岩溶陷落柱探查与治理

岩溶陷落柱探查与治理

主讲人：南生辉研究员2012年10月主要内容1概论1.1陷落柱的概念与基本特征1.2陷落柱分类1.3陷落柱对煤矿安全的危害1.4典型陷落柱突水淹井案例2陷落柱探查方法2.1“中间层”综合水文地质试验2.2物理探查2.3陷落柱发育区预测技术2.4巷道掘进与工作面回采陷落柱探测3陷落柱治理技术3.1三段式封堵3.2“堵水塞”建造3.3陷落柱与突水水源封堵3.4不（含）导水陷落柱处理3.5效果评价

1.1陷落柱的概念与基本特征

1）基本概念陷落柱是1937年德国人在井陉煤矿误作“环形断层”首先提出的，后因其无序的内部结构，而被称为“矸子窝”、“无炭柱”、“塌陷柱”。1944年日本技术人员将其定名为“陷落柱”。

岩溶陷落柱：在石灰岩等可溶性岩石地区，由于地下水的溶蚀作用形成洞穴，上覆非可溶性岩层向岩溶洞穴中塌陷的一种地质现象，因形成的塌陷体多呈环形柱状，俗称岩溶陷落柱。1概论1.1陷落柱的概念与基本特征2）形成机理与成因岩溶陷落柱形成机理的代表性学说有6种：重力说，

康颜仁（1992）陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段，地下水沿着可溶性岩石的节理裂隙和断层运动，使裂隙逐渐扩大。于是大量岩溶水汇集其中，不但进行化学溶蚀，而且进行机械侵蚀作用，顶部和两侧岩层坍塌形成溶洞；第二阶段是溶洞再扩大并形成第二层溶洞，由于地壳上升溶洞也随之扩大，还会发育第三、四层溶洞；第三阶段是上覆非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱。当地壳继续上升，地下水位下降，不仅第一层溶洞坍塌，第二层溶洞也开始坍塌。这样坍塌不断增长，当两层溶洞的位置接近一条垂直线时，则有可能连接起来，陷落柱的高度增大，这就是为什么有些陷落柱高度达数百米的原因。

强调溶蚀与重力作用1概论1.1陷落柱的概念与基本特征膏岩说，

钱学博（1960）陷落柱是石膏喀斯特产物。在中奥陶统马家沟组灰岩中赋存有很厚的硬石膏，峰峰组灰岩中也夹有石膏层。由于地壳不断上升，在地下水的作用下，硬石膏水化变成石膏。体积膨胀64%，膨胀后的石膏沿着破碎带的挤入上覆的岩层。然后，这种柱状的石膏体不断地被地下水溶蚀，周围的岩石塌落形成陷落柱。1概论循环说，王锐（1982）第—阶段：为于水平循环带成虹吸循环带的岩溶洞隙逐渐形成并扩大，产生顶板和两侧岩层塌陷，形成十分复杂的溶洞。第二阶段：由于地壳的上升，溶洞继续扩大上升，地下水向下运动，沿着裂隙进一步加深，且在深部形成第二层溶洞。开始了第二循环、以后还可以出现第三循环、第四个循环第三阶段：第一层溶洞继续坍塌扩大．上覆非可溶性岩层塌陷。形成岩溶陷落柱，当地壳继续上升，地下水位继续下降时，第二层溶洞也可能开始坍塌、这样，两层溶洞坍塌连接起来，使非可溶性岩层塌陷更深。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论真空吸蚀说，徐卫国（1972）在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于地下水的排泄或地壳局部的升降等，引起岩溶腔内地下水大幅度下降，当水位低于岩溶腔口表面，即岩溶腔内水体由承压转为无压时，在岩溶腔内水面与岩溶盖层之间出现空穴，即岩溶空腔。逐渐增大的岩溶空腔必定转化为低气压状态，形成真空腔（或称负压腔），在真空腔内不断下降的水面犹如巨型吸盘，强有力的抽吸着上面岩层向下塌落，最终形成陷落柱。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论热力岩溶说，陈尚平（1993）燕山期火成岩体和热液的侵入，造成残热水和地下水复杂的循环和溶蚀作用。高温高压的热水可极大地提高碳酸钙的溶解度。热水岩溶的起始点是从矽卡岩成矿热液生成铁矿后残热水进入碳酸盐岩开始的，这样就可以生成高度极大的岩溶洞穴，而且不受地壳升降与侵蚀基准面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷形成陷落柱。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论1.1陷落柱的概念与基本特征CaCO3溶解试验主要结论：（1）CaCO3溶解度随温度的升高而降低，但达到超临界状态时，溶解度又大幅度提高；CaCO3溶解速度随温度的升高而升高，当升高到超临界状态时，升高速度剧增。（2）超临界水对CaCO3溶解度是近临界水的近2倍，又因为超临界水对CaCO3的溶解度与时间无关，可以推测超临界水对石灰岩的溶解几乎是在瞬间完成的。实验条件：超临界水387～389℃，26～28MPa；近临界水301～303℃，28MPa。常温水18℃，2MPa。常温条件下加入2MPa的纯CO2。1概论构造控制说陷落柱一般沿断层、向斜轴部发育。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论向斜轴部陷落柱成因分析示意图背斜轴部陷落柱成因分析示意图岩溶陷落落柱的成成因是以以奥灰岩岩层中地地下水的的强烈交替替为条件件，岩溶发育育为基础础，岩体自自重重力、地应力集集中以及溶洞洞内的真空负压压三重作作用为动动力，经过迅迅速垮落落、间歇歇、溶蚀蚀、搬运运、塌陷陷、冒落落等周而而复始过过程，分分阶段逐逐步形成成陷落柱柱。1.1陷落柱的的概念与与基本特特征1概论1.1陷落柱的的概念与与基本特特征3）陷落柱柱的基本本特征（1）平面上上陷落柱柱的形状状一般为为椭圆形形或者是是扁圆形形的陷落落盆地。。外围的的岩层产产状正常常而连续续，盆地地中常常常被不同同地层的的岩煤的的碎块填填充，无无层序，，混乱堆堆积。（2）陷落柱柱的纵向向上总体体形态一一般是上上小下大大的不规规则柱形形，顶部部多发于于有一定定规模的的空腔，，中间为为松散充充填物，，基底为为奥奥系系石灰岩岩。（3）导水陷陷落柱，，充填物物多为松松散状，，胶结程程度差；；不导水水陷落柱柱，充填填物有二二次胶结结作用，，视时间间长短和和胶结物物性质，，胶结程程度不一一。（4）陷落柱柱与围岩岩的接触触界面多多呈现出出不规则则的锯齿齿状，界界线明显显，有的的地方表表现为断断层，（5）陷落柱柱锥形体体的中心心轴与岩岩层层面面近似垂垂直。因因此，在在倾斜岩岩层里陷陷落柱也也发生歪歪斜，在在水平的的投影图图上，各各煤层的的陷落柱柱范围并并不是完完全地重重叠。1概论陷落柱柱面特征陷落柱中心轴变化示意图平面：圆形、似圆形、椭圆形、长条形和不规则形。剖面：圆锥状、漏斗状和不规则状。1.2陷落柱分类1概论时代古陷落柱和现代陷落柱含导水性不导（含）水陷落柱：既不含水又不导水。含水陷落柱（充水陷落柱）：柱内裂隙充水导水陷落柱：导通陷落柱基底灰岩水。按几何形态赋存状态发育规模裸露型：陷落柱直接发育至地表。覆盖型：被第四系松散层覆盖。埋藏型：陷落柱发育在上覆非可溶性岩层内分大、中、小小三种影响和制约着着采区的布置置、采面的划划分、计划的的安排和采掘掘的接替，而而且还直接导导致突水，造造成人员和财财产的重大损损失。1）矿井内内隐伏陷陷落柱埋埋藏隐蔽蔽、分布布孤立、、导水通通道规模模大，且且与奥灰灰强岩溶溶含水层层相通，，一旦发发生透水水，往往往是重特特大事故故，造成成被淹，，甚至人人员伤亡亡。因此此，隐伏伏导水陷陷落柱的的探查一一直是防防治水工工作者长长期攻关关的课题题。2）未揭露露的导水水陷落柱柱从奥灰灰顶界面面发育至至煤系地地层，并并与开采采煤层顶顶底板含含水层沟沟通，成成为煤系系含水层层的强大大补给水水源，在在这些含含水层中中若井项项工程揭揭露与陷陷落柱有有联系的的导水裂裂隙时，，则会发发生突水水，不仅仅增加了了矿井涌涌水量，，而且威威胁着矿矿井安全全。如某矿9号陷落柱柱最高发发育至7煤顶板，，成为7与12号煤顶底底板砂岩岩含水层层、K3灰岩含水水层的补补给水源源，造成成7煤开采时时顶底板板涌水量量较大，，后经陷陷落柱治治理后减减少矿井井涌水量量10m3/min。3）导水煤煤炭资源源受高压压水威胁胁不能开开采，势势必造成成资源浪浪费。1.3陷落柱对对煤矿安安全的危危害1概论1概论1.4典型陷落落柱突水水淹井案案例发生地点最大突水量/m3•min-1突水时间损失程度经济损失开滦范各庄2171工作面20531984.6.2淹3井，乌海骆驼山16煤回风巷10832010.3.1矿井淹没死亡32人邢台东庞矿2903工作面11672003.4.12淹井，3亿元皖北任楼矿7222工作面5761996.3.4淹井，3.5亿元肥城国家庄北大巷5501993.1.5淹井徐州张集矿-300水平轨下山4021997.2.18淹井峰峰九龙14123N工作面1202009.1.8淹井焦作李封矿东181201967.3.29淹井辉县吴村矿32031工作面401999.11.25淹采区安阳铜冶矿103工作面下顺槽231965.8.25淹井所谓“中中间层””指开采采煤层与与奥灰之之间的薄薄层灰岩岩（或砂砂岩）含含水层，，由于导导水陷落落柱贯通通“中间间层”含含水层，，两者势势必发生生水力联联系。井下涌水水量大且且衰减较较小，直直至稳定定，水质质呈现奥奥灰水质质特征。。以煤系薄薄层灰岩岩（或砂砂岩）含含水层研研究对象象，开展展井下放放水试验验，观测测煤系薄薄层灰岩岩（或砂砂岩）含含水层与与奥灰含含水层地地下水流流畅变化化，圈定奥灰灰低水位位与“中中间层””含水层层高水位位重叠““异常区区”，同时进进行示踪踪剂连通通试验，，确认奥奥灰水与与“中间间层”含含水层的的水力联联系，井井下向““异常区区”施工工验证钻钻孔，进进一步确确认“异异常区””的性质质与具体体位置。。范各庄庄矿通过过此方法法确定了了3个导水陷陷落柱。。2.1“中间层层”综合合水文地地质试验验2探查方法法中间层放放水试验验圈定陷陷落柱示示意图（1）三维地地震一般情况况下，陷陷落柱内内常常是是松散充充填物，，而周边边是正常常的岩层层，两者者存在着着明显的的密度与与速度差差异，这这就为地地震波的的识别提提供了物物性前提提。2.2物理探查查2探查方法法图8三维地震解译陷落柱示意图2.2物理探查查2探查方法法异常体2.2物理探查查2探查方法法隐伏构造造体的空空间形态态2.2物理探查查2探查方法法瞬变电磁法法勘探是是一种电电法勘探探手段，，通过对对目标体体探测获获取视电电阻率数数据，分析视电电阻率异异常区范范围，推推测陷落落柱含导导水性。该方法不不能探测测陷落柱柱的边界界，无法法确定视视电阻率率“异常常区”的的性质，通常在三维维地震基基本确认认陷落柱柱的情况况下，采采用该方方法探测测分析陷陷落柱的的含导水水性。不不含导水水陷落柱柱由于结结构松散散、岩石石破碎，，变现为为高阻特特征；含含导水陷陷落柱表表现为相相对正常常的证的的低电阻阻率，这这就是瞬瞬变电磁磁探测的的物性基础。16号煤层附附近视电电阻率异异常平面面图2.2物理探查查2探查方法法13线视电阻阻率断面面图2探查方法法15线视电阻阻率断面面图2探查方法法2探查方法法研究地质质构造与与水文地地质条件件，建立立已有陷陷落柱数数据库，，研究陷陷落柱发发育分布布规律，，开发陷陷落柱预预测软件件，陷落落柱发育育区进行行宏观预预测。2.3陷落柱发发育区预预测技术术区段指标体系发育区段较发育区段不发育区段岩溶陷落柱发育条件岩溶发育程度岩溶作用与岩溶率岩溶作用强、岩溶率高岩溶作用较强、岩溶率较高岩溶作用弱、岩溶率低溶洞数量规模溶洞多、规模大溶洞较多、规模较大溶洞少、规模小地质构造因素区域构造背景缓慢升降、间歇性上升特别显著、伸展性强缓慢升降、间歇性上升较显著，水平伸展作用较强升降快、幅度大、水平挤压作用强井田构造形态箕状断陷盆地地堑式盆地拗陷盆地或向斜盆地褶皱发育数量较多数量较少没有张性断裂发育十分发育比较发育，张性、压扭性断裂并存不够发育，压扭性断裂较多滑动构造特征发育程度好、滑动强度大发育程度较好、滑动强度较大不发育或滑动强度弱地下水径流补给排泄条件好较好差2探查方法法根据对影影响陷落落柱发育育条件因因素分析析，并邀邀请3位专家打打分，最最终形成成预测单单元A的各个指指标对于于陷落柱柱比较发发育和不不发育两两个评语语集的隶隶属度以以及各指指标的权权重。2.3陷落柱发发育区预预测技术术预测指标权重比较发育隶属度不发育隶属度岩溶发育程度0.300.800.20地质构造0.250.720.28力学条件0.150.650.35地下水径流0.200.510.49已揭露陷落柱分布特征0.100.620.382探查方法法2.3陷落柱发发育区预预测技术术较发育区中心点坐标X中心点坐标Y长轴长度（km）短轴长度（km）发育区面积（km2）A区94.734.50.217340.171790.03059B区94.134.30.720370.653030.37539C区93.433.81.115360.789560.70184D区92.633.21.476700.630900.77852E区92.032.31.440640.928401.05708F区91.431.60.696510.404920.22349G区90.132.60.980930.316900.26168H区89.332.60.742970.369880.20668Ⅰ区90.432.91.178930.186830.20125Ⅱ区90.031.60.501580.300960.12163Ⅲ区89.533.20.730820.3926370.23555陷落柱较较发育区区及预测测区的空空间展布布属性测测量结果果陷落柱发发育程度度预测图图1）煤层巷巷道掘进进陷落柱柱探测东庞9203、乌海16煤回风巷巷、张集集-300下山、任任楼7222工作面均均是巷道道掘进后后方陷落落柱突破破煤壁发发生滞后后突水；；范各庄庄2171工作面是是掘进巷巷道前方方煤壁突突破发生生突水。。物探：：电法超超前探测测，瞬变变电磁侧侧向探，，直流电电法电测测深等。。探测手段段：物探：电电法超前前探测，，瞬变电电磁侧向向探，直直流电法法电测深深等。钻探：掘掘进前方方及侧帮帮。超前距控控制：陷落柱水水探放时时，用式式（1）求得α值，定为为探放水水超前距距，超前前距不得得小于20m。（1）2.4掘进、回回采陷落柱探探测2探查方法法2.4掘进、回回采陷落柱探探测2探查方法法钻探2.4掘进、回回采陷落柱探探测2探查方法法BA1NMA2A3直流电法超前探无穷远2.4掘进、回回采陷落柱探探测2探查方法法探测疏松松体坑透探测测技术2.4掘进、回回采陷落柱探探测2探查方法法工作面内内陷落柱柱探测3陷落柱治治理技术术治理技术术发展过过程大概概可划分分为三个阶阶段：第一阶阶段（（1984年～1996年），，以开滦滦范各各庄矿矿2171综采工工作面面突水水陷落落柱治治理为为代表表。由由于是是国内内外第第一例例陷落落柱突突水灾灾害，，无成成功经经验借借鉴，，受当当时钻钻探技技术水水平的的限制制，其其治理理技术术最大大特点点是对对突水水陷落落柱采采用分分段下下行式式注浆浆实施施全面面封堵堵，共共注入入水泥泥70000吨，各各类骨骨料35400m3，注浆浆孔35个、进进尺23000m；第二阶阶段（（1996年～2006年），，在该阶阶段陷陷落柱柱内““堵水水塞””技术术广泛泛应用用，即即在突突水陷陷落柱柱内预预定层层位，，通过过钻孔孔注浆浆建造造一定定长度度的““堵水水塞””，截截断陷陷落柱柱突水水通道道。如如皖北北任楼楼7277工作面面陷落落柱、、徐州州张集集-300m水平陷陷落柱柱及开开滦范范各庄庄10#陷落柱柱治理理工程程。由由于于采用用普通通地质质钻机机施工工，其其缺点点是无无法在在松散散柱体体内精精确控控制钻钻进方方向，，陷落落柱内内钻孔孔轨迹迹形同同“蛇蛇形””，因因此也也称““蛇形形”钻钻进；；第三阶阶段（（2006年～今今），，随着美美国雪雪姆公公司汽汽车钻钻机的的引进进，定定向分分支造造孔技技术得得以大大量应应用，，使陷陷落柱柱内““堵水水塞””建造造技术术更加加成熟熟和完完善。。如东东庞矿矿2903工作面面突水水陷落落柱，，采用用该项项技术术确保保钻孔孔在陷陷落柱柱松散散体内内精确确定向向钻进进，形形成了了以定定向分分支造造孔、、充填填注浆浆、升升压注注浆、、引流流注浆浆和加加固注注浆为为主的的“堵堵水塞塞”建建造技技术，，该项项目获获2010年度国国家科科技进进步二二等奖奖。另另外，，本阶阶段发发生了了两次次下组组煤开开采陷陷落柱柱突水水淹井井灾害害，如如峰峰峰九龙龙矿12423N工作面面陷落落柱和和神华华乌海海骆驼驼山16煤回风风巷陷陷落柱柱突水水。与与以往往不同同的是是突水水陷落落柱隐隐伏于于开采采煤层层之下下，由由于陷陷落柱柱在煤煤系地地层发发育高高度有有限，，开采采煤层层距离离奥灰灰含水水层较较近，，因此此，均均采用用突水水陷落落柱与与水源源封堵堵方案案3陷落柱柱治理理技术术3治理技技术突水事故开滦范各庄2171工作面邢台东庞2903工作面乌海骆驼山16煤回风巷皖北任楼7222工作面徐州张集-300m下山峰峰九龙14123工作面时间1984.6.22003年4.122010.3,11996.3.41997.2.182009.1.8水量(m3/h)123180700006500034570240987200水压(MPa)3.05.22.33.17.5开采煤层与奥灰距离16012035距太灰165奥灰2904565突水方式掘进前方突破煤壁突水掘进后方10m突破巷道煤壁突水掘进后方2m巷道侧煤壁突破掘进后方突破煤壁突水巷道掘进后方4m底板回采后方30m突破煤层底板损失情况矿井淹没死亡13人矿井淹没矿井淹没死亡32人矿井淹没矿井被淹矿井淹没治理方案全面封堵陷落柱巷道封堵+堵水塞建造巷道封堵+堵水塞建造巷道封堵+堵水塞建造巷道封堵+堵水塞建造封堵陷落柱+封堵奥灰水源国内典典型陷陷落柱柱突水水淹井井治理理方案案汇总总表3陷落柱柱治理理技术术3.1三段式式封堵堵(以范各各庄2171为例））（1）上部部骨料料充填填对陷落落柱上上部空空腔充充填骨骨料，，压实实陷落落柱内内松石石堆积积物，，防治治陷落落柱进进一步步向上上发育育。（2）中部部注浆浆堵截截导水水通道道在12煤底板板至K3灰之间间建造造长约约100m的“堵堵水塞塞”。。（3）下部部水源源封堵堵在基底底奥灰灰含水水层段段进行行充填填灌浆浆，拦拦截突突水水水源，，对““堵水水塞””起到到支撑撑作用用。3治理技技术3.1三段式式封堵堵(以范各各庄2171为例））3治理技技术3陷落柱柱治理理技术术3.2“堵水水塞””建造造（1）过水水巷道道“阻阻水墙墙”建建造在突水水构造造不明明的条条件下下，如如过水水巷道道位置置资料料准确确，位位置清清楚，，可先先期在在过水水巷道道中实实施““阻水水墙””建造造，进进行堵堵巷截截流，，实现现早日日复矿矿之目目的。。3治理技技术3.2“堵水水塞””建造造快速定向钻进骨料灌注阻水墙建造旋喷注注浆充填注注浆升压注注浆引流注注浆3治理技技术阻水墙墙建造造流程程图3治理技技术3陷落柱柱治理理技术术（2）“堵水水塞””建造造3治理技技术①最下下部可可采层层煤层层之下下，采采动应应力波波及不不到；；②阻断所所有影影响煤煤层开开采的的含水水层补补给通通道；；③“堵水水塞””长度度应能能抵抗抗最大大静水水压力力。陷落柱柱阻水水塞建建造工工艺

阶段

充填注浆

升压注浆

引流注浆

加固注浆钻孔一序孔初期一序孔中后期二、三序前期三序孔后期二、三序孔后期，质检孔浆液类型水灰比0.8:1、1:1，加早强剂1:1的早强浆液为主1:1的纯水泥浆液为主1.3:1、1:1的纯水泥浆液为主注浆条件静水无压定量200-240m3

注浆时间12-15小时静水，注前压水逐渐升压定量130-150m3

注浆时间10-12小时动水孔口显压控制定量60-80m3

注浆时间5-6小时孔口压力2MPa定量80-100m3

注浆时间6-8小时目标充填大裂隙、大通道封堵主要过水通道，构筑堵水塞主体构架封堵较大裂隙、溶隙巩固前期效果封堵小裂隙通道，进一步减少水量封堵残留微小裂隙（孔隙）及边缘裂隙，加强堵水塞封堵效果3治理技技术3陷落柱柱治理理技术术（2）“堵水水塞””建造造3治理技技术3陷落柱柱治理理技术术3.3陷落柱柱与突突水水水源封封堵3治理技技术当突水水陷落落柱位位于开开采煤煤层之之下或或进入入煤系系地层层层位位较低低时，，建造造“堵堵水塞塞”长长度不不足，，则采采用突突水陷陷落柱柱与奥奥灰水水源封封堵方方案。。峰峰峰集团团的九九龙矿矿、乌乌海能能源骆骆驼山山矿的的陷落落柱采采用该该方案案取得得成功功。主要工工艺技技术：：（1）定向向分支支钻孔孔技术术。（2）分段段下行行式注注浆法法，定定量间间歇注注浆工工艺。。（3）陷落落柱内内水泥泥-骨料反反过滤滤注浆浆技术术。在对突突水陷陷落柱柱灌注注骨料料的同同时，，对奥奥灰上上部注注浆，，水泥泥浆液液沿水水流通通道上上行、、骨料料沿陷陷落柱柱通道道下行行，实实现骨骨料与与浆液液在陷陷落柱柱通道道中的的混合合，达达到了了快速速封堵堵通道道的目目的。。3陷落柱柱治理理技术术3治理技技术3陷落柱柱治理理技术术3治理技技术3.4不（含含）导导水陷陷落柱柱处理理（1）直接接推采采对于井井巷揭揭露的的未发发生突突水陷陷落柱柱，应应进一一步查查明陷陷落柱柱的形形态特特征、、开采采煤层层底板板陷落落柱充充填特特征与与边缘缘裂隙隙特征征,经水文地地质条件件安全评评价后，，确认采采动破坏坏不会造造成陷落落柱“活活化”，，引起采采后突水水时，可可直接推推采。安全评价价的主要要内容是是：陷落柱充充填物的的强度、、胶结特特征、钻钻孔漏失失情况、、底板破破坏深度度，以及及陷落柱柱基底奥奥灰含水水层富水水性、水水压等。。a:陷落柱基基底奥灰灰含水层层一定范范围内无无水，既既无水可可导；b:开采煤层层距离奥奥灰强含含水层较较远，采采动应力力波及不不到，且且充填物物胶结密密实。3陷落柱治治理