西曲煤礦陷落柱發育特征及其對煤層氣開發的影響

李瑞斌

（西山煤電集團有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

西山煤電西曲煤礦位于古交市方位335°直距0.5km處，井田東西長度是6km，南北長度是6.5km占地面積為40.693 km2。井田內可采煤層為山西組2+3、4號煤層和太原組7、8、9號煤層，共5層煤層。礦井構造分布具有一定的規律性，在礦井的西北部地質構造比較復雜，而東部相對簡單。地層走向 NW，傾向SW，傾角 3°～15°，一般為 5°左右。該井田煤層氣以及煤炭開采受到陷落柱分布于發育的很大影響。

根據已有的實驗以及現場經驗可知，陷落柱越是高度發育和密集分布時，煤層氣穩定性以及分布均會受到較大影響。因此，對于西曲煤礦陷落柱發育特征以及分布規律的探討，在煤層氣安全開采以及最大開采化方面有著重要的意義。

1 西曲煤礦陷落柱形成及控制因素

陷落柱，也被稱為無炭柱，具體就是指煤田中可溶性巖層基于長時間地下水徑流作用后，逐漸被溶蝕成裂隙、較大的孔隙甚至孔洞，伴隨著上述徑流作用的強度及時間的加大，孔洞以及裂隙逐漸蔓延和發育，上部巖層基于地質構造作用以及巖層重力的共同作用最終發生垮落崩塌，形成的特殊構造稱之為陷落柱。

由于陷落柱形成過程復雜，因此其內部巖石巖性以及成分也非常復雜。結合以往的研究結果得出，沁水盆地的陷落柱在其平面上呈現4中不同的形狀：圓形、橢圓形、長方形和不規則形；剖面上有6中不同的形狀：圓柱狀、圓錐狀、漏斗形、斜臥形、反漏斗形和不規則形。另外，依據陷落柱的發育程度及其與每層的接觸關系，將陷落柱分為3類：通天柱、半截柱和下伏柱；還可以由頂部巖石對應的充填程度分類，即頂空柱和頂實柱。

位于沁水盆地南部的西曲煤礦井田，根據地質條件等因素發現其形成陷落柱以及控制因素有：構造、下伏熔巖以及水動力等。

1.1 水動力的影響

位于西曲煤礦井田以及附近含水層根據從下到上順序依次是上馬家溝組巖溶裂隙含水層（O2s2+3）、峰峰組巖溶裂隙含水層（O2f2）、下馬家溝組巖溶裂隙含水層（O2x2+3）、奧陶系巖溶裂隙含水巖組、太原組砂巖夾薄層灰巖裂隙含水巖組（C3t）、山西組砂巖裂隙含水層（P1s）、石盒子組砂巖裂隙含水層（P2s+P1x）、松散層孔隙含水層（Q）。富水性最強的含水巖層為奧陶系巖溶裂隙含水巖組，煤層氣開采以及煤炭回采均會受到該含水層帶來的較大影響；此外位于峰峰組含水層含水性在部分區域較強，煤層氣開采也會因此受到一定影響。

單斜構造是西曲煤礦井田的最明顯地質特征，井田內部會聚集大量從東部流入的地下水，這也是形成陷落柱的最主要的水動力。

1.2 下伏溶巖的影響

西曲煤礦煤系地層有兩大發育地層，其一是山西組巖層；其二是太原組巖層。盡管太原組夾有石灰巖，且具有很強的含水性，但是巖層很薄，不足以形成落差較大的陷落柱。差位較大的陷落柱通常多在中奧陶統（下馬家溝組、峰峰組及上）形成，厚度往往較大。此外，由于奧陶系石灰巖與上覆含煤地層兩者距離較近，上覆地層可能會因為陷落柱的形成而被貫穿，因此煤層之間連接以及煤層頂底板穩定狀態也可能會被破壞。因此，西曲煤礦陷落柱主要地層為奧陶系石灰巖地層。

1.3 地質構造的影響

西曲井田位于太原西山向斜的北部邊緣，主要受NE、NEE向的斷裂構造影響，西山煤田屬華北晚古生代聚煤盆地，其形成始于中石炭世，終止的時間從成煤的角度看，大致止于早二疊世晚期；而如果根據盆地發育方向來看，該煤田終止于中三疊世末。中生代燕山運動是西山煤田構造格局形成的直接因素，而改造主要受到了新生代喜山運動的作用。

奧陶系中的石灰巖由于強烈的地質構造作用而發生裂隙發育現象，這也是含水層中水體流經的通道，上覆巖層也會因此特殊地質作用受到地下水帶來的溶蝕作用。隨著地下水在巖層中的長時間徑流作用，逐漸對可溶性巖層產生一定程度的溶蝕，進而在巖層中形成裂隙和孔洞，如果孔洞以及裂隙發育程度不斷上升，上覆巖層會因為巖層重力以及巖層基地上升兩者作用發生坍塌與垮落現象，這也是陷落柱形成的直接原因。

2 西曲煤礦陷落柱發育及分布特征

2.1 陷落柱發育特征

根據礦方提供的資料及實際采掘情況，西曲煤礦井田內陷落柱大小不一，形狀各異，平面多為不規則的圓形或橢圓形。其長軸長度為11～160m，平均為45m；短軸為21～136m，平均為29m。陷落柱面積 16～16236m2，平均 1454m2。縱斷面多呈錐形，柱壁角一般為75～85°，過去多采用75°。基于前人研究分析結果，將該礦區陷落柱壁角取84°左右。

圖1 西曲煤礦已發現陷落柱情況

對于西曲煤礦，由于不同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，陷落柱對應的大小以及平面形狀存在較大區別，圍巖和陷落柱的柱體兩者接觸面通常表現為鋸齒狀。陷落柱內進行充填的物體形狀雜亂，巖性也非常復雜，由砂巖、灰巖等巖層構成的巖塊，直徑較大的能達到幾米，較小的則僅僅幾毫米，泥巖、煤層等較軟弱巖層破碎成較細的顆粒或粉末狀充填于石灰巖和砂巖的塊隙之間。在其周圍煤層裂隙增多，并伴有小斷層，有些地方煤層傾角明顯增大，具牽引現象。

2.2 西曲煤礦陷落柱分布特點及規律

由西曲煤礦采掘等地質資料可知，目前已發現探明陷落柱多集中在背斜、斷層以及向斜周邊，多分布在中心軸部附近；呈現在平面上的形狀為圓形和橢圓形，分布比較均勻，如圖2所示。井田中西部為該礦陷落柱集中分布區域，主要采區有：南三、南四、南五以及南六。整體符合分區、分帶特性。在該分布范圍內的2+3號煤層中陷落柱的密度達到每平米15個左右；井田內所有的為每平米4.08個，而且下組煤內的陷落柱分布的集中程度要大于上組煤的分布密度。煤層的連續性因為受到高度發育以及高密度分布的陷落柱而造成破壞，工作面正常采掘也因此受到很大影響。當工作面進行回采時，常常會因為遇到陷落柱而迫使工作面搬家或繞道，增加了回采難度，浪費資源的同時又使采掘接替變的緊張；此外當回采越過陷落柱時往往使得采出的煤灰分上升，煤質也因此不斷下降。

3 陷落柱對煤層氣分布及開發的影響

圖2 西曲煤礦8號煤層采區劃分及陷落柱系數分區圖

3.1 陷落柱對煤層氣分布的影響

影響煤礦煤層氣分布的因素有很多，除了煤層自身的因素之外，還有一些諸如地質構造、水文條件等的外在因素，煤層氣被影響的主要地質構造因素最重要的因素之一便是陷落柱。如果陷落柱分布情況為帶狀或者區域性時，煤層氣受到陷落柱影響多表現為氣體含量中，也就是說煤層氣分布受到陷落柱雙重性的影響。

1）煤層氣通常在陷落柱附近會發生積聚現象。煤層氣因為陷落柱本身的特征會發生運移現象，通常在陷落柱內為由下而上。如果上部的密封性較好，況且直通表土層的孔隙和通道也不存在，這時含水層的富水性和導水能力就會很差，煤層氣聚集區特別容易在陷落柱內形成。陷落柱位于表土層下通常不會形成直通地面大量的通道與孔隙，煤層氣整體賦存條件良好，集中區域主要位于陷落柱周圍。下伏類的陷落柱盡管不能夠影響煤層氣的散失，但是由于煤層下伏地層的厚度降低，另一步加劇了煤層氣壓裂排采時的潛在危險。

2）煤田內的煤層氣含量可能因為存在陷落柱而得到下降。煤層氣成藏在沒有形成陷落柱前通常是完整封閉的系統；但是這個完整系統會受到逐漸形成的陷落柱的破壞，首先是局部破壞，緊接著不斷有斷層和裂隙發展形成，最終陷落柱變為煤層和奧陶系中石灰巖兩者的貫通連接通道。如果該通道也連接了地表水、老窖水或者是地層中的強含水層，此時的煤層氣會受到水的流動循環作用而被轉移在各個區域。此外，通常巖層的普氏系數要比煤層大很多，當形成陷落柱時，煤層會受到巖層的垮落作用也發生坍塌垮落，煤層會因此而變形破碎，地下水沖刷煤層的幾率也會由此上升；地層壓力也會因為形成的陷落柱而發生下降，煤層機制表明的煤層氣特別容易發生解吸現象，這就會迫使陷落柱周圍以及內部游離狀態的煤層增加。綜合前文提到的各種因素作用，位于陷落柱中的煤層氣含量下降幅度很大。陷落柱類型不同對煤層氣造成的效果也是不一樣的，如煤層氣在通天型陷落柱內會直接運移到地表；煤層氣位于半截型的陷落柱內并不會直接被運移到地表，但是該陷落柱可以將煤層頂底板直接貫穿，也會起到同樣的效果，使煤層氣隨著地下水的流動發生運移擴散。

西曲煤礦已發現的陷落柱通常垂直穿過各煤層，即在陷落柱存在區域附近各煤層呈連通狀態，位于巖層煤層周邊的應力會因為陷落柱的存在而得到釋放，煤層氣成藏的封閉系統也因此得到分解從而擴散到附近位置。因此煤層氣聚集程度因為陷落柱的出現而發生較大幅度的下降。該礦區井田8#煤層尤其是南部、東部對應的煤層氣含量很高，密度已經超過了17m3/t，然而位于東部附近位置對應的煤層氣密度較低。因此，西曲煤礦8#煤層對應的煤層氣含量受到陷落柱作用而產生較大的影響。

此外，基于現場實測的地質等資料可知，該礦區內的位于某采區工作面中陷落柱周邊巷道處的煤壁中，有陷落柱處測得的瓦斯含量為6.11～6.45m3/t，而無陷落柱處測得的瓦斯含量為12.39m3/t。這充分說明，瓦斯排放與陷落柱存在存在正向相關作用。當煤層氣在抽采時碰到地層中的陷落柱時，抽采效果會因此下降，發生工程事故，由此帶來較大的經濟損失。

當陷落柱位于煤層氣井壓裂過程當中，會因為陷落柱而造成一定影響。通常將排水降壓技術運用到煤層氣地面排水中，如果此時陷落柱與壓裂的煤層氣井互相貫通，不但抽排水為外來水，而且會導致排采降壓受阻，煤層氣壓裂井極易出現產水量大、氣少的現象，最終導致整個抽采工程的失敗。

由上文分析可知，西曲煤礦內部的陷落柱絕大多數都是處在奧灰巖層與煤系地層兩者中間，雖然自然狀態中的陷落柱不導水，但是其導水性能處于回采動壓情況時也會發生改變，因此煤系地層和奧灰水巖層兩者常常因為陷落柱而被貫通。

4 結論

西曲煤礦陷落柱的分布特點為：呈散狀分布于井田斷層、向斜及背斜附近，呈圓形或橢圓形，具有整齊分散排列出現的特征。陷落柱的分布特征及規律影響著西曲煤礦煤層氣的分布與開發。

1）西曲煤礦陷落柱的分布特征對8號煤層的煤層氣含量影響較大，陷落柱周邊區域內煤層氣含量降低；

2）陷落柱倘若貫通煤系地層與奧灰水巖層，將會對煤層氣鉆井、壓裂及其抽采產生不良的影響；

3）只有精準掌握井田內煤層氣的分布特征及情況，同時制定相對合理可行的技術措施，西曲煤礦將來在煤層氣的開發工程中才能取得成功。