第六章瓦斯地质地质构造

瓦斯地质基础第六章地质构造

1第四节岩浆侵入煤层岩浆侵入煤层，破坏煤层的连续性，减少煤炭储量，并可使煤质变差，降低煤的工业价值。同时，侵入岩体硬度大，妨碍采掘工程顺利进行。一、岩浆侵入对煤矿生产的影响（一）岩浆侵入对煤质的影响岩浆侵入使煤层发生变质作用，并使煤质变劣。其变质程度由岩浆的成分、侵入体大小、形态及侵入煤层的位置所决定。一般说来，岩浆侵入引起的变质作用有以下规律。（1）岩墙切割煤层，对煤质影响小，通常只是岩墙两侧几米的煤发生变质。岩床沿煤层侵入，对煤质影响范围大，一般岩浆侵入煤层下部影响较大，侵入顶部影响较小，侵入中部影响最大。2（2）侵入体的大小，厚度直接影响变质程度。侵入体越大，煤层变质越高，影响范围越大；反之则小。（3）侵入体岩性对煤质的影响，一般认为辉绿岩影响最大，闪长岩次之，石英斑岩影响最小。这是因为辉绿岩属基性岩，熔化温度高，因此对煤质影响较大；石英斑岩属酸性岩，熔化温度低，对煤质影响小。（4）岩浆侵入煤层，形成一个热力变质带。距侵入体近者变质深，远者变质浅。可按煤种划分若干带，由近而远为天然焦、高变质煤、低变质煤，逐渐转成正常煤。从一个煤层看，不仅有水平分带，而且垂直分带现象也很明显（图6—52），煤种沿倾斜方向有明显分带现象，这种分带现象与侵人体的产状和形态有密切关系，产状越缓，体积越大，分带现象越明显。3图6—52煤种沿倾向分带示意图1—辉绿岩；2—二级天然焦；3—一级天然焦；4—无烟煤；5—贫煤6—瘦煤；7—焦煤；8—焦肥煤；9—夹矸；10—采样点4鲍温反应系列暗色矿物浅色矿物岩石种类（不连续反应系列）橄榄石（连续反应系列）橄榄岩辉长岩闪长岩花岗岩辉石角闪石黑云母酸性斜长石中性斜长石基性斜长石钾长石白云母石英温度SiO2含量5侵入岩产状类型a—岩床；b—岩盆；c—岩盖；d—岩墙6（二）岩浆侵入对煤矿生产的影响岩浆侵入对煤矿生产的影响主要表现在三个方面。（1）减少煤炭储量，缩短矿井服务年限。例如阜新平安矿某区面积为25万m2，原有储量152万t。由于岩浆侵入破坏，只剩下200t，其余均被岩浆吞蚀或变成天然焦。（2）使煤质变差，灰分增高，挥发分显著降低，粘结性遭到破坏。使原来的优质工业用煤降为一般的民用煤或天然焦。例如河北井径一矿原产很好的主焦煤，但在岩浆侵入体附近采出的煤炭，质量很差，甚至不能使用。（3）破坏煤层的连续性。岩浆侵入体把煤层分割成若干块段，零星岩体，结巷道掘进、采面回采带来困难，影响采面合理布置。7二、岩浆侵入煤层的观测与研究（一）对岩浆侵入体的观测对井下一切揭露侵入体的地点，都应该进行观测和素描，观测的内容有下面四个方面。（1）岩浆侵入体的颜色、矿物成分、结构与构造特征及岩石类型。（2）岩浆侵入体的产状。（3）岩浆侵入体与断裂的关系。（4）煤层受影响的情况，包括侵入体与煤层的接触关系，天然焦的宽度，煤层的变质程度等。（二）对岩浆侵入体的探测由于侵入体形状变化多端，为指导采掘工作的顺利进行在岩浆侵入体分布区要专门布置一些探巷和钻孔来探明侵入体的分布范围。

当岩浆侵入厚煤层时，在掘进巷道的同时每隔一定距离应探测一次侵入体和煤层的厚度变化，得到从顶板到底板完整的煤岩柱状，最后编制剖面图，反映煤层、岩体的分布情况（图6—53）。89对中厚及薄煤层，可以在同一煤层中布置钻孔或探巷查明侵入体平面分布范围（图6—54），也可以从邻近煤层的巷道中打钻孔圈定侵入体的分布范围（图6—55）。为了查明侵入体附近的煤变质情况，应加强取样化验工作。一般根据岩浆侵入体的形态特征和煤的变质情况布置取样点。同时，还可以根据煤变质的规律变化预测侵入体的分布。10（三）对岩浆侵入体资料的综合研究对揭露岩浆侵入体的钻孔、巷道及取样化验资料，加以系统整理和综合分析编制反映岩浆侵入体分布和煤层变质情况的综合图件，如侵入体分布图、煤质等值线图、剖面图、素描图等，然后提出侵入体分布及煤层煤质预测图。三、岩浆侵入煤层的处理掘进巷道遇到岩墙时，可按原设计直接穿过。回采时，可根据岩墙的大小与分布情况，决定是重开切眼还是分两个工作面回采。如果岩墙沿倾向或斜交方向分布，回采至岩墙时，重开切眼，继续回采（图6—56）。如果岩墙沿走向分布时，可分成上、下两个小面回采（图6—57）。对于岩床，则要求先用探巷和钻孔圈定范围，然后决定回采方案。对串珠状侵入体，如果对煤层破坏不严重，工作面可直接推过，但要增加采面处理侵入体的工序。若侵入体分布区大，残留煤层很薄，只能作为不可采区处理。1112第五节喀斯特陷落柱

喀斯特陷落柱，是喀斯特塌陷的一种类型。它是由于煤层下伏碳酸岩等可溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成空洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落、塌陷，形成筒状或似锥状柱体，故以它的成因和形状取名为喀斯特陷落柱，简称陷落柱，俗称“无炭柱”或“矸子窝”。在华北一些矿区，陷落柱较发育，其中尤以山西省的太原西山矿区、阳泉矿区、霍州矿区、汾西矿区及太行山东麓的峰峰矿区、井陉矿区特别发育。其它在开滦、鹤壁、新汶、枣陶、徐州、铜川、大同等均有发现。陷落柱发育的矿区，常使煤层遭受到不同程度的破坏，给机械化开采造成极大困难，严重的可使部分煤层失去开采价值。在水文地质条件复杂的矿井，陷落柱是地下水的良好通道，给安全生产造成严且威胁。[karst]岩溶的地形地貌，因在亚得里亚海沿岸的喀斯特高原最为典型而得名[xíng]

太行山首始于河内,北至幽州,凡有八陉,是山凡中断皆曰陉。——《述征记》

13千峰石林14漓江山水1516一、陷落柱的成因

喀斯特洞穴的发育和喀斯特洞穴塌陷是形成陷落柱的根本原因。（一）喀斯特洞穴发育的地质条件（1）煤系或其下部地层中含有可溶性岩层，如石灰岩、石膏层、泥炭层等。这些岩层易被地下水溶蚀后形成溶洞。（2）煤系地层分布区域内发育有断裂构造等良好的地下水通道。（3）地下水源丰富，并且地下水中含有溶蚀性大的各种酸根，如CO2等。（4）有流畅的排泄口，地下水动力条件好，水的交替循环强烈，有较强的侵蚀“淘空”能力。17（二）喀斯特洞穴致塌机理喀斯特洞穴是形成陷落柱的前提条件，但并不是所有的喀斯特洞穴都会塌落成陷落柱。导致喀斯特洞穴塌陷是有条件的，目前有以下几种致塌机理。

1．重力塌陷

喀斯特洞穴顶部承受不了上覆岩层的重力，产生裂隙，导致塌陷。由于地下水的持续活动，溶洞不断扩大，使上覆岩层垮落，形成几米、几十米，甚至上百米的陷落柱。

2．真空吸蚀塌陷在相对密封的承压喀斯特溶腔（指充满地下水的溶孔、溶洞）中，由于地下水的排泄、局部的地壳升降等，使溶腔盖层底面由承压转为无压，甚至形成负压。在喀斯特溶腔内不断下降着的水面强有力地抽吸作用下，上面盖层向下陷落，此过程反复进行。同时由于溶腔内外的压差效应，使溶腔外部大气压力对盖层表面产生冲压作用，降低岩层强度，加速盖层宏观平衡的破坏。当溶腔内真空积累达到临界值时，盖层失去平衡，出现瞬间坍塌。喀斯特真空吸蚀作用是解释喀斯特陷落的新观点。183．物理化学作用综合塌陷陷落柱的形成至少是由三种物理化学因素综合作用的结果，包括岩层内某些物质的重结晶作用，如硬石膏的水化作用（CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O），使体积增大30%以上；地下水循环造成的冲蚀和溶蚀作用；有机质分解产物的化学作用，即成煤过程中有机质分解释放出大量H2O、CO2、CH4等物质进入煤系下伏地层，与岩层内部成分发生物理化学作用，使岩层破坏和垮落。19二、陷落柱的特征（一）陷落柱的基本形态1．陷落柱的平面形状

陷落柱的平面形状是指陷落柱与某一层面（如煤层顶底面）或地表面相交切的形状。陷落柱的平面形状绝大多数为似圆形和椭圆形，也有长条形和不规则形，如图6—58所示为阳泉三矿揭露的几种陷落柱平面形状。为了表征陷落柱的平面形状，用长轴长度、短轴长度、长短轴比值和长轴方向来表示。202．陷落柱的剖面形状陷落柱的剖面形状与所穿透岩层的岩性有关。在坚硬岩层，如砂岩、砂砾岩、石灰岩中，由于岩石坚硬不易塌陷，柱体呈现上小下大的锥状，柱面与水平面夹角在60º～80º。之间（图6—59）。在第四系松散沉积层或含水较多的松软岩层（如裂隙发育的泥质页岩），由于岩层松软极易塌陷，陷落柱体呈现上大下小的漏斗状，柱面与水平面夹角约为40º～50º（图6—59a）。图6—59c为某矿实际揭露的一个陷落柱，穿过几个煤层，各煤层破坏程度不一，柱体平面面积大小不一，轴心偏离也大。可见陷落柱剖面形状很不规则，但总体上还是呈现为锥形柱体。由于柱体呈不规则的锥体形状。因此不能简单按照一个塌陷角计算不同层位或不同标高的陷落柱平面面积。3．陷落柱的高度

从溶洞底面至塌陷顶的垂直距离为陷落柱高度。陷落柱高度与溶洞的大小、地下水排泄条件、岩石物理力学性质及裂隙发育程度等有关，一般可由几十米到一二百米，但也有高达数百米的巨型陷落柱，有的塌至地表。当底部溶洞体积大、地下水排泄条件良好及岩层裂隙发育时，陷落柱高度就大；反之则小。21224．陷落柱中心轴

陷落柱各个平面中心点的连线称为陷落柱的中心轴线。图6—64显示中心轴大多数不是直立的，而是歪斜甚至扭转弯曲的。陷落柱中心轴通常垂直于塌陷岩层的层面。掌握中心轴变化规律，有助于预测下部煤层或下水平陷落柱的平面位置。23（二）陷落柱的出露特征1．陷落柱的地表出露特征（1）盆状凹陷陷落柱出露地表后，常呈现盆状凹陷区。凹陷区岩层层序遭到破坏，而其周围岩层层序正常，岩层产状稍向凹陷中心倾斜。凹陷区常被黄土覆盖，在黄土层上长满茂密的植物，较易识别。（2）丘状凸起在石炭二叠纪煤系地层分布区，由粉砂岩和泥质岩组成的二叠系山西组地层中，若见到局部隆起的石盒子组或石千峰组砂岩碎块堆积，是陷落柱的一种地表特征。这是由于石盒子组或石千峰组砂岩较山西组地层坚硬，耐风化，致使山西组地层破坏，而石盒子组或石千峰组砂岩碎块呈现隆起的丘状地形。这种特征在阳泉矿区很典型。（3）柱状破碎带在沟谷两侧的自然剖面或公路、铁路两侧的人工剖面上常可见到一些柱状破碎带，此即陷落柱在地表的出露。（4）特殊地貌形态在黄土覆盖区，陷落柱常使表层黄土出现大大小小的圆形陷坑构成形似蜂窝状地貌。有时还出现弧形裂缝，裂缝大小不一，小者几厘米，大者达几米。陷落柱还可以引起地表黄土层产生滑坡现象。242．陷落柱的井下出露特征（1）柱面特征陷落柱柱面呈不规则状。坚硬岩石不易塌陷，呈突出状；松软岩石很易塌落，呈凹进状。（图6—60）。由于陷落柱的水平切面图形为一封闭曲线，所以巷道与柱面相遇处多呈弧线。弧的半径大小与陷落柱平面形状、陷落柱大小、相遇部位有关。如果陷落柱面积大或相遇部位靠近短轴位置，则弧线平缓，反之弧线弯曲较大。据此，可依据弧线弯曲情况判断陷落柱的大小，还可以作为区别断层和陷落柱的标志。25（2）柱体特征柱体多为较新层位的岩石碎块或第四系松散沉积物充填。柱体内塌落岩块岩性混杂、大小不一、棱角明显。古老陷落柱中的岩块多被胶结，近代塌落的岩块呈松散堆积。（3）陷落柱内沉淀物在陷落柱的柱面及柱体内裂隙面上常见到红色的铁质、白色的钙质或高的土质沉淀物，有时还可见到新生界泥质沉积物。这些是地下水渗入陷落柱产生的沉淀物。（三）喀斯特陷落柱的分布特点陷落柱的平面分布不均一，具有明显的分区性和分带性。陷落柱的形成与喀斯特地下水活动的强烈程度有关，矿区内各个井田的水文地质条件存在差异，因此陷落柱的形成在时间和空间上均有差别，其数量和规模都表现出明显的分区性。由图6—61可看出，阳泉矿区南部的马郡头井田和五矿陷落柱最发育；北部的三矿和四矿较发育；最北的固庄矿、荫营矿和中部的二矿、大阳泉矿不发育。构造裂隙是地下水的良好通道，为形成喀斯特的重要条件。因此喀斯特陷落柱常沿喀斯特化断裂带、褶曲轴，特别是断层交汇处呈串珠状密集分，表现出明显的分带性。例如徐州大黄山矿陷落柱沿主向斜轴里带状分布，井陉煤矿的陷落柱沿北东方向呈串珠状展布，均与该区地下水集中径流带关系密切。2627三、陷落柱的观测与研究（一）陷落柱出现前的预兆1．产状变化陷落柱在陷落过程中，由于牵引作用使围岩向陷落中心倾斜，倾角变化一般4º～6º之间，个别可达10º以上，其影响范围一般在15～20m范围之内，少数可达30m（图6—62）。282．裂隙增多在陷落过程中，陷落柱周围煤岩层产生大量裂隙。裂隙走向平行柱面的切线方向，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，在脆性岩石中裂隙较发育，在柔性岩石中裂隙较少。在裂隙中，常见有粘上、高岭上、碳酸钙、氧化铁等充填物。3．小断层增多陷落柱周围的煤岩层，由于受塌陷和重力的影响，沿裂隙面向下发生位移产生小断层。此种小断层规模小，走向延长10～20m，落差多在0.5m以内，且都是向陷落中心倾斜的正断层（图6—63）。294．煤质氧化陷落柱附近的煤层，由于地下水作用，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大小、裂隙发育程度和地下水活动有关。陷落柱越大、裂隙越发育、距陷落柱越近、水量越大，影响范围则越大；反之则小。5．涌水量增大陷落柱穿过含水层时，将地下水导入矿井，当巷道接近陷落柱时，涌水量会骤然增加，有时会发生突水事故。其涌水量的大小与该处水文地质条件有关。30（二）井下遇陷落柱的观测巷道遇到陷落柱，揭露的只是一个很小的接触面（柱面），观测时应确定巷道与陷落柱的相遇部位。出于这种接触面与断层带、冲刷带有相似的特征，必须仔细观察才能作出正确判断。1．柱体前的煤岩层特征与住体相接触部位的煤层及顶底板岩层产状会稍有变化，倾向柱体。倾角增大或减小，裂隙发育且常呈弧形。煤质亦有变化，光泽变暗，煤质松软，有水锈。2．柱面特征一般为凹凸不平的高角度倾斜面，呈镶嵌状，但也有陡峭的直立面，面上常有水锈，柱面上有煤粉、岩屑组成的软泥，要注意测定柱面与巷底交切弧线的弧度及方向。3．柱体内特征观察岩块的岩性、形状、大小及堆积方式等，要特别注意与揭露点附近的钻孔或石门剖面资料进行岩性对比，判断陷落层位。314．利用已有资料根据上部煤层、地表或上水平的资料，结合观测特征，判断陷落柱的形状、大小及陷落柱的相遇部位（图6—64）。32（三）陷落柱的探测为了准确圈定陷落柱的位置、大小、形状和面积，在观测基础上，必须使用探测手段。1．钻探钻探使用的范围较广。在地表可用钻探验证异常区是否有陷落柱存在；在井下可用钻探探测巷道前方或由巷道圈定的回采工作面内有无陷落柱存在（图6—65）。332．物探由于煤层与陷落柱的电性不同，对电磁波具有不同的吸收作用，所以可用无线电波透视法探测工作面内的陷落柱。3．巷探巷探能直接进行观察和测定，可靠程度高，但工作量大，费用高。安排巷探时尽可能考虑一巷多用，或采取小断面掘进。四、陷落柱对煤矿生产的影响及处理（一）陷落柱对煤矿生产的影响1．破坏可采煤层，减少煤炭储量由于陷落柱本身及其周围不能开采