大同礦區(qū)陷落柱特征及對開采的影響分析

袁振江 王星亮

大同礦區(qū)陷落柱特征及對開采的影響分析

袁振江 王星亮

分析了大同礦區(qū)陷落柱形成的原因及特征，進而分析了陷落柱對生產的影響，提出了在實際生產當中對陷落柱的預測和應對方法。

大同礦區(qū)；陷落柱特征；陷落柱預測

大同礦區(qū)是我國主要的煤炭基地之一，面積遼闊，儲量豐富，在我國的能源行業(yè)中占有重要的地位。大同煤田所含的兩個主要煤系地層分別為距今約3.5億年～2.8億年之間沉積的上古生界石炭系上統(tǒng)太原組及距今1.9億年～1.4億年之間沉積的中生界侏羅紀中統(tǒng)大同組。由于奧陶紀末期華北大部分地區(qū)抬升為古陸區(qū)未接受地層沉積，因此在大同煤田范圍內下古生界奧陶系及寒武系與其上覆石炭系呈不整合關系，中間缺失志留系和泥盆系。

由于寒武、奧陶時代華北乃至全國大部分地區(qū)持續(xù)海侵，因此沉積了相當穩(wěn)定的幾百m到上千m的巨厚碳酸鹽類地層，也即我們今天所看到的出露廣泛的石灰?guī)r。

正是這些巨厚的石灰?guī)r，成為我們現(xiàn)在所看到的各礦區(qū)所賦存的眾多陷落柱的直接原因之一。陷落柱較為發(fā)育的煤田，可采煤層在一定范圍內失去可采價值，或嚴重影響正常生產，降低采掘效率，提高生產成本，威脅生產安全，甚至縮短礦井年限。因此，對陷落柱的研究具有很直接的現(xiàn)實意義。

大同礦區(qū)受陷落柱的影響較為常見。礦區(qū)內西北部的礦井受陷落柱的影響較大，礦井內部所揭露的陷落柱形態(tài)各異，大小差異較大。陷落柱長軸從十幾m至幾百m不等。

圖1為陷落柱空間形態(tài)剖面的一種（見圖1）。

圖1 陷落柱的空間形態(tài)剖面之一

1 陷落柱的特征

1.1 陷落柱的時間特征

按陷落柱與煤系形成的相對時間關系可分為兩大類。

一類為：煤系地層沉積之后，但在煤系地層成巖之前，即成巖過程中形成的陷落柱，稱其為同生陷落柱。這類陷落柱由于在其陷落過程中上覆煤系地層還未成巖而具有松軟、可塑性大的特點，規(guī)模大的其陷落角較小，陷落面較為規(guī)整平緩，在陷落柱邊緣煤層由于受擠壓的作用而變薄并逐漸尖滅，且煤層內有侵入的塊度不等的巖體，陷落柱中心巖塊較大，且在一定范圍內保持明顯的翻卷或平行層理。如大同礦區(qū)四臺礦11#層402盤區(qū)402-1巷400 m處揭露的陷落柱就較為典型。該陷落柱巷道揭露280余m，根據(jù)巷道揭露的形態(tài)，揭露段并非陷落柱長軸方向，因而該陷落柱的規(guī)模更大。見圖2。

圖2 大同礦區(qū)四臺礦402盤區(qū)402-1巷揭露的大型同生陷落柱

規(guī)模小的，其陷落面較陡立，陷落中心乃至整個陷落柱層理清晰連續(xù)，如大同礦區(qū)四臺礦11#層402輔2盤區(qū)8209工作面5號陷落柱 (見圖3）。

圖3 大同礦區(qū)四臺礦402輔2盤區(qū)揭露的小型同生陷落柱

另一類為：煤系地層成巖之后形成的陷落柱，稱之為后生陷落柱。此類陷落柱其陷落邊緣較為陡立，陷落面雜亂而參差交錯，陷落中心破碎而雜亂無章，塊度不一。大同礦區(qū)四臺礦11#層402輔2盤區(qū)8205，8207工作面揭露的陷落柱大多為此種類型（見圖 4）。

圖4 大同礦區(qū)四臺礦402輔2盤區(qū)揭露的后生陷落柱

1.2 陷落柱的空間特征

一般來說，陷落柱的空間形態(tài)為上大下小或上小下大的柱體，如果巖溶上部為松軟且含水較多的巖系時，在上部巖層陷落過程中影響范圍逐漸擴大，更大范圍的巖層向陷落中心集中，形成上大下小的漏斗狀柱體。

如果巖溶上部的巖系為質地堅硬致密、且含水層相對較少時，則陷落柱在陷落過程中其上部巖層的破碎冒落范圍會逐漸縮小，形成上小下大的柱體。

受區(qū)域巖性的不同或地質構造的影響，絕大多數(shù)陷落柱的空間形態(tài)并非規(guī)則柱體，同一陷落柱往往在不同區(qū)段有不同的圓心，其空間形態(tài)猶如一個搖擺不定的大型龍卷風。

2 陷落柱與其他構造的關系

地層巖石由于地殼運動的影響，總會受到由擠壓作用產生的剪切力或由拉伸作用產生的張力的破壞。這些不同性質的力如果超過巖石本身的強度極限，則巖層及巖體就會產生斷裂或扭曲，有斷裂的存在就會給水的流動創(chuàng)造良好的流通通道。如果這種斷裂產生在具有可溶性的碳酸鹽類巖層中，就會給巖石溶洞的形成創(chuàng)造了所有的條件。因此，陷落柱與其他地質構造的關系密不可分。

客觀上來講，陷落柱的分布其規(guī)律性也比較明顯。陷落柱往往會成片成串地產生其原因也在于此，當然也有其他因素的綜合原因。單從地質構造的角度來看，地殼運動產生的破壞作用有應力集中反應的區(qū)域，當然也就會有應力反應相對緩和的區(qū)域。受力集中的區(qū)域其整套巖系受破壞產生的構造密度相應會增加，如斷層和節(jié)理的規(guī)律性分布現(xiàn)象，就有力地說明了這一問題。

因此我們可以認為巖溶陷落柱的分布直接同其他地質構造，特別是斷裂構造有密不可分的關系。對這一規(guī)律性的研究與探討，會為我們的實際生產起到指導性的作用。

3 陷落柱對生產的影響

單從地質構造的角度來說，井田中陷落柱對生產的影響，是僅次于斷層的破壞性地質構造類型。在陷落柱密集區(qū)，陷落柱對礦井的危害甚至遠遠超過斷層。其危害主要表現(xiàn)在對礦井儲量、生產成本以及其他各個生產環(huán)節(jié)的影響。

3.1 陷落柱對礦井儲量的影響

由于陷落柱在空間形態(tài)上是從寒武、奧陶石灰?guī)r開始陷落，往上逐漸破壞石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系等主要煤系地層，特大型的陷落柱甚至貫通至地表形成“天坑”。在陷落柱破壞區(qū)域內一套甚至幾套煤系地層中的煤層全部被嚴重破壞。以本文圖2所述的大同礦區(qū)四臺礦11#層402盤區(qū)402-1巷400 m處揭露的陷落柱，以預測其短軸為300 m、長軸為340 m為例計算，可以列出如下算式：

式中：T——被破壞的總地質儲量，t；

M——大同煤田石炭系至侏羅系煤層預計總厚，m，本文以50 m計算；

r——煤的容重，本礦取1.31 t/m3；

S——陷落柱影響面積。

則：T=80 384×50×1.31=4 019 200 t.

如果以市價650元/t計算，

則：Y=650×4 019 200=2 612 480 000元。

由上計算，儲量破壞401.92萬t，經濟損失26.1億元。

3.2 陷落柱對其他生產環(huán)節(jié)的影響

3.2.1 陷落柱對礦井開拓過程的影響

在有陷落柱賦存的井田中，如無提前預測，礦井井巷開拓過程往往會突然遇到陷落柱，為此改變井田設計幾乎不可能，唯一的辦法就是硬過。由于巖體的硬度遠遠大于煤層，就會出現(xiàn)由此引發(fā)的一系列困難，如開拓進度慢、安全系數(shù)低、開拓成本增加以及火工品管理和其他勞動組織管理等等問題。

3.2.2 陷落柱對回采過程的影響

隨著國家能源產業(yè)政策新的要求以及采煤配套設備整體性能的增強，綜采工作面的走向長度和傾向長度都在不斷加大，有的工作面甚至達到250 m×5 000 m。如此大面積、大規(guī)模的工作面在井巷開拓過程中把陷落柱圈進去那也是常有的事。

在工作面回采過程中一旦遇到陷落柱，就會產生比開拓時遇到陷落柱更大、更多的困難，如頂板管理、機電設備管理、工程質量管理、煤質管理、火工品管理和勞動組織管理、水害預防等。由此引發(fā)的各個環(huán)節(jié)的安全問題更是不容忽視，因此必須提前制定縝密的各環(huán)節(jié)的應對措施，以確保安全生產。

4 陷落柱的預測

任何學術方向的研究最終都是為生產服務。煤礦生產作為一個特殊的生產行業(yè)，需要探討許多方面的問題以確保其安全生產。如前所述，陷落柱是礦井生產的主要障礙之一，因此在井田勘察及開拓準備階段對陷落柱的位置、規(guī)模及其巖性、四鄰地質構造、水文關系等有一個比較清晰的認識，這就可以使我們提前做好應對措施，做到有備無患，真正落實“安全第一、預防為主”的安全理念，對礦井的安全生產有著直接的生產意義。

4.1 陷落柱的地表觀測與探測

礦區(qū)地面調查時，利用地形航拍、人工勘測和鉆探物探的方法對地貌異常區(qū)，如盆狀、坑狀塌陷區(qū)，柱狀破碎帶及特殊地貌形態(tài)等進行定點詳細勘察和探測，對其形狀、大小、巖層產狀、巖性等進行詳細記錄，并圈定其地面位置，為以后的礦井設計和建設做好地質資料的準備。

4.2 陷落柱的井下預測觀測

礦井開拓和開采過程中，如果接近陷落柱，一般會產生巖層產狀、地質構造、水文變化、煤體變化等的異常預兆。

①同生陷落柱往往會影響本陷落柱四周煤巖層的產狀，陷落柱周圍的煤巖層都會不同程度地向陷落柱中心傾斜。傾斜角度的大小會受到陷落柱規(guī)模和巖系性質的影響，巖系松軟則傾斜角度較大，巖系堅硬性脆則傾斜角度較小。

②接近陷落柱附近，常常會有小斷層及裂隙的密集出現(xiàn)和增多。同一方向密集出現(xiàn)的小斷層會產生臺階狀的產狀，它們的傾向也幾乎趨于一致，即傾向于陷落中心。斷層和裂隙內往往會充填白色高嶺土、黏土等。巷道內頂?shù)装骞?jié)理發(fā)育、淋水增大、頂板破碎極易垮落。

③陷落柱可以導通地表水和地下含水層，常常會把地表水和地下水引導到井下巷道和工作面內。

④由于陷落柱的導通作用，陷落柱周圍的煤體往往會發(fā)生氧化，出現(xiàn)煤質變得酥松、煤體暗淡、煤體含水增大等現(xiàn)象。上述現(xiàn)象會受到陷落柱的規(guī)模、位置以及陷落柱的性質等的影響而具有不同的程度。

井下如果出現(xiàn)以上異常情況，一般可以采用井下鉆孔、井下探巷、井下無線電波透視以及井下地震波探測的方法，以獲取陷落柱的具體位置、規(guī)模大小、導水性能等詳細地質資料，以制定更加詳細的技術及安全組織措施，確保安全生產。

5 如何應對陷落柱

5.1 礦井設計階段的應對方法

在礦井設計階段，利用盡可能詳細的地質資料，根據(jù)陷落柱的具體位置、規(guī)模大小和井田內陷落柱的分布情況，合理布置盤區(qū)和工作面以及防水煤柱，做到既可以最大限度地利用煤炭資源，又有安全保證。

5.2 礦井開拓過程的應對方法

礦井開拓過程一旦遇到陷落柱，首先用最可靠的方法獲取盡量多的該陷落柱的詳細信息，及時制定安全技術組織措施并貫徹到每一位參與施工的員工，嚴格按照安全措施要求加強支護和各個環(huán)節(jié)的管理，絕不能因為任何環(huán)節(jié)的疏忽而出現(xiàn)安全問題。

5.3 回采過程的應對方法

由于回采工作面設備眾多，生產工藝環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密，一旦遇到陷落柱，涉及到的問題相應也會紛繁復雜。千萬不能存在任何麻痺大意和僥幸心理，必須制定嚴密的安全技術組織措施，貫徹到每一個參與施工的員工。不僅要讓員工了解陷落柱的產生、結構和存在狀態(tài)，更要讓員工知道我們已經做了充分的準備和應對方法，在施工過程當中應該遵守哪些規(guī)章制度，應該注意哪些環(huán)節(jié)的操作及異常，確保安全生產。根據(jù)大量的實踐摸索，筆者總結了一些效果很好的經驗供同行參考。

①實施深孔松動爆破。大多數(shù)陷落柱內的巖性結構致密，硬度較大，不適合采煤機組強行截割，否則會損壞設備并造成更多環(huán)節(jié)的損失和安全隱患。最有效的方法就是采用深孔松動爆破。具體操作為：用小型巖石電鉆在陷落柱段布置五花孔，孔深一般為5 m～10 m，深孔和淺孔在空間和時間上盡量交錯布置。一定要采用正向裝藥的方法，以免打壞設備或引發(fā)其他安全問題。經大量的反復試驗，同一孔內爆破用藥和封土間隔交錯填裝的方法比一次集中裝藥然后封土的方法爆破效果要好得多。前者既可以保證超前爆破的頂板安全，還可以保證少拋出巖塊及爆破效果的疏密有致。切忌多孔一次爆破，以免造成頂板管理困難和拋出物大量堆積引發(fā)的設備啟動困難，應該采用逐個爆破和運轉設備間隔進行。

②制定符合相關規(guī)定的裝藥放炮及火工品管理制度并嚴格遵守執(zhí)行。

③組織好工序管理和機電設備管理。一定要讓員工認識到松動爆破的重要性。繁多的爆破準備工作絕不能和運轉設備生產形成對立，它們是個統(tǒng)一體，甚至前期的爆破工作還要放在首位。如果盲目強行截割生產搶時間，往往會適得其反，引發(fā)許多其他問題。其間的機電設備管理尤為重要。首先要抓好設備的檢修和維護，檢修班不僅要做好打孔爆破的工作，同樣重要的還必須抓好設備檢修維護，絕不能在此期間存在僥幸心理。要讓所有人員和所有設備以最佳的狀態(tài)，科學地組織到解決困難的戰(zhàn)斗當中，做到安全生產，萬無一失。

此文僅是筆者多年生產實踐的觀察與總結，希望對煤礦管理及生產有一定借鑒作用，但難免會有不盡合理的錯誤和疏漏，望廣大同行批評指正。

Discussion on the Features of Collapse Column in Datong Coal Mine and the Impact on Mining

Yuan Zhenjiang Wang Xingliang

This paper analyzes the formation and the features of collapse column in Datong Coal Mine,analyzes the influence of collapse column in the production and puts forward the prediction and presents the method of forecasting and preventing collapse column in the actual production.

Datong mine;the features of collapse column;the prediction of collapse column

TD742

A

1000-4866（2011）03-0021-04

袁振江，1995年畢業(yè)于北京煤炭工業(yè)學校（礦井地質及煤田勘探地質專業(yè)），現(xiàn)在大同煤礦集團同生煤礦管理公司工作，助理工程師、國家注冊安全工程師。

2011-07-28

2011-08-12