陷落柱形成與斷裂構造的關系分析

高麗潔

（大同煤礦集團有限責任公司地質勘測處，山西 大同 037003）

陷落柱是煤層下伏碳酸鹽巖等可溶性巖層經地下水溶蝕形成空洞，引起上覆巖層失穩，向溶蝕空間冒落、塌陷而形成的似錐狀柱體。大同礦區陷落柱較為發育，使煤層遭受不同程度的破壞，給機械化開采造成困難，嚴重的可使部分煤層失去開采價值。陷落柱通常還是地下水的良好通道，給安全生產造成嚴重威脅[1]。因此，提高對陷落柱的預測預報水平，具有十分重要的意義。

1 井田地質

云崗井田位于大同煤田東北部，大同煤田主向斜軸的西翼，總體為一單斜構造，地層平緩，走向NW，傾向NE，傾角一般2～6o。井田內褶曲、斷層、陷落柱等地質構造發育，未見火成巖侵入[2]。

據地表出露及鉆孔揭露資料，井田內的地層由老到新有：太古界集寧群基底；寒武系中上統160～200m；石炭系中統本溪組10～25m，上統太原組平均21m；二疊系下統山西組3～7m；侏羅系下統永定莊組17～51m，中統大同組130～274m，中統云崗組0～260m，平均190m；白堊系0～152m，平均35m；第四系黃土0～35m。

井田內有較大的褶曲及穹隆構造9個，軸向多為NE或NW向。據鉆探及生產揭露控制斷層159條有余。其中，斷距大于5m的26條，斷距1～5m的133條（包括個別斷距＜1m但延伸較大的斷層）。NE走向的斷層最為發育，共計94條，占59%。此組中多發育壓扭性斷裂，斷面擦痕明顯，破壞帶不發育，斷層呈條帶狀分布。NW向46條，占29%，多屬扭性斷裂，走向多為N35o～40oW，主斷層近于一直線。已揭露陷落柱50多處，形狀各異，大小不一，平面形態多為不規則的橢圓形。其中，長軸大于50m的共24個，占總數的70.6%，下部煤層陷落柱數量多于上部煤層。

井田內主要的含水層從下到上有：寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙承壓含水層，侏羅系中統大同組、云崗組砂巖裂隙含水層及第四系沖-洪積含水層。寒武系巖溶裂隙含水層是侏羅系煤系地層下伏的主要含水層，巖層以鮞狀、竹葉狀及厚層板狀灰巖為主，巖溶裂隙較發育，富水性中等-弱，十里河以南水位標高在1000～975m，其上覆地層為石炭系本溪組鐵鋁質泥巖，厚10～25m，屬穩定隔水層。該含水層上距侏羅系大同組最下部14#可采煤層平均約80m。侏羅系中統大同組、云崗組砂巖裂隙含水層受數十年采動影響，已被疏干殆盡，成為礦井水外排。第四系沖-洪積層含水層主要分布在十里河河谷一帶，范圍較小，含水層由第四系全新統松散沉積物組成，厚5～10m。

十里河從井田中部通過，常年有礦井水補給，雨季是洪水排泄通道。少量河水經地面滲漏間接轉化為采空區積水。礦井為十里河河床留設了保護煤柱。

2 410盤區西部地質構造及其發育規律

410盤區位于云崗井田西南部，十里河以南，面積約5.4km2。盤區主要可采煤層有2#、3#、7#、9#、12#。其中，12#煤層平均厚2.6m，僅盤區中部可采。410盤區西部煤巖層走向NW，傾向SW，傾角5～10°。區內已揭露落差3m以上斷層4條，1.0～3.0m斷層9條，1.0m以下斷層30多條，陷落柱7處，古河床沖刷帶3條（詳見表1）。

通過對表1及采掘工程平面圖進行分析可以看出，區域內已揭露斷層全部為正斷層，走向集中在NE25°～40°和NW2°～24°兩個方向范圍內，傾角多為60～80°。在落差較大的斷層周邊小斷層及節理發育。區內陷落柱長軸多以NE向為主，呈一字型串珠狀由東北-西南向排列展布。沖刷帶主要集中在盤區北部，走向NE，沖刷范圍小。

3 陷落柱形成機理及其與斷裂構造的關系分析

巖溶洞穴的發育和巖溶洞穴塌陷是形成陷落柱的根本原因。云崗井田屬十里河巖溶水子系統的徑流區。依據410盤區西部的煤巖層產狀特征、已揭露的陷落柱展布規律及斷裂構造的發育特征，可以確定該區域巖溶地下水的流向大致為東北-西南，地下水動力條件好，水的交替循環強烈。井田內發育的斷裂構造成為良好的地下水通道，溝通了各含水層間的水力聯系，使地下水可以補給到寒武系灰巖中。同時流水的沖蝕作用加速了灰巖巖溶進程。下伏的寒武系地層主要為可溶性的灰巖，易被地下水溶蝕沖蝕后形成孔隙、溶洞、洞穴等。云崗井田內石炭-二疊系以及侏羅系下部的永定莊組地層賦存厚度均較小，在北部部分區域侏羅系地層甚至直接覆蓋在寒武系灰巖之上，使得陷落柱的陷落高度極易達到侏羅系大同組煤系地層。

表1 410盤區西部主要構造一覽表

兩組傾向相對的中等規模落差以上的斷層所圈定的區域內，同時該區域煤層下伏賦存厚度較大的可溶性碳酸鹽巖地層，且煤層與碳酸鹽巖地層層間距較?。?00m以內）時，通常會在所圈定區域中部發育巖溶陷落柱，且多以一字型串珠狀形式展布出現。

圖1 陷落柱形成模型圖

綜上所述，410盤區西部具備了形成巖溶陷落柱的全部地質條件，因此在該區域形成了數量眾多、東北-西南向呈一字型串珠狀排列分布的陷落柱群。

4 81027工作面陷落柱預測預報

12#層81027工作面位于410盤區西部?；夭善陂g通過對周邊地質條件的綜合分析，依據上述陷落柱形成機理，結合周邊已揭露陷落柱的分布規律特征，預測在工作面內部45～182m采位范圍內，可能存在陷落柱（如圖2）。81027工作面大致處于F8和F10兩條斷層控制的范圍內。F8傾向NE，F10傾向SW，兩斷層傾向相對。按傾角進行推算，兩斷層約在工作面以下131m處的寒武系灰巖地層中交匯剪切。受剪切影響，剪切部位的巖層完整性遭到破壞，使巖層斷裂破碎。地下水通過斷層進入灰巖層，在斷層剪切部位的巖層破碎區更易于形成溶蝕孔洞，久而久之，孔洞變大形成巖溶洞穴，因而更易于形成陷落柱。

圖2 81027工作面平面示意圖

81027工作面采至116m采位時，在33#支架處揭露了陷落柱，驗證了預測預報的正確性，充分說明技術理論是可行的。