葛泉井田巖溶陷落柱導水性分析

劉會盼

冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北邢臺 054102

1 礦井概況

葛泉井隸屬于冀中能源股份有限公司葛泉礦，由原煤炭部石家莊煤礦設計研究院設計。1983年12月開始建井，1989年10月20日建成投產。

根據勘探和煤礦開采揭露資料，地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系，缺失上元古界、上奧陶統、志留系、泥盆系和下石炭統，礦區上下組煤層開采均不同程度受陷落柱災害性突水威脅。葛泉井田之內隱伏奧灰巖溶陷落柱數量眾多，已發現和揭露陷落柱89個。作為奧灰水特殊的垂直導水通道，導水陷落柱使上、下煤組的開采更具災害性突水威脅。而導水陷落柱探查與防治是華北型煤田礦井水害中最為復雜、最具威脅的類型[1]。

2 陷落柱的分布

葛泉井田共發現陷落柱89個，其中井下生產過程中采掘工程及鉆探工程實際揭露陷落柱69個，經地面物探、鉆探工程控制，但未回采揭露的有20個。實際揭露的69個陷落柱，均為不導水陷落柱，其中橢圓形（或近橢圓形）陷落柱有37個，不規則形陷落柱有12個，圓形（或近圓形）陷落柱20個。其最長長軸208m，最短長軸9m，平均長度62.7m，最長短軸76m，最短短軸6m，平均長度34.1m，其面積也不盡相同，面積最大者可以達到14250m2，最小的只有70m2。

井田陷落柱結構致密、軸線垂直巖層面、絕大多數干燥、無水，以形成時期較早、目前已停止發育的古陷落柱為主。陷落柱分布具有以下特征：

（1）密集成群型。在已揭露的陷落柱中，大多數陷落柱均密集成群分布，單個陷落柱孤立發育而附近無其它陷落柱分布的情況很少。分析原因有二：一是與奧灰巖溶發育密集成帶有關；二是有些距離較近的幾個小陷落柱，深部很可能相連屬于同一個大陷落柱。如1328運輸見到的X303與X307陷落柱，已打鉆證實為同一個陷落柱[2]。

（2）網絡帶狀分布性。井田已揭露的陷落柱主要沿NE、EW、NW三個方向密集成帶分布。這三個方向代表了構造運動、深部巖溶、裂隙發育的主導方向。其中，NE向條帶最為發育，井田北翼自北向南可劃分出3個NE向、6個EW向和10個NW向密集帶，基本囊括了已發現陷落柱中的90%以上。在各密集之間，陷落柱稀疏，發育規模較小。其中，NE向和EW向帶內陷落柱平均密度分別為20.7和18.7個/km2，大大高于井田平均密度14個/km2。

（3）似等距分布性。從平面上看，上述陷落柱密集帶總體上呈近等距平行分布。其中，NE條帶間距200m左右，EW向條帶間距400-600m，而NW向條帶與NW向構造密切相關，條帶間距在300-800m，這種似等距分布，主要與基底控溶構造發育的等距性有關。

（4）構造控制性。井田位于西、南部邊界斷層F4、F5的上盤，NE向陷落柱密集帶的展布與邊界斷層近于平行，在南翼有隨F4走向發生偏轉的趨勢。井田內陷落柱沿北西向斷層成條帶發育規律也比較明顯，且陷落柱多集中發育在斷層上盤，比如斷層F117、F7、F2。陷落柱與蓋層構造（煤系地層構造）關系不大。幾個密集帶有的沿褶皺軸部發育，有的沿一翼發育，有的沿斷層發育，有的垂直褶皺發育。陷落柱往往與小斷層存在有很大關系，表明二者具有某種因果成因聯系[3]。

3 巖溶陷落柱導水性分析

葛泉井田放水試驗觀測數據分析，查明大青灰巖主滲流方向自西南向東北，三個陷落柱區段均顯示不同程度的高水位異常，且水位降深較小，難以疏降，表明陷落柱導水；在此基礎上，建立了葛泉井田大青灰巖含水層三維地下水流動模型，并通過放水試驗觀測數據對模型進行參數擬合和校正，得出總排泄水量在500m3/h左右，其中陷落柱貢獻率約占80%，即400m3/h，即為陷落柱正常涌水量。

（1）對大青灰巖水補給條件的認識：本區大青灰巖主要補給水源為奧陶系灰巖水，主要補給通道為試驗區西南側斷層帶。

（2）對大青灰巖水徑流場的認識。本區大青灰巖主流場方向自西南向東北，從三采區西南側—下解向斜軸部—東北部伍仲煤礦，即由深部向淺部運移。地下水徑流條件基本暢通，說明大青灰巖含水層巖溶裂隙普遍發育，且連通性好。

（3）對大青灰巖水排泄條件的認識。伍仲煤礦下組煤開采區為本區大青灰巖集中排泄區，總排泄水量在500m3/h左右。分析認為，由于8#、9#煤層的開采，頂板垮落疏水與人工鉆探疏降使原有的地下水均衡條件被打破并重組，形成帶有鮮明特征的人工疏降漏斗，其影響范圍已經波及本區中部四采區全部及三采區局部塊段。客觀上使本區5#煤層底板隔水層所承受的大青水壓力有所緩解，但是從長遠來看，一旦伍仲煤礦發生奧灰水突出事故或因資源枯竭而閉井，勢必使本區大青灰巖水位迅速抬升，使5#煤開采底板突水危險性增加，且使伏青、野青等薄層灰巖含水層富水性增強，從而使本區礦井涌水量大幅度增加，給礦井排水系統造成承重負擔。因此，必須嚴密監測伍仲煤礦開采及水害情況。

（4）對垂向導水通道發育情況的認識。通過三維模擬計算對斷層含導水性進行分析后不難發現，本區多條斷層為導水斷層或局部導水斷層，使奧陶系灰巖水通過斷層帶與大青灰巖含水層發生水力聯系。其中包括F2、F17-1局部、F12、F202局部等。但是上述斷層是否已經使奧灰水導升至5#煤底板尚不清楚。因此在5#煤巷道開拓掘進過程中應該加強對上述斷層的探查。

4 結語

為了預防巖溶陷落柱引發礦井水害的發生，對陷落柱分布和導水性研究分析尤為重要。葛泉井田內陷落柱廣泛發育，必須對陷落柱的導水性進行深入而細致的研究，一旦采掘工作面揭露巖溶陷落柱時引起奧灰水進入工作面，就會造成非常嚴重的水災事故。