陷落柱在煤礦生產中的影響作用分析

李吉云

（山西煤炭地質局148勘查院，太原 030024）

陷落柱在煤礦生產中的影響作用分析

李吉云

（山西煤炭地質局148勘查院，太原 030024）

陷落柱的存在，對煤礦的安全與經濟效益都有很大的影響，針對陷落柱的危害，結合生產礦井中的實際案例，對其形成的機理、對煤炭的破壞作用、導水性對礦井生產的影響及對瓦斯涌出的影響進行了分析，給出避免或減少因陷落柱而引起的地質災害的建議，對礦井安全生產具有一定的現實意義。

陷落柱；地下水；瓦斯；通道

巖溶陷落柱在山西的西山煤田、霍州煤田、寧武煤田比較發育，由于陷落柱的存在，使得煤礦煤層連續性遭到破壞，影響了采煤工作面的正常布置與推進，而且也造成了煤炭資源的大量損失，打亂了煤礦正常的生產計劃，降低了煤礦的經濟效益；同時在水文地質條件復雜的礦區，陷落柱有可能成為地下水或采空區積水的通道，造成礦井突水；在礦井瓦斯含量較高的礦區，陷落柱也可以成為瓦斯釋放的通道，造成井下瓦斯涌出情況發生異常，甚至出現瓦斯事故。因此，對陷落柱的研究具有一定的現實意義。

1 陷落柱形成機理分析

陷落柱的形成具備3個條件：

1）地層中存在可溶性的巖層、礦層。在山西的西山煤田及霍州煤田、寧武煤田的煤系地層中存在多層的石灰巖，而在其煤系地層的基底發育有峰峰組、馬家溝組地層，發育有厚層的石灰巖、白云巖或石膏，因此這些煤田的礦區具備形成巖溶陷落柱的基本條件。

2）有豐富的地下水資源。地下水中含有二氧化碳，二氧化碳與水形成酸性的碳酸，碳酸在地熱、地壓等作用下，與不溶于水的石灰巖產生化學反應，使得不溶性的石灰巖轉化為可溶性的碳酸鹽類，在長期的化學反應下，不溶性的固態巖石轉化為液態的可溶性物質，使得原來平衡的空間狀態發生改變，地下水對固態巖石的浮力支撐現象減小或消失，在重力的作用下不斷崩塌，并不斷向上發展成為一個洞體，最終形成今天許多井田或礦區形形色色的陷落柱體。

3）地下水具有流暢的排泄口。依據山西省泉域分布情況，西山煤田、寧武煤田、霍州煤田煤系地層基底的含水層有比較穩定的流場，西山煤田一般屬于晉祠泉域或蘭村泉域，寧武煤田有的屬于蘭村泉域或馬圈泉域，霍州煤田一般屬于郭莊泉域，總之它們的地下水都有比較明確的排泄途徑和排泄口，因此地下水活動區域的不溶性固態物質在地下水的不斷溶蝕作用下，通過地下水的流動搬運到異地，周而復始的搬運作用，加速了巖溶陷落柱的發展擴大。

2 陷落柱對煤炭資源的破壞作用

2.1影響煤層的連續性與資源量

在礦區采掘時發現的陷落柱，表現為陷落柱密集、單位面積內發育多，這與當時進行井田勘探時的陷落柱構造情況發生了較大的變化；在我們所接觸到的煤礦中，西山煤田的官地煤礦、白家莊煤礦、杜兒坪煤礦、霍州煤田的辛置煤及寧武煤田靜樂礦區陷落柱較發育；依據煤礦構造臺賬提供的資料，西山煤田的杜兒坪煤礦與官地煤礦揭露的陷落柱的控制面積接近井田面積的15%~25%，井田實際賦煤面積較勘探階段減少，井田的煤炭儲量相應地減少，嚴重地壓縮了煤炭資源儲量的實際保有量；而煤炭資源保有量的減少，對礦井的實際服務年限產生較大的影響，對國家及企業的資金投入造成無法挽回的損失。各煤礦陷落柱的發育見表1。

表1 各煤礦陷落柱發育表

2.2影響礦井的井下采掘推進

在已經編制完成或已知的煤礦報告中，通過對礦井陷落柱資料分析發現，杜兒坪煤礦的陷落柱特別發育，如此發育且范圍大的陷落柱在生產中對采煤工作面的布置與推進產生了很大的影響與困難；由于割煤機強行通過陷落柱導致生產時間損失、機械設備磨損與遷移，造成正常采煤工作周期的延長，對煤礦的生產計劃產生較大的改變；同時對于分布范圍較小的陷落柱一般與煤層共同開采，對原煤的分選、煤質產生較大的影響，導致煤的灰分、發熱量等方面的改變。

3 陷落柱的導水性對礦井生產的影響分析

無論是勘探過程中發現的陷落柱，還是在井下采掘過程中揭露的陷落柱，其導水性對礦井的安全生產有著較大的影響。

3.1帶壓較小或不帶壓的上部煤層揭露陷落柱對

礦井的影響

煤礦在開采上部山西組可采煤層時，如果揭露了陷落柱，那么開采下部的太原組地層煤層時也一定會揭露或遭遇同一個陷落柱。在已知的煤礦中，在開采上部煤層揭露的陷落柱中，依據煤礦防治水部門反映，一般均未發現有陷落柱大量涌水或突水現象發生，僅僅在揭露初期有少量滲水或淋水，過一段時間這些現象基本消失。

老礦井或兼并重組整合礦井大部分開采上部的山西組煤層，出現陷落柱不導水現象的原因有2個，其一是山西組大部分的煤礦床頂底板含水層富水性較弱，大氣降水補給差，而且這些煤礦經過了多年的開采，上部含水層水得到了疏排，即使陷落柱柱體內巖石膠結不好也不會發生導水現象；其二是絕大部分的陷落柱原始柱體內巖石膠結較好。

在開采下部煤層時，上部煤層已形成大面積的采空區，會存在采空區局部積水的現象，當采掘經過陷落柱時，滯后導水的現象可能發生，隨著采空區面積的不斷增大，在礦山壓力的作用下，陷落柱原有的膠結狀態發生活化，轉變為導水陷落柱，則上部采空區積水可能通過陷落柱直接饋入下部井巷中，造成事故。雖然目前沒有案例發生，但對于大部分的經過兼并重組整合的礦井來說，由于采空區及采空區積水的普查工作難度大，在開采下部煤層時發生陷落柱導通采空區積水的可能性大，對礦井的潛在威脅是存在的。例如柳林王家溝煤業，以前開采上部的4、5號煤層，目前井田范圍內的4、5號煤層已經接近開采完畢，后期規劃開采下部的8、9號煤層；而依據對4、5煤層采空區的普查，有8處積水，積水量最大的區域正好位于8、9號煤層的規劃開采區，在該積水區有2個陷落柱，5號煤層與8號煤層的間距在25 m~38 m，8號煤層開采產生的導水裂隙帶高度在46 m~53 m，因此在帶壓、底板擾動帶、導水裂隙帶的作用下，陷落柱導通上部采空區積水的可能性大。

3.2帶壓嚴重區域揭露陷落柱對礦井生產的影響

在山西煤田的分布范圍內，大部分的礦井開采屬于帶壓開采，也即為帶壓型煤礦床，地下奧灰水的水頭高度高于所開采的煤層底板賦存標高。在西山煤田的大部分礦井，雖然屬于帶壓開采，然而通過水文地質試驗，證明其含水層富水性弱，屬于弱的含水層，屬于有壓無量，對礦井的正常開采影響不大，礦井的防治水工作難度較小。

汾源煤業、前文明煤業、辛置煤礦3個煤礦的陷落柱均發育，3個煤礦的井田范圍內煤層基本上均帶壓，地下水水頭高度高于煤層最低標高可達幾百米，含水層的富水性也較好，底板隔水層的厚度如辛置煤礦只有18.25 m左右，如果煤層開采產生的底板擾動帶高度以18m~20m為基礎，那么如果在有陷落柱存在的區域，在地下水強大的水壓、礦壓、底板擾動帶作用下，陷落柱構造必然會成為地下水突入礦井的通道，存在奧灰突水的危險性，因此對于這些煤礦的下部煤層，實現帶壓開采則必須加強對陷落柱構造的探測與防治；汾源煤業、前文明煤業、辛置煤礦3個煤礦的奧灰突水性情況見表2。

表2 三煤礦奧灰水突水情況

4 陷落柱對礦井瓦斯涌出的影響分析

瓦斯在煤礦井下一般由壓力大的區域向壓力較低的區域運移，而運移的通道一般為巖層裂隙或構造斷裂、陷落柱；在井下巷道采掘過程中，破壞了地層的平衡狀態，切割了裂隙、陷落柱、構造斷裂，瓦斯會從巷道的四面八方通過裂隙、構造斷裂、陷落柱向巷道涌出、釋放。下面通過潞安集團司馬煤業井下瓦斯監測情況說明陷落柱對瓦斯的釋放、壓力卸載等影響。

在司馬煤業二采區1211工作面巷道掘進過程中揭露了一個陷落柱（X3），1211工作面巷道掘進過程中回風巷瓦斯測試參數如下：回風巷開口至1 167.7 m測試的瓦斯含量4.139 2 m3/t~7.117 m3/t（不包括陷落柱測點），平均為5.474 5 m3/t；瓦斯壓力為0.204MPa~0.386MPa（不包括陷落柱測點），平均為0.282 2 MPa；而在距離X3號陷落柱10m的2個測試點的瓦斯含量與瓦斯壓力分別在3.896 0 m3/t~3.968 7 m3/t、0.181 MPa~0.185 MPa，臨近陷落柱測點的瓦斯含量與瓦斯壓力明顯低于其它測點測定的測定值，由此推斷陷落柱構造對煤層瓦斯的賦存有一定的影響，陷落柱在一定程度上起著瓦斯逸散的通道以及瓦斯壓力卸載的功能；而在對1211工作面回采過程中，在通過陷落柱（X3）時，瓦斯監測濃度由0.2%突變為0.42%，而且在距離陷落柱離開20 m時，瓦斯監測濃度由較低到0.2%左右，說明陷落柱對臨近層的瓦斯起到了通道作用，因此無論低瓦斯礦井還是高瓦斯礦井，在掘進或回采過程中揭露陷落柱時，陷落柱對瓦斯的涌出都有一定的影響，這應引起煤礦通風部門的關注。

5 結束語

陷落柱的存在對煤炭資源的破壞屬于客觀存在，不可避免；但陷落柱的存在對煤礦生產中可能引發的水文、瓦斯等地質災害卻是可以通過各種技術手段避免或減少的，煤礦部門應嚴格按照《煤礦防治水規定》開展防治水工作，采用井下的、井上的物探手段或鉆探手段，加強對采掘區域的超前探測工作，進行預測預報工作，為煤礦的安全生產提供必要的資料支撐。

[1]霍州煤電集團汾源煤業煤礦水文地質勘探報告[R].太原:山西煤炭地質局148勘察院,2011.

[2]山西焦煤集團有限公司杜兒坪煤礦礦山儲量年報[R].太原:山西煤炭地質局148勘察院,2014.

[3]山西潞安集團司馬煤業生產礦井地質報告[R].太原:山西煤炭地質局148勘察院,2015.

[4]山西省霍州煤電有限責任公司辛置煤礦及擴區勘探地質報告[R].太原:山西煤炭地質局148勘察院,2014.

（編輯：劉新光）

Effects of Collapse Columns on Production in Coal M ines

LI Jiyun
(No.148 Survey Institute,Shanxi Coal Geological Bureau,Taiyuan 030024,China)

Collapse columnsseriously affect the safety and economic benefits of coalmines.In view of the harm ful collapse columns,combined with the practical cases in coalmines,their mechanism of formation,destructive effect,water conductivity’s effect on mine production and gas emission were analyzed.The paper proposes some advice to avoid or reduce geological disasters caused by the collapse columns,which have practicalmeanings for the safety production inmines.

collapse columns;groundwater;gas;channel

TD 745

B

1672-5050（2016）06-045-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.014

2016-10-30

李吉云（1963-），山西原平人，本科，高級工程師，從事煤炭地質、水文地質、煤層氣勘查與報告編制工作。