（矿产普查与勘探专业论文）西山煤田岩溶陷落柱形态学特征及构造水文演化.pdf

太原理工大学硕士学位论文，y 6 2 0 1 6 8 西山煤田岩溶陷落柱形态学特征及构造水文演化 摘要 本文以整个西山煤田这一三维地质体为研究对象，以地 表出露的数十个岩溶陷落柱、采掘工程面揭露的近三千个岩 溶陷落柱和对汾河上游段及整个西山煤田地质地貌的详细考 察为事实依据，运用地貌学、岩溶学、盆地沉积学、构造地 质学、第四纪地质学及岩溶陷落柱等学科理论，借助计算机 软件工具，按照陷落柱形态学参数求证推断方法和统计规则， 进行了岩溶陷落柱柱壁角试验、封项层位、陷落高度、封顶 高程、奥灰顶面的等效直径、岩溶陷落柱个数密度与面积密 度的统计分析，得出西山煤田岩溶陷落柱林的形态学特征； 通过对西山地块构造演化的地质分析，得出岩溶陷落柱形成 的时间上限；通过对汾河峡谷宽谷面和阶地面与华北新生代 各种地质事件对比求证，得出西山岩溶水系统构造水文演化 的事件一时间序列；为西山煤田岩溶陷落柱分布规律、汾河 演化、山西裂陷贫地演化等研究工作的开展奠定了基础。 关键词；岩溶陷落柱，陷落柱林，等效直径，岩溶水系统， 构造水文演化，事件一时问序列 奎堕堡三盔堂堡主堂垡堡塞 t h em o r p h o l o g y0 f c o l l p a s ep i l l a r f o r e s ti nc o a lm e a s u r e a n ds t r u c t u r e - - h y d r o l o g ye v o l u t i o n i nx i s h a n c o a l f i e l d ，t a i y u a n ，c h i n a a b s t r a c t b a s e do nt h em e a s u r e m e n t so fm o r et h a nt h r e e t h o u s a n d k a r s t c o l l a p s ep i l l a r se x p o s e db y e x c a v a t i n g a n d m i n i n g e n g i n e e r i n g i nt h ew h o l e x i s h a n c o a l f i e l d ，a n dt h e g e o m o r p h o l o g i c a li n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so f t h eu p p e rr e a c h e s o ff e n h e r i v e r , t h i sr e s e a r c h ，f r o mt h ev i e wo f g e o m o r p h o l o g y , k a r s t o l o g y , s e d i m e n t a r y b a s i n t h e o r y ，t e c t o n i c s ，q u a t e r n a r y g e o l o g y a n d g e o l o g y o f c o l l a p s ep i l l a r , r e v e a l st h e3 d m o r p h o l o g y o f c o l l p a s ep i l l a r f o r e s ti nc o a lm e a s u r e a n d s t r u c t u r e h y d r o l o g ye v o l u t i o ni nt h ew h o l ex i s h a nc o a l f i e l d k e y w o r d s ：c o l l a p s ep i l l a rf o r e s t ，k a r s th y d r o l o g ys y s t e m ， s t r u c t u r e 。h y d r o l o g ye v o l u t i o n ，e v e n t - t i m es e q u e n c e i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 陷落柱是煤系下伏灰岩中的大跨度溶洞发生持续向上的塌陷所产生 的、三维形态呈柱状的塌落岩块堆积体( 郭敏泰1 9 9 8 ) 。在华北各煤 田，都有着个数密度不同的分布：处于沁水煤田西北缘的太原西山煤田， 密集处的面积密度达8 7 ，由于缺乏对基础地质深入而细致的研究， 旦综采工作面布置在岩溶陷落柱发育密集区，就会阻碍采煤工作的正常进 行，缩短综采机械的使用寿命，加大采掘成本，严重影响矿井生产的效益。 本课题拟以全西山煤田( 南至自石河地区，北部包含灰岩出露区) 、全空间 ( 西山地面以下、7 0 0 m 高程以上) 的三维地质体为研究对象，从岩溶水 系统与构造的组合在时间维上演化的角度，通过野外调查、实地测量和井 下观测，并在大量查阅有关西山岩溶、水文和采掘工程资料的前提下，依 托国家自然基金项目( 4 9 7 7 2 1 3 3 ) “华北煤田基底溶洞网络与煤系陷落柱 发育规律研究”进行的；成果将为陷落柱地质学的诞生和陷落柱预测精度 的提高奠定基础。 1 1 陷落柱的形态学研究现状评述 要完整而准确的表述岩溶陷落柱及柱林的三维形态，就必须深刻而全 面的了解陷落柱的形态学特征。 岩溶陷落柱形态学研究的内容主要包括：地表出露特征、不同开采煤 层截面上的揭露特征、柱围伴生构造特征、柱体三维形态特征及陷落柱在 不同层面上的发育特征等：每一个特征中又包含诸多表征因子；研究岩溶 陷落柱柱体形态发育特征的目的就是从中提取出有价值的地质信息，为柱 体的动态演化分析提供基础资料，从而能够更进一步、更深刻的揭示其运 动学和动力学机理，进而为人类生产实践活动提供基础理论，指导和丰富 中国北方岩溶、大规模的塌陷、构造及水文的科学研究。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 1 以往的研究状况( - - 2 0 0 0 ) 煤系陷落柱被地质学家所确认要比断层晚数百年，最初是由日本人 于1 9 3 7 年在河北井陉煤矿井下发现的，当时在该矿工作的日本采矿技术 人员将其称为“圆形断层”，1 9 4 2 年日本人小贯义男首次将其命名为“陷 落柱”，1 9 4 3 年6 月，当时北支那株式会社调查局的日本技师小贯义男， 对河北井陉煤田的“所谓圆形构造”，进行详细的研究后，于昭和9 年写 成河北井陉炭田地质调查报告”1 ，对陷落柱的形态进行了较详细的描 述，其中运用的方法：( 1 ) 通过对上下组三层煤开采中所揭露的柱体截面 形态进行了较详细的跟踪，制作出了平面形态叠置图。( 2 ) 依据平面形态 叠置图和地层产状，做出了陷落柱柱体断面图( 二维剖面图) 。其中柱体 底郝延伸到奥灰岩层中。对于平面形态，提出了“长径”、“短径”的概念 和对柱体充填物特征进行了较粗略的描述。1 9 5 0 年代以来，尤其是1 9 7 0 年代发展综采以来，随着矿井地质工作的不断规范化，陷落柱的揭示、观 测、编录资料已有大量积累。除利用探巷、掘巷、工作面沿煤层探孔、无 线电坑透、槽波勘探等手段获得局部揭露资料外，迄今为止，还使用地面 群孔钻探方法在唐山矿区范各庄矿比较精细地揭示了一个完整陷落柱的 空间形态“”，使用井下多煤层全截面剖切方法在许多矿区揭示了上百个 陷落柱的完整截面，利用三维地震勘探方法在阳泉、太原西山等矿区总计 2 5 k m 2 范围、以5 1 0 m 的c d p 网格完整地探测了数十个陷落柱“1 。这些都 为陷落柱三维空间形态的表达提供了宝贵的数据，但要进行完整的三维空 间形态的表达，这些数据还是远远不够，需要进一步挖掘。 在上个世纪后半叶，随着采矿工程活动的频繁和规模的加大及采掘 方法的改进，陷落柱在整个华北石炭二叠及侏罗系煤田中被大规模的揭 露，给生产造成了极大的危害，也引起了无数地质和自然科学工作者的注 意，这期间可谓“百花齐放、百家争鸣”，极大的促进了岩溶陷落柱形态 学的研究。截至2 0 0 0 年以前，对岩溶陷落柱形态学的研究，主要集中在 以下几个方面： ( 1 ) 地表出露特征 许多岩溶陷落柱在形成过程中塌透了上覆地层，或由于后期地表岩 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 层遭受风化剥蚀或沟谷冲刷而出露，或由于人类修建公路、铁路等而被揭 露，从而展现在人类面前，先前的地质工作者也给它们起了很形象的名字， 如“盆状凹陷”、“丘状突起”、“柱状破碎带”等“3 ，同时也对其中的充填 物作了粗略的描述。 评述：缺乏对柱体组构及柱围伴生构造带进行细致的描述；量化指 标仅限于地貌形态和空间大小；指示作用仅限于地表形态延伸至井下大体 形态，为采掘提供信息。 本研究计划对地表出露的陷落柱的组构、柱围构造及所处的地貌单 元进行周密而细致的描述，并提取出表征柱体形态与塌陷特征的量化因 子，为揭示岩溶陷落柱的发育及演化提供基础信息。 ( 2 ) 不同开采煤层截面上的揭露特征 从对上下组煤采掘工作预测的目的出发。对截面的形状进行了较详细 的研究，并运用图形语言表述出来，采取的方法有以下几种： a 截面的平面投影法 所谓截面的平面投影就是在煤层开采过程中，采掘工作面所揭露的陷 落柱平面形态。大部分煤矿对陷落柱的记录都是采用这种形式，如太原西 峪煤矿通过对寨沟井田一水平七个盘区4 2 2 k m 2 范围内8 2 个揭露完整的 陷落柱特征统计分析，6 8 的陷落柱呈椭圆形，2 3 呈似圆形，5 为不规 则形，4 为狭长形”1 。对于仅有部分揭露的陷落柱，一般根据已知部分 对未知部分进行推测，并对推测部分以虚线标识( 地质图例) 。这种方法 能反映某一层位陷落柱的分布规律以及单个陷落柱的平面形态。 b 多截面垂直投影叠加法 多煤层揭露的同一个陷落柱截面垂直投影叠加。西铭矿8 4 煤层4 8 3 0 6 、 4 8 3 0 8 、4 8 3 1 0 、4 8 3 1 2 工作面附近的l k 酽区域内，2 “和8 “煤层都已完成了 长壁综采，将两个煤层同时揭露的陷落柱截面迭加，发现其中心轴线经常 是变化的。该方法的优点是不仅能反映单个层位陷落柱的分布特点，还能 对多个层位之间的分布进行对比，此外还能部分地揭露柱体的剖面形态， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 如周平弼对西峪上、中、下三组煤层同时揭露的陷落柱沿优势塌陷方位切 剖面统计分析后，将陷落柱的空间形状进行分类。 通过以上方法，可对在煤层中揭露的陷落柱平面形态及柱围构造进行 较详细的表述，但实际资料的获取较为困难，需要对柱体及柱围进行详细 的观测和对综采剖切面进行长期的跟踪；而在没有进行综采的采区，对柱 体和柱围的揭露都是零星韵，所得的图件和结论都是以点概面和断章取义 的。 对柱体组构的研究仅是某个剖切面或整体性的概述，缺乏严格意义的 多切面剖切跟踪和提取有效的地质信息因子。 本研究拟对多个切割陷落柱的综采剖切面进行连续跟踪和详细的观 察描述，做出系列剖切面图和对柱体组构特征进行分析、量化并提取出表 征因子，为陷落柱柱体发育及其演化提供基础资料和证据。 c 柱体三维形态特征表述 主要运用的方法是：垂直剖面法，运用二维平面图，在多个截面( 其 中包括水平面) 上来描述陷落柱柱体的三维形态。 1 9 8 4 年开滦矿务局范各庄矿2 1 7 1 工作面陷落柱发生突水事故，造成 了巨大的经济损失“1 。在这次突水灾害治理过程中，对陷落柱的空间位置 进行勘探，在地表布置了1 5 个钻孔，有的钻孔落在陷落柱边缘，有的落 在陷落柱中央( 开滦矿务局，1 9 8 6 ) ，比较精细地揭示了一个完整陷落柱 的三维空间形态。这种揭露三维空间形态的方法花费高，在不对生产造成 障碍的情况下，一般是不会投资的。 ( 3 ) 柱围伴生构造特征 对于柱围的伴生构造的研究基本处于零起点，只是进行了些粗略的 描述和人为的想象，缺乏实证的测量和精细的观察。 ( 4 ) 陷落柱平面分布规律特征。“8 对岩溶陷落柱分布规律的研究，是一线煤田地质工作者和院校科研工 作者热衷和亟需解决的问题，它直接限制了练采工作面的布置，进而影响 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 大规模综采机械化采掘工作的效率。引进综采设备以来，对陷落柱平面分 布规律的研究成果主要集中在上世纪八十年代末到九十年代初，随着第 一、第二届华北陷落柱专题学术讨论会的召开，积累的研究成果主要集中 在以下几个方面： a1 9 9 6 年1 1 月，太原西山煤电集团官地矿组织地质人员编写了太 原西山煤田官地矿区岩溶陷落柱分析预测报告。 b 太原西山煤电集团杜儿坪矿区地质科人员编写的杜儿坪矿盘区陷 落柱预测报告。 c 第一、第二届华北陷落柱专题学术讨论会论文集 所得出的结论主要有：陷落柱的平面展布往往是分片分区，成群发育， 有密集区、稀疏区和空白区，并具有一定的方向性；陷落柱的在空间上的 分布与地表沟谷、褶曲、断层等构造发育状况有一定的相关关系。 这些研究对生产起到一定的指导作用，但所得的结论是局部的、断章 取义的和有牵强附会之嫌，从而难以推广和在本矿区依旧会碰到难以解释 的同类地质现象。 ( 5 ) 表征陷落柱形态特征的因子 从发现这种特殊的岩溶地质现象至今近7 0 年来，地质工作者们也用 长轴、短轴、似圆形、似椭圆形、塌落距、中心轴、柱状破碎带、丘状凸 起、环形断层、伴生构造等来描述岩溶陷落柱的形态o 6 ；然而在没有 通过大量而细致的地表观测和井下综采全切剖面跟踪的前提下，通过个例 或数例的统计所做的工作都是不完备的；岩溶陷落柱的形态特征只有通过 全面的查阅相关资料，大量而细致的观测，严谨而周密的细化，从而提取 出表征其形态特征的因子，结束术语使用混乱的时代，使得对陷落柱形态 的研究向深层次量化的方向发展，才能进一步为陷落柱形成演化的塌陷机 理提供基础性分析资料。 1 1 2 近年的研究进展( 2 0 0 1 一，宋晓夏，董芳) 近年来，在国家自然科学基金项目4 9 7 7 2 1 3 3 的资助下，在基金申请 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 人郭敏泰教授的带领下，华北岩溶陷落柱课题组在经费缺乏的情况下，依 然顽强的对这种危害煤矿生产的自然地质现象进行着有益的探索。 ( 1 ) 陷落柱形态特征的表述 对岩溶陷落柱形态学的表述所取得的成果主要集中在以下几个方面： a 联合剖面法 主要用于陷落柱林的表达，它是将一系列平行的剖面进行迭加，这种 方法可以反映与剖面线垂直方向陷落柱的密集带以及陷落柱高度的分布 情况。宋晓夏在2 0 0 1 年对此进行了有益的尝试。 此种方法对柱围构造和柱体组构都难以表述，大量陷落柱剖面形态的 叠置与延伸造成了数据的混乱和单方向剖面的提取造成了信息的丢失。 b 陷落柱柱体及柱林的三维表述法“。 陷落柱柱林是指在煤系地层与其下伏灰岩组成的三维地层空间里，集 群的岩溶陷落柱体的统称( 郭敏泰2 0 0 2 ) “。 在郭敏泰教授的指导下，2 0 0 2 2 0 0 3 年董芳和赵金贵依据西铭井田 3 0 3 盘区综采揭露2 煤层和8 4 煤层较彻底的1 0 0 0mx1 0 0 0m 区域为试 验对象，通过对煤系地层岩体力学特征的细化和全煤田已揭露的完整的陷 落柱封顶跨度较详细的调查，运用a u t o c a d 和a r c v i e w 等计算机辅助工 具软件，在建立模型的基础上，经过反复试验，得出岩溶陷落柱的柱壁角， 从而较好的表述了陷落柱柱林的空间三维形态，为进一步分析岩溶陷落的 力学过程提供了更高层次的平台，并在此基础上得出了相应的地质分析结 果，促进了岩溶陷落柱的进一步研究。 此种方法在对多个陷落柱进行分析和统计的基础上，较彻底的利用了 多层面切割陷落柱所提供的地质信息，具有普遍性和实用性，是目前表述 岩溶陷落柱柱体及柱林形态特征的最好的方法。 但此种方法在现阶段还不是很完备，在三维柱林表达中没有解决柱顶 空腔如何表达和树形陷落柱等特例的表达，也难以表述柱围构造和柱体之 间的相互关系：从而没有更真实、全面和清楚的表达事实；并由于计算机 技术手段的限制，表述的信息量还很有限，对柱体及柱林的全方位三维模 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 拟还有待时日。 ( 2 ) 柱围伴生构造特征“”“”“” 对柱围伴生构造特征的描述和分析较全面的是西山煤电集团公司西 铭矿的高级工程师褚志忠，在郭敏泰教授的指导下，通过对综采全切割剖 面的连续跟踪和详细观测，对陷落柱柱体周围伴生断层、节理、裂隙和柱 体组构、柱围的物性特征进行了详细的描述和较深入的分析，并以此提出 了树形陷落柱模型( 2 0 0 3 年矿井地质学术研讨会) 和岩溶陷落柱的塌陷 机理及塌落距的推算法( 褚志忠工程硕士毕业论文) ，是从陷落柱形态学 走向运动学及动力学研究的一个有益的尝试。 ( 3 ) 陷落柱分布规律特征“” 宋晓夏于2 0 0 1 年的毕业论文中提出：陷落柱的平面展布具有明显的 方向性，与区域性节理方向基本一致的观点。 对陷落柱密度做如下分类：a 陷落柱不发育区，d 1 0 个k m 2 。b 陷 落柱中等发育区，l o 个k 群 i ( 6 ) ， -j 二 、 ( 1 2 ) ( 1 3 )( 1 4 )( 1 5 )( 1 6 )( 1 7 )( 1 8 ) 图2 - 8 陷落柱多层面平面投影图 f i g 2 8t h ec o l l a p s ep i l l a rp r o j e c t i o ni c h n o g r a p h yf r o mt w ol a yi nx i s h a nc o a lf i e l d c 、白家庄矿 图2 - 9 陷落柱多层面平面投影图 f i g 2 9t h ec o l l a p s ep i l l a rp r o j e c t i o ni c h n o g r a p h yf r o mt w ol a yi nx i s h a nc o a lf i e l d d 、西峪矿 ( 1 ) 8 # 面积：1 1 7 2m 2 ：2 # 面积：3 3 1 m 2 。3 7 2 m 2 ( 2 ) 8 # 面积：2 9 8 1m 2 ；2 # 面积：5 9 0 m 2 。5 2 7 m z n 卅 ， ， 厂l； 、 ，yj， 厂、 、，： ，、吖，氕x 、 i ， 、 1 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 8 # 面积：4 2 6 6 2m 2 ；2 # 面积：2 3 4 2 3 m 2 。3 4 8 4 一：2 4 2 3 m 2 ；9 6 7m 2 ： ( 4 ) 8 # 面积：9 3 8 3m 2 ：2 # 面积：1 4 0 9 8 m 2 。1 0 8 2m 2 ： ( 5 ) 2 # 煤开采，8 # 煤躲避。8 # 面积：1 4 8 9 9m 2 ：2 0 6 1 8m z ；2 # 面积：4 3 6 0 m 2 。 ：一潍+ 渗。7 ? j ：。j 、 r 一、 、 1 。 j 、。，? ：，哥 | 一 、 ，。 i _ ，。 i ? 、 ，f 、 r j l j 一 、 i i ，：、o | 曩，管 。 ：j j ，j i 二 7 l ”。 j 7 “ f ， 、：i ? ， 1 图2 - 1 0 陷落柱多层面平面投影图 f i g 2 一1 0t h e c o l l a p s ep i l l a rp r o j e c t i o ni c h n o g r a p h y f r o mt w o l a yi nx i s h a n c o a lf i e l d 2 3 2 结论 从2 。煤层和8 煤层开采所揭露的陷落柱平面叠置形态上可以提取出 以下地质信息： ( 1 ) 陷落柱的平面形态极不规则，形态的继承性差( 即上下岩组陷落柱 平面形态的相似性差) 。 ( 2 ) 一般上组煤层中揭露的陷落柱截面面积小于下组煤揭露的陷落柱的 截面面积，正是以此为基础来确定岩溶陷落柱的柱壁角、陷落柱林的三维 形态表达、西山煤田陷落柱林柱顶高程分布情况、封顶层位和陷落柱林高 度分布情况等，从而展开对陷落柱林形态学研究的工作。 ( 3 ) 有树枝状陷落柱，即下伏灰岩中一个大溶洞产生塌陷，在煤系地层 中由于受到构造结构面等因素的影响，从而产生分叉，即一个根底，多个 叉枝；同时揭露的形态还有一个根底，多个枝权，多个枝权又在柱顶融合 为一个柱顶。依据上述事实可以推断出一个柱体的多种组合关系：合( 根) 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 分( 权) ；合( 根) 分( 权) 合( 拄顶) ；分( 权根) 合 ( 柱顶) ；分( 权根) 合( 柱体) 分( 权) ；合( 根) 分( 权) 分( 权) ；单个柱体等。一般说陷落柱的个数密度在三维空间的地质 体中，下部岩层中大，上部岩层中小，但在某个高度范围内的地质体中则 是个例外。正是考虑到这种因素的存在，对于某个区域岩溶陷落柱发育与 否的标准应该是：面积密度的大小而不是个数密度的大小。 ( 4 ) 从单个柱体的平面叠置形态上来看，陷落柱的柱心往往发生偏移， 然而从大数量的样本统计结果来看，偏移的方向没有规律可循。 ( 5 ) 陷落柱的个数密度不能作为推断某区域岩溶发育强度的羹化指标。 此外井下揭露的许多陷落柱还具有许多伴生构造，如伴生断层、波曲 裂陷等，同时许多隐伏陷落柱在柱顶往往还具有柱顶空腔，从柱体组构岩 块的塌落距中也可提取出有意义的地质信息，西山煤田高级工程师褚志忠 在郭敏泰教授指导下对其进行了较详细的研究“3 ，这里就不再赘述。 2 4 西山煤田陷落柱封顶最小跨度统计 2 4 1 西山煤田陷落柱封顶最小跨度统计 所谓封顶最小跨度，是指未塌透地表且在岩层中封顶，在封顶层位陷 落柱柱体的截面积等效为圆所计算出来的等效直径。 考虑到在煤层中所揭露的岩溶陷落柱的平面形态各异，故以在煤层中 揭露的岩溶陷落柱的截面面积为标准，换算为等面积的圆，即等效圆面积， 并求出其直径的大小，作为等效直径。 所谓封顶，是指陷落柱已不再塌陷，陷落柱的柱体高度不再增长，柱 顶的岩体不再冒落。影响陷落柱封顶层位高度的因素主要是基底灰岩中溶 洞跨度的大小和溶洞容纳空间的大小。 为了了解自然状态下的陷落柱封顶最小跨度，以建立封顶规则，从西 山煤田1 2 个大矿截至2 0 0 1 年底实际揭露的2 7 9 3 个陷落柱中，筛选出各 矿2 6 、8 。层面上柱截面最小的陷落柱，换算出其最小等效直径，结果列于 表2 2 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 名称煤层等效直径 l o m 的等效直径 个数 自家庄矿 2 。01 6 0 8 m 8 。01 4 8 m 官地矿2 。01 1 3 m ( 1 0 0 m 2 ) 8 01 6 8 m ( 2 2 2 m 2 ) 西铭矿 2 。o1 3 4 m ( 1 4 1 莳) 8 。01 08 m ( 9 1 9 m 2 ) 杜儿坪矿 2 o1 l _ 9 m 8 90i o 3 m ( 8 3 2 一) 西峪矿 2 l7 5 5 ( 4 4 7 8 m 2 ) 、1 1 0 6 ( 9 6 m 2 ) 8 l9 8 ( 7 5 3 5 m 2 ) 东曲矿 2 。l7 9 9 7 ( 5 0 2 m 2 ) 马兰矿 2 。l9 4 4 ( 7 0 m 2 ) 屯兰矿 2 27 1 1 ( 3 9 7 m 2 ) 、4 7 4 ( 7 8 m 2 ) 1 0 3 6 ( 8 4 3 9 ) 、 1 0 6 8 ( 8 9 6 m 2 ) 西曲矿 2 。37 3 8 ( 4 3 m 2 ) 、9 5 4 ( 7 1 7 m 2 ) 、95 4 ( 7 1 7 m 2 ) 镇城底矿 2 。01 0 1 6 ( 8 1 1 寸) 、1 0 6 1 ( 8 8 5 m 2 ) 炉峪口矿 2 l7 5 ( 4 4 1 6 一) 嘉乐泉矿 2 。01 1 2 5 m ( 9 9 4 m ) 表2 - 2 西山煤田陷落柱封硕最小跨度统计表 2 4 2 结论 ( 1 ) 2 4 煤层和8 。煤层底板均为硬岩层；由此得出在自然状态下的陷落柱 封顶最小跨度，在硬岩层中为7 m 。 ( 2 ) 从统计资料中来看，在2 # 煤层和8 # 煤层中开采揭露陷落柱的等效直 径小于l o m 的陷落柱多集中在后山矿区。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章陷落柱形态参数求取和陷落柱林形态学特征 3 1 陷落柱柱璧角的确定 依据西铭井田3 0 3 盘区综采揭露2 ”煤层和8 4 煤层较彻底的 1 0 0 0 m 1 0 0 0 m 区域为试验对象，通过对煤系地层岩体力学特征的细化， 运用a u t o c a d 和a r c v i e w 等计算机辅助工具软件，在建立模型的基础上， 经过反复试验，得出岩溶陷落柱的柱壁角，从而很好的表述了陷落柱柱林 的空间三维形态，为进一步分析岩溶陷落的力学过程提供了更高层次的平 台，并在此基础上得出了相应的分析结果，促进了岩溶陷落柱的进一步研 究。 3 1 1 导言 岩溶陷落柱是华北石炭一二叠煤系中广泛存在地质现象，是煤系下伏 灰岩中的大跨度溶洞发生持续向上的塌陷所产生的、三维形态呈柱状的塌 落岩块堆积体，就其性质而言，属工程地质范畴，但它主要影响到煤矿生 产，又是深埋于煤系地层下面的岩溶塌陷产物。可谓多学科交叉点上的一 种特殊的地质现象。 经过多年的采矿生产和科研进展，对陷落柱几何形态特征的描述已提 出了许多专用术语，陷落柱柱壁角就是其中一个最具确定性的量化要素， 直接约束着陷落柱林的三维空间表达。 然而，陷落柱的面貌只能在煤矿开采的工作面上或在地表的零星出露 处窥其一斑，而如何从这些有限的、离散的几何特征点上来真实而连续的 刻画它的三维空间立体形态，则是陷落柱地质学中的一个重要课题，也是 进一步研究岩溶塌陷形成陷落柱的运动学和动力学机理的前提。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 。2 确定陷落柱柱壁兔的方法概述 陷落柱柱壁角系指在通过柱体中心轴的垂向剖面上，柱壁线与水平线 之间偏向柱心的夹角。 从大的方面而言，陷落柱柱壁角的确定可从两个方面入手：是运用 塌陷力学理论进行分析和推导；另一个就是依据实践资料进行计算机模拟 试验。 陷落柱的形成是一个复杂的地质历史过程，而对于单个柱体的塌陷， 必须考虑到以下因素：地层的岩性( 岩石力学、岩体力学) 及组合、地应 力( 围压) 、结构面( 岩层层面、不同岩层层面上的节理及其相互关系) 、 水( 包括层间水、裂隙水、岩溶水) 、温度( 地温梯度) 、地震、煤系下伏 溶洞的跨度、柱围的构造发育情况等，再加上一个地质时间维来表述和限 定塌落的演化过程。所有以上这些因素中，有的可以确定，有的可以半确 定，有的根本就无法确定：也很难找到能够解决如此诸多因素影响的相关 的岩体力学理论，而过分的简化将会产生严重失真，所得的结果也无助于 解决生产和实际问题。 而在广泛的收集资料和实地考察的基础上，在给出一定的限制条件 下，运用计算机工具软件进行试验，能够得到很好的效果，并能够为理论 的进步研究提供模型。 3 1 3 研究区域概述 西铭井田位于太原西山煤田东北部，位于汾渭地堑太原断陷盆地的西 缘，地表植被发育，沟谷纵横；从井田东部往西，渐次出露奥陶系上马家 沟组和峰峰组灰岩，石炭系本溪组和太原组，二叠系山西组、下石盒子组 和上石盒子组煤系地层，以及第三系和第四系松散堆积物。井田东部地层 大致呈n e s w 走向，向西地层逐渐转为n w s e 走向，地层倾角4 1 2 。， 平均6 。左右。矿区内含煤地层平均厚度1 5 2 2 m ，含煤1 0 层，矿井主要 开采2 4 和8 4 煤层，配采3 。和9 煤层。 西铭井田3 0 3 盘区综采揭露的2 4 煤层和8 。煤层中的陷落柱较为彻底， 选择其中的1 0 0 0 m x1 0 0 0 m 区域为试验对象，陷落柱分布情况如图1 所示， 2 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 在2 4 煤层中共揭露1 4 个陷落柱，综采全切过1 2 个；在8 4 煤层中共揭露 6 1 个陷落柱，综采全切过5 9 个。 图3 - 13 0 3 采区内1 0 0 0m 1 0 0 0m 范围陷落柱分布图 f i g 3 一i c o l l a p s ep i l l a r sd i s t r i b u t i o ni na na r e aa b o u t1 0 0 0m x10 0 0mi n3 0 3 p a n e l i n8 4s e a m 3 1 4 确定陷落柱柱壁角的试验方法 采用的方法是从特殊到一般，从研究2 4 和8 4 煤层综采都已切割的陷落 柱开始，而后把所得的结论推广到3 0 3 盘区1 0 0 0 m x1 0 0 0 m 区域内所有揭 露的陷落柱i 具体的技术路线如图3 2 所示。 2 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 2 技术路线图 f i g 3 - 2t h et e c h n i q u ec h a r ta b o u th o w t oc o n f i r mt h ec o l l a p s ea n g l e 3 1 4 1 选择研究对象 选择研究对象的指导思想是：寻找研究最为透彻的陷落柱。通过对 3 0 3 采区内1 0 0 0m 1 0 0 0m 范围陷落柱资料进行仔细的分析，发现l l 。 和1 7 4 陷落柱为2 4 煤层和8 。煤层综采全切割过，为了使所得的统计结论更 加可信，我们又选择了另外一处采面上全切过的两个陷落柱( 见图3 3 ) 一起作为分析对象( 西铭井田上下两组煤层综采全切割过