李吉云

（山西煤炭地質(zhì)局148勘查院，太原 030024）

陷落柱在煤礦生產(chǎn)中的影響作用分析

李吉云

（山西煤炭地質(zhì)局148勘查院，太原 030024）

陷落柱的存在，對(duì)煤礦的安全與經(jīng)濟(jì)效益都有很大的影響，針對(duì)陷落柱的危害，結(jié)合生產(chǎn)礦井中的實(shí)際案例，對(duì)其形成的機(jī)理、對(duì)煤炭的破壞作用、導(dǎo)水性對(duì)礦井生產(chǎn)的影響及對(duì)瓦斯涌出的影響進(jìn)行了分析，給出避免或減少因陷落柱而引起的地質(zhì)災(zāi)害的建議，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

陷落柱；地下水；瓦斯；通道

巖溶陷落柱在山西的西山煤田、霍州煤田、寧武煤田比較發(fā)育，由于陷落柱的存在，使得煤礦煤層連續(xù)性遭到破壞，影響了采煤工作面的正常布置與推進(jìn)，而且也造成了煤炭資源的大量損失，打亂了煤礦正常的生產(chǎn)計(jì)劃，降低了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦區(qū)，陷落柱有可能成為地下水或采空區(qū)積水的通道，造成礦井突水；在礦井瓦斯含量較高的礦區(qū)，陷落柱也可以成為瓦斯釋放的通道，造成井下瓦斯涌出情況發(fā)生異常，甚至出現(xiàn)瓦斯事故。因此，對(duì)陷落柱的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 陷落柱形成機(jī)理分析

陷落柱的形成具備3個(gè)條件：

1）地層中存在可溶性的巖層、礦層。在山西的西山煤田及霍州煤田、寧武煤田的煤系地層中存在多層的石灰?guī)r，而在其煤系地層的基底發(fā)育有峰峰組、馬家溝組地層，發(fā)育有厚層的石灰?guī)r、白云巖或石膏，因此這些煤田的礦區(qū)具備形成巖溶陷落柱的基本條件。

2）有豐富的地下水資源。地下水中含有二氧化碳，二氧化碳與水形成酸性的碳酸，碳酸在地?zé)帷⒌貕旱茸饔孟?，與不溶于水的石灰?guī)r產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使得不溶性的石灰?guī)r轉(zhuǎn)化為可溶性的碳酸鹽類，在長期的化學(xué)反應(yīng)下，不溶性的固態(tài)巖石轉(zhuǎn)化為液態(tài)的可溶性物質(zhì)，使得原來平衡的空間狀態(tài)發(fā)生改變，地下水對(duì)固態(tài)巖石的浮力支撐現(xiàn)象減小或消失，在重力的作用下不斷崩塌，并不斷向上發(fā)展成為一個(gè)洞體，最終形成今天許多井田或礦區(qū)形形色色的陷落柱體。

3）地下水具有流暢的排泄口。依據(jù)山西省泉域分布情況，西山煤田、寧武煤田、霍州煤田煤系地層基底的含水層有比較穩(wěn)定的流場(chǎng)，西山煤田一般屬于晉祠泉域或蘭村泉域，寧武煤田有的屬于蘭村泉域或馬圈泉域，霍州煤田一般屬于郭莊泉域，總之它們的地下水都有比較明確的排泄途徑和排泄口，因此地下水活動(dòng)區(qū)域的不溶性固態(tài)物質(zhì)在地下水的不斷溶蝕作用下，通過地下水的流動(dòng)搬運(yùn)到異地，周而復(fù)始的搬運(yùn)作用，加速了巖溶陷落柱的發(fā)展擴(kuò)大。

2 陷落柱對(duì)煤炭資源的破壞作用

2.1影響煤層的連續(xù)性與資源量

在礦區(qū)采掘時(shí)發(fā)現(xiàn)的陷落柱，表現(xiàn)為陷落柱密集、單位面積內(nèi)發(fā)育多，這與當(dāng)時(shí)進(jìn)行井田勘探時(shí)的陷落柱構(gòu)造情況發(fā)生了較大的變化；在我們所接觸到的煤礦中，西山煤田的官地煤礦、白家莊煤礦、杜兒坪煤礦、霍州煤田的辛置煤及寧武煤田靜樂礦區(qū)陷落柱較發(fā)育；依據(jù)煤礦構(gòu)造臺(tái)賬提供的資料，西山煤田的杜兒坪煤礦與官地煤礦揭露的陷落柱的控制面積接近井田面積的15%~25%，井田實(shí)際賦煤面積較勘探階段減少，井田的煤炭儲(chǔ)量相應(yīng)地減少，嚴(yán)重地壓縮了煤炭資源儲(chǔ)量的實(shí)際保有量；而煤炭資源保有量的減少，對(duì)礦井的實(shí)際服務(wù)年限產(chǎn)生較大的影響，對(duì)國家及企業(yè)的資金投入造成無法挽回的損失。各煤礦陷落柱的發(fā)育見表1。

表1 各煤礦陷落柱發(fā)育表

2.2影響礦井的井下采掘推進(jìn)

在已經(jīng)編制完成或已知的煤礦報(bào)告中，通過對(duì)礦井陷落柱資料分析發(fā)現(xiàn)，杜兒坪煤礦的陷落柱特別發(fā)育，如此發(fā)育且范圍大的陷落柱在生產(chǎn)中對(duì)采煤工作面的布置與推進(jìn)產(chǎn)生了很大的影響與困難；由于割煤機(jī)強(qiáng)行通過陷落柱導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)間損失、機(jī)械設(shè)備磨損與遷移，造成正常采煤工作周期的延長，對(duì)煤礦的生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)生較大的改變；同時(shí)對(duì)于分布范圍較小的陷落柱一般與煤層共同開采，對(duì)原煤的分選、煤質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致煤的灰分、發(fā)熱量等方面的改變。

3 陷落柱的導(dǎo)水性對(duì)礦井生產(chǎn)的影響分析

無論是勘探過程中發(fā)現(xiàn)的陷落柱，還是在井下采掘過程中揭露的陷落柱，其導(dǎo)水性對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有著較大的影響。

3.1帶壓較小或不帶壓的上部煤層揭露陷落柱對(duì)

礦井的影響

煤礦在開采上部山西組可采煤層時(shí)，如果揭露了陷落柱，那么開采下部的太原組地層煤層時(shí)也一定會(huì)揭露或遭遇同一個(gè)陷落柱。在已知的煤礦中，在開采上部煤層揭露的陷落柱中，依據(jù)煤礦防治水部門反映，一般均未發(fā)現(xiàn)有陷落柱大量涌水或突水現(xiàn)象發(fā)生，僅僅在揭露初期有少量滲水或淋水，過一段時(shí)間這些現(xiàn)象基本消失。

老礦井或兼并重組整合礦井大部分開采上部的山西組煤層，出現(xiàn)陷落柱不導(dǎo)水現(xiàn)象的原因有2個(gè)，其一是山西組大部分的煤礦床頂?shù)装搴畬痈凰暂^弱，大氣降水補(bǔ)給差，而且這些煤礦經(jīng)過了多年的開采，上部含水層水得到了疏排，即使陷落柱柱體內(nèi)巖石膠結(jié)不好也不會(huì)發(fā)生導(dǎo)水現(xiàn)象；其二是絕大部分的陷落柱原始柱體內(nèi)巖石膠結(jié)較好。

在開采下部煤層時(shí)，上部煤層已形成大面積的采空區(qū)，會(huì)存在采空區(qū)局部積水的現(xiàn)象，當(dāng)采掘經(jīng)過陷落柱時(shí)，滯后導(dǎo)水的現(xiàn)象可能發(fā)生，隨著采空區(qū)面積的不斷增大，在礦山壓力的作用下，陷落柱原有的膠結(jié)狀態(tài)發(fā)生活化，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水陷落柱，則上部采空區(qū)積水可能通過陷落柱直接饋入下部井巷中，造成事故。雖然目前沒有案例發(fā)生，但對(duì)于大部分的經(jīng)過兼并重組整合的礦井來說，由于采空區(qū)及采空區(qū)積水的普查工作難度大，在開采下部煤層時(shí)發(fā)生陷落柱導(dǎo)通采空區(qū)積水的可能性大，對(duì)礦井的潛在威脅是存在的。例如柳林王家溝煤業(yè)，以前開采上部的4、5號(hào)煤層，目前井田范圍內(nèi)的4、5號(hào)煤層已經(jīng)接近開采完畢，后期規(guī)劃開采下部的8、9號(hào)煤層；而依據(jù)對(duì)4、5煤層采空區(qū)的普查，有8處積水，積水量最大的區(qū)域正好位于8、9號(hào)煤層的規(guī)劃開采區(qū)，在該積水區(qū)有2個(gè)陷落柱，5號(hào)煤層與8號(hào)煤層的間距在25 m~38 m，8號(hào)煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度在46 m~53 m，因此在帶壓、底板擾動(dòng)帶、導(dǎo)水裂隙帶的作用下，陷落柱導(dǎo)通上部采空區(qū)積水的可能性大。

3.2帶壓嚴(yán)重區(qū)域揭露陷落柱對(duì)礦井生產(chǎn)的影響

在山西煤田的分布范圍內(nèi)，大部分的礦井開采屬于帶壓開采，也即為帶壓型煤礦床，地下奧灰水的水頭高度高于所開采的煤層底板賦存標(biāo)高。在西山煤田的大部分礦井，雖然屬于帶壓開采，然而通過水文地質(zhì)試驗(yàn)，證明其含水層富水性弱，屬于弱的含水層，屬于有壓無量，對(duì)礦井的正常開采影響不大，礦井的防治水工作難度較小。

汾源煤業(yè)、前文明煤業(yè)、辛置煤礦3個(gè)煤礦的陷落柱均發(fā)育，3個(gè)煤礦的井田范圍內(nèi)煤層基本上均帶壓，地下水水頭高度高于煤層最低標(biāo)高可達(dá)幾百米，含水層的富水性也較好，底板隔水層的厚度如辛置煤礦只有18.25 m左右，如果煤層開采產(chǎn)生的底板擾動(dòng)帶高度以18m~20m為基礎(chǔ)，那么如果在有陷落柱存在的區(qū)域，在地下水強(qiáng)大的水壓、礦壓、底板擾動(dòng)帶作用下，陷落柱構(gòu)造必然會(huì)成為地下水突入礦井的通道，存在奧灰突水的危險(xiǎn)性，因此對(duì)于這些煤礦的下部煤層，實(shí)現(xiàn)帶壓開采則必須加強(qiáng)對(duì)陷落柱構(gòu)造的探測(cè)與防治；汾源煤業(yè)、前文明煤業(yè)、辛置煤礦3個(gè)煤礦的奧灰突水性情況見表2。

表2 三煤礦奧灰水突水情況

4 陷落柱對(duì)礦井瓦斯涌出的影響分析

瓦斯在煤礦井下一般由壓力大的區(qū)域向壓力較低的區(qū)域運(yùn)移，而運(yùn)移的通道一般為巖層裂隙或構(gòu)造斷裂、陷落柱；在井下巷道采掘過程中，破壞了地層的平衡狀態(tài)，切割了裂隙、陷落柱、構(gòu)造斷裂，瓦斯會(huì)從巷道的四面八方通過裂隙、構(gòu)造斷裂、陷落柱向巷道涌出、釋放。下面通過潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)井下瓦斯監(jiān)測(cè)情況說明陷落柱對(duì)瓦斯的釋放、壓力卸載等影響。

在司馬煤業(yè)二采區(qū)1211工作面巷道掘進(jìn)過程中揭露了一個(gè)陷落柱（X3），1211工作面巷道掘進(jìn)過程中回風(fēng)巷瓦斯測(cè)試參數(shù)如下：回風(fēng)巷開口至1 167.7 m測(cè)試的瓦斯含量4.139 2 m3/t~7.117 m3/t（不包括陷落柱測(cè)點(diǎn)），平均為5.474 5 m3/t；瓦斯壓力為0.204MPa~0.386MPa（不包括陷落柱測(cè)點(diǎn)），平均為0.282 2 MPa；而在距離X3號(hào)陷落柱10m的2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的瓦斯含量與瓦斯壓力分別在3.896 0 m3/t~3.968 7 m3/t、0.181 MPa~0.185 MPa，臨近陷落柱測(cè)點(diǎn)的瓦斯含量與瓦斯壓力明顯低于其它測(cè)點(diǎn)測(cè)定的測(cè)定值，由此推斷陷落柱構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯的賦存有一定的影響，陷落柱在一定程度上起著瓦斯逸散的通道以及瓦斯壓力卸載的功能；而在對(duì)1211工作面回采過程中，在通過陷落柱（X3）時(shí)，瓦斯監(jiān)測(cè)濃度由0.2%突變?yōu)?.42%，而且在距離陷落柱離開20 m時(shí)，瓦斯監(jiān)測(cè)濃度由較低到0.2%左右，說明陷落柱對(duì)臨近層的瓦斯起到了通道作用，因此無論低瓦斯礦井還是高瓦斯礦井，在掘進(jìn)或回采過程中揭露陷落柱時(shí)，陷落柱對(duì)瓦斯的涌出都有一定的影響，這應(yīng)引起煤礦通風(fēng)部門的關(guān)注。

5 結(jié)束語

陷落柱的存在對(duì)煤炭資源的破壞屬于客觀存在，不可避免；但陷落柱的存在對(duì)煤礦生產(chǎn)中可能引發(fā)的水文、瓦斯等地質(zhì)災(zāi)害卻是可以通過各種技術(shù)手段避免或減少的，煤礦部門應(yīng)嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》開展防治水工作，采用井下的、井上的物探手段或鉆探手段，加強(qiáng)對(duì)采掘區(qū)域的超前探測(cè)工作，進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，為煤礦的安全生產(chǎn)提供必要的資料支撐。

[1]霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)煤礦水文地質(zhì)勘探報(bào)告[R].太原:山西煤炭地質(zhì)局148勘察院,2011.

[2]山西焦煤集團(tuán)有限公司杜兒坪煤礦礦山儲(chǔ)量年報(bào)[R].太原:山西煤炭地質(zhì)局148勘察院,2014.

[3]山西潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告[R].太原:山西煤炭地質(zhì)局148勘察院,2015.

[4]山西省霍州煤電有限責(zé)任公司辛置煤礦及擴(kuò)區(qū)勘探地質(zhì)報(bào)告[R].太原:山西煤炭地質(zhì)局148勘察院,2014.

（編輯：劉新光）

Effects of Collapse Columns on Production in Coal M ines

LI Jiyun
(No.148 Survey Institute,Shanxi Coal Geological Bureau,Taiyuan 030024,China)

Collapse columnsseriously affect the safety and economic benefits of coalmines.In view of the harm ful collapse columns,combined with the practical cases in coalmines,their mechanism of formation,destructive effect,water conductivity’s effect on mine production and gas emission were analyzed.The paper proposes some advice to avoid or reduce geological disasters caused by the collapse columns,which have practicalmeanings for the safety production inmines.

collapse columns;groundwater;gas;channel

TD 745

B

1672-5050（2016）06-045-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.014

2016-10-30

李吉云（1963-），山西原平人，本科，高級(jí)工程師，從事煤炭地質(zhì)、水文地質(zhì)、煤層氣勘查與報(bào)告編制工作。