淺析陽(yáng)煤五礦陷落柱的成因及分布規(guī)律

張 鑫

（陽(yáng)煤集團(tuán)五礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

巖溶陷落柱是我國(guó)華北地區(qū)廣泛發(fā)育的一種極富區(qū)域特色的地質(zhì)現(xiàn)象，陽(yáng)煤五礦井田所在的陽(yáng)泉礦區(qū)也發(fā)育有大量陷落柱。這種特殊地質(zhì)現(xiàn)象的存在，不僅破壞煤層賦存，減少可采儲(chǔ)量，還會(huì)影響巷道的掘進(jìn)和煤層的開(kāi)采，特定條件下甚至?xí)?dǎo)致突水和瓦斯積聚等安全問(wèn)題。 因此，分析礦井陷落柱成因及其分布規(guī)律對(duì)礦井提高經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 基本情況

五礦隸屬陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，井田范圍內(nèi)有兩個(gè)生產(chǎn)礦井，分別是貴石溝礦井和五林礦井。五礦井田總體為一單斜構(gòu)造，地層總的走向?yàn)楸蔽鳌北蔽飨颍瑑A向南西，傾角平緩，一般在3～15?。受區(qū)域構(gòu)造控制，井田內(nèi)總的構(gòu)造線方向?yàn)楸北睎|及北東向， 發(fā)育有較平緩的褶皺群和層間小斷層，局部發(fā)育陡傾撓曲。主要發(fā)肓一些短軸褶曲，斷裂構(gòu)造較少，斷層規(guī)模一般較小，落差較大的多為逆斷層。井田內(nèi)陷落柱十分發(fā)育，井田在地質(zhì)勘探過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)大量陷落柱，再加上多年的生產(chǎn)揭露，現(xiàn)在全井田共實(shí)際揭露陷落柱623個(gè)，其分采區(qū)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

1.2 陷落柱的發(fā)育特征

礦井陷落柱的發(fā)育特征主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）從表1可以看出陷落柱總體數(shù)量多，實(shí)際揭露的已達(dá)到623個(gè)，且局部地區(qū)陷落柱密度大，已經(jīng)達(dá)到40個(gè)/km2。（2）陷落柱在井田內(nèi)分布不均衡，井田內(nèi)北部及西北部陷落柱發(fā)育相對(duì)較少。生產(chǎn)過(guò)程中回采工作面揭露陷落柱情況很少，有些工作面未揭露陷落柱。井田中部及南部較為發(fā)育，據(jù)生產(chǎn)實(shí)際統(tǒng)計(jì)平均每個(gè)工作面揭露陷落柱數(shù)量超過(guò)10個(gè)。（3）直徑較大的陷落柱經(jīng)常出現(xiàn)整體塌陷情況，造成其上覆煤巖層成層塌落。（4）以往揭露的陷落柱均充填密實(shí)，不存在導(dǎo)水情況，僅在8112工作面回采過(guò)程中揭露的一個(gè)陷落柱有潮濕現(xiàn)象，雖然生產(chǎn)中未發(fā)現(xiàn)陷落柱有導(dǎo)水的現(xiàn)象，但不能排除陷落柱導(dǎo)水的可能。（5）陷落柱直徑大小差異較大。資料顯示最大的直徑為385m，最小的直徑僅為2m，實(shí)際揭露發(fā)現(xiàn)以直徑為40～60m的居多，占總數(shù)的80%左右。

表1 陷落柱分布統(tǒng)計(jì)表

1.3 陷落柱的形態(tài)特征

礦井陷落柱的形態(tài)特征主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）陷落柱的平面形態(tài)多為橢圓形，少數(shù)為長(zhǎng)圓形、近圓形，極個(gè)別為其他不規(guī)則形狀。（2）陷落柱的剖面形態(tài)以“上小下大”的圓錐狀最為常見(jiàn)，同時(shí)少數(shù)為“上大下小”的倒圓錐狀和上下尺寸基本一致的圓筒狀柱體。

2 陷落柱的成因分析

陷落柱又被稱為巖溶塌陷，它是巖溶發(fā)育到晚期的產(chǎn)物，巖溶的發(fā)育是陷落柱形成的前提條件，因此本文從巖溶產(chǎn)生的三個(gè)條件分析礦井陷落柱的成因。

2.1 有可溶性巖層

礦井陷落柱是由上部覆蓋的十分堅(jiān)硬的非可溶性巖層塌陷形成的。首先是奧陶系中統(tǒng)聚集程度特別高的的硬石膏層發(fā)生水化，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)形成較大的膨脹力，就會(huì)對(duì)上覆巖體產(chǎn)生擠壓，進(jìn)而將其擠碎，再加上石膏層及周邊巖層的溶蝕影響和地下水強(qiáng)徑流沖刷，從而形成空洞，接著上部石炭二疊系地層破碎的巖體向該空洞不斷崩塌、陷落以至冒頂, 就會(huì)形成礦井揭露的陷落柱。可以看出上述石膏層的發(fā)育是陷落柱形成的先決條件，而陷落的規(guī)模則受地下水徑流水力作用強(qiáng)弱的影響。

2.2 有地下水強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)

地下水強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)也是礦井產(chǎn)生陷落柱的必要條件，地下水劇烈運(yùn)動(dòng)可分為三帶：飽氣帶、完全飽和帶和深層循環(huán)帶。其中完全飽和帶中，水流速度較高，呈水平運(yùn)動(dòng)，由于水流速度較高所以其沖力較大，進(jìn)而溶蝕作用較強(qiáng)。本井田位于娘子關(guān)泉域南部強(qiáng)徑流區(qū)，奧灰水位標(biāo)高+400～ +504m，區(qū)內(nèi)巖溶地下水的水力坡度約為3‰，奧灰地下水流向：由南向北向陽(yáng)泉匯集，與區(qū)域西部徑流帶匯合后向在娘子關(guān)泉群分散排泄，礦井地下水活動(dòng)強(qiáng)烈。

2.3 有地下水流通道

礦井井田處在冶西背斜，總體為一單斜構(gòu)造，地層總的走向?yàn)楸蔽鳌北蔽飨颍瑑A向南西，傾角平緩，一般在3?～15?，受構(gòu)造應(yīng)力影響明顯。在地層傾角走向變化部位和斷層附近形成構(gòu)造裂隙帶，這些裂隙成為地下水活動(dòng)的理想通道。

3 陷落柱分布規(guī)律

3.1 礦井陷落柱的分布與構(gòu)造有密切關(guān)系

冶西背斜是礦井井田的主體背斜，對(duì)礦井陷落柱的布展規(guī)律有著較強(qiáng)的影響，且具有明顯的分帶特征。除此之外，礦井陷落柱的發(fā)育走向?yàn)閹l狀發(fā)育，自北偏東向斷層發(fā)育。由此可以得出礦井陷落柱分布與構(gòu)造有著密切關(guān)系，構(gòu)造是控制陷落柱發(fā)育程度的重要因素。

3.2 陷落柱分布與構(gòu)造線方向基本一致

從整體來(lái)看礦井陷落柱成“S”形發(fā)育，由北西方向至北東方向,其發(fā)育表現(xiàn)為冶西背斜和宋家莊向斜兩種,在這兩種發(fā)育走向中，陷落柱的平面形象為橢圓形，且長(zhǎng)軸方向與構(gòu)造軸線走向基本一致。由此可以得出礦井陷落柱的分布與構(gòu)造線方向基本一致。

3.3 陷落柱密集成群分布

礦井陷落柱密集成群分布主要集中在南川河以南和聶家莊以北，勘測(cè)結(jié)果顯示，基本上沒(méi)有單個(gè)陷落柱發(fā)育的情況。由此可以得出礦井在已揭露的陷落柱中多呈密集成群分布。

3.4 陷落柱網(wǎng)絡(luò)帶狀分布

礦井陷落柱密集分布帶之間，陷落柱發(fā)育規(guī)模不大，整體呈帶狀發(fā)育，由此可以得出礦井陷落柱呈網(wǎng)絡(luò)帶狀分布。

3.5 陷落柱似等距性分布

根據(jù)實(shí)際勘測(cè)結(jié)果，礦井陷落柱之間都有一定的距離，而且兩個(gè)陷落柱之間的距離基本上相同，并非隨意分布，因此可以得出礦井陷落柱似等距分布。

4 結(jié)論

根據(jù)陽(yáng)煤五礦勘探資料、鉆孔資料和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)測(cè)資料等，對(duì)礦井井田揭露的陷落柱的數(shù)量、發(fā)育特征和形態(tài)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，從有可溶性巖層、有地下水強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)和有地下水流通道三個(gè)方面對(duì)礦井陷落柱的成因進(jìn)行了分析，闡述了礦井陷落柱的分布與構(gòu)造的復(fù)雜程度有密切關(guān)系、陷落柱分布與構(gòu)造線方向基本一致、陷落柱密集成群分布、陷落柱網(wǎng)絡(luò)帶狀分布和陷落柱似等距性分布五個(gè)分布規(guī)律，對(duì)礦井提高經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。