高陽井田巖溶陷落柱形成時存在的特殊現(xiàn)象淺析

趙建忠 楊明淵

摘 要：在華北一些礦區(qū)，巖溶陷落柱較發(fā)育對煤礦的生產(chǎn)和建設(shè)影響極大。由于陷落柱的存在，尤其在陷落柱極為發(fā)育區(qū)域煤層的連續(xù)性被破壞，給井巷工程的布置和施工、采煤方法和采掘機械的選擇增加了很多困難，許多工作面就因為巖溶陷落柱的影響不能形成一個完整的回采面，產(chǎn)量受到限制;因此我們作為一名煤礦地質(zhì)工作者有必要搞清楚陷落柱的發(fā)育特征及存在的特殊性，為礦井的安全生產(chǎn)保駕護航，為組隊安全施工提供可靠的地質(zhì)資料。

關(guān)鍵詞：巖溶陷落柱;特殊現(xiàn)象;中心軸;整體塌陷

1 巖溶陷落柱的形成機理

巖溶洞穴的發(fā)育和塌陷是形成巖溶陷落柱的根本原因。巖溶溶洞是形成巖溶陷落柱的前提條件，但并不是所有的溶洞都會塌落成陷落柱。在煤系及其下部存在較厚的可溶性石灰?guī)r的地區(qū)，由于地下水長期對石灰?guī)r的化學(xué)溶蝕作用，在石灰?guī)r層中形成大量的巖溶空洞，隨著空洞規(guī)模不斷擴大，洞頂巖層在重力作用及其他因素誘導(dǎo)下向下塌陷。伴著時間的推移，地下水的活動又不斷對塌陷的巖石進行搬運、破壞，逐漸向上擴容。當(dāng)溶洞內(nèi)水面上升到洞頂巖層（煤層）時，水便對其浸泡并使其軟化，強度下降，加速破壞。上覆巖層因受巖體自重重力、水的軟化以及溶洞內(nèi)的真空負(fù)壓三重作用而破壞坍落形成陷落柱。

2 高陽井田陷落柱的特殊現(xiàn)象

2.1 對陷落柱塌陷中心軸的分析

經(jīng)過對高陽煤礦在上、下組煤都揭露的同一個陷落柱進行對比分析，陷落柱在下組煤的影響范圍總體比上組煤要大，上組煤與下組煤的層間距平均95m，同一個陷落柱在下組煤擴大范圍一般在10m-30m。經(jīng)分析陷落柱形成塌陷過程中，在受自身自由重力作用下，應(yīng)該是垂直塌落，中心軸應(yīng)該是直立的。但由于高陽井田地層傾向總體為北東，巖溶陷落柱在形成時對上覆地層都會造成影響，不同巖性的巖層破壞程度不一，巖石裂隙發(fā)育程度不同，因而陷落柱平面大小不一，中心軸平面形態(tài)發(fā)生變化，成為歪斜的甚至扭轉(zhuǎn)的，總體上中心軸的偏離位移與巖層產(chǎn)狀相關(guān)。

2.2 陷落柱群周圍煤層存在整體塌陷現(xiàn)象

在高陽井田西部區(qū)域煤巖層傾角較大的單斜構(gòu)造區(qū)，地下有一個良好的流水通道，且水中含有豐富的侵蝕性的二氧化碳，對巖石侵蝕性較大，故在此區(qū)域形成了陷落柱群并引起了其范圍之內(nèi)的地層整體下沉。在塌陷形成陷落柱的過程中，由于不均勻陷落柱在不同層位的反映，陷落柱群和局部巖層整體下沉。產(chǎn)生這種現(xiàn)象容易誤導(dǎo)生產(chǎn)隊組巷道掘進走錯層位，因此遇到這種特殊情況我們必須認(rèn)真分析，通過多種手段進行驗證，找準(zhǔn)層位，避免損失。

這種陷落柱里煤層整體塌陷的特殊現(xiàn)象在高陽井田上、下組煤都出現(xiàn)過，利用鉆探的方法及時進行驗證才確保巷道沒有穿層施工，避免了巷道走錯層位造成的損失。

3 高陽井田陷落柱特殊性認(rèn)識

高陽井田隸屬于郭莊泉域的徑流區(qū)，地下水活動強烈，受構(gòu)造裂隙的影響，很容易形成巖溶陷落柱。陷落柱的平面分布特點，與該區(qū)域地下水集中徑流帶關(guān)系密切。在高陽井田向斜構(gòu)造背景控制下，陷落柱的分布呈現(xiàn)北西向帶狀分布、成群出現(xiàn)的規(guī)律，主要受到底板奧陶系灰?guī)r、構(gòu)造發(fā)育和地下水強徑流帶的控制及影響。

由于地質(zhì)構(gòu)造的形成是地應(yīng)力失衡的結(jié)果，陷落柱同樣也是地應(yīng)力變化的產(chǎn)物。如果巖溶溶洞形成后，地應(yīng)力緩慢變化，陷落柱由溶洞頂部緩慢垮落（塌陷）的塊體形成大小不一混亂柱體。隨著地應(yīng)力不斷急劇變化，突然增大好多倍，迅速破壞了空洞頂部和周圍的應(yīng)力平衡，產(chǎn)生瞬間塌落，將可能出現(xiàn)陷落柱柱內(nèi)的巖層整體下沉。

4 結(jié)論

在理想狀態(tài)下，陷落柱受自由重力一般垂直塌陷，中心軸是直立的，但在高陽井田由于構(gòu)造作用造成巖層產(chǎn)狀改變和同時存在的層間滑動的結(jié)果，直接導(dǎo)致現(xiàn)在的陷落柱中心軸傾斜甚至彎曲，同一個陷落柱在下部煤層影響范圍發(fā)生變化，因此掌握中心軸變化規(guī)律，有助于預(yù)測下部煤層或下水平陷落柱的平面位置，為生產(chǎn)銜接合理布置工作面提供理論依據(jù)。通過對巖溶陷落柱群周圍煤層存在整體塌陷的特殊現(xiàn)象認(rèn)識，在以后的生產(chǎn)中指導(dǎo)施工起到效果顯著，巷道掘過陷落柱后比較理想找到了2號煤、9-10-11號煤層，加快了施工進度，緩和了工作面銜接的緊張，取得了明顯的經(jīng)濟效益。但陷落柱群引起局部地層整體下（定性）的認(rèn)識，對準(zhǔn)確測定陷落柱兩邊同一層位的高差（定量）還需繼續(xù)深入研究和探索。

作者簡介：

趙建忠（1968- ），男，山西孝義人，1989年6月畢業(yè)于北京煤炭工業(yè)學(xué)校，地質(zhì)專業(yè)，中專，高級工程師，高陽煤礦首席地測工程師兼防治水副總工程師。

楊明淵（1987- ），男，山西黎城人，2010年6月畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，礦山地質(zhì)專業(yè)，大專，工程師。