岱莊陷落柱柱體成分與其導(dǎo)水性關(guān)系分析＊

薛曉峰 許進(jìn)鵬 齊躍明 郭耀華

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)石油大學(xué)理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，102249）

岱莊陷落柱柱體成分與其導(dǎo)水性關(guān)系分析＊

薛曉峰1許進(jìn)鵬1齊躍明1郭耀華2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)石油大學(xué)理學(xué)院，北京市海淀區(qū)，102249）

對(duì)岱莊礦已查明的陷落柱柱體樣本分別采用了薄片鑒定、自由膨脹率實(shí)驗(yàn)，分析了陷落柱柱體成分與導(dǎo)水性的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)陷落柱柱體膠結(jié)程度較好，并含有方解石脈充填、具有類似于泥石漿的成分、黏土礦物含量較多時(shí)，可以降低其導(dǎo)水性。

陷落柱 柱體成分 導(dǎo)水性 薄片鑒定 自由膨脹率

1 概述

1.1 陷落柱研究背景及現(xiàn)狀

我國(guó)巖溶陷落柱多發(fā)育于北方石炭二疊系煤田，在山西、河北、河南、陜西、山東、江蘇和安徽等多個(gè)煤田中，已發(fā)現(xiàn)有陷落柱的煤田45處，陷落柱總數(shù)已接近3000個(gè)，特別是山西、河北較多，以汾河沿岸，太行山東、西麓礦區(qū)最為發(fā)育，如西山、汾西、霍州、陽泉、井陘等礦區(qū)。在陷落柱發(fā)育的礦區(qū)，一直是影響煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的主要因素之一。根據(jù)對(duì)西山煤田各生產(chǎn)礦區(qū)揭露的地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)：陷落柱發(fā)育密度為20～40個(gè)／km2，其破壞面積約占煤層已采面積的7%。由于陷落柱的破壞，生產(chǎn)礦井煤炭?jī)?chǔ)量損失高達(dá)15%～30%。

在我國(guó)礦山揭露的陷落柱中，絕大多數(shù)是不含（導(dǎo)）水的，但是從20世紀(jì)60年代以來，相繼發(fā)生了多起陷落柱突水事件，例如，1996年皖北局任樓礦井由于遇到一個(gè)隱伏狀導(dǎo)水構(gòu)造，突水量最高達(dá)576.17m3／min；1997年，張集煤礦－300m太原組軌道下山掘進(jìn)過程中，因陷落柱原因發(fā)生底板奧灰?guī)r溶含水層突水，最大涌水量達(dá)4016m3／min，水壓3.1MPa，致使一個(gè)年產(chǎn)80萬t的中型礦井被淹。

陷落柱對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有如此大影響，所以如何更好地提前掌握陷落柱的特征以及與其導(dǎo)水性的關(guān)系將顯得尤為重要。

1.2 陷落柱柱體與其導(dǎo)水性分析

通過以往的研究，陷落柱的導(dǎo)水與否主要受以下因素影響：

（1）陷落柱本身和柱體與圍巖的接觸關(guān)系。從理論上分析，同一陷落柱一般柱體下部充填好，因陷落柱陷落較早，通常都比較密實(shí)，而柱體上部充填膠結(jié)程度不如下部，易于導(dǎo)水。陷落柱導(dǎo)水是否會(huì)引發(fā)水害，取決于陷落柱能否導(dǎo)通強(qiáng)含水層，導(dǎo)通強(qiáng)含水層則可能引發(fā)重大水害。

（2）陷落柱形成時(shí)的環(huán)境。如果陷落柱形成時(shí)徑流比較強(qiáng)烈，或者在垂向存在水力聯(lián)系，水流作用會(huì)對(duì)陷落柱體有一個(gè)“沖刷”，將細(xì)小的顆粒帶走，而只留下較大顆粒巖塊，大塊顆粒的間隙將成為導(dǎo)水通道，這將會(huì)使陷落柱的導(dǎo)水性能大大增強(qiáng)。

（3）與奧灰上覆巖石性質(zhì)有關(guān)。如果在塌陷的地層中有煤層、泥巖、粉砂巖等隔水巖層，它們塌陷破壞以后在水的作用下形成天然的“灌漿”材料—泥石漿，傾注而下含有大量固體物質(zhì)的泥石漿，起到平衡地壓、抑制圍巖變形和阻水、堵水多種作用。使其導(dǎo)水性大大降低。

（4）陷落柱壓實(shí)作用的時(shí)間和壓實(shí)作用力的大小。陷落柱形成之后，柱體內(nèi)的物質(zhì)會(huì)逐漸壓實(shí)，陷落柱的壓實(shí)過程，就是一個(gè)巖石蠕變的過程。巖塊的緩慢蠕變，會(huì)將巖塊間空隙逐漸充填，從而增強(qiáng)陷落柱的阻水性能。

（5）陷落柱形成后的水化學(xué)環(huán)境。陷落柱在形成之后，要使陷落柱能得以保存，奧灰水處于封閉或半封閉狀態(tài)時(shí)，地下水的流動(dòng)性非常小，或者說地下水處于一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)，這種水體會(huì)減弱陷落柱柱體的導(dǎo)水性能。

（6）陷落柱柱體內(nèi)是否有其他構(gòu)造。陷落柱是在相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期才形成的，在此過程中可能有其他構(gòu)造（如斷層）產(chǎn)生，這種構(gòu)造將對(duì)陷落柱的導(dǎo)水性起到推波助瀾的作用。

（7）陷落柱是否處于強(qiáng)徑流帶上。當(dāng)陷落柱遠(yuǎn)離地下水排泄區(qū)或者徑流帶時(shí)，即沒有溝通含水層，則陷落柱無水可導(dǎo)，也就不會(huì)發(fā)生突水。

以上是影響陷落柱導(dǎo)水的因素，都與陷落柱柱體成分有一定關(guān)系，所以柱體成分應(yīng)該是影響陷落柱導(dǎo)水與否的重要因素。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 岱莊陷落柱柱體簡(jiǎn)析

對(duì)岱莊礦陷落柱柱體進(jìn)行取樣，分別對(duì)其做了薄片鑒定實(shí)驗(yàn)和自由膨脹率實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而分析陷落柱柱體成分與導(dǎo)水性有何關(guān)系。

此陷落柱是在1300采區(qū)3上煤層1337工作面回采過程中揭露的，在取樣過程中發(fā)現(xiàn)：在有煤層地段呈現(xiàn)上大下小的趨勢(shì)（為漏斗狀），煤層受牽引逐漸變薄為煤線；陷落柱內(nèi)巖石膠結(jié)較好；陷落柱內(nèi)部除局部巖石破碎、雜亂無章外，中心區(qū)出現(xiàn)長(zhǎng)8～10m較連續(xù)的整體砂巖巖層。根據(jù)以上現(xiàn)象，均符合陷落柱3種類型中的不導(dǎo)水或微導(dǎo)水型。

2.2 薄片鑒定實(shí)驗(yàn)

薄片鑒定實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)陷落柱柱體內(nèi)的巖石成分進(jìn)行判定，找出其不導(dǎo)水的原因。經(jīng)過巖石薄片觀察后做出具有代表性的兩個(gè)薄片鑒定報(bào)告，見圖1、圖2和表1。

2.3 自由膨脹率實(shí)驗(yàn)

自由膨脹率實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)定所取巖樣中是否存在膨脹性物質(zhì)，為陷落柱導(dǎo)水與否提供依據(jù)。自由膨脹率是人工制備的松散干土在水中增加的體積與原始體積之比，用百分?jǐn)?shù)表示。將陷落柱柱體巖樣搗碎，通過測(cè)定土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢(shì)，從而初步測(cè)定土的脹縮性。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了5個(gè)試樣的測(cè)定，其結(jié)果見表2。

表1 薄片鑒定標(biāo)本

表2 樣品自由膨脹率記錄表

3 陷落柱導(dǎo)水性分析

3.1 陷落柱形成時(shí)期初步分析

華北地區(qū)陷落柱的形成需要很長(zhǎng)時(shí)期，首先要經(jīng)過中奧陶統(tǒng)灰?guī)r沉積，據(jù)馮增昭教授研究，在中奧陶世的馬一期、馬三期和馬五期（大體上相當(dāng)于按三組八段劃分的O2x1、O2s1和O2f1沉積的時(shí)期）華北海云坪占統(tǒng)治地位，海云坪上含膏湖星羅棋布，隨著地殼的脈動(dòng)和海侵海退的不斷交替，蒸發(fā)作用形成了含膏碳酸鹽巖（石膏和白云巖互層，時(shí)厚時(shí)薄），這些含膏碳酸鹽巖為以后巖溶的演化和陷落柱的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。隨后在加里東時(shí)期，奧灰長(zhǎng)期遭受剝蝕，由于地層水平，上升穩(wěn)定，使地下水侵蝕下切能力很弱。

進(jìn)入燕山期后，筆者認(rèn)為，這是陷落柱形成的開始，因?yàn)檠嗌狡谑菐r溶發(fā)育最活躍的時(shí)期，是形成溶洞的主要時(shí)期。岱莊礦A10－18、A16－20兩孔分別遇到高0.7m和0.4m的溶洞，取芯可見高角度裂隙，裂隙面上有黃豆粒大小的完整方解石晶體，以上現(xiàn)象可為此陷落柱的形成時(shí)間提供一定依據(jù)。要準(zhǔn)確確定陷落柱形成時(shí)期，還需做進(jìn)一步的鉆探工作。

由于陷落柱形成時(shí)期較早，柱體內(nèi)的壓實(shí)膠結(jié)作用好，使其導(dǎo)水性較差。

3.2 陷落柱化學(xué)環(huán)境演化對(duì)導(dǎo)水性影響

從1＃樣中可以看出粘土礦物占85%，另外還有炭屑、粉砂，說明此陷落柱不導(dǎo)水與其形成過程有關(guān)，具體過程是在地層塌陷形成陷落柱過程中，地層中的煤層、泥巖、粉砂巖等隔水巖層一起塌陷，它們?cè)谒淖饔孟滦纬闪颂烊坏摹肮酀{”材料—泥石漿，當(dāng)它們固化成石后，可作為隔水性能很好的“阻水塞”。由此可以判斷，上述的阻水塞為陷落柱不導(dǎo)水的原因之一。

從2＃樣中可以看出主要膠結(jié)物為方解石，占巖石成分的80%，由此可以分析與上面提到的陷落柱形成后的水化學(xué)環(huán)境有關(guān)。

在溶洞形成期間，地下水具有良好的補(bǔ)、徑、排條件，碳酸鹽與空氣及水中的二氧化碳發(fā)生緩慢的水解反應(yīng)，從而能夠生成可溶性的碳酸氫鹽，隨著地下水的潛流被帶走，在可溶性巖床形成各種洞穴、溶孔、落水洞、漏斗等，反應(yīng)式如下：

奧陶系灰?guī)r不斷被侵蝕、溶解，在眾多作用下，上覆巖層垮落，形成陷落柱，陷落柱在形成之后，隨著后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造和影響，原地下水的強(qiáng)徑流帶因失去充足的補(bǔ)給水源而往往成為蓄水帶，地下奧灰水的流動(dòng)性非常小，處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，并且由于受柱體及周邊環(huán)境的影響，水的化學(xué)環(huán)境、壓力環(huán)境和溫度環(huán)境發(fā)生變化，使奧灰水中HCO3－和Ca2＋重新生成CaCO3，這就是巖石的重結(jié)晶過程，反應(yīng)式如下：

重結(jié)晶生成的方解石充填在陷落柱的周邊裂隙帶和柱體內(nèi)的空隙內(nèi)，成為方解石脈，使柱體及周邊裂隙帶的阻水性能大大增強(qiáng)。

由此可以判斷方解石脈是其不導(dǎo)水的原因之一，如安徽省任樓煤礦的7219工作面南側(cè)陷落柱，從井下探查鉆孔提取的巖芯中有大量的方解石脈，使巖石的強(qiáng)度和阻水性能大大增強(qiáng)，使得該陷落柱不含（導(dǎo)）水。

此外，從樣品中看出膠結(jié)致密，填充物中方解石脈較完整，未見后期活化痕跡（見圖2），其原因主要在于中生代以來，華北地區(qū)一直處于穩(wěn)定上升狀態(tài)，構(gòu)造抬升導(dǎo)致地下水位下降，從而失去后期溶蝕、活化的可能，所以，此陷落柱不導(dǎo)水與其膠結(jié)情況也有一定關(guān)系。

3.3 陷落柱柱體膨脹性對(duì)導(dǎo)水性的影響

在薄片鑒定報(bào)告中，陷落柱柱體成分可以影響其導(dǎo)水性，同樣，柱體內(nèi)膨脹性物質(zhì)同樣可以影響其導(dǎo)水性。從自由膨脹率（見表2）不難看出，在水的作用下，隨著時(shí)間的增加，自由膨脹率也在增加，最后趨于穩(wěn)定。1＃樣膨脹率最大，說明1＃樣中還有較多的能夠引起膨脹的物質(zhì)，通過3.2節(jié)中分析，1＃樣中粘土礦物占據(jù)85%，與膨脹性實(shí)驗(yàn)相符，而且根據(jù)工程巖土學(xué)內(nèi)容，膨脹土所以具有脹縮特性，主要是因土中含有較多的粘粒，一般粘粒含量高達(dá)35%以上，更主要的是這些粘粒大部分為親水性很強(qiáng)的蒙脫石和水云母等粘土礦物組，膨脹收縮能力較強(qiáng)，易溶鹽、中溶鹽、有機(jī)質(zhì)含量一般均較低，常見碳酸鈣或鐵錳質(zhì)結(jié)核，所以，1＃樣中粘土是引起膨脹的物質(zhì)。

它為阻水起到了一定的作用，當(dāng)陷落柱遇水后，此物質(zhì)會(huì)發(fā)生膨脹，增大與圍巖的壓力，同時(shí)可以充填其裂隙，起到一定的阻水效果。

4 總結(jié)

陷落柱柱體成分與其導(dǎo)水性存在著密切聯(lián)系。當(dāng)陷落柱柱體中膠結(jié)程度較好，并含有方解石脈充填、具有類似于泥石漿的成分、黏土礦物含量較多時(shí)，可以降低其導(dǎo)水性，從而增加其隔水性能。

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On relationship between the body composition and the water conductivity of the collapse column in Daizhuang Coal Mine

Xue Xiaofeng1，Xu Jinpeng1，Qi Yueming，Guo Yaohua2
（1.School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Science，China University of Petroleum，Haidian，Beijing 102249，China）

With thin section identification and free expansion ratio tests on the composition of the body samples of collapse column found in Daizhuang Coal Mine，the paper analyzes the relationship between the body composition and the water conductivity of the collapse column.The conclusion is that the water conductivity of the collapse column will fall when the column body which is in higher－degree cementation and is filled with calcite veins has the composition similar to debris slurry and higher content of clay minerals.

collapse column，composition of column body，water conductivity，thin section identification，free expansion ratio

P618.111

A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41002087）

薛曉峰（1988－）男，漢族，碩士研究生，主要從事煤礦水害防治學(xué)習(xí)與研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）