論巖溶陷落柱對(duì)官地礦安全生產(chǎn)的影響

張 瑜

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦，山西 太原 030022)

太原西山煤田屬華北晚古生代聚煤區(qū)，是我國主要的煤炭工業(yè)基地。煤質(zhì)好、儲(chǔ)量大。區(qū)內(nèi)煤系地層之下廣泛分布有中奧陶統(tǒng)巨厚可溶性巖層，巖溶陷落柱發(fā)育是該煤田的一個(gè)重要地質(zhì)特征。

西山煤田是我國巖溶陷落柱揭露數(shù)目最多、受其影響最嚴(yán)重的區(qū)域，其中官地礦是西山煤田陷落柱最發(fā)育的地區(qū)之一。陷落柱已成為影響該礦正常生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，官地礦共發(fā)現(xiàn)陷落柱640個(gè)(見表1)，其中絕大部分是在2號(hào)、6號(hào)和8號(hào)煤層采掘過程中揭露的(上下煤層揭露的同一個(gè)陷落柱不重復(fù)統(tǒng)計(jì))。

1 陷落柱特征分析

1.1 地表出露的陷落柱特征

官地礦井田內(nèi)地表共出露陷落柱44個(gè)，主要分布在井田東部風(fēng)峪溝、九院溝、神底溝附近。陷落柱出露地表時(shí)，表現(xiàn)為各種地貌異常現(xiàn)象，主要有盆狀凹陷、柱狀破碎帶和丘狀突起等。有時(shí)在地表形成大小不等的裂隙，呈圓弧狀分布。但是，由于后期風(fēng)化剝蝕，或黃土和植被覆蓋，地表出露的大多數(shù)陷落柱已經(jīng)很難辨認(rèn)。

1.2 陷落柱的平面特征

1)平面形狀。陷落柱平面形狀即柱體的水平截面形態(tài)，一般呈近圓形或橢圓形，少數(shù)陷落柱平面形狀很不規(guī)則。由于巖層的堅(jiān)硬程度不同，致使各層的塌陷范圍不等，所以，在不同高度陷落柱的平面形狀和大小有一定差別。在煤礦開采過程中，有些回采工作面必須強(qiáng)行切過陷落柱，所以準(zhǔn)確地了解和研究陷落柱的平面形狀和大小(見圖1)，以采取應(yīng)對(duì)措施，具有重要意義。

表1 官地煤礦陷落柱統(tǒng)計(jì)表

圖1 陷落柱平面形狀示意圖

2)平面大小。通過對(duì)官地礦綜采工作面完整揭露的陷落柱分析發(fā)現(xiàn)，陷落柱直徑一般在20～60 m，少數(shù)超過80 m;陷落柱在煤層中的截面積一般小于1200 m2，少數(shù)超過2000 m2。對(duì)于大多數(shù)由巷道局部揭露或工作面繞過的陷落柱，其平面形狀和大小的推斷有很大的主觀性，推測(cè)的陷落柱平面大小往往大于實(shí)際值。井田2號(hào)、6號(hào)和8號(hào)煤層已采范圍內(nèi)，陷落柱截面積總和分別占開采面積的4.7%、4.8%和 5.5%。

3)平面分布。從平面上看，陷落柱成群發(fā)育，具有明顯的分區(qū)、分帶性和不均勻性。從礦井采掘工程平面圖上可以比較清楚地反映陷落柱分布的集群性，在官地礦已采區(qū)域，北一、北三、中一、中三、中四采區(qū)陷落柱發(fā)育，且排列具有一定的方向性;從西一、北三采區(qū)東部至中四采區(qū)北部的條帶內(nèi)，陷落柱明顯不發(fā)育。由于陷落柱一般是由溶洞塌陷形成的，而溶洞之間呈通道式或網(wǎng)絡(luò)式聯(lián)系，所以，根據(jù)陷落柱群體的沿展方向可以推測(cè)底部溶洞網(wǎng)絡(luò)的連通性和方向性。

1.3 陷落柱的垂向特征

在陷落柱發(fā)育的地區(qū)，目前尚無法確定陷落柱底界所在層位。但是，地表出露和井下開采揭露陷落柱的情況可以證明，陷落柱的發(fā)育高度參差不齊。在官地礦，多數(shù)為隱伏陷落柱，柱頂位于含煤地層中;少數(shù)為柱頂出露于地表。由于陷落柱發(fā)育高度不等，致使不同層位陷落柱的分布密度不同。從下至上，巖層中陷落柱分布密度逐漸減小，下組煤層陷落柱分布密度大于上組煤層，地表陷落柱分布密度最小。例如，48107工作面揭露的W1－31、W1－32、W1－33陷落柱未在頂部46107工作面出現(xiàn)，說明這些陷落柱柱頂位置在6號(hào)煤層之下。

在西山礦區(qū)，陷落柱一般按75°柱壁角從上部煤層向下投影。在2號(hào)煤層密集發(fā)育的區(qū)域，如按照75°柱壁角投影在8號(hào)煤層中，兩個(gè)或多個(gè)陷落柱會(huì)連成一個(gè)(見圖2)。大量的開采實(shí)踐證明，按75°柱壁角投影在下組煤層的陷落柱范圍偏大。通過對(duì)同一個(gè)陷落柱在多個(gè)煤層的實(shí)際截面進(jìn)行計(jì)算，官地礦陷落柱柱壁角一般為84°左右。

圖2 陷落柱垂向投影示意圖

1.4 陷落柱柱體充填特征

在陷落柱內(nèi)部，不同粒徑的煤、巖碎塊(屑)混雜，較大巖塊的直徑可達(dá)幾米，較小的僅幾毫米。一般泥巖、頁巖和煤層等松軟巖層往往破碎成為較細(xì)的顆粒，甚至呈粉末狀，充填于灰?guī)r或砂巖塊之間。少數(shù)陷落柱內(nèi)部巖塊的成層性較好，與圍巖產(chǎn)狀基本一致，說明柱體為巖層整體塌落而成。由于經(jīng)過長(zhǎng)期壓實(shí)、膠結(jié)作用，結(jié)構(gòu)比較致密，孔隙度小。

陷落柱兩側(cè)3～5 m范圍內(nèi)，煤巖層產(chǎn)狀發(fā)生明顯變化，一般向柱內(nèi)傾斜。在煤層與柱體接觸帶，由于較大巖塊的擠入，煤層的條帶結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，多數(shù)變?yōu)榱罱Y(jié)構(gòu)，光澤變暗。陷落柱周圍煤巖層裂隙增多，有時(shí)伴有環(huán)形分布的小型正斷層。

2 陷落柱對(duì)官地礦安全生產(chǎn)的影響

在陷落柱發(fā)育的區(qū)域，煤層的連續(xù)性遭到破壞，給井巷工程的布置和施工、采煤方法和采掘機(jī)械的選擇增加了許多困難。陷落柱對(duì)官地礦均衡生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的影響主要表現(xiàn)在:

1)由于目前陷落柱預(yù)測(cè)和探測(cè)手段落后，在布置綜采工作面時(shí)存在很大盲目性。綜采工作面構(gòu)成后，往往因陷落柱過多而被迫重開切眼，縮短工作面長(zhǎng)度，或被迫改為普采，造成資源浪費(fèi)。

2)陷落柱的存在，造成大量無效進(jìn)尺，使礦井掘進(jìn)率增高并使工作面接替緊張。

3)因強(qiáng)行通過、搬家或繞過陷落柱等造成停產(chǎn)或大幅度減產(chǎn)，不但消耗大量資金，而且可能造成綜采設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。

4)強(qiáng)行切過陷落柱會(huì)使原煤灰分增加，煤質(zhì)變差。

5)頻繁的搬家倒面或強(qiáng)行切過陷落柱給安全生產(chǎn)造成了大量的不確定因素。

3 應(yīng)對(duì)措施

1)加強(qiáng)巖溶陷落柱成因與分布規(guī)律的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶陷落柱的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，為工作面設(shè)計(jì)及回采提供更為準(zhǔn)確詳細(xì)的地質(zhì)資料。一方面，可以根據(jù)西山煤田構(gòu)造發(fā)育規(guī)律的詳細(xì)研究對(duì)巖溶陷落柱總體分布規(guī)律進(jìn)行判別;另一方面，依據(jù)官地礦井田內(nèi)已揭露巖溶陷落柱的平面分布規(guī)律，進(jìn)一步預(yù)測(cè)附近區(qū)域巖溶陷落柱的具體位置。

2)根據(jù)陷落柱的垂向特征，在工作面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大上覆煤層陷落柱的柱壁角度值，以減少本煤層的保護(hù)煤柱，減少煤炭損失，提高煤炭資源回收率。

3)根據(jù)上述陷落柱的柱體特征，工作面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮陷落柱周圍煤巖層中斷層的分布特征，特別是對(duì)巖溶陷落周圍的環(huán)形斷層進(jìn)行超前預(yù)測(cè)。

4)巖溶陷落柱頂部常發(fā)育于煤系地層當(dāng)中，在西山煤田，許多井田出現(xiàn)陷落柱柱體充水現(xiàn)象(如杜兒坪礦、馬蘭礦、西銘礦等)，在預(yù)測(cè)有陷落柱的區(qū)域，應(yīng)充分考慮留足防隔水煤巖柱，加強(qiáng)對(duì)陷落柱充水性的監(jiān)測(cè)。

5)綜采工作面在遇到陷落柱時(shí)，應(yīng)根據(jù)陷落柱的規(guī)模及其在工作面中的位置，選取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，縮短處理時(shí)間，減少經(jīng)濟(jì)損失。在處理方法的選擇上，一般按以下原則進(jìn)行:綜采工作面掘進(jìn)完畢，設(shè)備安裝之前，應(yīng)先進(jìn)行無線電坑道透視，測(cè)出異常區(qū)間后，布置水平鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，確定其準(zhǔn)確位置與尺寸。對(duì)于直徑大于30 m的陷落柱，原則上采用工作面搬家或補(bǔ)道繞過的方法;對(duì)于直徑小于30 m的陷落柱，若其位于工作面中部時(shí)，采用強(qiáng)行通過的方法;若位于機(jī)頭或機(jī)尾時(shí)，則采用繞過的方法。

4 結(jié)論

陷落柱已經(jīng)成為影響官地礦安全生產(chǎn)、采掘銜接的最主要地質(zhì)因素之一，主要表現(xiàn)在煤炭資源浪費(fèi)、無效進(jìn)尺、影響原煤煤質(zhì)及增加防治水難度等方面。應(yīng)充分分析和研究陷落柱的成因與分布特征，采取合理有效的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)采掘布置及綜采工作面安全快速通過陷落柱都具有重要的意義。

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