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1、煤矿陷落柱的应用分析一、前言 关于陷落柱的记录最早出现在20世纪40年代初的文献中。在此之前，山西太原西山煤矿、阳泉煤矿、灵石富家滩石膏矿和河北井陉煤矿都发现了这种构造，当时，矿工和采矿技术人员将其称为砂墩、无炭柱、环状陷落、柱状陷落、圆形断层等。目前，陷落柱仍没有统一的定义。岩溶学词典对该词的解释为：岩溶陷落柱（karst collapse breccia pipe），是埋藏型岩溶区的地下溶洞的顶部岩层及覆盖层失去支撑，发生塌陷所产生的上小下大的椎状陷落体。 按照碳酸盐岩的出露情况，岩溶可分为三种类型：裸露型岩溶，指可溶岩裸露地表的地区所发育的岩溶；覆盖型岩溶，指被松散堆积物覆盖的岩溶；埋藏
2、型岩溶，指已成岩的非可溶性岩层之下的可溶岩层所发育的岩溶。岩溶塌陷在各类岩溶区都有发生，而陷落柱是煤系下伏溶洞塌陷的产物，属埋藏型岩溶塌陷。 华北地区岩溶陷落柱已见于晋、冀、豫、陕、苏等省的二十余个煤田中，以汾河沿岸，太行山东、西麓矿区最为发育，如西山、汾西、霍州、阳泉、井陉等矿区。陷落柱平面形态多呈似园、椭圆形，长轴直径一般20-40m，大者达300m。剖面上陷6鵅柱发育高度很大，由200m到600m不等，多呈锯齿状边缘的垂直尖锥状，也有倾伏状的。陷落柱一般隐伏于地下，其顶部埋深可达200-300m，有的发育达到第四系，在黄土中形成洼地。陷落柱基底埋藏很深，尚无一处钻探揭露。陷落柱一般由破碎
3、岩块及其风化的碎石、砂土组成，有的还保持似层状结构。 二、陷落柱的特点 （一）陷落柱的形成机制 一般认为陷落柱的发育与奥陶系灰岩的古岩溶密切相关，即溶洞的存在是陷落柱形成的前提条件。有人认为陷落柱发育主要受地下水主径流带的控制，有人认为构造是主导控制因素，还有的认为与奥陶系灰岩中石膏层的分布有关。由此提出了多种陷落柱成因理论，下面概括一些主要观点。 重力塌陷说认为，陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段，地下水沿着可溶性岩石的节理裂隙和断层运动，使裂隙逐渐扩大。于是大量岩溶水汇集其中，不但进行化学溶蚀，而且进行机械侵蚀作用，顶部和两侧岩层坍塌形成溶洞；第二阶段是溶洞再扩大并形成第二层溶洞
4、，由于地壳上升溶洞也随之扩大，还会发育第三、四层溶洞；第三阶段是上覆非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱。当地壳继续上升，地下水位下降，不仅第一层溶洞坍塌，第二层溶洞也开始坍塌。这样坍塌不断增长，当两层溶洞的位置接近一条垂直线时，则有可能连接起来，陷落柱的高度增大，这就是为什么有些陷落柱高度达数百米的原因。 石膏溶蚀说认为，陷落柱是石膏喀斯特产物。在中奥陶统马家沟组灰岩中赋存有很厚的硬石膏，峰峰组灰岩中也夹有石膏层。由于地壳不断上升，在地下水的作用下，硬石膏水化变成石膏。体积膨胀64%，膨胀后的石膏沿着破碎带的交线挤入上覆的岩层。然后，这种柱状的石膏体不断地被地下水溶蚀，周围的岩石塌落形成陷落柱。
5、真空吸蚀说认为，在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于地下水的排泄或地壳局部的升降等，引起岩溶腔内地下水大幅度下降，当水位低于岩溶腔口表面，即岩溶腔内水体由承压转为无压时，在岩溶腔内水面与岩溶盖层之间出现空穴，即岩溶空腔。逐渐增大的岩溶空腔必定转化为低气压状态，形成真空腔（或称负压腔），在真空腔内不断下降的水面犹如巨型吸盘，强有力的抽吸着上面岩层向下塌落，最终形成陷落柱。 热液成因说认为，燕山期火成岩体和热液的侵入，造成残热水和地下水复杂的循环和溶蚀作用。高温高压的热水可极大地提高碳酸钙的溶解度。热水岩溶的起始点是从矽卡岩成矿热液生成铁矿后残热水进入碳酸盐岩开始的，这样就可以生成高度极大的岩溶
6、洞穴，而且不受地壳升降与侵蚀基准面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷形成陷落柱。 （二）陷落柱的分布规律 陷落柱的平面展布往往是分片分区，成群发育，有密集区、稀疏区和空白区，并具有一定的方向性。 （三）陷落柱的预测和探测 在预测方面，一些矿区根据陷落柱的分布规律结合矿区的具体条件，如岩性、构造、地下水径流等，划分了陷落柱发育带，进行定性预测。有的矿区总结了陷落柱的预报标志，有的矿区还进行了陷落柱阻水强度和抗压强度试验，进行水文地质预报。在陷落柱探测方面，应用到多种物探方法，其中，电法勘探开展较早，以无线电波透视法为主，以后逐渐应用了地震波法、磁法、放射性探测法以及重力探测法。 三、陷落柱的
7、研究 陷落柱是一种较为复杂的研究对象，它结构特殊，而且很少出露地表。受观察和研究条件的限制，只能从局部或有限的侧面认识陷落柱。 （一）陷落柱的发育特征 分析陷落柱柱体结构和柱围构造，把握其大小、形状、高度等三维空间尺度，获得陷落柱明确的概念。 （二）陷落柱形态 陷落柱的平面形态是指陷落体与某一层面或地表面相接触的切割面的形态；在矿井中揭露的陷落柱的平面形态，一般呈近圆形、椭圆形、鞋底形或不规则的长条形（如图1所示）。陷落柱中以近圆形、椭圆形者居多。陷落柱的平面面积各不相同，大者可达数十万平方米，小者仅十余平方米。 图1 陷落柱平面形状示意图 程实例 西山煤田位于山西省中部，西部为吕梁山脉，北部
8、为云中山余脉，东南部为太原盆地。西山煤田的一级构造为西山向斜。它贯穿整个西山煤田，轴向近南北，两翼不对称（西翼陡峻，东翼平缓）且轴部偏西。西山向斜从南到北由狮子河向斜、马兰向斜、东社向斜组成。西山向斜的东翼断层甚为发育，多呈NE-NNE向，且以N60E的高角度正断层为主，并有规律性呈条带状等间距排列。西山煤田内尤其是东部陷落柱甚为发育。 通过运用AutoCAD来绘制西山煤田西曲矿井陷落柱分布图，在矢量化了西山煤田各矿区采掘工程平面图的前提下，运用AutoCAD查询工具进行逐个逐片的查询，并完成以Excel为载体进行逐个记录、统计、比例尺的换算、图表的编制等工作，绘制了陷落柱密度分布图，结果表明，陷落柱之多已成为影响该矿正常生产的主要地质因素，少数陷落柱已经出露地表，而大多数陷落柱是在井下生产中揭露的。 四、结语 陷落柱是直接影响采煤方法的选择的主要地质因素，它直接影响井巷工程的布置和施工，影响采煤方法和采掘机械的使用，影响井下巷道支护和安全，因此掌握井田内陷落柱的分布规律，是采区和工作面合理布局的前提之一。本文通过对陷落柱的分析研究，对煤矿进一步的开采有着重要的意义。 ?
煤矿陷落柱的应用分析
