西銘礦陷落柱分布規律及形成機理研究

王 鵬

（山西焦煤西山煤電西曲礦工程一隊 ，山西 古交 030200）

0 引 言

陷落柱是分布在我國華北煤田中的一種特殊的地質構造，陷落柱的存在一方面破壞了煤炭資源，使資源大量浪費，另一方面，陷落柱可能溝通地下含水層，增加工作面突水的危險性，給礦井安全生產帶來巨大的隱患。在西山煤田，巖溶陷落柱較為發育，是影響礦井正常生產的一種常見的地質構造。西銘礦屬于西山煤電旗下主力礦井，受井田范圍內的陷落柱影響，礦井生產受到了較大的影響，局部區域陷落柱極為發育，導致礦井巷道難以正常布置，甚至在部分采區被迫采用刀柱式開采，嚴重制約了礦井的生產能力，也對工作面生產安全造成了一定影響[1-2]。本文以西銘礦實際地質條件為背景，分析井田內陷落柱的分布規律，并研究其形成的力學機理。

1 礦井概況

西銘礦位于山西省太原市附近，井田面積約為56km2，其中南北長度約為4km，東西長度約17km。礦井設計生產能力為360萬t/a，主采煤層包括2#、3#、8#和9#煤層，是西山煤電旗下的現代化大型礦井。

西銘礦處于整個西山井田的東北部，井田范圍內地質構造較為發育，目前，已經揭露落差超過1m的斷層就有600多條，其中，落差超過5m的大斷層就有30多條，對礦井生產造成了一定影響。而井田內陷落柱也十分發育，僅就8號煤層而言，目前已揭露的陷落柱就有900多個，其中，最小的陷落柱面積為4.8m2，最大的可達 32151m2。

2 陷落柱形成的力學機理

2.1 溶洞的破壞機理分析

對于陷落柱的形成機理，目前在我國已基本形成統一認識，即陷落柱是由可溶性巖溶洞發育而成。

在地下水作用下，可溶性巖層（一般為石灰巖）被逐漸溶解，形成溶洞，溶洞頂板進一步破壞，形成陷落柱，下面，主要分析溶洞受力破壞的這一過程。

可溶性巖溶洞的形狀一般多為圓形或者橢圓形，因此，我們可以將溶洞簡化為四周固支的圓形薄板，簡化溶洞的受力模型，將溶洞頂板所受壓力視為均布載荷，根據圓形薄板理論，薄板任意一點所受的應力值為：

式中：σr為該點所受的徑向應力，MPa；σθ為該點所受的切向應力，MPa；τrz為該點所受的剪應力，MPa；q為溶洞頂板所受的均布載荷，MPa；z為該點距離中面的距離，m；hb為薄板的厚度，m；a為薄板的直徑，m；r為該點至圓心的距離，m；v為巖層泊松比。

通過式（1）～（3）可知，薄板所受切應力與該點距離圓心的距離有關，因此，在溶洞邊緣處，即r=a時，所受剪應力達到最大值，而通過分析井下應力和切向應力值，溶洞內所受的最大拉應力也在邊緣處出現，而對于巖層而言，通常為受拉破壞，因此，下面對溶洞邊緣最大拉應力處進行分析。

根據相關文獻表明[3-4]，在陷落柱較為發育的井田，大多受多期構造應力影響，受構造應力影響，井田內形成大量節理，且應力方向不同，導致節理方向也不相同，尤其在向斜或者斷層帶附近，層理發育較為集中，是形成陷落柱的主要區域。

因此，對于溶洞頂板處，節理較為發育，通過斷裂力學的方法，對溶洞邊緣的受力分析，認為在溶洞下表面邊緣處，與圓周相切的節理處所受的拉應力應為最大，裂紋擴展最容易，而裂紋的應力強度因子為

式中：K1為裂紋應力強度因子；為裂紋表面所受的拉應力，MPa，近似于圓板邊緣所受的軸向應力；l1為裂紋的長度的二分之一，m。

當裂紋的應力強度因子大于巖層斷裂韌度時，裂紋擴展，溶洞頂板受到破壞。

2.2 陷落柱形成的力學機理

隨著溶洞頂板裂紋擴展范圍不斷增加，相互貫通，在頂板邊緣形成一個圓形斷裂帶，同時，裂紋也不斷向著頂板上部擴展，擴展至一定距離后，由裂紋破壞形成一個圓柱形的巖塊，其形成過程如圖1所示。

圖1 圓柱形巖塊形成過程

圖2 圓柱形巖塊受力模型

由圖1可以看出，裂紋由AB面向CD面延伸，形成圓柱形巖塊，巖塊下沉分離，導致溶洞頂板坍塌。根據極限平衡理論，設溶洞頂板巖層厚度為b，溶洞頂板周長為l，溶洞頂板上覆巖層厚度為h，建立受力模型如圖2所示。

此時，巖塊所受的垂直地應力為：

式中：σz為垂直地應力，MPa；γ為上覆巖層平均容重，MN/m3；h 為上覆巖層厚度，m。所受水平應力為

式中：σn為垂直地應力，MPa；λ 為測壓系數；其余符號含義與前面相同。

巖塊邊界處所受的極限剪應力滿足：

式中：τj為極限剪應力，MPa；C為裂隙間的內聚力，MPa；φ為內摩擦角，°；其余符號含義與前面相同。

對上式進行積分，求得邊界面上的抗剪力為：

式中：Q為極限抗剪力，MN；l為溶洞頂板周長，m；b為頂板巖層厚度，m；其余符號含義與前面相同。

該圓柱形巖塊所受載荷為：

式中：P為巖塊所受載荷，MN；P0為地下水對巖塊的作用面力，MPa；s為巖塊截面積，m2；其余符號含義與前面相同。

當巖塊所受載荷P大于巖塊極限抗剪力Q時，溶洞上部頂板圓柱形巖塊分離下沉，溶洞頂板開始坍塌，形成陷落柱，陷落柱由下至上不斷擴展，直至地下水流作用發生變化或遇到一層硬巖，巖層抗剪性較好，陷落柱停止向上擴展，否則，一直發展至地表。

3 西銘礦陷落柱分布規律

前面對陷落柱形成的力學機理進行了系統分析，下面根據西銘礦實際條件，對陷落柱形態特點和分布規律進行研究，

3.1 陷落柱發育特點

西銘礦目前已經揭露的陷落柱超過1000個，其中最小的陷落柱面積為4.8m2，最大的可達32151m2，陷落柱截面形狀也以圓形和橢圓形為主。西銘礦的陷落柱分布圖如圖3所示。

圖3 西銘礦陷落柱分布圖

西銘礦陷落柱發育程度不一，但大多為隱伏陷落柱，僅發育至最下組的煤系地層中，少數陷落柱發育較好，可直至地表。陷落柱長軸直徑最小僅為3.0m，最大可至251m，平均為28m，陷落柱短軸最小僅為2.0m，最大為163m，平均21m。

陷落柱附近多數存在伴生斷層，斷層大多出現在陷落柱10～30m處，最遠不超過50m，且伴生斷層落差一般較小，大多小于2.0m。西銘井田內的陷落柱導水性較差，礦井至今未發生過底板陷落柱突水事故，陷落柱內大多不含水，部分含有少量水，對底板突水的影響不大。

3.2 陷落柱分布規律

研究陷落柱的分布規律為合理預測為揭露的陷落柱位置有著十分重要的作用。

西銘礦陷落柱呈條帶狀分布，在與杜兒坪礦交界處分布十分密集，且根據已經揭露的陷落柱分布情況來看，上組2、3號煤層和下組8、9號煤層的陷落柱分布區域十分接近，但由于陷落柱由下至上的發育特點，下組煤的陷落柱密度明顯高于上組煤，即上組煤陷落柱分布密度較大時，下組煤陷落柱分布密度也較大，甚至更大，上組煤陷落柱分布密度較小時，下組煤陷落柱分布密度同樣減小。

因此，在實際生產中，我們可以通過上組已揭露陷落柱的分布規律和密度，來大致預測下組煤中的下組煤中的陷落柱分布規律，為下組煤開采時工作面布置提供借鑒意義。

4 結 論

陷落柱是西山井田中一種常見的地質構造，在西銘礦內較為發育，本文通過收集實測數據并結合理論分析，得到以下結論：

1）根據斷裂力學和極限平衡理論，簡化溶洞受力情況，分析陷落柱形成的力學機理；

2）根據西銘礦實際地質條件，對礦井范圍內陷落柱形態特點和分布規律進行分析研究，為合理預測未揭露的陷落柱位置提供合理建議。