巖溶陷落柱導水性機理研究

劉會盼

冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北邢臺 054102

巖溶陷落柱導水性是多種因素共同作用結果，而各種因素又相互影響，與其成因、類型、分布、構造運動等有直接關系，與形成過程以及后期改造有關系，還與采礦環境和擾動有關，因此，判斷是否導水是一個非常復雜的問題[1]。

1 巖溶陷落柱導水類型

垂向分類：根據陷落柱的富水性和突水資料，富水陷落柱有以下幾種類型。

（1）圍巖水補給型。陷落柱發育高度內，存在煤系砂巖或薄層灰巖水的補給，往往形成陷落柱的局部地段富水，突水量受圍巖水量及過水斷面限制，一般不會很大，并隨時間逐漸減少。如井陘一礦8號陷落柱，高140m，穿越本溪組灰巖及太原組灰巖，陷落柱突水量為138m3/h。潞安礦區漳村礦X1-X5五個陷落柱突水量為10-60m3/h，常村礦N2-7陷落柱突水量為20-50m3/h均屬于這種類型。

（2）奧灰水導升型。奧陶紀灰巖水沿陷落柱有一定的導升高度，揭露陷落柱后，在礦壓作用下水壓大于隔水段強度而導升突入采掘空間。特別是靠近陷落柱，巖塊松散，空洞率高，奧陶紀灰巖水可上升至整個陷落柱內。并且，靠近陷落柱，必然在奧陶紀灰巖中存在橫向巖溶水流，這樣才能將陷落柱內塌陷的物質，不斷地搬運走，所以水量皆很大。如焦作李封礦陷落柱突水5340m3/h，開灤范各莊礦陷落柱突水123180m3/h。

（3）古潛山入滲型。在古潛山地帶，奧陶紀灰巖發育在背斜軸部，往往可接受上覆地層如第四系水的入滲，導致陷落柱上段充水，經過長時間滲水，可能溝通陷落柱底部的奧陶紀灰巖水，這種混合突水量亦常很大，如皖北任樓礦突水34570m3/h[2]。

（4）潛伏底鼓型。這種類型的陷落柱發育高度不大，潛伏在煤層底板內，當巷道在其上通過時，由于陷落柱頂至煤層的隔水層厚度不夠而突水。如徐州張集礦陷落柱頂部距煤層僅10m，突水系數為0.065Mpa/m，在水壓及礦壓作用下突水24098m3/h；烏海駱駝山陷落柱頂部距9煤層32m，其上巷道掘進導致60000m3/h突水。

2 巖溶特陷落柱導水性判別

2.1 一般整體規律

高變質煤層礦區的陷落柱不導水，因為變質時間為中生代，陷落柱已經壓實，失去導水作用，例如淮北、峰峰、陽泉、晉城等地；地溫熱異常的礦區，陷落柱導水，因為該地區的陷落柱正在形成階段，尚未被壓實，例如峰峰梧桐莊、徐州三河尖、邢臺的邢臺礦等；“通天柱”（終止于基巖頂界面）不導水，因為此類陷落柱發育于第四系以前，壓實失去導水作用；“穿云柱”（跨落到第四系內部）導水，此類陷落柱上部在仍處于發育中，為導水；“半截柱”（沒有穿透基巖）可能導水，因為此類陷落柱可能在發育中，頂部距離灰巖頂界面越近導水性越強；直立柱低陷落柱（低于煤系底層頂界面）導水，此類陷落柱形成于構造運動以后，陷落柱未被壓實，具有導水作用；斜歪柱不導水，此類陷落柱形成于構造運動以前，陷落柱被壓實，失去導水作用；井田邊界斷層隔水時，陷落柱不導水。在沒有地熱時，隔水邊界斷層切斷了陷落柱形成的水循環條件，陷落柱停止發育，且此類陷落柱形成于斷層以前，古老的陷落柱因壓實而失去導水作用。

2.2 導水性分析

煤礦區揭露的陷落柱絕大部分不富水或弱富水，不夠成對礦井的威脅，這是由于陷落柱穿過的含水層富水性很弱或不具備突入礦井的條件。僅有少部分陷落柱富水性較強。巖溶陷落柱的富水性取決于陷落柱發育高度內所揭露的含水層富水性；陷落柱次生構造與含水層的連通性；陷落柱充填物的密實程度和膠結情況。北方煤礦區陷落柱中的塌陷物一般為石炭二疊紀地層，有的塌至山西組底部，個別進入石盒子、石千峰地層，甚至塌至第三系礫巖層，由此可以判斷陷落柱發育時期始于二疊紀末，結束于第三紀。第四紀以來，有些陷落柱重新復活，如汾西礦區有的陷落柱上覆黃土層下陷成圓形洼地；范各莊礦陷落柱頂端有8-32m的空洞；安陽銅冶礦陷落柱鉆探50m內就見到空洞17個，最大的直徑2.56m，這種挽近期繼續發育的陷落柱應引起足夠的重視[3]。

陷落柱的富水性與揭露的含水層富水性密切相關。例如，井阱一礦8號陷落柱高140m，揭露本溪組和太原組灰巖，突水138m3/h。

3 塌陷高度異常分析

華北煤田巖溶陷落柱柱體發育高度大小不一，但一般都在100米以上，有些塌陷到第四系甚至地表。如此巨大的塌陷高度，或者較大的柱高柱徑比，塌陷形成過程中，下部奧灰沒有足夠的空間容許上部碳酸鹽巖發生一次性完全垮落，而是持續性垮落，在不同地質構造運動時伴隨垮落的發生，直到煤系地層。根據采礦工程實踐中導水裂隙帶的形成可以證實上述觀點，在采空區形成的垮落帶高度一般是采高的3-5倍，按照大采高（6m）來說，垮落帶高度也不過30m左右，初次垮落的高度更是低于這個值，并且陷落柱面積有限，所以很難一次性造成這么高的垮落。而且陷落柱內的巖塊經反復垮落破壞，其垮落距（與巖塊原層位的垂直距離）不斷加大，塊度一再變小，巖屑、巖粉、巖泥成分增多，使再形成的塌落體碎脹系數、孔隙率降低，密實度提高。而且由于垮落間隔較短，柱體形成較快，使其有足夠的時間去壓實膠結，最后形成的陷落柱柱體內部填充物壓實膠結情況比較好，結構致密均勻，裂隙和空洞發育較低，進而導水性一般較差。

4 結語

巖溶陷落柱是華北石炭疊煤系發育的一種特殊地質構造，對煤礦安全生產帶來嚴重威脅。研究巖溶陷落柱的導水類型，并做出判別，并依據地質資料對異常區域進行分析，能夠有效的了解陷落柱的導水性能，更好的服務于開掘作業。