巖溶陷落柱導(dǎo)水性機(jī)理研究

劉會(huì)盼

冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北邢臺(tái) 054102

巖溶陷落柱導(dǎo)水性是多種因素共同作用結(jié)果，而各種因素又相互影響，與其成因、類型、分布、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等有直接關(guān)系，與形成過(guò)程以及后期改造有關(guān)系，還與采礦環(huán)境和擾動(dòng)有關(guān)，因此，判斷是否導(dǎo)水是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題[1]。

1 巖溶陷落柱導(dǎo)水類型

垂向分類：根據(jù)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(bǔ)給型。陷落柱發(fā)育高度內(nèi)，存在煤系砂巖或薄層灰?guī)r水的補(bǔ)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(guò)水?dāng)嗝嫦拗?，一般不?huì)很大，并隨時(shí)間逐漸減少。如井陘一礦8號(hào)陷落柱，高140m，穿越本溪組灰?guī)r及太原組灰?guī)r，陷落柱突水量為138m3/h。潞安礦區(qū)漳村礦X1-X5五個(gè)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(dǎo)升型。奧陶紀(jì)灰?guī)r水沿陷落柱有一定的導(dǎo)升高度，揭露陷落柱后，在礦壓作用下水壓大于隔水段強(qiáng)度而導(dǎo)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(jì)灰?guī)r水可上升至整個(gè)陷落柱內(nèi)。并且，靠近陷落柱，必然在奧陶紀(jì)灰?guī)r中存在橫向巖溶水流，這樣才能將陷落柱內(nèi)塌陷的物質(zhì)，不斷地搬運(yùn)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(jì)灰?guī)r發(fā)育在背斜軸部，往往可接受上覆地層如第四系水的入滲，導(dǎo)致陷落柱上段充水，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間滲水，可能溝通陷落柱底部的奧陶紀(jì)灰?guī)r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(fā)育高度不大，潛伏在煤層底板內(nèi)，當(dāng)巷道在其上通過(guò)時(shí)，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(shù)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(jìn)導(dǎo)致60000m3/h突水。

2 巖溶特陷落柱導(dǎo)水性判別

2.1 一般整體規(guī)律

高變質(zhì)煤層礦區(qū)的陷落柱不導(dǎo)水，因?yàn)樽冑|(zhì)時(shí)間為中生代，陷落柱已經(jīng)壓實(shí)，失去導(dǎo)水作用，例如淮北、峰峰、陽(yáng)泉、晉城等地；地溫?zé)岙惓５牡V區(qū)，陷落柱導(dǎo)水，因?yàn)樵摰貐^(qū)的陷落柱正在形成階段，尚未被壓實(shí)，例如峰峰梧桐莊、徐州三河尖、邢臺(tái)的邢臺(tái)礦等；“通天柱”（終止于基巖頂界面）不導(dǎo)水，因?yàn)榇祟愊萋渲l(fā)育于第四系以前，壓實(shí)失去導(dǎo)水作用；“穿云柱”（跨落到第四系內(nèi)部）導(dǎo)水，此類陷落柱上部在仍處于發(fā)育中，為導(dǎo)水；“半截柱”（沒有穿透基巖）可能導(dǎo)水，因?yàn)榇祟愊萋渲赡茉诎l(fā)育中，頂部距離灰?guī)r頂界面越近導(dǎo)水性越強(qiáng)；直立柱低陷落柱（低于煤系底層頂界面）導(dǎo)水，此類陷落柱形成于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以后，陷落柱未被壓實(shí)，具有導(dǎo)水作用；斜歪柱不導(dǎo)水，此類陷落柱形成于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以前，陷落柱被壓實(shí)，失去導(dǎo)水作用；井田邊界斷層隔水時(shí)，陷落柱不導(dǎo)水。在沒有地?zé)釙r(shí)，隔水邊界斷層切斷了陷落柱形成的水循環(huán)條件，陷落柱停止發(fā)育，且此類陷落柱形成于斷層以前，古老的陷落柱因壓實(shí)而失去導(dǎo)水作用。

2.2 導(dǎo)水性分析

煤礦區(qū)揭露的陷落柱絕大部分不富水或弱富水，不夠成對(duì)礦井的威脅，這是由于陷落柱穿過(guò)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(qiáng)。巖溶陷落柱的富水性取決于陷落柱發(fā)育高度內(nèi)所揭露的含水層富水性；陷落柱次生構(gòu)造與含水層的連通性；陷落柱充填物的密實(shí)程度和膠結(jié)情況。北方煤礦區(qū)陷落柱中的塌陷物一般為石炭二疊紀(jì)地層，有的塌至山西組底部，個(gè)別進(jìn)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(fā)育時(shí)期始于二疊紀(jì)末，結(jié)束于第三紀(jì)。第四紀(jì)以來(lái)，有些陷落柱重新復(fù)活，如汾西礦區(qū)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(yáng)銅冶礦陷落柱鉆探50m內(nèi)就見到空洞17個(gè)，最大的直徑2.56m，這種挽近期繼續(xù)發(fā)育的陷落柱應(yīng)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(guān)。例如，井阱一礦8號(hào)陷落柱高140m，揭露本溪組和太原組灰?guī)r，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(fā)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(guò)程中，下部奧灰沒有足夠的空間容許上部碳酸鹽巖發(fā)生一次性完全垮落，而是持續(xù)性垮落，在不同地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)伴隨垮落的發(fā)生，直到煤系地層。根據(jù)采礦工程實(shí)踐中導(dǎo)水裂隙帶的形成可以證實(shí)上述觀點(diǎn)，在采空區(qū)形成的垮落帶高度一般是采高的3-5倍，按照大采高（6m）來(lái)說(shuō)，垮落帶高度也不過(guò)30m左右，初次垮落的高度更是低于這個(gè)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(nèi)的巖塊經(jīng)反復(fù)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(shù)、孔隙率降低，密實(shí)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(shí)間去壓實(shí)膠結(jié)，最后形成的陷落柱柱體內(nèi)部填充物壓實(shí)膠結(jié)情況比較好，結(jié)構(gòu)致密均勻，裂隙和空洞發(fā)育較低，進(jìn)而導(dǎo)水性一般較差。

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶陷落柱是華北石炭疊煤系發(fā)育的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。研究巖溶陷落柱的導(dǎo)水類型，并做出判別，并依據(jù)地質(zhì)資料對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行分析，能夠有效的了解陷落柱的導(dǎo)水性能，更好的服務(wù)于開掘作業(yè)。