qū)。陷落柱平面形態(tài)多呈似園、橢圓形，長軸直徑一般20-40m，大者達300m。剖面上陷6

3、鵅柱發(fā)育高度很大，由200m到600m不等，多呈鋸齒狀邊緣的垂直尖錐狀，也有傾伏狀的。陷落柱一般隱伏于地下，其頂部埋深可達200-300m，有的發(fā)育達到第四系，在黃土中形成洼地。陷落柱基底埋藏很深，尚無一處鉆探揭露。陷落柱一般由破碎巖塊及其風化的碎石、砂土組成，有的還保持似層狀結構。 二、陷落柱的特點 （一）陷落柱的形成機制 一般認為陷落柱的發(fā)育與奧陶系灰?guī)r的古巖溶密切相關，即溶洞的存在是陷落柱形成的前提條件。有人認為陷落柱發(fā)育主要受地下水主徑流帶的控制，有人認為構造是主導控制因素，還有的認為與奧陶系灰?guī)r中石膏層的分布有關。由此提出了多種陷落柱成因理論，下面概括一些主要觀點。 重力塌陷說認為，

4、陷落柱形成分三個階段：首先是巖溶洞穴形成階段，地下水沿著可溶性巖石的節(jié)理裂隙和斷層運動，使裂隙逐漸擴大。于是大量巖溶水匯集其中，不但進行化學溶蝕，而且進行機械侵蝕作用，頂部和兩側巖層坍塌形成溶洞；第二階段是溶洞再擴大并形成第二層溶洞，由于地殼上升溶洞也隨之擴大，還會發(fā)育第三、四層溶洞；第三階段是上覆非可溶性巖層的塌陷，形成陷落柱。當地殼繼續(xù)上升，地下水位下降，不僅第一層溶洞坍塌，第二層溶洞也開始坍塌。這樣坍塌不斷增長，當兩層溶洞的位置接近一條垂直線時，則有可能連接起來，陷落柱的高度增大，這就是為什么有些陷落柱高度達數百米的原因。 石膏溶蝕說認為，陷落柱是石膏喀斯特產物。在中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r中

5、賦存有很厚的硬石膏，峰峰組灰?guī)r中也夾有石膏層。由于地殼不斷上升，在地下水的作用下，硬石膏水化變成石膏。體積膨脹64%，膨脹后的石膏沿著破碎帶的交線擠入上覆的巖層。然后，這種柱狀的石膏體不斷地被地下水溶蝕，周圍的巖石塌落形成陷落柱。 真空吸蝕說認為，在相對密封的承壓巖溶網絡地下水中，由于地下水的排泄或地殼局部的升降等，引起巖溶腔內地下水大幅度下降，當水位低于巖溶腔口表面，即巖溶腔內水體由承壓轉為無壓時，在巖溶腔內水面與巖溶蓋層之間出現空穴，即巖溶空腔。逐漸增大的巖溶空腔必定轉化為低氣壓狀態(tài)，形成真空腔（或稱負壓腔），在真空腔內不斷下降的水面猶如巨型吸盤，強有力的抽吸著上面巖層向下塌落，最終形成陷

6、落柱。 熱液成因說認為，燕山期火成巖體和熱液的侵入，造成殘熱水和地下水復雜的循環(huán)和溶蝕作用。高溫高壓的熱水可極大地提高碳酸鈣的溶解度。熱水巖溶的起始點是從矽卡巖成礦熱液生成鐵礦后殘熱水進入碳酸鹽巖開始的，這樣就可以生成高度極大的巖溶洞穴，而且不受地殼升降與侵蝕基準面變化的影響。當地層褶皺隆起時，洞穴塌陷形成陷落柱。 （二）陷落柱的分布規(guī)律 陷落柱的平面展布往往是分片分區(qū)，成群發(fā)育，有密集區(qū)、稀疏區(qū)和空白區(qū)，并具有一定的方向性。 （三）陷落柱的預測和探測 在預測方面，一些礦區(qū)根據陷落柱的分布規(guī)律結合礦區(qū)的具體條件，如巖性、構造、地下水徑流等，劃分了陷落柱發(fā)育帶，進行定性預測。有的礦區(qū)總結了陷落柱

7、的預報標志，有的礦區(qū)還進行了陷落柱阻水強度和抗壓強度試驗，進行水文地質預報。在陷落柱探測方面，應用到多種物探方法，其中，電法勘探開展較早，以無線電波透視法為主，以后逐漸應用了地震波法、磁法、放射性探測法以及重力探測法。 三、陷落柱的研究 陷落柱是一種較為復雜的研究對象，它結構特殊，而且很少出露地表。受觀察和研究條件的限制，只能從局部或有限的側面認識陷落柱。 （一）陷落柱的發(fā)育特征 分析陷落柱柱體結構和柱圍構造，把握其大小、形狀、高度等三維空間尺度，獲得陷落柱明確的概念。 （二）陷落柱形態(tài) 陷落柱的平面形態(tài)是指陷落體與某一層面或地表面相接觸的切割面的形態(tài)；在礦井中揭露的陷落柱的平面形態(tài)，一般呈近

8、圓形、橢圓形、鞋底形或不規(guī)則的長條形（如圖1所示）。陷落柱中以近圓形、橢圓形者居多。陷落柱的平面面積各不相同，大者可達數十萬平方米，小者僅十余平方米。 圖1 陷落柱平面形狀示意圖 程實例 西山煤田位于山西省中部，西部為呂梁山脈，北部為云中山余脈，東南部為太原盆地。西山煤田的一級構造為西山向斜。它貫穿整個西山煤田，軸向近南北，兩翼不對稱（西翼陡峻，東翼平緩）且軸部偏西。西山向斜從南到北由獅子河向斜、馬蘭向斜、東社向斜組成。西山向斜的東翼斷層甚為發(fā)育，多呈ne-nne向，且以n60e的高角度正斷層為主，并有規(guī)律性呈條帶狀等間距排列。西山煤田內尤其是東部陷落柱甚為發(fā)育。 通過運用autocad來繪制西山煤田西曲礦井陷落柱分布圖，在矢量化了西山煤田各礦區(qū)采掘工程平面圖的前提下，運用autocad查詢工具進行逐個逐片的查詢，并完成以excel為載體進行逐個記錄、統(tǒng)計、比例尺的換算、圖表的編制等工作，繪制了陷落柱密度分布圖，結果表明，陷落柱之多已成為影響該礦正常生產的主要地質因素，少數陷落柱已經出露地表，而大多數陷落柱是在井下生產中揭露的。 四、結語 陷落柱是直接影響采煤方法的選擇的主要地質因素，它直接影響井巷工程的布置和施工，影響采煤方法和采掘機械的使用，影響井下巷道支護和安全，因此掌握井田內陷落柱的分布規(guī)律，是采區(qū)和工作面合理