袁振江 王星亮

大同礦區(qū)陷落柱特征及對(duì)開采的影響分析

袁振江 王星亮

分析了大同礦區(qū)陷落柱形成的原因及特征，進(jìn)而分析了陷落柱對(duì)生產(chǎn)的影響，提出了在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中對(duì)陷落柱的預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)方法。

大同礦區(qū)；陷落柱特征；陷落柱預(yù)測(cè)

大同礦區(qū)是我國(guó)主要的煤炭基地之一，面積遼闊，儲(chǔ)量豐富，在我國(guó)的能源行業(yè)中占有重要的地位。大同煤田所含的兩個(gè)主要煤系地層分別為距今約3.5億年～2.8億年之間沉積的上古生界石炭系上統(tǒng)太原組及距今1.9億年～1.4億年之間沉積的中生界侏羅紀(jì)中統(tǒng)大同組。由于奧陶紀(jì)末期華北大部分地區(qū)抬升為古陸區(qū)未接受地層沉積，因此在大同煤田范圍內(nèi)下古生界奧陶系及寒武系與其上覆石炭系呈不整合關(guān)系，中間缺失志留系和泥盆系。

由于寒武、奧陶時(shí)代華北乃至全國(guó)大部分地區(qū)持續(xù)海侵，因此沉積了相當(dāng)穩(wěn)定的幾百m到上千m的巨厚碳酸鹽類地層，也即我們今天所看到的出露廣泛的石灰?guī)r。

正是這些巨厚的石灰?guī)r，成為我們現(xiàn)在所看到的各礦區(qū)所賦存的眾多陷落柱的直接原因之一。陷落柱較為發(fā)育的煤田，可采煤層在一定范圍內(nèi)失去可采價(jià)值，或嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，降低采掘效率，提高生產(chǎn)成本，威脅生產(chǎn)安全，甚至縮短礦井年限。因此，對(duì)陷落柱的研究具有很直接的現(xiàn)實(shí)意義。

大同礦區(qū)受陷落柱的影響較為常見。礦區(qū)內(nèi)西北部的礦井受陷落柱的影響較大，礦井內(nèi)部所揭露的陷落柱形態(tài)各異，大小差異較大。陷落柱長(zhǎng)軸從十幾m至幾百m不等。

圖1為陷落柱空間形態(tài)剖面的一種（見圖1）。

圖1 陷落柱的空間形態(tài)剖面之一

1 陷落柱的特征

1.1 陷落柱的時(shí)間特征

按陷落柱與煤系形成的相對(duì)時(shí)間關(guān)系可分為兩大類。

一類為：煤系地層沉積之后，但在煤系地層成巖之前，即成巖過程中形成的陷落柱，稱其為同生陷落柱。這類陷落柱由于在其陷落過程中上覆煤系地層還未成巖而具有松軟、可塑性大的特點(diǎn)，規(guī)模大的其陷落角較小，陷落面較為規(guī)整平緩，在陷落柱邊緣煤層由于受擠壓的作用而變薄并逐漸尖滅，且煤層內(nèi)有侵入的塊度不等的巖體，陷落柱中心巖塊較大，且在一定范圍內(nèi)保持明顯的翻卷或平行層理。如大同礦區(qū)四臺(tái)礦11#層402盤區(qū)402-1巷400 m處揭露的陷落柱就較為典型。該陷落柱巷道揭露280余m，根據(jù)巷道揭露的形態(tài)，揭露段并非陷落柱長(zhǎng)軸方向，因而該陷落柱的規(guī)模更大。見圖2。

圖2 大同礦區(qū)四臺(tái)礦402盤區(qū)402-1巷揭露的大型同生陷落柱

規(guī)模小的，其陷落面較陡立，陷落中心乃至整個(gè)陷落柱層理清晰連續(xù)，如大同礦區(qū)四臺(tái)礦11#層402輔2盤區(qū)8209工作面5號(hào)陷落柱 (見圖3）。

圖3 大同礦區(qū)四臺(tái)礦402輔2盤區(qū)揭露的小型同生陷落柱

另一類為：煤系地層成巖之后形成的陷落柱，稱之為后生陷落柱。此類陷落柱其陷落邊緣較為陡立，陷落面雜亂而參差交錯(cuò)，陷落中心破碎而雜亂無章，塊度不一。大同礦區(qū)四臺(tái)礦11#層402輔2盤區(qū)8205，8207工作面揭露的陷落柱大多為此種類型（見圖 4）。

圖4 大同礦區(qū)四臺(tái)礦402輔2盤區(qū)揭露的后生陷落柱

1.2 陷落柱的空間特征

一般來說，陷落柱的空間形態(tài)為上大下小或上小下大的柱體，如果巖溶上部為松軟且含水較多的巖系時(shí)，在上部巖層陷落過程中影響范圍逐漸擴(kuò)大，更大范圍的巖層向陷落中心集中，形成上大下小的漏斗狀柱體。

如果巖溶上部的巖系為質(zhì)地堅(jiān)硬致密、且含水層相對(duì)較少時(shí)，則陷落柱在陷落過程中其上部巖層的破碎冒落范圍會(huì)逐漸縮小，形成上小下大的柱體。

受區(qū)域巖性的不同或地質(zhì)構(gòu)造的影響，絕大多數(shù)陷落柱的空間形態(tài)并非規(guī)則柱體，同一陷落柱往往在不同區(qū)段有不同的圓心，其空間形態(tài)猶如一個(gè)搖擺不定的大型龍卷風(fēng)。

2 陷落柱與其他構(gòu)造的關(guān)系

地層巖石由于地殼運(yùn)動(dòng)的影響，總會(huì)受到由擠壓作用產(chǎn)生的剪切力或由拉伸作用產(chǎn)生的張力的破壞。這些不同性質(zhì)的力如果超過巖石本身的強(qiáng)度極限，則巖層及巖體就會(huì)產(chǎn)生斷裂或扭曲，有斷裂的存在就會(huì)給水的流動(dòng)創(chuàng)造良好的流通通道。如果這種斷裂產(chǎn)生在具有可溶性的碳酸鹽類巖層中，就會(huì)給巖石溶洞的形成創(chuàng)造了所有的條件。因此，陷落柱與其他地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系密不可分。

客觀上來講，陷落柱的分布其規(guī)律性也比較明顯。陷落柱往往會(huì)成片成串地產(chǎn)生其原因也在于此，當(dāng)然也有其他因素的綜合原因。單從地質(zhì)構(gòu)造的角度來看，地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的破壞作用有應(yīng)力集中反應(yīng)的區(qū)域，當(dāng)然也就會(huì)有應(yīng)力反應(yīng)相對(duì)緩和的區(qū)域。受力集中的區(qū)域其整套巖系受破壞產(chǎn)生的構(gòu)造密度相應(yīng)會(huì)增加，如斷層和節(jié)理的規(guī)律性分布現(xiàn)象，就有力地說明了這一問題。

因此我們可以認(rèn)為巖溶陷落柱的分布直接同其他地質(zhì)構(gòu)造，特別是斷裂構(gòu)造有密不可分的關(guān)系。對(duì)這一規(guī)律性的研究與探討，會(huì)為我們的實(shí)際生產(chǎn)起到指導(dǎo)性的作用。

3 陷落柱對(duì)生產(chǎn)的影響

單從地質(zhì)構(gòu)造的角度來說，井田中陷落柱對(duì)生產(chǎn)的影響，是僅次于斷層的破壞性地質(zhì)構(gòu)造類型。在陷落柱密集區(qū)，陷落柱對(duì)礦井的危害甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過斷層。其危害主要表現(xiàn)在對(duì)礦井儲(chǔ)量、生產(chǎn)成本以及其他各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響。

3.1 陷落柱對(duì)礦井儲(chǔ)量的影響

由于陷落柱在空間形態(tài)上是從寒武、奧陶石灰?guī)r開始陷落，往上逐漸破壞石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系等主要煤系地層，特大型的陷落柱甚至貫通至地表形成“天坑”。在陷落柱破壞區(qū)域內(nèi)一套甚至幾套煤系地層中的煤層全部被嚴(yán)重破壞。以本文圖2所述的大同礦區(qū)四臺(tái)礦11#層402盤區(qū)402-1巷400 m處揭露的陷落柱，以預(yù)測(cè)其短軸為300 m、長(zhǎng)軸為340 m為例計(jì)算，可以列出如下算式：

式中：T——被破壞的總地質(zhì)儲(chǔ)量，t；

M——大同煤田石炭系至侏羅系煤層預(yù)計(jì)總厚，m，本文以50 m計(jì)算；

r——煤的容重，本礦取1.31 t/m3；

S——陷落柱影響面積。

則：T=80 384×50×1.31=4 019 200 t.

如果以市價(jià)650元/t計(jì)算，

則：Y=650×4 019 200=2 612 480 000元。

由上計(jì)算，儲(chǔ)量破壞401.92萬t，經(jīng)濟(jì)損失26.1億元。

3.2 陷落柱對(duì)其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響

3.2.1 陷落柱對(duì)礦井開拓過程的影響

在有陷落柱賦存的井田中，如無提前預(yù)測(cè)，礦井井巷開拓過程往往會(huì)突然遇到陷落柱，為此改變井田設(shè)計(jì)幾乎不可能，唯一的辦法就是硬過。由于巖體的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層，就會(huì)出現(xiàn)由此引發(fā)的一系列困難，如開拓進(jìn)度慢、安全系數(shù)低、開拓成本增加以及火工品管理和其他勞動(dòng)組織管理等等問題。

3.2.2 陷落柱對(duì)回采過程的影響

隨著國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)政策新的要求以及采煤配套設(shè)備整體性能的增強(qiáng)，綜采工作面的走向長(zhǎng)度和傾向長(zhǎng)度都在不斷加大，有的工作面甚至達(dá)到250 m×5 000 m。如此大面積、大規(guī)模的工作面在井巷開拓過程中把陷落柱圈進(jìn)去那也是常有的事。

在工作面回采過程中一旦遇到陷落柱，就會(huì)產(chǎn)生比開拓時(shí)遇到陷落柱更大、更多的困難，如頂板管理、機(jī)電設(shè)備管理、工程質(zhì)量管理、煤質(zhì)管理、火工品管理和勞動(dòng)組織管理、水害預(yù)防等。由此引發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)的安全問題更是不容忽視，因此必須提前制定縝密的各環(huán)節(jié)的應(yīng)對(duì)措施，以確保安全生產(chǎn)。

4 陷落柱的預(yù)測(cè)

任何學(xué)術(shù)方向的研究最終都是為生產(chǎn)服務(wù)。煤礦生產(chǎn)作為一個(gè)特殊的生產(chǎn)行業(yè)，需要探討許多方面的問題以確保其安全生產(chǎn)。如前所述，陷落柱是礦井生產(chǎn)的主要障礙之一，因此在井田勘察及開拓準(zhǔn)備階段對(duì)陷落柱的位置、規(guī)模及其巖性、四鄰地質(zhì)構(gòu)造、水文關(guān)系等有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)，這就可以使我們提前做好應(yīng)對(duì)措施，做到有備無患，真正落實(shí)“安全第一、預(yù)防為主”的安全理念，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有著直接的生產(chǎn)意義。

4.1 陷落柱的地表觀測(cè)與探測(cè)

礦區(qū)地面調(diào)查時(shí)，利用地形航拍、人工勘測(cè)和鉆探物探的方法對(duì)地貌異常區(qū)，如盆狀、坑狀塌陷區(qū)，柱狀破碎帶及特殊地貌形態(tài)等進(jìn)行定點(diǎn)詳細(xì)勘察和探測(cè)，對(duì)其形狀、大小、巖層產(chǎn)狀、巖性等進(jìn)行詳細(xì)記錄，并圈定其地面位置，為以后的礦井設(shè)計(jì)和建設(shè)做好地質(zhì)資料的準(zhǔn)備。

4.2 陷落柱的井下預(yù)測(cè)觀測(cè)

礦井開拓和開采過程中，如果接近陷落柱，一般會(huì)產(chǎn)生巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、水文變化、煤體變化等的異常預(yù)兆。

①同生陷落柱往往會(huì)影響本陷落柱四周煤巖層的產(chǎn)狀，陷落柱周圍的煤巖層都會(huì)不同程度地向陷落柱中心傾斜。傾斜角度的大小會(huì)受到陷落柱規(guī)模和巖系性質(zhì)的影響，巖系松軟則傾斜角度較大，巖系堅(jiān)硬性脆則傾斜角度較小。

②接近陷落柱附近，常常會(huì)有小斷層及裂隙的密集出現(xiàn)和增多。同一方向密集出現(xiàn)的小斷層會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階狀的產(chǎn)狀，它們的傾向也幾乎趨于一致，即傾向于陷落中心。斷層和裂隙內(nèi)往往會(huì)充填白色高嶺土、黏土等。巷道內(nèi)頂?shù)装骞?jié)理發(fā)育、淋水增大、頂板破碎極易垮落。

③陷落柱可以導(dǎo)通地表水和地下含水層，常常會(huì)把地表水和地下水引導(dǎo)到井下巷道和工作面內(nèi)。

④由于陷落柱的導(dǎo)通作用，陷落柱周圍的煤體往往會(huì)發(fā)生氧化，出現(xiàn)煤質(zhì)變得酥松、煤體暗淡、煤體含水增大等現(xiàn)象。上述現(xiàn)象會(huì)受到陷落柱的規(guī)模、位置以及陷落柱的性質(zhì)等的影響而具有不同的程度。

井下如果出現(xiàn)以上異常情況，一般可以采用井下鉆孔、井下探巷、井下無線電波透視以及井下地震波探測(cè)的方法，以獲取陷落柱的具體位置、規(guī)模大小、導(dǎo)水性能等詳細(xì)地質(zhì)資料，以制定更加詳細(xì)的技術(shù)及安全組織措施，確保安全生產(chǎn)。

5 如何應(yīng)對(duì)陷落柱

5.1 礦井設(shè)計(jì)階段的應(yīng)對(duì)方法

在礦井設(shè)計(jì)階段，利用盡可能詳細(xì)的地質(zhì)資料，根據(jù)陷落柱的具體位置、規(guī)模大小和井田內(nèi)陷落柱的分布情況，合理布置盤區(qū)和工作面以及防水煤柱，做到既可以最大限度地利用煤炭資源，又有安全保證。

5.2 礦井開拓過程的應(yīng)對(duì)方法

礦井開拓過程一旦遇到陷落柱，首先用最可靠的方法獲取盡量多的該陷落柱的詳細(xì)信息，及時(shí)制定安全技術(shù)組織措施并貫徹到每一位參與施工的員工，嚴(yán)格按照安全措施要求加強(qiáng)支護(hù)和各個(gè)環(huán)節(jié)的管理，絕不能因?yàn)槿魏苇h(huán)節(jié)的疏忽而出現(xiàn)安全問題。

5.3 回采過程的應(yīng)對(duì)方法

由于回采工作面設(shè)備眾多，生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密，一旦遇到陷落柱，涉及到的問題相應(yīng)也會(huì)紛繁復(fù)雜。千萬不能存在任何麻痺大意和僥幸心理，必須制定嚴(yán)密的安全技術(shù)組織措施，貫徹到每一個(gè)參與施工的員工。不僅要讓員工了解陷落柱的產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)和存在狀態(tài)，更要讓員工知道我們已經(jīng)做了充分的準(zhǔn)備和應(yīng)對(duì)方法，在施工過程當(dāng)中應(yīng)該遵守哪些規(guī)章制度，應(yīng)該注意哪些環(huán)節(jié)的操作及異常，確保安全生產(chǎn)。根據(jù)大量的實(shí)踐摸索，筆者總結(jié)了一些效果很好的經(jīng)驗(yàn)供同行參考。

①實(shí)施深孔松動(dòng)爆破。大多數(shù)陷落柱內(nèi)的巖性結(jié)構(gòu)致密，硬度較大，不適合采煤機(jī)組強(qiáng)行截割，否則會(huì)損壞設(shè)備并造成更多環(huán)節(jié)的損失和安全隱患。最有效的方法就是采用深孔松動(dòng)爆破。具體操作為：用小型巖石電鉆在陷落柱段布置五花孔，孔深一般為5 m～10 m，深孔和淺孔在空間和時(shí)間上盡量交錯(cuò)布置。一定要采用正向裝藥的方法，以免打壞設(shè)備或引發(fā)其他安全問題。經(jīng)大量的反復(fù)試驗(yàn)，同一孔內(nèi)爆破用藥和封土間隔交錯(cuò)填裝的方法比一次集中裝藥然后封土的方法爆破效果要好得多。前者既可以保證超前爆破的頂板安全，還可以保證少拋出巖塊及爆破效果的疏密有致。切忌多孔一次爆破，以免造成頂板管理困難和拋出物大量堆積引發(fā)的設(shè)備啟動(dòng)困難，應(yīng)該采用逐個(gè)爆破和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備間隔進(jìn)行。

②制定符合相關(guān)規(guī)定的裝藥放炮及火工品管理制度并嚴(yán)格遵守執(zhí)行。

③組織好工序管理和機(jī)電設(shè)備管理。一定要讓員工認(rèn)識(shí)到松動(dòng)爆破的重要性。繁多的爆破準(zhǔn)備工作絕不能和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備生產(chǎn)形成對(duì)立，它們是個(gè)統(tǒng)一體，甚至前期的爆破工作還要放在首位。如果盲目強(qiáng)行截割生產(chǎn)搶時(shí)間，往往會(huì)適得其反，引發(fā)許多其他問題。其間的機(jī)電設(shè)備管理尤為重要。首先要抓好設(shè)備的檢修和維護(hù)，檢修班不僅要做好打孔爆破的工作，同樣重要的還必須抓好設(shè)備檢修維護(hù)，絕不能在此期間存在僥幸心理。要讓所有人員和所有設(shè)備以最佳的狀態(tài)，科學(xué)地組織到解決困難的戰(zhàn)斗當(dāng)中，做到安全生產(chǎn)，萬無一失。

此文僅是筆者多年生產(chǎn)實(shí)踐的觀察與總結(jié)，希望對(duì)煤礦管理及生產(chǎn)有一定借鑒作用，但難免會(huì)有不盡合理的錯(cuò)誤和疏漏，望廣大同行批評(píng)指正。

Discussion on the Features of Collapse Column in Datong Coal Mine and the Impact on Mining

Yuan Zhenjiang Wang Xingliang

This paper analyzes the formation and the features of collapse column in Datong Coal Mine,analyzes the influence of collapse column in the production and puts forward the prediction and presents the method of forecasting and preventing collapse column in the actual production.

Datong mine;the features of collapse column;the prediction of collapse column

TD742

A

1000-4866（2011）03-0021-04

袁振江，1995年畢業(yè)于北京煤炭工業(yè)學(xué)校（礦井地質(zhì)及煤田勘探地質(zhì)專業(yè)），現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)同生煤礦管理公司工作，助理工程師、國(guó)家注冊(cè)安全工程師。

2011-07-28

2011-08-12