论岩溶陷落柱对官地矿安全生产的影响

2013-07-30张瑜

山西焦煤科技 2013年5期

张瑜

(西山煤电集团公司官地矿，山西太原 030022)

太原西山煤田属华北晚古生代聚煤区，是我国主要的煤炭工业基地。煤质好、储量大。区内煤系地层之下广泛分布有中奥陶统巨厚可溶性岩层，岩溶陷落柱发育是该煤田的一个重要地质特征。

西山煤田是我国岩溶陷落柱揭露数目最多、受其影响最严重的区域，其中官地矿是西山煤田陷落柱最发育的地区之一。陷落柱已成为影响该矿正常生产的主要地质因素。据统计，官地矿共发现陷落柱640个(见表1)，其中绝大部分是在2号、6号和8号煤层采掘过程中揭露的(上下煤层揭露的同一个陷落柱不重复统计)。

1 陷落柱特征分析

1.1 地表出露的陷落柱特征

官地矿井田内地表共出露陷落柱44个，主要分布在井田东部风峪沟、九院沟、神底沟附近。陷落柱出露地表时，表现为各种地貌异常现象，主要有盆状凹陷、柱状破碎带和丘状突起等。有时在地表形成大小不等的裂隙，呈圆弧状分布。但是，由于后期风化剥蚀，或黄土和植被覆盖，地表出露的大多数陷落柱已经很难辨认。

1.2 陷落柱的平面特征

1)平面形状。陷落柱平面形状即柱体的水平截面形态，一般呈近圆形或椭圆形，少数陷落柱平面形状很不规则。由于岩层的坚硬程度不同，致使各层的塌陷范围不等，所以，在不同高度陷落柱的平面形状和大小有一定差别。在煤矿开采过程中，有些回采工作面必须强行切过陷落柱，所以准确地了解和研究陷落柱的平面形状和大小(见图1)，以采取应对措施，具有重要意义。

表1 官地煤矿陷落柱统计表

图1 陷落柱平面形状示意图

2)平面大小。通过对官地矿综采工作面完整揭露的陷落柱分析发现，陷落柱直径一般在20～60 m，少数超过80 m;陷落柱在煤层中的截面积一般小于1200 m2，少数超过2000 m2。对于大多数由巷道局部揭露或工作面绕过的陷落柱，其平面形状和大小的推断有很大的主观性，推测的陷落柱平面大小往往大于实际值。井田2号、6号和8号煤层已采范围内，陷落柱截面积总和分别占开采面积的4.7%、4.8%和 5.5%。

3)平面分布。从平面上看，陷落柱成群发育，具有明显的分区、分带性和不均匀性。从矿井采掘工程平面图上可以比较清楚地反映陷落柱分布的集群性，在官地矿已采区域，北一、北三、中一、中三、中四采区陷落柱发育，且排列具有一定的方向性;从西一、北三采区东部至中四采区北部的条带内，陷落柱明显不发育。由于陷落柱一般是由溶洞塌陷形成的，而溶洞之间呈通道式或网络式联系，所以，根据陷落柱群体的沿展方向可以推测底部溶洞网络的连通性和方向性。

1.3 陷落柱的垂向特征

在陷落柱发育的地区，目前尚无法确定陷落柱底界所在层位。但是，地表出露和井下开采揭露陷落柱的情况可以证明，陷落柱的发育高度参差不齐。在官地矿，多数为隐伏陷落柱，柱顶位于含煤地层中;少数为柱顶出露于地表。由于陷落柱发育高度不等，致使不同层位陷落柱的分布密度不同。从下至上，岩层中陷落柱分布密度逐渐减小，下组煤层陷落柱分布密度大于上组煤层，地表陷落柱分布密度最小。例如，48107工作面揭露的W1－31、W1－32、W1－33陷落柱未在顶部46107工作面出现，说明这些陷落柱柱顶位置在6号煤层之下。

在西山矿区，陷落柱一般按75°柱壁角从上部煤层向下投影。在2号煤层密集发育的区域，如按照75°柱壁角投影在8号煤层中，两个或多个陷落柱会连成一个(见图2)。大量的开采实践证明，按75°柱壁角投影在下组煤层的陷落柱范围偏大。通过对同一个陷落柱在多个煤层的实际截面进行计算，官地矿陷落柱柱壁角一般为84°左右。

图2 陷落柱垂向投影示意图

1.4 陷落柱柱体充填特征

在陷落柱内部，不同粒径的煤、岩碎块(屑)混杂，较大岩块的直径可达几米，较小的仅几毫米。一般泥岩、页岩和煤层等松软岩层往往破碎成为较细的颗粒，甚至呈粉末状，充填于灰岩或砂岩块之间。少数陷落柱内部岩块的成层性较好，与围岩产状基本一致，说明柱体为岩层整体塌落而成。由于经过长期压实、胶结作用，结构比较致密，孔隙度小。

陷落柱两侧3～5 m范围内，煤岩层产状发生明显变化，一般向柱内倾斜。在煤层与柱体接触带，由于较大岩块的挤入，煤层的条带结构已发生破坏，多数变为粒状结构，光泽变暗。陷落柱周围煤岩层裂隙增多，有时伴有环形分布的小型正断层。

2 陷落柱对官地矿安全生产的影响

在陷落柱发育的区域，煤层的连续性遭到破坏，给井巷工程的布置和施工、采煤方法和采掘机械的选择增加了许多困难。陷落柱对官地矿均衡生产和经济效益的影响主要表现在:

1)由于目前陷落柱预测和探测手段落后，在布置综采工作面时存在很大盲目性。综采工作面构成后，往往因陷落柱过多而被迫重开切眼，缩短工作面长度，或被迫改为普采，造成资源浪费。

2)陷落柱的存在，造成大量无效进尺，使矿井掘进率增高并使工作面接替紧张。

3)因强行通过、搬家或绕过陷落柱等造成停产或大幅度减产，不但消耗大量资金，而且可能造成综采设备的严重损坏。

4)强行切过陷落柱会使原煤灰分增加，煤质变差。

5)频繁的搬家倒面或强行切过陷落柱给安全生产造成了大量的不确定因素。

3 应对措施

1)加强岩溶陷落柱成因与分布规律的研究，实现对岩溶陷落柱的准确预报，为工作面设计及回采提供更为准确详细的地质资料。一方面，可以根据西山煤田构造发育规律的详细研究对岩溶陷落柱总体分布规律进行判别;另一方面，依据官地矿井田内已揭露岩溶陷落柱的平面分布规律，进一步预测附近区域岩溶陷落柱的具体位置。

2)根据陷落柱的垂向特征，在工作面设计时，应适当加大上覆煤层陷落柱的柱壁角度值，以减少本煤层的保护煤柱，减少煤炭损失，提高煤炭资源回收率。

3)根据上述陷落柱的柱体特征，工作面设计时应充分考虑陷落柱周围煤岩层中断层的分布特征，特别是对岩溶陷落周围的环形断层进行超前预测。

4)岩溶陷落柱顶部常发育于煤系地层当中，在西山煤田，许多井田出现陷落柱柱体充水现象(如杜儿坪矿、马兰矿、西铭矿等)，在预测有陷落柱的区域，应充分考虑留足防隔水煤岩柱，加强对陷落柱充水性的监测。

5)综采工作面在遇到陷落柱时，应根据陷落柱的规模及其在工作面中的位置，选取适当的处理方法，缩短处理时间，减少经济损失。在处理方法的选择上，一般按以下原则进行:综采工作面掘进完毕，设备安装之前，应先进行无线电坑道透视，测出异常区间后，布置水平钻孔进行验证，确定其准确位置与尺寸。对于直径大于30 m的陷落柱，原则上采用工作面搬家或补道绕过的方法;对于直径小于30 m的陷落柱，若其位于工作面中部时，采用强行通过的方法;若位于机头或机尾时，则采用绕过的方法。