高麗潔

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司地質(zhì)勘測(cè)處，山西 大同 037003）

陷落柱是煤層下伏碳酸鹽巖等可溶性巖層經(jīng)地下水溶蝕形成空洞，引起上覆巖層失穩(wěn)，向溶蝕空間冒落、塌陷而形成的似錐狀柱體。大同礦區(qū)陷落柱較為發(fā)育，使煤層遭受不同程度的破壞，給機(jī)械化開(kāi)采造成困難，嚴(yán)重的可使部分煤層失去開(kāi)采價(jià)值。陷落柱通常還是地下水的良好通道，給安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。因此，提高對(duì)陷落柱的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，具有十分重要的意義。

1 井田地質(zhì)

云崗井田位于大同煤田東北部，大同煤田主向斜軸的西翼，總體為一單斜構(gòu)造，地層平緩，走向NW，傾向NE，傾角一般2～6o。井田內(nèi)褶曲、斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，未見(jiàn)火成巖侵入[2]。

據(jù)地表出露及鉆孔揭露資料，井田內(nèi)的地層由老到新有：太古界集寧群基底；寒武系中上統(tǒng)160～200m；石炭系中統(tǒng)本溪組10～25m，上統(tǒng)太原組平均21m；二疊系下統(tǒng)山西組3～7m；侏羅系下統(tǒng)永定莊組17～51m，中統(tǒng)大同組130～274m，中統(tǒng)云崗組0～260m，平均190m；白堊系0～152m，平均35m；第四系黃土0～35m。

井田內(nèi)有較大的褶曲及穹隆構(gòu)造9個(gè)，軸向多為NE或NW向。據(jù)鉆探及生產(chǎn)揭露控制斷層159條有余。其中，斷距大于5m的26條，斷距1～5m的133條（包括個(gè)別斷距＜1m但延伸較大的斷層）。NE走向的斷層最為發(fā)育，共計(jì)94條，占59%。此組中多發(fā)育壓扭性斷裂，斷面擦痕明顯，破壞帶不發(fā)育，斷層呈條帶狀分布。NW向46條，占29%，多屬扭性斷裂，走向多為N35o～40oW，主斷層近于一直線(xiàn)。已揭露陷落柱50多處，形狀各異，大小不一，平面形態(tài)多為不規(guī)則的橢圓形。其中，長(zhǎng)軸大于50m的共24個(gè)，占總數(shù)的70.6%，下部煤層陷落柱數(shù)量多于上部煤層。

井田內(nèi)主要的含水層從下到上有：寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙承壓含水層，侏羅系中統(tǒng)大同組、云崗組砂巖裂隙含水層及第四系沖-洪積含水層。寒武系巖溶裂隙含水層是侏羅系煤系地層下伏的主要含水層，巖層以鮞狀、竹葉狀及厚層板狀灰?guī)r為主，巖溶裂隙較發(fā)育，富水性中等-弱，十里河以南水位標(biāo)高在1000～975m，其上覆地層為石炭系本溪組鐵鋁質(zhì)泥巖，厚10～25m，屬穩(wěn)定隔水層。該含水層上距侏羅系大同組最下部14#可采煤層平均約80m。侏羅系中統(tǒng)大同組、云崗組砂巖裂隙含水層受數(shù)十年采動(dòng)影響，已被疏干殆盡，成為礦井水外排。第四系沖-洪積層含水層主要分布在十里河河谷一帶，范圍較小，含水層由第四系全新統(tǒng)松散沉積物組成，厚5～10m。

十里河從井田中部通過(guò)，常年有礦井水補(bǔ)給，雨季是洪水排泄通道。少量河水經(jīng)地面滲漏間接轉(zhuǎn)化為采空區(qū)積水。礦井為十里河河床留設(shè)了保護(hù)煤柱。

2 410盤(pán)區(qū)西部地質(zhì)構(gòu)造及其發(fā)育規(guī)律

410盤(pán)區(qū)位于云崗井田西南部，十里河以南，面積約5.4km2。盤(pán)區(qū)主要可采煤層有2#、3#、7#、9#、12#。其中，12#煤層平均厚2.6m，僅盤(pán)區(qū)中部可采。410盤(pán)區(qū)西部煤巖層走向NW，傾向SW，傾角5～10°。區(qū)內(nèi)已揭露落差3m以上斷層4條，1.0～3.0m斷層9條，1.0m以下斷層30多條，陷落柱7處，古河床沖刷帶3條（詳見(jiàn)表1）。

通過(guò)對(duì)表1及采掘工程平面圖進(jìn)行分析可以看出，區(qū)域內(nèi)已揭露斷層全部為正斷層，走向集中在NE25°～40°和NW2°～24°兩個(gè)方向范圍內(nèi)，傾角多為60～80°。在落差較大的斷層周邊小斷層及節(jié)理發(fā)育。區(qū)內(nèi)陷落柱長(zhǎng)軸多以NE向?yàn)橹鳎室蛔中痛闋钣蓶|北-西南向排列展布。沖刷帶主要集中在盤(pán)區(qū)北部，走向NE，沖刷范圍小。

3 陷落柱形成機(jī)理及其與斷裂構(gòu)造的關(guān)系分析

巖溶洞穴的發(fā)育和巖溶洞穴塌陷是形成陷落柱的根本原因。云崗井田屬十里河巖溶水子系統(tǒng)的徑流區(qū)。依據(jù)410盤(pán)區(qū)西部的煤巖層產(chǎn)狀特征、已揭露的陷落柱展布規(guī)律及斷裂構(gòu)造的發(fā)育特征，可以確定該區(qū)域巖溶地下水的流向大致為東北-西南，地下水動(dòng)力條件好，水的交替循環(huán)強(qiáng)烈。井田內(nèi)發(fā)育的斷裂構(gòu)造成為良好的地下水通道，溝通了各含水層間的水力聯(lián)系，使地下水可以補(bǔ)給到寒武系灰?guī)r中。同時(shí)流水的沖蝕作用加速了灰?guī)r巖溶進(jìn)程。下伏的寒武系地層主要為可溶性的灰?guī)r，易被地下水溶蝕沖蝕后形成孔隙、溶洞、洞穴等。云崗井田內(nèi)石炭-二疊系以及侏羅系下部的永定莊組地層賦存厚度均較小，在北部部分區(qū)域侏羅系地層甚至直接覆蓋在寒武系灰?guī)r之上，使得陷落柱的陷落高度極易達(dá)到侏羅系大同組煤系地層。

表1 410盤(pán)區(qū)西部主要構(gòu)造一覽表

兩組傾向相對(duì)的中等規(guī)模落差以上的斷層所圈定的區(qū)域內(nèi)，同時(shí)該區(qū)域煤層下伏賦存厚度較大的可溶性碳酸鹽巖地層，且煤層與碳酸鹽巖地層層間距較?。?00m以?xún)?nèi)）時(shí)，通常會(huì)在所圈定區(qū)域中部發(fā)育巖溶陷落柱，且多以一字型串珠狀形式展布出現(xiàn)。

圖1 陷落柱形成模型圖

綜上所述，410盤(pán)區(qū)西部具備了形成巖溶陷落柱的全部地質(zhì)條件，因此在該區(qū)域形成了數(shù)量眾多、東北-西南向呈一字型串珠狀排列分布的陷落柱群。

4 81027工作面陷落柱預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

12#層81027工作面位于410盤(pán)區(qū)西部?；夭善陂g通過(guò)對(duì)周邊地質(zhì)條件的綜合分析，依據(jù)上述陷落柱形成機(jī)理，結(jié)合周邊已揭露陷落柱的分布規(guī)律特征，預(yù)測(cè)在工作面內(nèi)部45～182m采位范圍內(nèi)，可能存在陷落柱（如圖2）。81027工作面大致處于F8和F10兩條斷層控制的范圍內(nèi)。F8傾向NE，F(xiàn)10傾向SW，兩斷層傾向相對(duì)。按傾角進(jìn)行推算，兩斷層約在工作面以下131m處的寒武系灰?guī)r地層中交匯剪切。受剪切影響，剪切部位的巖層完整性遭到破壞，使巖層斷裂破碎。地下水通過(guò)斷層進(jìn)入灰?guī)r層，在斷層剪切部位的巖層破碎區(qū)更易于形成溶蝕孔洞，久而久之，孔洞變大形成巖溶洞穴，因而更易于形成陷落柱。

圖2 81027工作面平面示意圖

81027工作面采至116m采位時(shí)，在33#支架處揭露了陷落柱，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的正確性，充分說(shuō)明技術(shù)理論是可行的。