論巖溶陷落柱對官地礦安全生產的影響

張 瑜

(西山煤電集團公司官地礦，山西 太原 030022)

太原西山煤田屬華北晚古生代聚煤區，是我國主要的煤炭工業基地。煤質好、儲量大。區內煤系地層之下廣泛分布有中奧陶統巨厚可溶性巖層，巖溶陷落柱發育是該煤田的一個重要地質特征。

西山煤田是我國巖溶陷落柱揭露數目最多、受其影響最嚴重的區域，其中官地礦是西山煤田陷落柱最發育的地區之一。陷落柱已成為影響該礦正常生產的主要地質因素。據統計，官地礦共發現陷落柱640個(見表1)，其中絕大部分是在2號、6號和8號煤層采掘過程中揭露的(上下煤層揭露的同一個陷落柱不重復統計)。

1 陷落柱特征分析

1.1 地表出露的陷落柱特征

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

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，一般呈近圓形或橢圓形，少數陷落柱平面形狀很不規則。由于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行切過陷落柱，所以準確地了解和研究陷落柱的平面形狀和大小(見圖1)，以采取應對措施，具有重要意義。

表1 官地煤礦陷落柱統計表

圖1 陷落柱平面形狀示意圖

2)平面大小。通過對官地礦綜采工作面完整揭露的陷落柱分析發現，陷落柱直徑一般在20～60 m，少數超過80 m;陷落柱在煤層中的截面積一般小于1200 m2，少數超過2000 m2。對于大多數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，推測的陷落柱平面大小往往大于實際值。井田2號、6號和8號煤層已采范圍內，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，陷落柱成群發育，具有明顯的分區、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，在官地礦已采區域，北一、北三、中一、中三、中四采區陷落柱發育，且排列具有一定的方向性;從西一、北三采區東部至中四采區北部的條帶內，陷落柱明顯不發育。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絡式聯系，所以，根據陷落柱群體的沿展方向可以推測底部溶洞網絡的連通性和方向性。

1.3 陷落柱的垂向特征

在陷落柱發育的地區，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，陷落柱的發育高度參差不齊。在官地礦，多數為隱伏陷落柱，柱頂位于含煤地層中;少數為柱頂出露于地表。由于陷落柱發育高度不等，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，說明這些陷落柱柱頂位置在6號煤層之下。

在西山礦區，陷落柱一般按75°柱壁角從上部煤層向下投影。在2號煤層密集發育的區域，如按照75°柱壁角投影在8號煤層中，兩個或多個陷落柱會連成一個(見圖2)。大量的開采實踐證明，按75°柱壁角投影在下組煤層的陷落柱范圍偏大。通過對同一個陷落柱在多個煤層的實際截面進行計算，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

在陷落柱內部，不同粒徑的煤、巖碎塊(屑)混雜，較大巖塊的直徑可達幾米，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的顆粒，甚至呈粉末狀，充填于灰巖或砂巖塊之間。少數陷落柱內部巖塊的成層性較好，與圍巖產狀基本一致，說明柱體為巖層整體塌落而成。由于經過長期壓實、膠結作用，結構比較致密，孔隙度小。

陷落柱兩側3～5 m范圍內，煤巖層產狀發生明顯變化，一般向柱內傾斜。在煤層與柱體接觸帶，由于較大巖塊的擠入，煤層的條帶結構已發生破壞，多數變為粒狀結構，光澤變暗。陷落柱周圍煤巖層裂隙增多，有時伴有環形分布的小型正斷層。

2 陷落柱對官地礦安全生產的影響

在陷落柱發育的區域，煤層的連續性遭到破壞，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許多困難。陷落柱對官地礦均衡生產和經濟效益的影響主要表現在:

1)由于目前陷落柱預測和探測手段落后，在布置綜采工作面時存在很大盲目性。綜采工作面構成后，往往因陷落柱過多而被迫重開切眼，縮短工作面長度，或被迫改為普采，造成資源浪費。

2)陷落柱的存在，造成大量無效進尺，使礦井掘進率增高并使工作面接替緊張。

3)因強行通過、搬家或繞過陷落柱等造成停產或大幅度減產，不但消耗大量資金，而且可能造成綜采設備的嚴重損壞。

4)強行切過陷落柱會使原煤灰分增加，煤質變差。

5)頻繁的搬家倒面或強行切過陷落柱給安全生產造成了大量的不確定因素。

3 應對措施

1)加強巖溶陷落柱成因與分布規律的研究，實現對巖溶陷落柱的準確預報，為工作面設計及回采提供更為準確詳細的地質資料。一方面，可以根據西山煤田構造發育規律的詳細研究對巖溶陷落柱總體分布規律進行判別;另一方面，依據官地礦井田內已揭露巖溶陷落柱的平面分布規律，進一步預測附近區域巖溶陷落柱的具體位置。

2)根據陷落柱的垂向特征，在工作面設計時，應適當加大上覆煤層陷落柱的柱壁角度值，以減少本煤層的保護煤柱，減少煤炭損失，提高煤炭資源回收率。

3)根據上述陷落柱的柱體特征，工作面設計時應充分考慮陷落柱周圍煤巖層中斷層的分布特征，特別是對巖溶陷落周圍的環形斷層進行超前預測。

4)巖溶陷落柱頂部常發育于煤系地層當中，在西山煤田，許多井田出現陷落柱柱體充水現象(如杜兒坪礦、馬蘭礦、西銘礦等)，在預測有陷落柱的區域，應充分考慮留足防隔水煤巖柱，加強對陷落柱充水性的監測。

5)綜采工作面在遇到陷落柱時，應根據陷落柱的規模及其在工作面中的位置，選取適當的處理方法，縮短處理時間，減少經濟損失。在處理方法的選擇上，一般按以下原則進行:綜采工作面掘進完畢，設備安裝之前，應先進行無線電坑道透視，測出異常區間后，布置水平鉆孔進行驗證，確定其準確位置與尺寸。對于直徑大于30 m的陷落柱，原則上采用工作面搬家或補道繞過的方法;對于直徑小于30 m的陷落柱，若其位于工作面中部時，采用強行通過的方法;若位于機頭或機尾時，則采用繞過的方法。

4 結論

陷落柱已經成為影響官地礦安全生產、采掘銜接的最主要地質因素之一，主要表現在煤炭資源浪費、無效進尺、影響原煤煤質及增加防治水難度等方面。應充分分析和研究陷落柱的成因與分布特征，采取合理有效的應對措施，對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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