岩溶陷落柱导水性机理研究

2021-11-23刘会盼

商品与质量 2021年14期

关键词：导水突水富水

刘会盼

冀中能源股份有限公司葛泉矿河北邢台 054102

岩溶陷落柱导水性是多种因素共同作用结果，而各种因素又相互影响，与其成因、类型、分布、构造运动等有直接关系，与形成过程以及后期改造有关系，还与采矿环境和扰动有关，因此，判断是否导水是一个非常复杂的问题[1]。

1 岩溶陷落柱导水类型

垂向分类：根据陷落柱的富水性和突水资料，富水陷落柱有以下几种类型。

（1）围岩水补给型。陷落柱发育高度内，存在煤系砂岩或薄层灰岩水的补给，往往形成陷落柱的局部地段富水，突水量受围岩水量及过水断面限制，一般不会很大，并随时间逐渐减少。如井陉一矿8号陷落柱，高140m，穿越本溪组灰岩及太原组灰岩，陷落柱突水量为138m3/h。潞安矿区漳村矿X1-X5五个陷落柱突水量为10-60m3/h，常村矿N2-7陷落柱突水量为20-50m3/h均属于这种类型。

（2）奥灰水导升型。奥陶纪灰岩水沿陷落柱有一定的导升高度，揭露陷落柱后，在矿压作用下水压大于隔水段强度而导升突入采掘空间。特别是靠近陷落柱，岩块松散，空洞率高，奥陶纪灰岩水可上升至整个陷落柱内。并且，靠近陷落柱，必然在奥陶纪灰岩中存在横向岩溶水流，这样才能将陷落柱内塌陷的物质，不断地搬运走，所以水量皆很大。如焦作李封矿陷落柱突水5340m3/h，开滦范各庄矿陷落柱突水123180m3/h。

（3）古潜山入渗型。在古潜山地带，奥陶纪灰岩发育在背斜轴部，往往可接受上覆地层如第四系水的入渗，导致陷落柱上段充水，经过长时间渗水，可能沟通陷落柱底部的奥陶纪灰岩水，这种混合突水量亦常很大，如皖北任楼矿突水34570m3/h[2]。

（4）潜伏底鼓型。这种类型的陷落柱发育高度不大，潜伏在煤层底板内，当巷道在其上通过时，由于陷落柱顶至煤层的隔水层厚度不够而突水。如徐州张集矿陷落柱顶部距煤层仅10m，突水系数为0.065Mpa/m，在水压及矿压作用下突水24098m3/h；乌海骆驼山陷落柱顶部距9煤层32m，其上巷道掘进导致60000m3/h突水。

2 岩溶特陷落柱导水性判别

2.1 一般整体规律

高变质煤层矿区的陷落柱不导水，因为变质时间为中生代，陷落柱已经压实，失去导水作用，例如淮北、峰峰、阳泉、晋城等地；地温热异常的矿区，陷落柱导水，因为该地区的陷落柱正在形成阶段，尚未被压实，例如峰峰梧桐庄、徐州三河尖、邢台的邢台矿等；“通天柱”（终止于基岩顶界面）不导水，因为此类陷落柱发育于第四系以前，压实失去导水作用；“穿云柱”（跨落到第四系内部）导水，此类陷落柱上部在仍处于发育中，为导水；“半截柱”（没有穿透基岩）可能导水，因为此类陷落柱可能在发育中，顶部距离灰岩顶界面越近导水性越强；直立柱低陷落柱（低于煤系底层顶界面）导水，此类陷落柱形成于构造运动以后，陷落柱未被压实，具有导水作用；斜歪柱不导水，此类陷落柱形成于构造运动以前，陷落柱被压实，失去导水作用；井田边界断层隔水时，陷落柱不导水。在没有地热时，隔水边界断层切断了陷落柱形成的水循环条件，陷落柱停止发育，且此类陷落柱形成于断层以前，古老的陷落柱因压实而失去导水作用。

2.2 导水性分析

煤矿区揭露的陷落柱绝大部分不富水或弱富水，不够成对矿井的威胁，这是由于陷落柱穿过的含水层富水性很弱或不具备突入矿井的条件。仅有少部分陷落柱富水性较强。岩溶陷落柱的富水性取决于陷落柱发育高度内所揭露的含水层富水性；陷落柱次生构造与含水层的连通性；陷落柱充填物的密实程度和胶结情况。北方煤矿区陷落柱中的塌陷物一般为石炭二叠纪地层，有的塌至山西组底部，个别进入石盒子、石千峰地层，甚至塌至第三系砾岩层，由此可以判断陷落柱发育时期始于二叠纪末，结束于第三纪。第四纪以来，有些陷落柱重新复活，如汾西矿区有的陷落柱上覆黄土层下陷成圆形洼地；范各庄矿陷落柱顶端有8-32m的空洞；安阳铜冶矿陷落柱钻探50m内就见到空洞17个，最大的直径2.56m，这种挽近期继续发育的陷落柱应引起足够的重视[3]。

陷落柱的富水性与揭露的含水层富水性密切相关。例如，井阱一矿8号陷落柱高140m，揭露本溪组和太原组灰岩，突水138m3/h。

3 塌陷高度异常分析

华北煤田岩溶陷落柱柱体发育高度大小不一，但一般都在100米以上，有些塌陷到第四系甚至地表。如此巨大的塌陷高度，或者较大的柱高柱径比，塌陷形成过程中，下部奥灰没有足够的空间容许上部碳酸盐岩发生一次性完全垮落，而是持续性垮落，在不同地质构造运动时伴随垮落的发生，直到煤系地层。根据采矿工程实践中导水裂隙带的形成可以证实上述观点，在采空区形成的垮落带高度一般是采高的3-5倍，按照大采高（6m）来说，垮落带高度也不过30m左右，初次垮落的高度更是低于这个值，并且陷落柱面积有限，所以很难一次性造成这么高的垮落。而且陷落柱内的岩块经反复垮落破坏，其垮落距（与岩块原层位的垂直距离）不断加大，块度一再变小，岩屑、岩粉、岩泥成分增多，使再形成的塌落体碎胀系数、孔隙率降低，密实度提高。而且由于垮落间隔较短，柱体形成较快，使其有足够的时间去压实胶结，最后形成的陷落柱柱体内部填充物压实胶结情况比较好，结构致密均匀，裂隙和空洞发育较低，进而导水性一般较差。