袁庄矿Ⅳ31212回采面揭露陷落柱的相关分析

　　摘要：淮北煤田闸河矿区，古陷落柱构造少有发育。袁庄煤矿在2006年10月生产工作面揭露一古陷落柱并成功改造。但经过对该古陷落柱构造的分析，得出该陷落构造的形成层位、成因、空间形态及其对下一步袁庄矿6煤层开采的影响等相关结论。
　　关键词：陷落柱；空间形态；真空吸蚀；
　　
　　2006年10月，淮北矿业集团袁庄煤矿正在回采的Ⅳ31212工作面在回采过程中，在无预兆的情况下，揭露一古陷落柱构造，严重威胁生产安全。虽通过及时与徐州中矿地质工程有限科技开发有限公司联系并进行合作，采用瞬变电磁法判断了该陷落柱的富水性及影响范围，并依此拿出了合理的改造方案，成功顺利的通过该陷落柱构造，确保了生产的安全进行，但其教训是深刻的。所以有必要，对该陷落柱构造进行详细的分析，以便为下部煤层的开采，提供更加准确可靠的地质资料。该陷落柱为袁庄矿自投产以来揭露的第二个陷落柱构造，故暂称为2#陷落柱。（发表论文）
　　12#陷落柱的井下观测
　　2#陷落柱位于Ⅳ31212工作面的中部，平面形状似圆形，平均直径45m。与柱体相接部位的煤层及其顶底板产状正常，无明显变化。但距柱体15m范围内，连续发育落差不足1m的小断层多条，且均为正断层。断层面顷向面向柱体，小断层的断层面走向近似于柱体边缘相切。煤质无明显变化。柱体与回采煤层31煤层的接触面处，31煤一侧为明显的凹凸不平的高角度倾斜面，呈镶嵌状，无擦痕。与柱体接触处有煤粉、岩屑组成的软泥。柱体内，岩块大小不一，直径从几厘米至几十几厘米不等，排列杂乱无章。岩块多为31煤层上覆过渡相及陆相碎屑岩，含有大量黄色颗粒晶体。柱体内部胶结较好。柱体附近，煤层顶板淋水，涌水量基本稳定在20m3/h左右。
　　
　　
　　22#陷落柱的成因分析
　　2.1陷落柱的普遍成因
　　岩容陷落柱是局部地层中的岩溶塌陷现象，岩溶陷落柱发育的普遍地质条件如下：
　　1）含煤岩系或其下部地层中含有可溶性岩、矿层。这些岩层或矿层易被地下水溶蚀后出现溶洞，并有逐步扩大的可能；
　　2）含煤区域内，发育有良好的地下水通道。主要是指断裂构造造成地面水系、井下富水层位与可溶性岩、矿层之间的水力联系；
　　3）地下水源丰富，且含有溶蚀性大的各种酸根；
　　4）有流畅的排泄口，地下水动力条件较好，交替循环，有较强的侵蚀“掏空”能力。
　　岩溶是形成陷落柱的先决条件，但并不是所有的岩溶体都会形成陷落柱。导致岩溶坍埸也是有条件的，对其致塌机理，目前有以下几种观点：
　　1）重力塌陷的观点
　　岩溶使岩层的整体性、稳固性遭到破坏，其上覆岩层在重力作用下产生裂隙，而后导致岩体塌落，真至岩溶空间自然平衡拱形成，上覆岩层得到相对的稳定。同于地下水的继续活动，岩溶仍有可能进一步扩展，再次使岩层失去平衡，不断垮落，不断扩大，逐渐形成几米、几十米，以至数百米的陷落柱。
　　2）真空吸蚀塌陷的观点
　　在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于某些原因，引起水面的下降。逐渐增大的岩溶空腔必定转化为低气压状态，似呈真空的空腔。随着水面的不断降低，不断增大的真空腔，不断地对上部盖层的内部结构发生微观的真空吸蚀掏空作用，作盖层的岩、土层底部呈现颗粒状或片状，快速地自行剥落，直至坍塌破坏。
　　3）物理化学综合作用塌陷的观点
　　陷落柱的成因相当复杂，是由多种因素综合的物理化学作的结果。如：岩层内部物质的重结晶作用；地下水循环造成的冲蚀及溶蚀作用；有机质分解立物的化学作用等。
　　2.22#陷落柱的成因分析
　　一、水文地质条件概况
　　（一）新生界含、隔水层（组）特征
　　本区煤系均被新生界松散层所覆盖，可分为一个含水层（组）和一个隔水层（组）。
　　1）第四系上部含水层（组）
　　一般自地表垂深3~5m起，底界深度一般25m左右。含水砂层厚度15m左右。岩性主要由浅黄色、浅灰色粉砂、粘土质砂组成，局部为细砂，夹有砂质粘土、粘土薄层。本组分布稳定，其上部为潜水，下部为弱承压水，据本矿抽水资料q=0.561L/s.m，K=4.21m/d，水质为HCO3•Cl-Mg•Ca型，矿化度为0.49～1g/l，PH值7.0～7.3。
　　2）第四系底部隔水层（组）
　　底界深度一般50m左右。隔水层一般厚度20m左右。该组主要为粘土夹砾石。本组分布较稳定，隔水性能较好。
　　（二）二迭系煤系含、隔水层（段）
　　区内二迭系含煤地层主要由泥岩、粉砂岩、砂岩及煤层组成，以泥岩、粉砂岩为主，整个二迭系含水层含水性较弱，含、隔水层（段）无明显界限可分，只能依靠地层剖面岩性与矿内主要可采煤层间的关系划分为如下含、隔水层（段），自上而下分别为：
　　基岩风化带含水层（组）
　　石盒子组上部隔水层（组）
　　石盒子组砂岩裂隙含水层（组）
　　石盒子组下部隔水层（组）
　　3～5煤含水层（组）
　　铝质泥岩隔水层（组）
　　6煤层砂岩裂隙含水层（组）
　　6煤下至太原组隔水层（组）
　　以上各含水层（组）中以砂岩裂隙含水为主，据钻孔资料及井下生产实际揭露情况，二迭系砂岩裂隙水主要以静储量的形式赋存于砂岩层裂隙之中，受构造控制。砂岩裂隙一般不发育，即使局部地段裂隙发育，也具不均一性，抽水试验单孔单位涌水量一般较小。据矿内对6煤顶底板砂岩抽水试验，q=0.00126～0.01055l/s.m，K=0.00133～0.0122m/d，矿化度2.16g/l，水质为SO4•Cl-Na•Ca类型。
　　从以上资料可以看出本区主采煤层顶、底板砂岩裂隙含水性不均，水量不太丰富。
　　（三）太原组石灰岩岩溶裂隙含水层（组）
　　太原组灰岩富水性不均一，其富水性强弱，取决于岩溶裂隙发育程度，一般规律是浅部露头带岩溶裂隙发育，富水性比深部强，即使在同一深度，其岩溶裂隙的发育程度也具不均一性，但一般情况下是1-4层灰岩溶裂隙较发育，富水性较好。
　　本矿太原组灰岩岩性为灰白色细～粗粒结晶状灰岩与泥岩及砂质泥岩互层，灰岩共有12层，多呈薄层状，分层厚0～14.8m，累计厚度约63.54m，含水层总厚度164m左右，为灰岩裂隙溶洞承压水，根据区域水文地质资料，该含水层含水不均一，富水性随埋深增加而减弱，如埋深在115～273m区间，q=0.745L/s.m，而在448～520m区间，q=0.012L/s.m，同时，处在同一标高，该含水层之富水性比其它二叠系各含水层强。K=0.09596～0.7161m/d，水质类型为SO4•Cl-Na•Ca型，矿化度1.16～1.23g/l，硬度11.8～26.2德国度，PH值=7.2～7.7。本区07-观1孔1-4灰注水试验，q=0.0556L/s.m，K=0.1966m/d。　　
　　二、2#陷落柱的形成
　　1）2#陷落柱的底部开始形成层位
　　2#陷落柱位于牛眠向斜轴部附近。而牛眠向斜是一受水平构造应力形成的褶曲构造，同一岩层在向斜轴部较向斜两翼较好。轴部平缓，轴心隆起，呈明显的“W”形，具有典型的复式向斜的特征。向斜轴部构造应力集中，裂隙及断裂构造发育。为煤系地层下部可溶性岩层形成溶洞，提供了可能。
　　根据区域水文地质条件，袁庄矿区太原组含灰岩12层，其中4灰分层较厚，含水量较大。且经过水质化验，水质类型为SO4•Cl-Na•Ca型，矿化度1.16～1.23g/l，硬度11.8～26.2德国度，PH值=7.2～7.7。我们知道，当PH值低于8时，水中所有碳酸均呈游离CO2和HCO3-离子状态存在，具有较强的腐蚀性。同时，根据袁庄矿区正常地温梯度计算，在2#陷落柱发育位置，4灰的地温应该在30°~40°之间，进一步促进了灰岩水的溶蚀性，为容洞的发育提供了可能。
　　除4灰外，另一层陷落柱底部溶洞可能发育层为奥陶系灰岩。但在本区。奥陶系埋深较大，约在-700左右，富水性较弱。同时，若2#陷落柱发育于奥灰，而影响到31煤层，并在31煤中柱体直径达50m，则该陷落柱高度至少为200m以上，如此高度的陷落柱，在淮北闸河矿区开采多年来，从未有过的。此外，袁庄矿区，奥灰水水位在-700处，水头压力必然较大，形成的陷落柱也应该多为导水陷落柱，这一点特性也与2#陷落柱特性不符。综上，可初步判断2#陷落柱始发育于太原组4灰。
　　
　　2）溶洞的扩大及坍塌过程
　　在溶洞形成之后，伴随一系列的物理化学作用，溶洞不断扩大。后在溶洞上覆岩层自重和溶洞真空吸蚀的交互作用下，引起溶洞顶盖的坍塌，进而形成陷落柱。根据该区域地质条件分析，2#陷落柱，高度约为120m左右，平面形状为似圆形。结合区域地层产状，可以发现2#陷落柱的平面形状很有特点，平面圆形向地层上方凸起。这从侧面反应出，该区域上下岩层产状基本一致，变化不大，这与该区域的已知地质条件相吻合。同时考虑到该区域，4灰的厚度及区域裂隙发育程度，可以认为在2#陷落柱的形成过程中，溶洞的真空吸蚀作用占居主导地位。进而可以推断，形成2#陷落柱的底部溶洞，不会太大。
　　从31煤层往下，直至太原组灰岩，均为过渡相砂泥岩互层，岩石性质较均一。因而在陷落柱的形成过成中，柱体侧斜角度会相对较均一。因柱体内部，岩块胶结较好，能够起到良好的阻水作用。所以在31煤层工作面揭露2#陷落柱时，并未引起水灾。
　　
　　3）2#陷落柱的形状
　　经过上述分析，可以初步判定2#陷落柱的形态，平面及剖面如图示：
　　2.32#陷落柱分析对6煤开采的意义
　　1）2#陷落柱本身对6煤开采的影响
　　经过上述分析，可知2#陷落柱在6煤回采过程中，势必要揭露，且位置和断面直径均会有所变化。由于6煤层本身离太原组灰岩较近，不排除2#陷落柱在6煤层导水的可能性，因此，必须引起高度重视。在6煤层开拓和采区布置时，予以考虑。
　　
　　2）其它影响
　　2#陷落柱的揭露及其形成过程的推测，表明在袁庄矿区，灰岩溶洞时有发育。并有可能，在6煤层开采过程中，揭露一些未影响到31煤层的古陷落构造。同时，灰岩中发育的陷落构造，大大降低了，6煤底板的有效隔水厚度，使奥灰水对6煤层的开采威胁加巨。因此，在6煤开采过程中，对煤层底板灰岩水的防治将是重中之中。
　　
　　参考文献：
　　[1]车树成.《煤矿地质学》[M]中国矿业大学出版社
　　[2]《袁庄煤矿矿井地质报告》
　　[3]柴登榜.《矿井地质工作手册》[M]煤灰工业出版社