薛晓峰 许进鹏 齐跃明 郭耀华

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.中国石油大学理学院，北京市海淀区，102249）

岱庄陷落柱柱体成分与其导水性关系分析＊

薛晓峰1许进鹏1齐跃明1郭耀华2

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.中国石油大学理学院，北京市海淀区，102249）

对岱庄矿已查明的陷落柱柱体样本分别采用了薄片鉴定、自由膨胀率实验，分析了陷落柱柱体成分与导水性的关系。结果表明，当陷落柱柱体胶结程度较好，并含有方解石脉充填、具有类似于泥石浆的成分、黏土矿物含量较多时，可以降低其导水性。

陷落柱 柱体成分 导水性 薄片鉴定 自由膨胀率

1 概述

1.1 陷落柱研究背景及现状

我国岩溶陷落柱多发育于北方石炭二叠系煤田，在山西、河北、河南、陕西、山东、江苏和安徽等多个煤田中，已发现有陷落柱的煤田45处，陷落柱总数已接近3000个，特别是山西、河北较多，以汾河沿岸，太行山东、西麓矿区最为发育，如西山、汾西、霍州、阳泉、井陉等矿区。在陷落柱发育的矿区，一直是影响煤矿生产和建设的主要因素之一。根据对西山煤田各生产矿区揭露的地质资料统计：陷落柱发育密度为20～40个／km2，其破坏面积约占煤层已采面积的7%。由于陷落柱的破坏，生产矿井煤炭储量损失高达15%～30%。

在我国矿山揭露的陷落柱中，绝大多数是不含（导）水的，但是从20世纪60年代以来，相继发生了多起陷落柱突水事件，例如，1996年皖北局任楼矿井由于遇到一个隐伏状导水构造，突水量最高达576.17m3／min；1997年，张集煤矿－300m太原组轨道下山掘进过程中，因陷落柱原因发生底板奥灰岩溶含水层突水，最大涌水量达4016m3／min，水压3.1MPa，致使一个年产80万t的中型矿井被淹。

陷落柱对煤矿安全生产有如此大影响，所以如何更好地提前掌握陷落柱的特征以及与其导水性的关系将显得尤为重要。

1.2 陷落柱柱体与其导水性分析

通过以往的研究，陷落柱的导水与否主要受以下因素影响：

（1）陷落柱本身和柱体与围岩的接触关系。从理论上分析，同一陷落柱一般柱体下部充填好，因陷落柱陷落较早，通常都比较密实，而柱体上部充填胶结程度不如下部，易于导水。陷落柱导水是否会引发水害，取决于陷落柱能否导通强含水层，导通强含水层则可能引发重大水害。

（2）陷落柱形成时的环境。如果陷落柱形成时径流比较强烈，或者在垂向存在水力联系，水流作用会对陷落柱体有一个“冲刷”，将细小的颗粒带走，而只留下较大颗粒岩块，大块颗粒的间隙将成为导水通道，这将会使陷落柱的导水性能大大增强。

（3）与奥灰上覆岩石性质有关。如果在塌陷的地层中有煤层、泥岩、粉砂岩等隔水岩层，它们塌陷破坏以后在水的作用下形成天然的“灌浆”材料—泥石浆，倾注而下含有大量固体物质的泥石浆，起到平衡地压、抑制围岩变形和阻水、堵水多种作用。使其导水性大大降低。

（4）陷落柱压实作用的时间和压实作用力的大小。陷落柱形成之后，柱体内的物质会逐渐压实，陷落柱的压实过程，就是一个岩石蠕变的过程。岩块的缓慢蠕变，会将岩块间空隙逐渐充填，从而增强陷落柱的阻水性能。

（5）陷落柱形成后的水化学环境。陷落柱在形成之后，要使陷落柱能得以保存，奥灰水处于封闭或半封闭状态时，地下水的流动性非常小，或者说地下水处于一个相对静止的状态，这种水体会减弱陷落柱柱体的导水性能。

（6）陷落柱柱体内是否有其他构造。陷落柱是在相当长的地质时期才形成的，在此过程中可能有其他构造（如断层）产生，这种构造将对陷落柱的导水性起到推波助澜的作用。

（7）陷落柱是否处于强径流带上。当陷落柱远离地下水排泄区或者径流带时，即没有沟通含水层，则陷落柱无水可导，也就不会发生突水。

以上是影响陷落柱导水的因素，都与陷落柱柱体成分有一定关系，所以柱体成分应该是影响陷落柱导水与否的重要因素。

2 实验数据处理

2.1 岱庄陷落柱柱体简析

对岱庄矿陷落柱柱体进行取样，分别对其做了薄片鉴定实验和自由膨胀率实验，进而分析陷落柱柱体成分与导水性有何关系。

此陷落柱是在1300采区3上煤层1337工作面回采过程中揭露的，在取样过程中发现：在有煤层地段呈现上大下小的趋势（为漏斗状），煤层受牵引逐渐变薄为煤线；陷落柱内岩石胶结较好；陷落柱内部除局部岩石破碎、杂乱无章外，中心区出现长8～10m较连续的整体砂岩岩层。根据以上现象，均符合陷落柱3种类型中的不导水或微导水型。

2.2 薄片鉴定实验

薄片鉴定实验的主要目的是对陷落柱柱体内的岩石成分进行判定，找出其不导水的原因。经过岩石薄片观察后做出具有代表性的两个薄片鉴定报告，见图1、图2和表1。

2.3 自由膨胀率实验

自由膨胀率实验主要是测定所取岩样中是否存在膨胀性物质，为陷落柱导水与否提供依据。自由膨胀率是人工制备的松散干土在水中增加的体积与原始体积之比，用百分数表示。将陷落柱柱体岩样捣碎，通过测定土在无结构力影响下的膨胀潜势，从而初步测定土的胀缩性。实验中进行了5个试样的测定，其结果见表2。

表1 薄片鉴定标本

表2 样品自由膨胀率记录表

3 陷落柱导水性分析

3.1 陷落柱形成时期初步分析

华北地区陷落柱的形成需要很长时期，首先要经过中奥陶统灰岩沉积，据冯增昭教授研究，在中奥陶世的马一期、马三期和马五期（大体上相当于按三组八段划分的O2x1、O2s1和O2f1沉积的时期）华北海云坪占统治地位，海云坪上含膏湖星罗棋布，随着地壳的脉动和海侵海退的不断交替，蒸发作用形成了含膏碳酸盐岩（石膏和白云岩互层，时厚时薄），这些含膏碳酸盐岩为以后岩溶的演化和陷落柱的发育奠定了基础。随后在加里东时期，奥灰长期遭受剥蚀，由于地层水平，上升稳定，使地下水侵蚀下切能力很弱。

进入燕山期后，笔者认为，这是陷落柱形成的开始，因为燕山期是岩溶发育最活跃的时期，是形成溶洞的主要时期。岱庄矿A10－18、A16－20两孔分别遇到高0.7m和0.4m的溶洞，取芯可见高角度裂隙，裂隙面上有黄豆粒大小的完整方解石晶体，以上现象可为此陷落柱的形成时间提供一定依据。要准确确定陷落柱形成时期，还需做进一步的钻探工作。

由于陷落柱形成时期较早，柱体内的压实胶结作用好，使其导水性较差。

3.2 陷落柱化学环境演化对导水性影响

从1＃样中可以看出粘土矿物占85%，另外还有炭屑、粉砂，说明此陷落柱不导水与其形成过程有关，具体过程是在地层塌陷形成陷落柱过程中，地层中的煤层、泥岩、粉砂岩等隔水岩层一起塌陷，它们在水的作用下形成了天然的“灌浆”材料—泥石浆，当它们固化成石后，可作为隔水性能很好的“阻水塞”。由此可以判断，上述的阻水塞为陷落柱不导水的原因之一。

从2＃样中可以看出主要胶结物为方解石，占岩石成分的80%，由此可以分析与上面提到的陷落柱形成后的水化学环境有关。

在溶洞形成期间，地下水具有良好的补、径、排条件，碳酸盐与空气及水中的二氧化碳发生缓慢的水解反应，从而能够生成可溶性的碳酸氢盐，随着地下水的潜流被带走，在可溶性岩床形成各种洞穴、溶孔、落水洞、漏斗等，反应式如下：

奥陶系灰岩不断被侵蚀、溶解，在众多作用下，上覆岩层垮落，形成陷落柱，陷落柱在形成之后，随着后期构造运动的改造和影响，原地下水的强径流带因失去充足的补给水源而往往成为蓄水带，地下奥灰水的流动性非常小，处于相对静止的状态，并且由于受柱体及周边环境的影响，水的化学环境、压力环境和温度环境发生变化，使奥灰水中HCO3－和Ca2＋重新生成CaCO3，这就是岩石的重结晶过程，反应式如下：

重结晶生成的方解石充填在陷落柱的周边裂隙带和柱体内的空隙内，成为方解石脉，使柱体及周边裂隙带的阻水性能大大增强。

由此可以判断方解石脉是其不导水的原因之一，如安徽省任楼煤矿的7219工作面南侧陷落柱，从井下探查钻孔提取的岩芯中有大量的方解石脉，使岩石的强度和阻水性能大大增强，使得该陷落柱不含（导）水。

此外，从样品中看出胶结致密，填充物中方解石脉较完整，未见后期活化痕迹（见图2），其原因主要在于中生代以来，华北地区一直处于稳定上升状态，构造抬升导致地下水位下降，从而失去后期溶蚀、活化的可能，所以，此陷落柱不导水与其胶结情况也有一定关系。

3.3 陷落柱柱体膨胀性对导水性的影响

在薄片鉴定报告中，陷落柱柱体成分可以影响其导水性，同样，柱体内膨胀性物质同样可以影响其导水性。从自由膨胀率（见表2）不难看出，在水的作用下，随着时间的增加，自由膨胀率也在增加，最后趋于稳定。1＃样膨胀率最大，说明1＃样中还有较多的能够引起膨胀的物质，通过3.2节中分析，1＃样中粘土矿物占据85%，与膨胀性实验相符，而且根据工程岩土学内容，膨胀土所以具有胀缩特性，主要是因土中含有较多的粘粒，一般粘粒含量高达35%以上，更主要的是这些粘粒大部分为亲水性很强的蒙脱石和水云母等粘土矿物组，膨胀收缩能力较强，易溶盐、中溶盐、有机质含量一般均较低，常见碳酸钙或铁锰质结核，所以，1＃样中粘土是引起膨胀的物质。

它为阻水起到了一定的作用，当陷落柱遇水后，此物质会发生膨胀，增大与围岩的压力，同时可以充填其裂隙，起到一定的阻水效果。

4 总结

陷落柱柱体成分与其导水性存在着密切联系。当陷落柱柱体中胶结程度较好，并含有方解石脉充填、具有类似于泥石浆的成分、黏土矿物含量较多时，可以降低其导水性，从而增加其隔水性能。

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On relationship between the body composition and the water conductivity of the collapse column in Daizhuang Coal Mine

Xue Xiaofeng1，Xu Jinpeng1，Qi Yueming，Guo Yaohua2
（1.School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Science，China University of Petroleum，Haidian，Beijing 102249，China）

With thin section identification and free expansion ratio tests on the composition of the body samples of collapse column found in Daizhuang Coal Mine，the paper analyzes the relationship between the body composition and the water conductivity of the collapse column.The conclusion is that the water conductivity of the collapse column will fall when the column body which is in higher－degree cementation and is filled with calcite veins has the composition similar to debris slurry and higher content of clay minerals.

collapse column，composition of column body，water conductivity，thin section identification，free expansion ratio

P618.111

A

国家自然科学基金项目（41002087）

薛晓峰（1988－）男，汉族，硕士研究生，主要从事煤矿水害防治学习与研究工作。

（责任编辑 张毅玲）