煤矿陷落柱特征

一、陷落柱的形成 在我国华北石炭二叠纪煤系的基底，存在有溶洞非常发育的奥陶纪石灰岩，由于地下 水的长期溶蚀，这些溶洞就愈来愈大，在地质构造力和上覆岩层重力的长期作用，有些溶 洞发生塌陷，覆盖在上面的煤系地层也随之陷落，由于这种塌陷的剖面形态为柱状，所以 叫陷落柱(图 3-2-1)。 二、陷落柱的特征 (一)地表特征 当陷落规模较大时，可穿过煤系地层一直通到地表，呈现出特殊的地貌景观，在基岩 裸露地区更为明显。在陷落柱出露处岩层产状杂乱，毫无层次，登高望去，呈一环形盆 地。盆地边缘岩层产状正常，盆地中乱石林立，充填着不同地层的岩石碎块。另外，周 围 岩层因受塌陷影响而略显弯曲，岩层多向陷落区内倾斜。 在黄土覆盖地区，由于雨水下渗作用而使地表形成陷坑。随着雨量的增加和渗透量增 大，地表陷坑愈陷愈深，甚至形成小盆地。当黄土层较厚时，一般在地表很难看到陷落 柱 的存在。 (二)井下特征 1、形态 陷落柱总的形态是一个上小下大的圆锥体。它们在水平切面上多呈圆形或椭圆形，直 径 大小不一，最大的直径可达几百米(峰峰二矿)，262m(太原西山自家庄矿)，320m(阳泉 济生井田)。最小直径仅几米。 2.高度 陷落柱的高度是有限的，因为溶洞塌陷后，上覆地层岩石碎块的体积比原来的体积增 大，所以塌陷到一定高度后，整个柱体空间都被填满，这时塌陷作用便告停止，再往上 的 岩层(或煤层)即可免受破坏。 3陷落柱内组成物的特征 陷落柱主要由塌陷的岩石碎块组成。这些岩石碎块，棱角显著、形状不一。排列紊 乱，大小混杂。大的岩块直径可达数米，小的仅几厘米。岩块与岩块之间，充满着岩粉， 煤粉和各色粘土，胶结差，多未成岩。柱内有的干燥无水，有的有淋水现象。据统计， 瓦 斯的涌出量一般比正常区高 23 倍。 4与围岩的接触关系 陷落柱与围岩的接触关系多呈不规则锯齿状，界限明显。在接触处，围岩的产状基本 正常，接触带附近的煤层及顶板一般无牵引现象。在井下煤巷掘进中遇到陷落柱后，穿过 柱体仍可见到原煤层。 5、陷落柱轴线与岩层产状的关系 多数矿井的观测结果表明，陷落柱锥形体的中心轴与围岩岩层面近似垂直。岩层倾斜， 则陷落柱歪斜。在水平投影图上，各煤层的陷落范围不会完全重叠(图 322)，井下陷落 的范围比地表大，其边缘向上山方向移动。 三、陷落柱对煤矿生产的影响 1破坏可采煤层，减少煤炭储量 2、降低采掘效率，提高生产成本 3妨碍机械化的使用，影响正规开采 4、造成矿井突水，危及矿井安全 四、陷落柱的探测工作 （一）陷落柱的观测 1、五查 2五看 看陷藻柱的不规则柱面。 看充填物韵性质和特征。 看煤， 岩层的产状变化情况。 看陷落柱内岩软的大小、排列和时代 看陷落柱与煤层的交面线 3五定 定陷落柱的形状。 定巷道遇陷落柱的部位。 定陷落柱的大小 定穿过陷落柱的距离。 定遇陷落柱的探测工作。 (二)陷落柱的探测 为了准确地指出陷落柱的具体位置，圈定陷落柱的形状和面积，必须采用各种手段对 陷落柱进行探测工作。目前，在井下探测陷落柱的主要方法有钻探，巷探和物探。 1钻探 这是生产矿井中探测陷落柱的常用手段之一。这种手段使用范围较广，在地表可以用 钻孔验证异常区是否有陷落柱的存在，在井下可以用钻孔去探测掘进巷道前方或由巷道圈 定的回采工作面内有无陷落柱的存在(图 326)。 2物探 用物探方法探测陷落柱的存在，使用最广的仪器是重庆煤研所等单位研制成功的 WKT-J2 型无线电波坑道透视仪(简称坑透仪)。通过在西山、阳泉，汾西，渡口、通化等、 矿回采工作面的大量试验，在探测工作面内陷落柱方面取得了显著成效。 利用“坑透仪”探测回采工作面内陷落柱，是根据煤层与陷落柱的电性不同。陷落柱 电阻率低，对电磁波具有强烈的吸收作用，电磁波穿过陷落柱时，就形成讯号低值区(或称 “阴影区”)。变换发射机的位置，接收机在不同方向测得同一异常区，即“阴影区”交会 的地方，就是陷落柱的位置。 观测的方法有同步法和定点法。同步法，就是发射机与接收机分别位于回采工作面的 运输巷和回风巷，同时作等距离移动，逐点发射和观测其场强值；定点法，就是发射机相 对稳定，接收机在一定范围内逐点观测场强值。由于发射机移动较麻烦。因而，一般多采 用定点法观测(图 327)。 定点法先布置必要观测点，对工作面进行普查。如发现异常，再加密观测点。观测点 的距离，普查时接收点间距一般为 10m：发射点间距为 50m。对于每个发射点，接收机可 相应地观测 10 个点左右，或尽可能在接收到场值的范围内观测(图 3-2-8)。需加密观测点 时，可根据异常的位置，灵活掌握。 布置观测点时需要考虑的问题， 首先要选择地质条件正常，干扰因素少的地段，布置 12 个发射点，做透视条件 试验。接收要从接近发射机的最大值，一直观测到远离发射机的最小值，目的是求该发射 点 的电磁波在工作面的初始场强值 Ho 、穿透距离及煤层的吸收距离 B。 2陷落柱的剖面形状：其剖面形状是根据所穿透的各岩层的岩石性质而异。在较坚 硬和裂隙发育的岩层中，陷落柱的剖面形状多呈上小下大的柱状，其柱面(指柱体面与 围岩的接触面)与水平的夹角多在 6080之间(图 4-2)。在华北地区的石炭、二迭纪煤 系中，多见此种形状的陷落柱。在含水较多的松散岩层中或未经胶结的冲积层中，陷落柱 的剖面形状多呈上大下小的漏斗状，陷落柱柱面与水平面的夹角一般较小，约 4050*左 右(图 4-3)。在华东地区的一些煤田中多见到此种形状的陷落柱。 3陷落柱的高度：从岩溶的底面至塌陷顶的距离叫陷落柱高度。有的陷落柱塌陷至 地表面，其高度达数百米之多，也有的仅塌陷数米至数十米。陷落柱的塌陷高度与岩溶 的 体积、地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质及裂隙发育程度有关。岩溶的体积大， 地 下水的排泄条件良好，岩层内的裂隙发育则陷落柱的塌陷高度就大，反之则小。 4陷落柱的中心轴：陷落柱各平面中心点的连线称为陷落柱的中心线或陷落柱的中心 轴。陷落柱的中心轴常垂直于岩层的岩面。由于岩层的产状不一，故陷落柱的中心轴有 的直 立，有的歪斜，有时可见到扭转现象。图 4-4 为西山矿务局自家庄煤矿某陷落柱中心轴 扭 转示意图。掌握陷落柱中心轴的变化规律，有利于预测下煤层、下煤组或下水平的陷落 柱 的平面位置。 二，陷落柱的出露特征 利用陷落柱的出露特征，识别和圈定陷落柱的形状和大小是矿井地质工作常用的一种 方法。掌握陷落柱的出露特征是分析、判断陷落柱的重要环节。 1陷落柱在地表出露的特征：陷落柱出露在地表时，被塌陷的岩体与周围正常岩层的 层位，产状和岩性都不一样，同时该处地貌呈现出各种异常现象。根据地貌的异常现象， 可以判断陷落柱的存在和圈定陷落柱在地表的出露范围。根据地表特征，可以进一步预测 该陷落柱在井下的位置，形状和大小。陷落柱在地表出露的特征有， (1)盆状塌陷区：陷落柱出露在地表后常呈现盆状凹陷区。凹陷区的岩层层序遭受 破坏，大小岩体混杂堆积。凹陷区周围的岩层，层位正常，裂隙比较发育，岩层产状稍有 变化，均向凹陷中心倾斜。凹陷盆地有时被黄土覆盖。 (2)柱状破碎带：在太原西山和汾西等矿区的一些自然剖面或人工剖面上，经常可 见到柱状破碎带，这些柱状破碎带就是出露在地表的陷落柱。破碎带内的岩层层序遭受破 坏，大小岩体混杂无序，但破碎带两侧的岩层层序正常，产状也略有变化。 (3)丘状凸起：在阳泉，平定等矿区内，常见到在山西组的页岩层中有隆起的石盒 子群或石千峰组的砂岩堆。这是陷落柱出露在地表的又一特殊地貌。在陷落柱的形成过程 中，石盒子群等的砂岩体塌陷在原来的山西组地层中，因石盒子群的砂岩体比山西组的页 岩坚硬，不易风化，经外力地质作用后，坚硬的砂岩体堆在页岩岩层中，故呈隆起的丘状 地貌。 除上述特征外，在阳泉，汾西等矿区还可在经暴雨，洪水冲刷过的山谷，河床内见到 新塌陷的陷落坑。 2陷落柱在井下揭露的特征：井下所揭露的陷落柱的主要特征有： (1)柱面特征：陷落柱柱面是不规则的面，它的垂直剖面是两条曲折线，这是因为 被塌陷的煤，岩层的性质不同造成的。例如：坚硬的砂岩层强度大，不易塌落，故向塌陷 的部位突出，而较松软的煤层和页岩层的强度小，很易塌落，故向松散的岩体内凹入。 因而，形成的陷落柱的柱面是一个不平整的，不规则的曲折面，它的垂直剖面为曲折线 (图 4-5)。 因为柱面的水平切面为一封闭曲线，所以煤层底板或巷 道底面与陷落柱面接触处为一弧线。弧形的半径与陷落柱的 平面形状，大小和相遇部位有关。陷落柱的平面面积大，或 揭露面平行长轴方向则弧形平缓。据此，可以利用弧形接触 情况判断陷落柱的大小，还可做为区别断层和陷落柱的标 志。 (2)塌落岩体的特征：多数陷落柱的塌落空间均被较 新的岩石碎块或第四纪的沉积物充填着。塌落堆积的岩体特 征是：塌落的岩体时代较周围正常岩层的时代新，岩块的形状很不规则，大小不一，棱角 明显，是杂乱无章的堆积物。松软的岩石多成碎粒或岩粉充填在坚硬的大块中间。古老陷 落柱的岩块多被胶结，晚期塌落的岩抉比较松软。 (3)陷落柱内的沉积物：陷落柱穿过地下含水层对，地下水可以流入陷落柱及其围 岩的裂隙内。在地下水的流动过程中，水里含有的部分矿物质会沉淀和充填在陷落柱或裂 隙内，故在陷落柱的接触面上成裂隙内常可见到红色的铁质、白色的钙质或高龄土质等沉 积物，有时也可见到新生代的泥质沉积物。 三、井下遇陷落柱前的预兆 当采掘工程接近陷落柱时，煤层及其顶，底板常发生各种异常现象，它预示着前方将 要遇见陷落柱。遇陷落柱前的主要征兆有： 1产状变化：在岩溶的塌陷过程中，因牵引作用使其周围的煤、岩层向陷落柱中心方 向倾斜，倾角变化一般在 36之间，个别可达 10以上，其影响范围一般在 1520 米 之内，个别可达 30 米(图 46)。煤、岩层产状变化的影响范围和变化程度与煤、岩层的物 理力学性质有关。在松软和塑性较大的煤、岩层中其影响范围和变化较大，在坚硬和脆性 较大的煤，岩层中其影响范围和变化程度不太显著。 2裂隙增多：在煤，岩层的塌陷过程中，其周围正常层位的煤、岩层会产生大量的 裂隙。裂隙的走向平行于柱面的切线方向，裂隙面向陷落中心倾斜。裂隙的发育程度与 围 岩的物理力学性质有关，在脆性岩层中裂隙较为发育，在柔性岩层中裂隙较少见。在裂 隙 中常见的充填物有粘土、高岭土，碳酸钙，氧化铁等。 3小断层增多：陷落柱周围的煤层；岩层，因重力作用沿裂隙面向下发生位移而产 生一些断层。此种断层的规模较小，走向延展在 1020 米范围内即消失，落差多在 05 米 以内，且都是向陷落中心倾斜的小正断层 (图 47)。 4煤的氧化，陷落柱附近的煤层，因地 下水等的作用而易发生氧化。氧化煤的光泽 变暗，灰分增高，强度降低，严重者可变为 煤华。煤的氧化程度和影响范围与陷落柱的 大小、裂隙的发育程度和地下水的活动有关。陷落柱愈大，裂隙愈发育，离陷落柱距离愈 近，水源愈丰富，影响范围就愈大，反之则小。 5水的涌出量增大：陷落柱穿过含水层时将地下水导入陷落柱内，陷落柱成了地下 水的良好通道。当采掘工程接近陷落柱时，地下水涌出量会骤然增加，有时有突水现象。 其涌水量的大小与该处的水文地质条件有关。涌水量过大时，可造成严重的灾害。 第二节 陷落柱的咸因 陷落柱的发育程度各地不同，有的矿区特别发育，有的地方却非常少见，甚至在一个 井田内这个采区发育，而另一个采区不发育。为了摸清陷落柱的分布规律，必须对陷落柱 的形成条件和形成过程进行认真的研究。 一、岩溶发育的地质条件 岩溶是形成陷落拄的基本条件，因此，研究陷落柱的成因时，首先要研究岩溶发育韵 地 质条件。岩溶发育必须具备四个条件；1有可溶性的岩(矿)层；2有地下水的良好通道 (如裂隙等)；3有丰富、饱和的侵蚀性水质；4有地下水的排泄口，以便加剧地下水 的交替作用。这四个条件缺少其中的任何一项都不可能发育岩溶。岩石的溶解度愈大，透 水 性愈好，水的侵蚀性能愈强，水的交替作用愈强烈，则岩溶愈发育。关于这四个条件的相 互关系，以及影响这些条件的因素已在普通地质和水文地质中作过阐述，这里不再重复， 同步法和定点法，同步法就是发射机与接收机分别位于回采工作面的运输巷和回风巷，同 时做等距离移动，逐点发射和观测其场强值，定点法就是发射机相对稳定，接收机在一定 范围内逐点观测场强值。由于发射机移动较麻烦，一般多采用定点法观测(图 413)。 3巷探：为了查清某个陷落柱的确切位置、形状，大小、塌落情况及其对周围正常 煤层的破坏程度及影响范围等，可以利用小断面的巷道进行探测，以便进行详细的观察和 测定。这种方法可以获得详细可靠的陷落柱资料，但因需要较多的人力和物力，所以应尽 量使一巷多用。 第四节 陷落柱的处理 在生产矿井中，陷落柱的存在对煤矿的生产和建设危害很大，它直接影响井巷工程的 布置和施工，影响采煤方法、采掘机械的选择和使用，影响井下巷道的支护和安全。因此， 应采取有效措施，避免和减少陷落柱给生产建设所造成的损失。 在有陷落柱存在的矿区内，进行矿区和采区的技术设计时，要认真考虑陷落柱这一重 要因素。根据陷落柱