岩溶陷落柱探查与治理课件

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柱柱的成因是是以奥灰岩岩层中地下下水的强烈交替为为条件，岩溶发育为为基础，岩体自重重重力、地应力集中中以及溶洞内内的真空负压三三重作用为为动力，经过迅速速垮落、间间歇、溶蚀蚀、搬运、、塌陷、冒冒落等周而而复始过程程，分阶段段逐步形成成陷落柱。。1.1陷落柱柱的概概念与与基本本特征征1概论1.1陷落柱柱的概概念与与基本本特征征3）陷落落柱的的基本本特征征（1）平面面上陷陷落柱柱的形形状一一般为为椭圆圆形或或者是是扁圆圆形的的陷落落盆地地。外外围的的岩层层产状状正常常而连连续，，盆地地中常常常被被不同同地层层的岩岩煤的的碎块块填充充，无无层序序，混混乱堆堆积。。（2）陷落落柱的的纵向向上总总体形形态一一般是是上小小下大大的不不规则则柱形形，顶顶部多多发于于有一一定规规模的的空腔腔，中中间为为松散散充填填物，，基底底为奥奥奥系系石灰灰岩。。（3）导水水陷落落柱，，充填填物多多为松松散状状，胶胶结程程度差差；不不导水水陷落落柱，，充填填物有有二次次胶结结作用用，视视时间间长短短和胶胶结物物性质质，胶胶结程程度不不一。。（4）陷落落柱与与围岩岩的接接触界界面多多呈现现出不不规则则的锯锯齿状状，界界线明明显，，有的的地方方表现现为断断层，，（5）陷落落柱锥锥形体体的中中心轴轴与岩岩层层层面近近似垂垂直。。因此此，在在倾斜斜岩层层里陷陷落柱柱也发发生歪歪斜，，在水水平的的投影影图上上，各各煤层层的陷陷落柱柱范围围并不不是完完全地地重叠叠。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陷落柱柱分类类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、、小三三种影响和和制约约着采采区的的布置置、采采面的的划分分、计计划的的安排排和采采掘的的接替替，而而且还还直接接导致致突水水，造造成人人员和和财产产的重重大损损失。。1）矿井井内隐隐伏陷陷落柱柱埋藏藏隐蔽蔽、分分布孤孤立、、导水水通道道规模模大，，且与与奥灰灰强岩岩溶含含水层层相通通，一一旦发发生透透水，，往往往是重重特大大事故故，造造成被被淹，，甚至至人员员伤亡亡。因因此，，隐伏伏导水水陷落落柱的的探查查一直直是防防治水水工作作者长长期攻攻关的的课题题。2）未揭揭露的的导水水陷落落柱从从奥灰灰顶界界面发发育至至煤系系地层层，并并与开开采煤煤层顶顶底板板含水水层沟沟通，，成为为煤系系含水水层的的强大大补给给水源源，在在这些些含水水层中中若井井项工工程揭揭露与与陷落落柱有有联系系的导导水裂裂隙时时，则则会发发生突突水，，不仅仅增加加了矿矿井涌涌水量量，而而且威威胁着着矿井井安全全。如某矿矿9号陷落落柱最最高发发育至至7煤顶板板，成成为7与12号煤顶顶底板板砂岩岩含水水层、、K3灰岩含含水层层的补补给水水源，，造成成7煤开采采时顶顶底板板涌水水量较较大，，后经经陷落落柱治治理后后减少少矿井井涌水水量10m3/min。3）导水水煤炭炭资源源受高高压水水威胁胁不能能开采采，势势必造造成资资源浪浪费。。1.3陷落柱柱对煤煤矿安安全的的危害害1概论1概论1.4典型陷陷落柱柱突水水淹井井案例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““中间间层””指开开采煤煤层与与奥灰灰之间间的薄薄层灰灰岩（（或砂砂岩））含水水层，，由于于导水水陷落落柱贯贯通““中间间层””含水水层，，两者者势必必发生生水力力联系系。井下涌涌水量量大且且衰减减较小小，直直至稳稳定，，水质质呈现现奥灰灰水质质特征征。以煤系系薄层层灰岩岩（或或砂岩岩）含含水层层研究究对象象，开开展井井下放放水试试验，，观测测煤系系薄层层灰岩岩（或或砂岩岩）含含水层层与奥奥灰含含水层层地下下水流流畅变变化，，圈定奥奥灰低低水位位与““中间间层””含水水层高高水位位重叠叠“异异常区区”，同时时进行行示踪踪剂连连通试试验，，确认认奥灰灰水与与“中中间层层”含含水层层的水水力联联系，，井下下向““异常常区””施工工验证证钻孔孔，进进一步步确认认“异异常区区”的的性质质与具具体位位置。。范各各庄矿矿通过过此方方法确确定了了3个导水水陷落落柱。。2.1“中间间层””综合合水文文地质质试验验2探查方方法中间层层放水水试验验圈定定陷落落柱示示意图图（1）三维维地震震一般情情况下下，陷陷落柱柱内常常常是是松散散充填填物，，而周周边是是正常常的岩岩层，，两者者存在在着明明显的的密度度与速速度差差异，，这就就为地地震波波的识识别提提供了了物性性前提提。2.2物理理探探查查2探查查方方法法图8三维地震解译陷落柱示意图2.2物理理探探查查2探查查方方法法异常常体体2.2物理理探探查查2探查查方方法法隐伏伏构构造造体体的的空空间间形形态态2.2物理理探探查查2探查查方方法法瞬变电电磁磁法法勘勘探探是是一一种种电电法法勘勘探探手手段段，，通通过过对对目目标标体体探探测测获获取取视视电电阻阻率率数数据据，，分析析视视电电阻阻率率异异常常区区范范围围，，推推测测陷陷落落柱柱含含导导水水性性。该方方法法不不能能探探测测陷陷落落柱柱的的边边界界，，无无法法确确定定视视电电阻阻率率““异异常常区区””的的性性质质，通常在在三三维维地地震震基基本本确确认认陷陷落落柱柱的的情情况况下下，，采采用用该该方方法法探探测测分分析析陷陷落落柱柱的的含含导导水水性性。。不不含含导导水水陷陷落落柱柱由由于于结结构构松松散散、、岩岩石石破破碎碎，，变变现现为为高高阻阻特特征征；；含含导导水水陷陷落落柱柱表表现现为为相相对对正正常常的的证证的的低低电电阻阻率率，，这这就就是是瞬瞬变变电电磁磁探探测测的的物物性性基础础。。16号煤煤层层附附近近视视电电阻阻率率异异常常平平面面图图2.2物理理探探查查2探查查方方法法13线视视电电阻阻率率断断面面图图2探查查方方法法15线视视电电阻阻率率断断面面图图2探查查方方法法2探查查方方法法研究究地地质质构构造造与与水水文文地地质质条条件件，，建建立立已已有有陷陷落落柱柱数数据据库库，，研研究究陷陷落落柱柱发发育育分分布布规规律律，，开开发发陷陷落落柱柱预预测测软软件件，，陷陷落落柱柱发发育育区区进进行行宏宏观观预预测测。。2.3陷落落柱柱发发育育区区预预测测技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探查查方方法法根据据对对影影响响陷陷落落柱柱发发育育条条件件因因素素分分析析，，并并邀邀请请3位专专家家打打分分，，最最终终形形成成预预测测单单元元A的各各个个指指标标对对于于陷陷落落柱柱比比较较发发育育和和不不发发育育两两个个评评语语集集的的隶隶属属度度以以及及各各指指标标的的权权重重。。2.3陷落落柱柱发发育育区区预预测测技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探查查方方法法2.3陷落落柱柱发发育育区区预预测测技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陷落落柱柱较较发发育育区区及及预预测测区区的的空空间间展展布布属属性性测测量量结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、回回采陷落柱柱探测测2探查方方法2.4掘进、、回采采陷落柱柱探测测2探查方方法钻探2.4掘进、、回采采陷落柱柱探测测2探查方方法BA1NMA2A3直流电法超前探无穷远2.4掘进、、回采采陷落柱柱探测测2探查方方法探测疏疏松体体坑透探探测技技术2.4掘进、、回采采陷落柱柱探测测2探查方方法工作面面内陷陷落柱柱探测测3陷落柱柱治理理技术术治理技技术发发展过过程大大概可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工作面突水水陷落柱，，采用该项项技术确保保钻孔在陷陷落柱松散散体内精确确定向钻进进，形成了了以定向分分支造孔、、充填注浆浆、升压注注浆、引流流注浆和加加固注浆为为主的“堵堵水塞”建建造技术，，该项目获获2010年度国家科科技进步二二等奖。另另外，本阶阶段发生了了两次下组组煤开采陷陷落柱突水水淹井灾害害，如峰峰峰九龙矿12423N工作面陷落落柱和神华华乌海骆驼驼山16煤回风巷陷陷落柱突水水。与以往往不同的是是突水陷落落柱隐伏于于开采煤层层之下，由由于陷落柱柱在煤系地地层发育高高度有限，，开采煤层层距离奥灰灰含水层较较近，因此此，均采用用突水陷落落柱与水源源封堵方案案3陷落柱治理理技术3治理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型陷陷落柱突水水淹井治理理方案汇总总表3陷落柱治理理技术3.1三段式封堵堵(以范各庄2171为例）（1）上部骨料料充填对陷落柱上上部空腔充充填骨料，，压实陷落落柱内松石石堆积物，，防治陷落落柱进一步步向上发育育。（2）中部注浆浆堵截导水水通道在12煤底板至K3灰之间建造造长约100m的“堵水塞塞”。（3）下部水源源封堵在基底奥灰灰含水层段段进行充填填灌浆，拦拦截突水水水源，对““堵水塞””起到支撑撑作用。3治理技术3.1三段式封堵堵(以范各庄2171为例）3治理技术3陷落柱治理理技术3.2“堵水塞””建造（1）过水巷道道“阻水墙墙”建造在突水构造造不明的条条件下，如如过水巷道道位置资料料准确，位位置清楚，，可先期在在过水巷道道中实施““阻水墙””建造，进进行堵巷截截流，实现现早日复矿矿之目的。。3治理技术3.2“堵水塞””建造快速定向钻进骨料灌注阻水墙建造旋喷注浆充填注浆升压注浆引流注浆3治理技术阻水墙建造造流程图3治理技术3陷落柱治理理技术（2）“堵水塞””建造3治理技术①最下部可可采层煤层层之下，采采动应力波波及不到；；②阻断所有影影响煤层开开采的含水水层补给通通道；③“堵水塞””长度应能能抵抗最大大静水压力力。陷落柱阻水塞塞建造工艺

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治理技术3陷落柱治理技技术（2）“堵水塞”建建造3治理技术3陷落柱治理技技术3.3陷落柱与突水水水源封堵3治理技术当突水陷落柱柱位于开采煤煤层之下或进进入煤系地层层层位较低时时，建造“堵堵水塞”长度度不足，则采采用突水陷落落柱与奥灰水水源封堵方案案。峰峰集团团的九龙矿、、乌海能源骆骆驼山矿的陷陷落柱采用该该方案取得成成功。主要工艺技术术：（1）定向分支钻钻孔技术。（2）分段下行式式注浆法，定定量间歇注浆浆工艺。（3）陷落柱内水水泥-骨料反过滤注注浆技术。在对突水陷落落柱灌注骨料料的同时，对对奥灰上部注注浆，水泥浆浆液沿水流通通道上行、骨骨料沿陷落柱柱通道下行，，实现骨料与与浆液在陷落落柱通道中的的混合，达到到了快速封堵堵通道的目的的。3陷落柱治理技技术3治理技术3陷落柱治理技技术3治理技术3.4不（含）导水水陷落柱处理理（1）直接推采对于井巷揭露露的未发生突突水陷落柱，，应进一步查查明陷落柱的的形态特征、、开采煤层底底板陷落柱充充填特征与边边缘裂隙特征征,经水文地质条条件