煤礦陷落柱特征

1、一、陷落柱的形成 在我國華北石炭二疊紀(jì)煤系的基底，存在有溶洞非常發(fā)育的奧陶紀(jì)石灰?guī)r，由于地下 水的長期溶蝕，這些溶洞就愈來愈大，在地質(zhì)構(gòu)造力和上覆巖層重力的長期作用，有些溶 洞發(fā)生塌陷，覆蓋在上面的煤系地層也隨之陷落，由于這種塌陷的剖面形態(tài)為柱狀，所以 叫陷落柱 （圖 3-2-1） 。二、陷落柱的特征 （一 ）地表特征 當(dāng)陷落規(guī)模較大時(shí)，可穿過煤系地層一直通到地表，呈現(xiàn)出特殊的地貌景觀，在基巖 裸露地區(qū)更為明顯。在陷落柱出露處巖層產(chǎn)狀雜亂，毫無層次，登高望去，呈一環(huán)形盆 地。盆地邊緣巖層產(chǎn)狀正常，盆地中亂石林立，充填著不同地層的巖石碎塊。另外，周圍 巖層因受塌陷影響而略顯彎曲，巖層多向陷落區(qū)內(nèi)

2、傾斜。在黃土覆蓋地區(qū)，由于雨水下滲作用而使地表形成陷坑。隨著雨量的增加和滲透量增 大， 地表陷坑愈陷愈深，甚至形成小盆地。 當(dāng)黃土層較厚時(shí)，一般在地表很難看到陷落柱 的存在。（二）井下特征1、形態(tài) 陷落柱總的形態(tài)是一個(gè)上小下大的圓錐體。 它們?cè)谒角忻嫔隙喑蕡A形或橢圓形， 直徑 大小不一，最大的直徑可達(dá)幾百米（峰峰二礦）,262m（太原西山自家莊礦），320m（陽泉濟(jì)生井田 ）。最小直徑僅幾米。2.高度 陷落柱的高度是有限的，因?yàn)槿芏此莺?，上覆地層巖石碎塊的體積比原來的體積增 大， 所以塌陷到一定高度后， 整個(gè)柱體空間都被填滿， 這時(shí)塌陷作用便告停止， 再往上的 巖層 （或煤層 ）即可免受破

3、壞。3陷落柱內(nèi)組成物的特征 陷落柱主要由塌陷的巖石碎塊組成。這些巖石碎塊，棱角顯著、形狀不一。排列紊 亂，大小混雜。大的巖塊直徑可達(dá)數(shù)米，小的僅幾厘米。巖塊與巖塊之間，充滿著巖粉， 煤粉和各色粘土，膠結(jié)差，多未成巖。柱內(nèi)有的干燥無水，有的有淋水現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，瓦 斯的涌出量一般比正常區(qū)高 2 3 倍。4與圍巖的接觸關(guān)系 陷落柱與圍巖的接觸關(guān)系多呈不規(guī)則鋸齒狀，界限明顯。在接觸處，圍巖的產(chǎn)狀基本 正常，接觸帶附近的煤層及頂板一般無牽引現(xiàn)象。在井下煤巷掘進(jìn)中遇到陷落柱后，穿過 柱體仍可見到原煤層。5、陷落柱軸線與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系 多數(shù)礦井的觀測(cè)結(jié)果表明，陷落柱錐形體的中心軸與圍巖巖層面近似垂直。巖層傾

4、斜， 則陷落柱歪斜。在水平投影圖上，各煤層的陷落范圍不會(huì)完全重疊（圖 322），井下陷落的范圍比地表大，其邊緣向上山方向移動(dòng)。三、陷落柱對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響1破壞可采煤層，減少煤炭儲(chǔ)量2、降低采掘效率，提高生產(chǎn)成本 3妨礙機(jī)械化的使用，影響正規(guī)開采4、造成礦井突水，危及礦井安全四、陷落柱的探測(cè)工作 （一）陷落柱的觀測(cè) 1、五查2五看 看陷藻柱的不規(guī)則柱面。 看充填物韻性質(zhì)和特征?？疵海瑤r層的產(chǎn)狀變化情況。 看陷落柱內(nèi)巖軟的大小、排列和時(shí)代 看陷落柱與煤層的交面線 3五定 定陷落柱的形狀。 定巷道遇陷落柱的部位。定陷落柱的大小 定穿過陷落柱的距離。 定遇陷落柱的探測(cè)工作。（二）陷落柱的探測(cè) 為了準(zhǔn)確

5、地指出陷落柱的具體位置，圈定陷落柱的形狀和面積，必須采用各種手段對(duì) 陷落柱進(jìn)行探測(cè)工作。目前，在井下探測(cè)陷落柱的主要方法有鉆探，巷探和物探。1鉆探 這是生產(chǎn)礦井中探測(cè)陷落柱的常用手段之一。這種手段使用范圍較廣，在地表可以用 鉆孔驗(yàn)證異常區(qū)是否有陷落柱的存在，在井下可以用鉆孔去探測(cè)掘進(jìn)巷道前方或由巷道圈 定的回采工作面內(nèi)有無陷落柱的存在（圖 326）。2物探 用物探方法探測(cè)陷落柱的存在，使用最廣的儀器是重慶煤研所等單位研制成功的 WKT-J2 型無線電波坑道透視儀 （簡(jiǎn)稱坑透儀 ）。通過在西山、陽泉，汾西，渡口、通化等、 礦回采工作面的大量試驗(yàn)，在探測(cè)工作面內(nèi)陷落柱方面取得了顯著成效。利用“坑透

6、儀” 探測(cè)回采工作面內(nèi)陷落柱，是根據(jù)煤層與陷落柱的電性不同。陷落柱電阻率低， 對(duì)電磁波具有強(qiáng)烈的吸收作用， 電磁波穿過陷落柱時(shí)， 就形成訊號(hào)低值區(qū) （或稱“陰 影區(qū)” ）。變換發(fā)射機(jī)的位置，接收機(jī)在不同方向測(cè)得同一異常區(qū)，即“陰影區(qū)”交會(huì)的地 方，就是陷落柱的位置。觀測(cè)的方法有同步法和定點(diǎn)法。同步法，就是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于回采工作面的 運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，同時(shí)作等距離移動(dòng)，逐點(diǎn)發(fā)射和觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值；定點(diǎn)法，就是發(fā)射機(jī)相 對(duì)穩(wěn)定，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值。由于發(fā)射機(jī)移動(dòng)較麻煩。因而，一般多采 用定點(diǎn)法觀測(cè) （圖 3 27）。定點(diǎn)法先布置必要觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)工作面進(jìn)行普查。如發(fā)現(xiàn)異常，再加密觀測(cè)點(diǎn)

7、。觀測(cè)點(diǎn) 的距離，普查時(shí)接收點(diǎn)間距一般為10m:發(fā)射點(diǎn)間距為50m。對(duì)于每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，接收機(jī)可相應(yīng)地觀測(cè) 1 0個(gè)點(diǎn)左右，或盡可能在接收到場(chǎng)值的范圍內(nèi)觀測(cè)（圖 3-2-8）。需加密觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，可根據(jù)異常的位置，靈活掌握。布置觀測(cè)點(diǎn)時(shí)需要考慮的問題，首先要選擇地質(zhì)條件正常，干擾因素少的地段，布置12個(gè)發(fā)射點(diǎn)，做透視條件試驗(yàn)。 接收要從接近發(fā)射機(jī)的最大值， 一直觀測(cè)到遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)的最小值， 目的是求該發(fā)射點(diǎn) 的電磁波在工作面的初始場(chǎng)強(qiáng)值 Ho 、穿透距離及煤層的吸收距離 B。2陷落柱的剖面形狀:其剖面形狀是根據(jù)所穿透的各巖層的巖石性質(zhì)而異。在較堅(jiān) 硬和裂隙發(fā)育的巖層中，陷落柱的剖面形狀多呈上小下大的柱狀

8、，其柱面（指柱體面與圍巖的接觸面）與水平的夾角多在 6080 之間（圖4-2）。在華北地區(qū)的石炭、二迭紀(jì)煤 系中，多見此種形狀的陷落柱。在含水較多的松散巖層中或未經(jīng)膠結(jié)的沖積層中，陷落柱的剖面形狀多呈上大下小的漏斗狀，陷落柱柱面與水平面的夾角一般較小，約4050*左右(圖 4-3)。在華東地區(qū)的一些煤田中多見到此種形狀的陷落柱。3陷落柱的高度：從巖溶的底面至塌陷頂?shù)木嚯x叫陷落柱高度。有的陷落柱塌陷至 地表面， 其高度達(dá)數(shù)百米之多， 也有的僅塌陷數(shù)米至數(shù)十米。 陷落柱的塌陷高度與巖溶的 體積、地下水的排泄條件，巖層的物理力學(xué)性質(zhì)及裂隙發(fā)育程度有關(guān)。巖溶的體積大，地下水的排泄條件良好，巖層內(nèi)的裂隙

9、發(fā)育則陷落柱的塌陷高度就大，反之則小。4陷落柱的中心軸：陷落柱各平面中心點(diǎn)的連線稱為陷落柱的中心線或陷落柱的中心軸。陷落柱的中心軸常垂直于巖層的巖面。 由于巖層的產(chǎn)狀不一， 故陷落柱的中心軸有的 直立，有的歪斜，有時(shí)可見到扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖 4-4為西山礦務(wù)局自家莊煤礦某陷落柱中心軸扭 轉(zhuǎn)示意圖。 掌握陷落柱中心軸的變化規(guī)律， 有利于預(yù)測(cè)下煤層、 下煤組或下水平的陷落柱 的平面位置。二，陷落柱的出露特征利用陷落柱的出露特征， 識(shí)別和圈定陷落柱的形狀和大小是礦井地質(zhì)工作常用的一種方 法。掌握陷落柱的出露特征是分析、判斷陷落柱的重要環(huán)節(jié)。1陷落柱在地表出露的特征：陷落柱出露在地表時(shí)，被塌陷的巖體與周圍正

10、常巖層的 層位， 產(chǎn)狀和巖性都不一樣，同時(shí)該處地貌呈現(xiàn)出各種異常現(xiàn)象。 根據(jù)地貌的異常現(xiàn)象，可 以判斷陷落柱的存在和圈定陷落柱在地表的出露范圍。 根據(jù)地表特征， 可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)該陷 落柱在井下的位置，形狀和大小。陷落柱在地表出露的特征有，(1) 盆狀塌陷區(qū)：陷落柱出露在地表后常呈現(xiàn)盆狀凹陷區(qū)。凹陷區(qū)的巖層層序遭受 破壞，大小巖體混雜堆積。凹陷區(qū)周圍的巖層，層位正常，裂隙比較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀稍有 變化，均向凹陷中心傾斜。凹陷盆地有時(shí)被黃土覆蓋。(2) 柱狀破碎帶：在太原西山和汾西等礦區(qū)的一些自然剖面或人工剖面上，經(jīng)?？?見到柱狀破碎帶，這些柱狀破碎帶就是出露在地表的陷落柱。破碎帶內(nèi)的巖層層序遭受破

11、 壞，大小巖體混雜無序，但破碎帶兩側(cè)的巖層層序正常，產(chǎn)狀也略有變化。(3) 丘狀凸起：在陽泉，平定等礦區(qū)內(nèi)，常見到在山西組的頁巖層中有隆起的石盒 子群或石千峰組的砂巖堆。這是陷落柱出露在地表的又一特殊地貌。在陷落柱的形成過程 中，石盒子群等的砂巖體塌陷在原來的山西組地層中，因石盒子群的砂巖體比山西組的頁 巖堅(jiān)硬，不易風(fēng)化，經(jīng)外力地質(zhì)作用后，堅(jiān)硬的砂巖體堆在頁巖巖層中，故呈隆起的丘狀 地貌。除上述特征外，在陽泉，汾西等礦區(qū)還可在經(jīng)暴雨，洪水沖刷過的山谷，河床內(nèi)見到 新塌陷的陷落坑。2陷落柱在井下揭露的特征：井下所揭露的陷落柱的主要特征有：(1) 柱面特征：陷落柱柱面是不規(guī)則的面，它的垂直剖面是兩

12、條曲折線，這是因?yàn)?被塌陷的煤，巖層的性質(zhì)不同造成的。例如：堅(jiān)硬的砂巖層強(qiáng)度大，不易塌落，故向塌陷 的部位突出，而較松軟的煤層和頁巖層的強(qiáng)度小，很易塌落，故向松散的巖體內(nèi)凹入。 因而，形成的陷落柱的柱面是一個(gè)不平整的，不規(guī)則的曲折面，它的垂直剖面為曲折線 (圖 4-5)。因?yàn)橹娴乃角忻鏋橐环忾]曲線，所以煤層底板或巷 道底面與陷落柱面接觸處為一弧線?；⌒蔚陌霃脚c陷落柱的 平面形狀，大小和相遇部位有關(guān)。陷落柱的平面面積大，或 揭露面平行長軸方向則弧形平緩。據(jù)此，可以利用弧形接觸 情況判斷陷落柱的大小，還可做為區(qū)別斷層和陷落柱的標(biāo)（2）塌落巖體的特征：多數(shù)陷落柱的塌落空間均被較 新的巖石碎塊或第

13、四紀(jì)的沉積物充填著。塌落堆積的巖體特 征是：塌落的巖體時(shí)代較周圍正常巖層的時(shí)代新，巖塊的形狀很不規(guī)則，大小不一，棱角 明顯，是雜亂無章的堆積物。松軟的巖石多成碎?；驇r粉充填在堅(jiān)硬的大塊中間。古老陷 落柱的巖塊多被膠結(jié)，晚期塌落的巖抉比較松軟。（3）陷落柱內(nèi)的沉積物：陷落柱穿過地下含水層對(duì)，地下水可以流入陷落柱及其圍 巖的裂隙內(nèi)。在地下水的流動(dòng)過程中，水里含有的部分礦物質(zhì)會(huì)沉淀和充填在陷落柱或裂 隙內(nèi)，故在陷落柱的接觸面上成裂隙內(nèi)?？梢姷郊t色的鐵質(zhì)、白色的鈣質(zhì)或高齡土質(zhì)等沉 積物，有時(shí)也可見到新生代的泥質(zhì)沉積物。三、井下遇陷落柱前的預(yù)兆 當(dāng)采掘工程接近陷落柱時(shí)，煤層及其頂，底板常發(fā)生各種異?，F(xiàn)象

14、，它預(yù)示著前方將 要遇見陷落柱。遇陷落柱前的主要征兆有：1產(chǎn)狀變化：在巖溶的塌陷過程中，因牽引作用使其周圍的煤、巖層向陷落柱中心方向傾斜，傾角變化一般在 36 之間，個(gè)別可達(dá) 10'以上，其影響范圍一般在1520米之內(nèi)，個(gè)別可達(dá) 30米（圖 46）。煤、巖層產(chǎn)狀變化的影響范圍和變化程度與煤、巖層的物 理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。在松軟和塑性較大的煤、巖層中其影響范圍和變化較大，在堅(jiān)硬和脆性 較大的煤，巖層中其影響范圍和變化程度不太顯著。2裂隙增多：在煤，巖層的塌陷過程中，其周圍正常層位的煤、巖層會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙。 裂隙的走向平行于柱面的切線方向， 裂隙面向陷落中心傾斜。 裂隙的發(fā)育程度與圍 巖的物

15、理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)， 在脆性巖層中裂隙較為發(fā)育， 在柔性巖層中裂隙較少見。 在裂隙 中常見的充填物有粘土、高嶺土，碳酸鈣，氧化鐵等。3小斷層增多：陷落柱周圍的煤層；巖層，因重力作用沿裂隙面向下發(fā)生位移而產(chǎn) 生一些斷層。此種斷層的規(guī)模較小，走向延展在 1020 米范圍內(nèi)即消失，落差多在 05 米 以內(nèi)，且都是向陷落中心傾斜的小正斷層（圖 47）。4煤的氧化，陷落柱附近的煤層，因地 下水等的作用而易發(fā)生氧化。氧化煤的光澤 變暗，灰分增高，強(qiáng)度降低，嚴(yán)重者可變?yōu)?煤華。煤的氧化程度和影響范圍與陷落柱的 大小、裂隙的發(fā)育程度和地下水的活動(dòng)有關(guān)。陷落柱愈大，裂隙愈發(fā)育，離陷落柱距離愈 近，水源愈豐富，影響范

16、圍就愈大，反之則小。5水的涌出量增大：陷落柱穿過含水層時(shí)將地下水導(dǎo)入陷落柱內(nèi)，陷落柱成了地下 水的良好通道。當(dāng)采掘工程接近陷落柱時(shí)，地下水涌出量會(huì)驟然增加，有時(shí)有突水現(xiàn)象。 其涌水量的大小與該處的水文地質(zhì)條件有關(guān)。涌水量過大時(shí)，可造成嚴(yán)重的災(zāi)害。第二節(jié) 陷落柱的咸因 陷落柱的發(fā)育程度各地不同，有的礦區(qū)特別發(fā)育，有的地方卻非常少見，甚至在一個(gè) 井田內(nèi)這個(gè)采區(qū)發(fā)育，而另一個(gè)采區(qū)不發(fā)育。為了摸清陷落柱的分布規(guī)律，必須對(duì)陷落柱 的形成條件和形成過程進(jìn)行認(rèn)真的研究。一、巖溶發(fā)育的地質(zhì)條件巖溶是形成陷落拄的基本條件， 因此， 研究陷落柱的成因時(shí)， 首先要研究巖溶發(fā)育韻地 質(zhì)條件。巖溶發(fā)育必須具備四個(gè)條件；

17、 1有可溶性的巖 （礦）層； 2有地下水的良好通道 （如裂隙等 ）；3有豐富、飽和的侵蝕性水質(zhì)； 4有地下水的排泄口，以便加劇地下水的交替作用。 這四個(gè)條件缺少其中的任何一項(xiàng)都不可能發(fā)育巖溶。 巖石的溶解度愈大， 透水 性愈好，水的侵蝕性能愈強(qiáng)，水的交替作用愈強(qiáng)烈，則巖溶愈發(fā)育。關(guān)于這四個(gè)條件的相 互關(guān)系，以及影響這些條件的因素已在普通地質(zhì)和水文地質(zhì)中作過闡述，這里不再重復(fù)，同步法和定點(diǎn)法，同步法就是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于回采工作面的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，同 時(shí)做等距離移動(dòng)，逐點(diǎn)發(fā)射和觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值，定點(diǎn)法就是發(fā)射機(jī)相對(duì)穩(wěn)定，接收機(jī)在一定 范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值。由于發(fā)射機(jī)移動(dòng)較麻煩，一般多采用定點(diǎn)法觀

18、測(cè)（圖 4 13）。3巷探：為了查清某個(gè)陷落柱的確切位置、形狀，大小、塌落情況及其對(duì)周圍正常 煤層的破壞程度及影響范圍等，可以利用小斷面的巷道進(jìn)行探測(cè)，以便進(jìn)行詳細(xì)的觀察和 測(cè)定。這種方法可以獲得詳細(xì)可靠的陷落柱資料，但因需要較多的人力和物力，所以應(yīng)盡 量使一巷多用。第四節(jié) 陷落柱的處理 在生產(chǎn)礦井中，陷落柱的存在對(duì)煤礦的生產(chǎn)和建設(shè)危害很大，它直接影響井巷工程的 布置和施工，影響采煤方法、采掘機(jī)械的選擇和使用，影響井下巷道的支護(hù)和安全。因此， 應(yīng)采取有效措施，避免和減少陷落柱給生產(chǎn)建設(shè)所造成的損失。在有陷落柱存在的礦區(qū)內(nèi)，進(jìn)行礦區(qū)和采區(qū)的技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要認(rèn)真考慮陷落柱這一重 要因素。根據(jù)陷落柱的數(shù)目