西曲煤礦陷落柱發(fā)育特征及其對煤層氣開發(fā)的影響

李瑞斌

（西山煤電集團有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

西山煤電西曲煤礦位于古交市方位335°直距0.5km處，井田東西長度是6km，南北長度是6.5km占地面積為40.693 km2。井田內(nèi)可采煤層為山西組2+3、4號煤層和太原組7、8、9號煤層，共5層煤層。礦井構(gòu)造分布具有一定的規(guī)律性，在礦井的西北部地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，而東部相對簡單。地層走向 NW，傾向SW，傾角 3°～15°，一般為 5°左右。該井田煤層氣以及煤炭開采受到陷落柱分布于發(fā)育的很大影響。

根據(jù)已有的實驗以及現(xiàn)場經(jīng)驗可知，陷落柱越是高度發(fā)育和密集分布時，煤層氣穩(wěn)定性以及分布均會受到較大影響。因此，對于西曲煤礦陷落柱發(fā)育特征以及分布規(guī)律的探討，在煤層氣安全開采以及最大開采化方面有著重要的意義。

1 西曲煤礦陷落柱形成及控制因素

陷落柱，也被稱為無炭柱，具體就是指煤田中可溶性巖層基于長時間地下水徑流作用后，逐漸被溶蝕成裂隙、較大的孔隙甚至孔洞，伴隨著上述徑流作用的強度及時間的加大，孔洞以及裂隙逐漸蔓延和發(fā)育，上部巖層基于地質(zhì)構(gòu)造作用以及巖層重力的共同作用最終發(fā)生垮落崩塌，形成的特殊構(gòu)造稱之為陷落柱。

由于陷落柱形成過程復雜，因此其內(nèi)部巖石巖性以及成分也非常復雜。結(jié)合以往的研究結(jié)果得出，沁水盆地的陷落柱在其平面上呈現(xiàn)4中不同的形狀：圓形、橢圓形、長方形和不規(guī)則形；剖面上有6中不同的形狀：圓柱狀、圓錐狀、漏斗形、斜臥形、反漏斗形和不規(guī)則形。另外，依據(jù)陷落柱的發(fā)育程度及其與每層的接觸關(guān)系，將陷落柱分為3類：通天柱、半截柱和下伏柱；還可以由頂部巖石對應的充填程度分類，即頂空柱和頂實柱。

位于沁水盆地南部的西曲煤礦井田，根據(jù)地質(zhì)條件等因素發(fā)現(xiàn)其形成陷落柱以及控制因素有：構(gòu)造、下伏熔巖以及水動力等。

1.1 水動力的影響

位于西曲煤礦井田以及附近含水層根據(jù)從下到上順序依次是上馬家溝組巖溶裂隙含水層（O2s2+3）、峰峰組巖溶裂隙含水層（O2f2）、下馬家溝組巖溶裂隙含水層（O2x2+3）、奧陶系巖溶裂隙含水巖組、太原組砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水巖組（C3t）、山西組砂巖裂隙含水層（P1s）、石盒子組砂巖裂隙含水層（P2s+P1x）、松散層孔隙含水層（Q）。富水性最強的含水巖層為奧陶系巖溶裂隙含水巖組，煤層氣開采以及煤炭回采均會受到該含水層帶來的較大影響；此外位于峰峰組含水層含水性在部分區(qū)域較強，煤層氣開采也會因此受到一定影響。

單斜構(gòu)造是西曲煤礦井田的最明顯地質(zhì)特征，井田內(nèi)部會聚集大量從東部流入的地下水，這也是形成陷落柱的最主要的水動力。

1.2 下伏溶巖的影響

西曲煤礦煤系地層有兩大發(fā)育地層，其一是山西組巖層；其二是太原組巖層。盡管太原組夾有石灰?guī)r，且具有很強的含水性，但是巖層很薄，不足以形成落差較大的陷落柱。差位較大的陷落柱通常多在中奧陶統(tǒng)（下馬家溝組、峰峰組及上）形成，厚度往往較大。此外，由于奧陶系石灰?guī)r與上覆含煤地層兩者距離較近，上覆地層可能會因為陷落柱的形成而被貫穿，因此煤層之間連接以及煤層頂?shù)装宸€(wěn)定狀態(tài)也可能會被破壞。因此，西曲煤礦陷落柱主要地層為奧陶系石灰?guī)r地層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造的影響

西曲井田位于太原西山向斜的北部邊緣，主要受NE、NEE向的斷裂構(gòu)造影響，西山煤田屬華北晚古生代聚煤盆地，其形成始于中石炭世，終止的時間從成煤的角度看，大致止于早二疊世晚期；而如果根據(jù)盆地發(fā)育方向來看，該煤田終止于中三疊世末。中生代燕山運動是西山煤田構(gòu)造格局形成的直接因素，而改造主要受到了新生代喜山運動的作用。

奧陶系中的石灰?guī)r由于強烈的地質(zhì)構(gòu)造作用而發(fā)生裂隙發(fā)育現(xiàn)象，這也是含水層中水體流經(jīng)的通道，上覆巖層也會因此特殊地質(zhì)作用受到地下水帶來的溶蝕作用。隨著地下水在巖層中的長時間徑流作用，逐漸對可溶性巖層產(chǎn)生一定程度的溶蝕，進而在巖層中形成裂隙和孔洞，如果孔洞以及裂隙發(fā)育程度不斷上升，上覆巖層會因為巖層重力以及巖層基地上升兩者作用發(fā)生坍塌與垮落現(xiàn)象，這也是陷落柱形成的直接原因。

2 西曲煤礦陷落柱發(fā)育及分布特征

2.1 陷落柱發(fā)育特征

根據(jù)礦方提供的資料及實際采掘情況，西曲煤礦井田內(nèi)陷落柱大小不一，形狀各異，平面多為不規(guī)則的圓形或橢圓形。其長軸長度為11～160m，平均為45m；短軸為21～136m，平均為29m。陷落柱面積 16～16236m2，平均 1454m2?？v斷面多呈錐形，柱壁角一般為75～85°，過去多采用75°?；谇叭搜芯糠治鼋Y(jié)果，將該礦區(qū)陷落柱壁角取84°左右。

圖1 西曲煤礦已發(fā)現(xiàn)陷落柱情況

對于西曲煤礦，由于不同巖層的堅硬程度不同，致使各層的塌陷范圍不等，所以，在不同高度，陷落柱對應的大小以及平面形狀存在較大區(qū)別，圍巖和陷落柱的柱體兩者接觸面通常表現(xiàn)為鋸齒狀。陷落柱內(nèi)進行充填的物體形狀雜亂，巖性也非常復雜，由砂巖、灰?guī)r等巖層構(gòu)成的巖塊，直徑較大的能達到幾米，較小的則僅僅幾毫米，泥巖、煤層等較軟弱巖層破碎成較細的顆?；蚍勰畛涮钣谑?guī)r和砂巖的塊隙之間。在其周圍煤層裂隙增多，并伴有小斷層，有些地方煤層傾角明顯增大，具牽引現(xiàn)象。

2.2 西曲煤礦陷落柱分布特點及規(guī)律

由西曲煤礦采掘等地質(zhì)資料可知，目前已發(fā)現(xiàn)探明陷落柱多集中在背斜、斷層以及向斜周邊，多分布在中心軸部附近；呈現(xiàn)在平面上的形狀為圓形和橢圓形，分布比較均勻，如圖2所示。井田中西部為該礦陷落柱集中分布區(qū)域，主要采區(qū)有：南三、南四、南五以及南六。整體符合分區(qū)、分帶特性。在該分布范圍內(nèi)的2+3號煤層中陷落柱的密度達到每平米15個左右；井田內(nèi)所有的為每平米4.08個，而且下組煤內(nèi)的陷落柱分布的集中程度要大于上組煤的分布密度。煤層的連續(xù)性因為受到高度發(fā)育以及高密度分布的陷落柱而造成破壞，工作面正常采掘也因此受到很大影響。當工作面進行回采時，常常會因為遇到陷落柱而迫使工作面搬家或繞道，增加了回采難度，浪費資源的同時又使采掘接替變的緊張；此外當回采越過陷落柱時往往使得采出的煤灰分上升，煤質(zhì)也因此不斷下降。

3 陷落柱對煤層氣分布及開發(fā)的影響

圖2 西曲煤礦8號煤層采區(qū)劃分及陷落柱系數(shù)分區(qū)圖

3.1 陷落柱對煤層氣分布的影響

影響煤礦煤層氣分布的因素有很多，除了煤層自身的因素之外，還有一些諸如地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等的外在因素，煤層氣被影響的主要地質(zhì)構(gòu)造因素最重要的因素之一便是陷落柱。如果陷落柱分布情況為帶狀或者區(qū)域性時，煤層氣受到陷落柱影響多表現(xiàn)為氣體含量中，也就是說煤層氣分布受到陷落柱雙重性的影響。

1）煤層氣通常在陷落柱附近會發(fā)生積聚現(xiàn)象。煤層氣因為陷落柱本身的特征會發(fā)生運移現(xiàn)象，通常在陷落柱內(nèi)為由下而上。如果上部的密封性較好，況且直通表土層的孔隙和通道也不存在，這時含水層的富水性和導水能力就會很差，煤層氣聚集區(qū)特別容易在陷落柱內(nèi)形成。陷落柱位于表土層下通常不會形成直通地面大量的通道與孔隙，煤層氣整體賦存條件良好，集中區(qū)域主要位于陷落柱周圍。下伏類的陷落柱盡管不能夠影響煤層氣的散失，但是由于煤層下伏地層的厚度降低，另一步加劇了煤層氣壓裂排采時的潛在危險。

2）煤田內(nèi)的煤層氣含量可能因為存在陷落柱而得到下降。煤層氣成藏在沒有形成陷落柱前通常是完整封閉的系統(tǒng)；但是這個完整系統(tǒng)會受到逐漸形成的陷落柱的破壞，首先是局部破壞，緊接著不斷有斷層和裂隙發(fā)展形成，最終陷落柱變?yōu)槊簩雍蛫W陶系中石灰?guī)r兩者的貫通連接通道。如果該通道也連接了地表水、老窖水或者是地層中的強含水層，此時的煤層氣會受到水的流動循環(huán)作用而被轉(zhuǎn)移在各個區(qū)域。此外，通常巖層的普氏系數(shù)要比煤層大很多，當形成陷落柱時，煤層會受到巖層的垮落作用也發(fā)生坍塌垮落，煤層會因此而變形破碎，地下水沖刷煤層的幾率也會由此上升；地層壓力也會因為形成的陷落柱而發(fā)生下降，煤層機制表明的煤層氣特別容易發(fā)生解吸現(xiàn)象，這就會迫使陷落柱周圍以及內(nèi)部游離狀態(tài)的煤層增加。綜合前文提到的各種因素作用，位于陷落柱中的煤層氣含量下降幅度很大。陷落柱類型不同對煤層氣造成的效果也是不一樣的，如煤層氣在通天型陷落柱內(nèi)會直接運移到地表；煤層氣位于半截型的陷落柱內(nèi)并不會直接被運移到地表，但是該陷落柱可以將煤層頂?shù)装逯苯迂灤?，也會起到同樣的效果，使煤層氣隨著地下水的流動發(fā)生運移擴散。

西曲煤礦已發(fā)現(xiàn)的陷落柱通常垂直穿過各煤層，即在陷落柱存在區(qū)域附近各煤層呈連通狀態(tài)，位于巖層煤層周邊的應力會因為陷落柱的存在而得到釋放，煤層氣成藏的封閉系統(tǒng)也因此得到分解從而擴散到附近位置。因此煤層氣聚集程度因為陷落柱的出現(xiàn)而發(fā)生較大幅度的下降。該礦區(qū)井田8#煤層尤其是南部、東部對應的煤層氣含量很高，密度已經(jīng)超過了17m3/t，然而位于東部附近位置對應的煤層氣密度較低。因此，西曲煤礦8#煤層對應的煤層氣含量受到陷落柱作用而產(chǎn)生較大的影響。

此外，基于現(xiàn)場實測的地質(zhì)等資料可知，該礦區(qū)內(nèi)的位于某采區(qū)工作面中陷落柱周邊巷道處的煤壁中，有陷落柱處測得的瓦斯含量為6.11～6.45m3/t，而無陷落柱處測得的瓦斯含量為12.39m3/t。這充分說明，瓦斯排放與陷落柱存在存在正向相關(guān)作用。當煤層氣在抽采時碰到地層中的陷落柱時，抽采效果會因此下降，發(fā)生工程事故，由此帶來較大的經(jīng)濟損失。

當陷落柱位于煤層氣井壓裂過程當中，會因為陷落柱而造成一定影響。通常將排水降壓技術(shù)運用到煤層氣地面排水中，如果此時陷落柱與壓裂的煤層氣井互相貫通，不但抽排水為外來水，而且會導致排采降壓受阻，煤層氣壓裂井極易出現(xiàn)產(chǎn)水量大、氣少的現(xiàn)象，最終導致整個抽采工程的失敗。

由上文分析可知，西曲煤礦內(nèi)部的陷落柱絕大多數(shù)都是處在奧灰?guī)r層與煤系地層兩者中間，雖然自然狀態(tài)中的陷落柱不導水，但是其導水性能處于回采動壓情況時也會發(fā)生改變，因此煤系地層和奧灰水巖層兩者常常因為陷落柱而被貫通。

4 結(jié)論

西曲煤礦陷落柱的分布特點為：呈散狀分布于井田斷層、向斜及背斜附近，呈圓形或橢圓形，具有整齊分散排列出現(xiàn)的特征。陷落柱的分布特征及規(guī)律影響著西曲煤礦煤層氣的分布與開發(fā)。

1）西曲煤礦陷落柱的分布特征對8號煤層的煤層氣含量影響較大，陷落柱周邊區(qū)域內(nèi)煤層氣含量降低；

2）陷落柱倘若貫通煤系地層與奧灰水巖層，將會對煤層氣鉆井、壓裂及其抽采產(chǎn)生不良的影響；

3）只有精準掌握井田內(nèi)煤層氣的分布特征及情況，同時制定相對合理可行的技術(shù)措施，西曲煤礦將來在煤層氣的開發(fā)工程中才能取得成功。