生产地质研究4.doc

图2-83 山东官桥煤田接触变质带煤质特征 a取样点素描图；b煤质变化曲线 煤层遭受接触变质后，其物理性质发生明显的改变，颜色变浅，光泽增强，比重加大，原始结构遭受破坏，紧靠侵入体形成块状或柱状天然焦等。天然焦柱体垂直于接触面，据此可以判断接触面的形态。 5侵入体的岩石性质 它反映侵入岩浆的粘度。基性岩浆粘度小，易流动，在地壳浅部容易以岩床的形式沿煤层广泛侵入，对煤层接触变质影响较大，酸性岩浆粘度大，不易流动，难于形成沿煤层的广泛侵入，仅以岩墙或小侵入体对周围煤层产生局部影响，对煤层接触变质影响较小；中性岩浆介于两者之间。这也是煤层中侵入体为何以基性、中性岩居多的原因。 至于深部酸性岩浆，由于量大、温高、离岩浆源近，对上覆煤层产生大规模的岩浆热变质作用；直接与之接触的煤层、乃至煤系，均已熔融同化破坏殆尽，或形成面目全非的变质岩。这已不属于煤地质学的研究范畴了。 二、岩浆侵入煤层的一般规律 研究岩浆侵入煤层的控制条件及活动规律，主要是研究岩浆侵入中心、侵入通道、选层侵入和扩散机制等方面。它对于了解煤层中岩浆侵入体的总体分布规律，评价岩浆侵入对煤层的破坏程度和对煤质的影响范围至关重要，是探测和预测岩浆侵入体的理论基础和重要依据。 一岩浆侵入通道 岩浆从岩浆源向上侵入，需要断裂作通道。对岩浆侵入和侵入体分布起控制作用的断裂，是岩浆侵入期前或侵入期间产生的断裂；而岩浆期后产生的断裂，对岩浆侵入和侵入体分布不起控制作用，但对先成侵入体起切割和改造作用。 一般情况下，张性、张扭性断裂，由于开启程度较好，侧压较小，因而对岩浆运动的阻力较小，便于岩浆侵入，特别是那些切割深、延展长的张扭性断裂，更有利于岩浆的活动。如淮北岱河煤矿，岩浆侵入通道系一组NNE走向，且沿向斜轴向展布，并为向下张口的纵张裂隙，它控制着该区岩墙和岩脉的展布，决定着煤层中侵入体呈带状分区的格局图2-84。显然，它是岩浆期前裂隙。但是，在该矿近EW向和NE向的不同性质的断层中，不仅没有发现侵入体，反而出现岩墙和岩脉受其错断的现象。可见，它们是岩浆期后断层。因此，在岩浆岩发育的矿区，应该注意构造形成时期的研究，确定断裂对侵入体的控制、改造关系。鉴别岩浆是沿断层侵入或是沿裂隙侵入，可根据岩墙两侧围岩的岩性是否相同，层位是否对应，产状是否一致，煤层底板等高线是否相连等标志确定。 图2-84 安徽淮北岱河矿火成岩分布图 1二煤侵入区；2三煤侵入区；3四煤侵入区；4五煤侵入区；5六煤侵入区；6岩墙；7断煤交线；8煤层露头线；9井田边界；10井筒 二岩浆选层侵入 岩浆沿断裂通道上升的过程中，还要沿层理面、层滑面和软弱层位发生侧向顺层侵入。由于煤层物理性质软弱，裂隙和层滑面发育，化学性质活跃，热熔点较低，致使煤层易被高温岩浆熔蚀，抵抗岩浆侵入能力较差，因而煤系地层中煤层是岩浆最易侵入的层位。据淮北岱河煤矿的统计资料表明，该矿已施工的200多个见岩浆岩的钻孔中，98以上的钻孔，岩浆岩沿煤层位入，取代煤层层位，故可用煤系中的岩浆岩层位来对比煤层。岩浆侵入煤层，除了煤层本身软弱外，还与煤层的顶底板致密坚硬、导热性差，岩浆热量和气体不易从煤层中逸散，温度和压力能长时间在煤层中保持等有关，即与煤层顶底板的阻隔和屏蔽作用有关。 岩浆侵入煤层可全部或部分熔蚀煤层，也可沿煤层中的裂隙穿插、切割，因而导致煤层中侵入体形态极其复杂和多样。 岩浆主要沿煤层侵入，少部分也可沿泥质岩和石灰岩侵入。岩浆侵入有挤压注入和熔蚀同化两种形式。对化学稳定性较强的岩层，以挤压注入作用为主，对化学稳定性差的煤层，则以熔蚀同化作用为主。 岩浆侵入煤层具有以下规律 1岩浆侵入受煤层厚度的影响 煤层厚度越大，侵入煤层中的侵入体厚度越大，分布面积越广，形态越复杂。在厚煤层中常可见到侵入体从煤层下部穿到煤层上部，再由上部穿到下部的现象；在薄煤层、局部可采煤层和被水流冲蚀的煤层中，侵入体分相比较零星，面积较小。据统计资料分析，岩浆侵入范围与煤层厚度和可采范围大体成正比关系。因此，同一地区、不同煤层中侵入体的分布位置和范围大小不一定重叠图284、图285，有的煤层破坏严重，有的煤层破坏轻微。这一规律对确定岩浆侵入地区的找煤方向相当重要。 图2-85 山东陶庄煤矿岩浆侵入多煤层平面分布示意图 2岩浆侵入受煤层结构的影响 由于夹石层的导热性和透气性较低，化学稳定性较高，可起隔热和屏蔽作用，限制岩浆在煤层中的活动。因此，煤层中夹石层的有无、厚薄、性质和分布情况，控制着侵入体在煤层中的分布和对煤层的影响范围。 3岩浆侵入受煤的物理化学性质的影响 一般情况下，灰分较低，物性较软和变质程度较低的煤层或煤分层，因其抵抗熔蚀和侵入的能力较小，故岩浆易于侵入，影响范围较大。 4岩浆侵入受通道断层大小和煤层产状的影响 一般情况下，作为岩浆上升通道的断层越大，则岩浆来源越丰富，沿断层侧向侵入煤层的岩浆深入越远，分布面积越大；岩浆沿断层通道侧向侵入煤层，向煤层上山方向比向下山方向易于扩散。因此，上山方向煤层被岩浆破坏更严重图286。 图2-86 山东陶庄煤矿岩浆沿35号、15号 图2-87 河北兴隆煤矿岩浆沿逆断层 侵入示意图 侵入示意图 三岩浆侵入分区 煤矿生产实践表明，侵入体在煤层中的分布，具有明显的分区规律。根据距侵入中心的远近、侵入体的产状变化、以及对煤层破坏和煤质影响的程度，将煤层中岩浆侵入分为三区。 1上冲区 指岩浆通道及其附近的地区图287。该区岩浆活动剧烈，侵入体在较大面积上呈层状、似层状，厚度大，岩墙发育，煤层几乎全部被熔蚀同化，为岩浆岩所替代，偶见少量天然焦，但混杂大量岩浆物质，煤层基本失去工业价值。上冲区范围较小。一个矿区或矿井可能不只一个上冲区。因此，要分别固定它们的范围，找出它们的差异。 2扩散区 指岩浆离开侵入中心，向外围扩散的区域。该区岩浆的熔蚀能力和变质作用锐减，各处差别较大，在扩散铰弱地段，往往残留可采煤层或煤分层。侵入体产状多呈似层状、树枝状、串珠状和扁豆状图288。扩散区范围较大，储量可靠性较差，是影响正常生产的主要区段，常造成想来不能采，想丢不能丢的状况。 图2-88 山东陶庄煤矿二槽煤岩浆侵入形态分区示意图 1岩浆侵入分布范围；2侵入体形态类型界线；Ⅰ层状侵入体；Ⅱ似层状侵入体；Ⅲ、Ⅳ树枝状、串珠状、扁豆状侵入体 3波及区 指扩散区外围，仅受岩浆高压热气波及的地区。该区偶有少量的单个岩体，也可能仅发现天然焦，而无扩散的岩浆侵入体。 应该指出，由上冲区经扩散区、波及区到正常区，总是逐步过渡的。虽然分区界线划分比较概略，但是建立在侵入体形态研究和分类基础上的岩浆侵入分区，对评价岩浆侵入对煤层的破坏程度仍有重大意义。 三、岩浆侵入体的观测与编录 岩浆侵入活动极其复杂，研究工作相当困难。为此，必须加强观测编录，充分占有原始资料，以便深入分析研究，切实总结规律，有效指导生产。生产实践证明，掌握侵入体的岩性、产状和分布，是生产矿井正确评价岩浆侵入对煤层破坏程度的基础。因此，侵入体的观测和编录，应紧密围绕上述内容，有针对性地进行。 一岩浆侵入体的观测 对井巷揭露的侵入体，应系统观测以下内容 1．岩浆岩性质 观测包括岩石的颜色、结构、构造和矿物成分，并据此确定岩石名称，判断侵入环境深成相、浅成相、喷出相；边缘相、过渡相、中心相。大家知道，观颜色深浅可定大类，察结构构造便知环境，认特征矿物即可定名，识岩体产状能解疑难。 一般在井下进行初步观察、描述和鉴定，必要时尚需采集标本，进行室内肉眼或镜下鉴定。观察时要特别注意细晶、均粒浅成岩床和煤系中细砂岩的区别，河北井陉一矿的黑云母微晶闪长岩极似白色砂岩，曾经误认。还应注意观察岩性在不同方向上的变化相交，以便确定侵入体向何方尖灭。 2．侵入体产状 井下要着重观测侵入体的形态、分布范围和大小长、宽、厚，侵入体的原生流动构造（流面、流线，侵入体与围岩的接触关系侵入接触、沉积接触、断层接触，侵入体与侵入体之间的穿插关系等。据此，确定侵入体是岩床或岩墙，判断侵入体的形成时代和侵入顺序，岩浆流动方向等。 3．侵入体与断裂构造的关系 井下应着重视测侵入体延展的方向性，断裂构造的力学性质和展布方向，侵入体与断裂构造的关系岩浆沿断裂侵入，断裂切断侵入体。据此，判断断裂对岩浆侵入起控制作用或起改造作用。 4．岩浆侵入对煤层的破坏情况 井下应细致观测侵入体在煤层中的位置，侵入体与煤层的接触关系，煤层被镕蚀、穿插切割的程度和侵入方式，煤层中侵入体的分布密度煤层中岩浆岩的分布面积与总面积之比；见岩浆岩的钻孔数与总钻孔数之比等，接触变质带的特征与宽度天然焦的类型、特征与宽度，接触变质带内煤质的变化，接触变质带的展布方向和各带宽度等，对接触变质带内外进行煤样的系统采样和化验分析。 二岩浆侵入体的编录 根据井下观测及生产勘探所获得的资料，及时整理出反映煤层及侵入体特征的巷道剖面素描图、煤层柱状图等原始资料。由于侵入体形态复杂，变化多端，可采用巷道展开图的形式编录。还应建立侵入区的煤层、天然焦、侵入体厚度、煤质档案，以便分折它们的相互关系。 在生产地质资料积累的基础上，应编制煤层中侵入体分布图和侵入区煤厚、煤质（灰分、挥发分等等值线图等综合图件。 四、岩浆侵入煤层的探测和预测 探测和预测煤层遭受岩浆侵入破坏的情况，应根据煤层的破坏程度确定工作要求。对侵入破坏轻微，煤厚基本可采的地区，工作重点是查明侵入体形状、大小和分布，确定对采掘工艺的影响，对侵入破坏严重、煤层可采性遭到破坏或严重破坏的地区，工作重点是侵入区找煤，即正确圈定残留煤层的可采区段，最大限度回收煤炭资源。 一探测方法 在巷道掘进和采面回采过程中，应综合运用钻探、巷探和物探手段，探测侵入体的大小、形态和范围，查明煤层厚度和天然焦厚度，确定煤层的破坏程度，圈定侵入体的边缘界线和煤层的可采界线。通常是在同一煤层或相邻煤层的巷道内，根据岩浆侵入规律，布置扇形钻孔和探巷探测图2-89，也可在地面施钻探查。 图2-89 在同一煤层中布置钻孔和探巷示意平面图 在岩浆侵入严重的地区，应积极开展侵入区的找煤工作。岩浆侵入厚煤层时，巷道无论沿顶板或底板掘进，应每隔一定距离，探测一次煤层和岩浆岩厚度，取得从顶到底的煤、岩层完整柱状，并编绘巷道剖面图图2-90；或根据岩浆侵入规律，采取探采结合的方法进行。 图2-90 山东陶庄煤矿247巷道钻探剖面图 1岩浆岩；2天然焦；3煤层；4巷道；5巷道中钻孔；6煤层顶板；7煤层底板 二预测方法 在岩浆侵入严重的地区，对侵入体的分布、煤层破坏程度及煤质影响范围进行预测，是矿井地质工作的一项艰巨而重要的任务。目前，尚未形成一套完善可靠的预测理论、方法和技术，主要是应用前面介绍的岩浆侵入煤层的某些规律，进行定性的总体特征预测。根据安徽淮北、辽宁阜新、江苏徐州、河北兴隆和井陉、山东陶庄及坊子等局矿的经验，归纳为以下几点，供预测时参考。 1．预测的基础研究 1调查和研究矿区岩浆性质、侵入期次、分布范围、侵入规模、侵入通道、侵入中心、控制构造、侵入层位、侵入层数和接触关系，掌握岩浆活动的总体特征和规律。 2研究侵入体的岩相、原生流动构造。并根据相带分布、流面和流线构造，判断岩浆流动方向、侵入体部位、产状和接触面形态。 3进行侵入体的形态分类和岩浆侵入分区的研究，掌握煤层中侵入体的分布规律和煤层遭受破坏的特征。 在上述调查研究的基础上，综合大量井上下资料，编制岩浆侵入体分布图和岩浆侵入分区图，这是找煤预测的基础。 2．扩散区的找煤预测 根据岩浆侵入煤层的一般规律，如岩体侵入通道，岩浆选层侵入，岩浆侵入分区，岩浆扩散方向性等，预测煤层破坏程度，确定找煤方向 1在厚煤层中注意找未被熔蚀的煤分层，为此，要掌握煤层结构和各煤分层的物理化学性质。 2在侵入体边缘树枝状分叉之间和孤立侵入体之间找煤，关键是要确定侵入体的边缘。接近侵入体边缘有以下征兆 图2-91 岩床分叉尖端指向可采煤层（山东陶庄煤矿240采区素描图） ①一般情况下，接近侵入体边缘时，侵入体出现厚度变薄、分叉和尖灭，分叉方向指向正常煤层图291。残留煤层呈串珠状煤包图292。 图2-92 江苏利国煤矿侵入体间残留的串珠状煤包 a平面图；b剖面图 ②侵入体边缘由于熔蚀同化关系，岩浆岩性质发生一些变化，最明显的特点是颜色变浅。煤矿工人总结出“深色石头离煤远，白胡子石头快见炭”的谚语。 ②根据接触变质带的分布特征和煤层挥发分的变化规律，可以预测侵入体的位置和形态，确定找煤部位。一般情况下，接触变质带的分布序列是侵入体→柱状焦→块状焦→变质程度增高的未焦化煤→正常煤层。依此序列，煤的挥发分增高。因此，根据煤层挥发分等值线图，结合柱状焦垂直侵入体接触面，即可推断侵入体接触面形态。 ④根据侵入体原生流动构造判断岩浆流动方向，向远离侵入中心方向找煤。 ⑥侵入体边缘煤层呈现旋涡褶皱、煤理紊乱和淋水现象图2-93。 图2-93 安徽烈山煤矿巷道素描图 五、岩浆侵入体的处理措施 在有岩浆岩侵入的矿井，应根据岩浆侵入体的产状和规模，决定采掘工作的部署。 对于岩墙，在巷道掘进时，可按设计直接穿过岩墙。在采面回采时，应根据岩墙的方向和大小，决定采用重开切眼或分面回采。如岩墙沿煤层倾向或斜交方向分布，可采用重开切眼的方法处理，增加采面搬家时间。如岩墙沿煤层走向分布，且厚度较大，可将工作面分成上下两段，分两个小面回采。 对于岩床，则要求先用钻孔或巷道圈定岩床分布范围，然后决定因果方案。对串珠状 侵入体，如果对煤层破坏不严重，工作面可直接推过，但要增加采面处理岩浆岩的工序。 对大面积岩床分布区，采区和采面布置要设法避开。 第四节 岩溶陷落柱 岩溶陷落柱是岩溶空洞塌陷的产物。它是由于下伏易溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成大量溶洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落、塌陷所形成的筒状柱体。简称陷落柱，俗称“矸子窝”或“无炭柱”。 陷落柱在我国华北石炭二叠纪煤田中普遍分布，其中以山西、河北两省更加发育。陷落柱是影响煤矿生产建设的特殊地质条件之一。在陷落柱发育的矿区，煤层遭到严重破坏，不仅影响采面的正规布置，限制采掘机械的有效使用，而且造成煤炭资源的大量损失，打乱正常生产计划和降低煤矿经济效益。在水文地质条件复杂的矿区，陷落柱有可能成为地下水的通道，给生产安全带来严重威胁。1984年6月2日，开滦范各庄煤矿2171综采工作面, 因陷落柱沟通奥陶纪灰岩强含水层而导致陷落柱特大突水的淹井事故。 在我国西南晚二叠世煤田中, 分布一种类似于陷落柱的岩溶淤泥带。它是由于地下水沿石灰岩构造裂隙长期溶蚀，两侧岩石坍塌，地表泥土填入形成的条带状淤泥带。当巷道遇到淤泥带时，黄泥夹杂碎石和水涌入巷道，对生产和安全影响极大。 生产矿井研究岩溶陷落柱的基本任务如下 （1）研究和查明岩溶陷落柱的形成条件和形成机理，为预测陷落柱的总体发育状况和分布规律奠定基础。 （2）研究陷落柱出现前的征兆，陷落柱内外的重力、地热、地电和地化指标等异常情况，为预先圈定陷落柱提供依据。 （3）观测和探查陷落柱的基本特征，其中包括陷落柱的形态、内部结构和充水情况，以便确定它对正常和安全生产的影响程度，制定正确的处理措施。 一、陷落柱的特征 （一）陷落柱的地表特征 根据陷落柱在地表呈现的地质和地貌特征，可以划分为以下几种形态。 1. 盆状塌陷坑 在基岩裸露区，陷落柱常以盆状凹坑的形状出露于地表。坑内岩层遭受破坏，混杂堆积着上覆不同层位的大小岩块，或为黄土所掩盖；坑外岩层层位正常，裂隙发育，岩层产状微向坑心倾斜。塌陷坑常呈圆形或椭圆形。在山西东南部煤系地层中填图时，常可见到万灰丛中一圈黄（或红的地貌景观。 2. 丘状凸起区 山西阳泉和平定矿区，在大片裸露的且由粉砂岩和泥岩组成的山西组地层中，常可见到由上覆石盒子组或石千峰组砂岩块体局部堆积而成的丘状凸起。砂岩块体大小不一，岩性混杂，外围岩层层位正常。这是因为塌陷区内外岩石抵抗风化、剥蚀的能力不同，而造成的差异风化地貌景观。 3．柱状破碎带 山西西山和汾西矿区的沟谷两侧或道路两旁的天然或人工剖面上，常可见到一些柱状破碎带，这即是陷落柱的剖面形态。 4．特殊地貌形态 在黄土覆盖区，基岩中的陷落柱可导致表层黄土产生圆形陷坑或弧形阶梯状裂缝。裂缝窄的仅几厘米，宽的讨跃进耕牛，在山西汾西矿区有“跃牛缝”之称。此外，陷落往还可引起黄土滑坡。 二陷落柱的井下特征 1．陷落柱的形态特征 它是指陷落柱的三度空间形状。现从它的平面和剖面形态、高度和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。 1陷落柱的平面形态 它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。一 般呈椭圆形，也可呈圆形、鞋底形或长条形等图294。 图2-94 陷落柱平面形状示意图 根据山西阳泉三矿已揭露的133个陷落柱的平面形态统计资料，椭圆形的92个，占69；圆形的13个，占10％；其它形状的28个，占21％。为了描述陷落柱的平面形态，应标出长轴和短铀，计算出长短轴的比值。一个矿区，陷落柱长袖往往具有一定的方向性。 2陷落柱的剖面形态 它是指沿陷落柱中心轴切剖的陷落柱形态。如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层，则剖面形态多至上大下小的漏斗状图295a；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层，则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水平面的交角为60～80图295b；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍呈一锥形柱状图295c。 图2-95 陷落柱剖面示意图 a松软岩层中的漏斗状陷落柱；b坚硬岩层中的圆锥状陷落柱；c复杂岩层中的陷落柱 3陷落柱的高度 它是指从溶洞底到塌陷顶的垂直距离。它与溶洞的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有密切关系。一般高度由几十米到100～200m，但也有高达几百米的巨型陷落和仅数米的小型坍塌。 4陷落柱的中心轴 它是指陷落柱各平面形态的中心点的联线。通常，中心轴垂直于所穿过的岩层层面。由于陷落往穿过的各岩层的产状、岩石性质和裂隙发育程度常有变化，因此，中心轴大多不是直立的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。掌握中心轴的倾伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、下部水平陷落的平面位置非常重要。一般情况下，下部煤层和下部水平陷落柱的平面位置向煤层上山方向、即煤层倾向相反方向移动图296。 图2-96 陷落柱中心轴变化示意图 图2-97 陷落柱柱面特征 a锯齿状柱面；b滑坡状柱面 2．陷落柱的柱面特征 陷落柱的柱面是指陷落柱与周围正常岩层的接触面。它受岩层的岩石性质和结构构造 的控制。岩性均一的坚硬岩层，柱面多呈直立的平面；松软岩层与坚硬岩层互层，柱面为 凹凸不平的锯齿状曲面，软岩层凹入，硬岩层凸出图2-97a；上部岩层松软多水，裂隙 发育，下部岩层坚硬完整，柱面也可呈滑坡状曲面图297b。 柱面与巷道顶面或底面的交线常为一弧线，根据弧线的曲率和方向变化可判断陷落柱的形状、大小和相遇部位。如果弧线的曲率大，则陷落柱小，曲率小则陷落柱大；如果巷道沿陷落柱长轴穿过，则两侧弧线强烈内凹，沿短轴穿过则两侧弧线较平直；如果巷道穿过陷落柱边部，则两侧交线的延长线夹角较大，沿陷落柱中部穿过则两侧交线的延长线夹角较小。根据上述情况，结合长轴方向和长短轴比值，就可推测出陷落柱的平面形态图2-98。 图2-98 根据巷道与陷落柱交线确定柱体形状大小和相遇部位 3．陷落柱的柱体组成特征 陷落柱由塌落岩块堆积组合而成。与周围正常岩层相比，塌落岩块层位较新，并具有大小悬殊、棱角明显、形状各异、混杂堆积，常为松软岩屑、煤屑和粉粒充填粘结等特点。陷落柱中塌落岩块胶结的好坏，与陷落柱形成的早晚，地下水的活动情况，以及塌落岩层的岩石性质有关。早期陷落柱一般均已胶结，晚期的则混杂粘合，胶结较差，比较松散；有地下水长期活动的陷落柱，塌落岩块表面及其间隙常有铁质、碳酸钙质或高岭土等矿物质沉淀，连同煤粉和岩屑组成的软泥，把岩块粘结起来。 根据江苏徐州大黄山矿的研究表明，陷落柱内的塌落岩块并非杂乱无章，塌落岩块的层面多向柱内歪斜，同一层位的岩块在水平方向上呈现有规律的对称性分布（图299。 图2-99 陷落柱内塌落岩块的对称分布 a平面图；b剖面图 1陷落柱；2灰绿色粗砂岩；3含煤角砾；4不含煤角砾 （据徐州大黄山矿资料） 三陷落柱与断层和河流冲蚀的区别 由于陷落往、断层和河流冲蚀的成因不同，因而它们的特征也各异，据此不难把它们区分开来。 1．从接触带特征区别 陷落柱的接触面不平整而近直立，面上无擦痕和滑面，接触带中煤、岩层微向柱心倾斜，但牵引不明显，张性裂隙发育，煤质松碎，常有风、氧化现象。断层面较平整，直立产状较少，面上擦痕、阶步和滑面发育；断层带内牵引褶皱和羽状裂隙明显，一般情况下煤层未受风化现象。冲蚀接触面总的较平缓，有水流冲蚀的痕迹。 2．从地层和岩性标志区别 陷落柱内充填岩块大小愚殊、棱角明显、岩性复杂、胶结硫松，折裂陷落的大型岩块，层理往往直立陡倾图2l00。断层破碎带一般较窄，断层角砾较小，成分较简单，棱角已部分磨损，并显示定向排列；断层造成地层有规律的重复和缺失；两侧岩层层理很少呈直立状态。冲刷带内岩块较小，有磨圆现象，胶结紧密，层理清晰，岩石结构构造保持完好，冲刷带可见层位缺失等现象。 图2-100 陷落柱内大块岩石塌陷 3．从上下对应关系区别 陷落柱与断层和河流冲蚀不同之处，还表现在具有特殊的上下对应关系。地表若有陷落柱，井下必定有，上水平或上煤层中若有陷落柱，下水平或下煤层中必定有。这是因为陷落柱是由下而上逐步塌落的。 二、陷落柱的成因 研究陷落柱的形成原因，主要是研究煤系及其下伏地层中导致岩镕发育的地质条件，引起岩溶洞穴塌陷的机理，以便切实掌握陷落柱的发育和分布规律，为煤矿开采过程中预测和探查陷落柱提供重要理论依据。 一岩溶发育的地质条件 岩溶发育必须具备下列四个条件，缺一不可。 1煤系或其下伏地层中含有可溶性岩、矿层，如石灰岩、白云岩或石膏矿等。由于这些岩层或矿层极易被地下水溶蚀形成溶孔、溶隙和溶洞，并随着地下水的不断活动溶蚀空间逐步扩大。 2含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断层和裂隙，尤其是透水性好的张性或张扭性断裂。它们沟通地面水系、地下富水层段与可溶性岩、矿层之间的水力联系，因此陷落往常沿岩溶化断裂带、褶皱轴部，特别是断裂交汇处呈串珠密集分布图2101。 图2-101 江苏徐州大黄山矿陷落柱分布图 a平面图；bA-A′剖面图 1向斜枢纽；2断层线；3陷落柱 3地下水交替循环快，排泄流畅，具有良好的地下水动力条件。一个地区的侵蚀基准面控制着地下水的交替和流动。侵蚀基准面以下，地下水流动缓慢，排泄困难，岩溶不发育。岩溶发育最有利的地带，是地下水面以下、侵蚀基准面以上的饱水带。这带地下水向侵蚀基准面作水平运动，形成水平连通的溶洞。因此，陷落柱集中分布在地下水强迳流带内。例如，河北井陉矿区陷落柱具有南多北少、西密东稀，且沿NE方向呈串殊状分布的特点图2l02，这与该区地下水的集中迳流带关系密切。又如，河北开滦唐家庄矿、彭家塔坨和范各庄矿的陷落柱和地表岩溶塌陷坑发育区呈NESW方向分布，与区域地下水迳流方向基本一致。 图2-102 河北井陉煤田陷落柱分布图 1陷落柱；2正断层和逆断层；3背斜和向斜；4火成岩侵入边界；5煤层底板等高线；6等水位线；7地下水径流方向；8煤层露头线 4地下水源丰富，具有溶蚀性较强的酸根和较大的侵蚀“掏空”能力。应该指出，有极少部分的陷落柱的塌落空间不是由于地下水的溶蚀作用造成的，而是由于地下水的机械作用把流砂透镜体、断层泥堆积体等松软岩体冲刷带走造成的。 二溶洞塌陷机理 岩溶洞穴是形成陷落柱的先决条件。但是，大量事实表明，并非所有溶洞都会坍塌成陷落柱。例如桂林七星崖、芦笛崖等大溶洞，至今末塌，保存完好；又如我国某些矿区的石灰岩地层，虽然发育有大量溶洞，但却没有发现陷落柱。由此可见，导致溶洞坍塌也是有原因和条件的。目前，有关溶洞塌陷的原因、条件和过程的研究，即溶洞塌陷机理的研究还很不够，现简要介绍以下几种基本观点 1．重力塌陷观点 持这种观点的人认为，岩溶洞穴上覆岩层的塌落是由于重力作用的结果。岩溶洞穴破坏了岩层的整体性和稳定性，改变了原地应力的平衡状态，致使洞顶和洞壁的岩层在重力的作用下产生破裂和塌落。这时如果地下水活动停止，原有洞穴已被塌落岩块填满，或者洞顶已形成自然平衡拱，塌落过程即告结束；如果地下水继续活动，使溶洞逐步扩大，洞中塌落物质不断被水搬走，塌落过程就要持续下去。由于古地下水动力条件时强时弱，塌落岩层时硬时软，因此个陷落柱的形成，从开始到结束，需要经历一个漫长的时间过程，其间塌落时断时续，时快时慢，绝不可能一次连续完成。 重力致塌观点以天然洞穴和人工裸体硐室的自然塌落为基础，有一定的理论和实践依据。但是，当认真考查这一观点时，却发现与之有矛盾的客观现象如下 1按陷落柱上小下大的特点推算，溶洞的底面积应远大于煤层的塌陷面积。然而，从野外考查和钻孔揭露资料来看，通常溶洞规模不大。所以，要形成煤层陷落面积达几十到几千平方米的大溶洞是十分困难的。 2按陷落高度为悬空高度的2.5～3倍推算，要形成陷落高度在l00m以上、甚至500～600m的陷落柱，必须要有近50～200m高的巨大溶洞。这在溶洞发育地区尚未发现过，模拟验证也将十分困难。 3岩溶受断裂构造的控制，因此地下的溶孔、溶隙或溶洞彼此相连，组合成管状和网络状的岩溶体。但实际揭露的陷落柱平面形态为椭圆形和似圆形，极少出现长条形。 2．真空吸蚀塌陷的观点 真空吸蚀作用是指在岩溶真空地质环境中，由于封闭岩溶内的地下水位下降，产生负压，致使封闭的盖层结构受到破坏，导致地表塌陷的一种自然物理作用。由此可见，产生真空吸蚀作用的必要条件一是地下岩溶上面有密封性能良好的盖层，二是岩溶空隙中地下水位不断下降，能够产生足够大的自然负压，犹如巨大的吸盘，强有力地抽吸着上面盖层向下陷落。 真空吸蚀塌陷是煤炭科学研究总院西安分院水文地质所徐卫国和赵桂荣提出的新观点。据他们的研究表明，在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于某些原因，如地下水补给和排泄条件的改变等，引起浅部充水岩溶腔内地下水位大幅度下降。当水位低于岩溶腔口表面时，在岩溶盖层与岩溶腔内水面之间出现无水空腔，这时腔内水体由承压转为无压。根据波义耳马略特定律，即pV＝常数，当体积V增大时，压力p必然减小。因此，由于地下水位不断下降而逐渐增大的岩溶空腔，必定转化为低气压状态，近似于真空腔，或称负压腔。它像巨大吸盘一样，强有力地抽吸着上面盖层，使之快速剥落和下陷，直至坍塌破坏。与此同时，由于岩溶空腔内外的压差效应，使腔外大气压力对盖层表面产生冲压作用，加速盖层平衡的破坏，导致地面塌陷。 运用真空吸蚀塌陷观点，可以较好地解释现代和古代岩溶塌陷的形成机理。但是，岩溶陷落是十分复杂的地质现象，必须从它的基本特征出发结合矿区的地质和水文地质条件，具体研究它的形成条件和形成机理。 三、陷落柱的观测和编录 无论在地表或井下遇见陷落柱，都应进行详细的观测和编录。根据生产矿井对陷落柱的观测和判断的基本要求，可归结为五查、五看和五定的工作方法。 五查包括查陷落柱周围煤、岩层中裂隙的发育情况和充填物性质，查陷落柱周围煤质的变化范围和风化程度，查临近陷落柱处水和瓦斯的变化情况；查陷落柱周围小型断层的发育情况和产状特征；查矿区内陷落柱的发育和分布规律。 五看包括看陷落柱与煤、岩层接触面的形态；看陷落柱与煤、岩层接触带的充填物性质和特征；看陷落柱内岩块的性质、形状、大小、排列方式和层位时代，看陷落拄周围煤、岩层的产状变化；看陷落柱面与巷顶交线的弯曲方向和曲率。 五定包括定巷道遇陷落柱的部位；定陷落柱的形状；定陷落柱的大小；定巷道穿透陷落柱的距离；定处理陷落柱的措施。 应该指出，观测和编录陷落柱的重点，应该是它的形态特征、导水性能和对煤层的破坏情况。 四、陷落柱的探测和预测 在陷落校发育的矿区，在采掘工程设计和施工过程中，必须注意观察陷落柱出现前的预兆，加强对陷落柱的探测和预测。 一陷落柱出现前的预兆 当采掘工程接近陷落柱时，在煤层及其顶底板岩层中，经常出现一些异常地质现象，预示采掘前方可能遇到陷落柱。这些预兆主要是以下几方面 1煤、岩层产状发生变化。一般情况下，在临近陷落柱时，煤、岩层产状稍有变化，倾向陷落柱中心，倾角增大或减小，倾角变化多在3～6之间，个别可达10以上，影响范围一般为15～20m，5m内煤层顶板松动。煤、岩层产状的影响范围和变化程度与它的物理力学性质有关。在较松软的煤、岩层中，产状变化明显，影响范围较宽；在坚硬和脆性的煤、岩层中，产状变化不明显，影响范围较窄。 2裂隙和小断层增多。在岩溶塌陷过程中，由于重力或真空吸蚀作用的影响，在陷落柱周围的煤、岩层中形成一些张性裂隙和小型正断层图2103。这些断裂面大多倾角较陡，走向平行柱面的切线方向，或呈弧形平行柱面，倾向陷落柱中心，断层落差很小，走向延展不长，短者2～3m，长者l0m左右，沿倾向往住消失于煤层中，多呈顶断底不断的形式，断裂中常充填粘土、碳酸钙和氧化铁等物质，断裂在脆性煤、岩层内比较发育，在塑性煤、岩层中则较少见。 图2-103 陷落柱周围小断层示意图 图2-104 岩块挤入煤层示意图 3煤出现风氧化现象。在靠近陷落柱周围的煤层中，煤常不同程度地遭受风氧化作用。轻则光泽变暗，灰分略高，煤质松软；重则风化呈粉末状。煤的风氧化程度和影响范围与陷落柱的大小、裂隙发育程度、距地表的深度和地下水的话动情况有关。 4煤层中挤入破碎岩块。在接近陷落柱的煤层中，因煤层局部煤质松软，在地下水的侵蚀和掏空作用下，陷落岩块常沿柱体四周嵌入煤层图2l04。挤入煤内的岩块棱角明显，没有引起煤层层理和顶底板的异常变化。 5地下水涌出量增大。陷落柱既可积聚地下水，又是连接富水岩层的良好通道。在陷落柱发育的矿井内，采掘前方涌水量增大，往往是临近充水陷落柱的先兆。研究资料表明，不同地区陷落柱的充水特征差异很大，有的干燥无水；有的储水而不导水；有的既充水又导水。引起矿井突水事故的陷落柱必须具备三个条件一是穿过富水的含水层，二是具有一定的水头压力；三是陷落柱导水。因此，现代岩溶水强迳流带上的陷落柱，特别是正在发育中的陷落柱，复活了的陷落柱，才具有导水和突水的潜在危险。 河北井陉矿区根据陷落柱拄出现前的综合预兆，把陷落柱由外向内分为三个带，并据此预测陷落拄。 1外围影响带。该带煤、岩层产状异常，岩体破碎，裂隙发育，一般宽5～30m。 2中间过渡带。由软泥夹碎块组成，宽0.3～2m。 3中心塌陷带。由破碎老块混杂堆积而成。 二陷落柱的探测 通过观测和判断，还不能确定陷落柱的位置、形状、大小和充水特征时，必须采用多种探测技术手段予以查明。目前，探查陷落柱的主要技术手段有钻探、物探和巷探。 1钻探 它是目前生产矿井探查陷落柱时最常使用的技术手段。它使用范围较广，在地表可用钻探验证异常区是否有陷落柱，在井下可用钻探查明掘进巷道前方和回采工作面内部有无陷落柱。在探查巷道掘进前方陷落柱时，应根据巷道施工方向布置平行孔或扇形孔，在探查回采工作面内部陷落柱时，一般宜采用扇形孔布置图2105，孔间距应略小于本矿区已知陷落柱的平均直径。钻进时要注意观察岩芯，分析钻孔涌水、漏水和塌孔现象。 图2-105 钻孔圈定采面内陷落柱示意图 2物探 用于探查陷落柱的物探仪器，在我国尚处于引进、研制和试用阶段。目前用于地面普查的有地电仪美国、磁偶源频率测深仪匈牙利，用于井下回采工作面采前探查的有无线电波坑道透视仪和槽波地震仪，用于巷道掘进前方陷落柱探查的有地质雷达仪等。上述仪器在开滦等矿区应用效果较好。除此之外，鉴于陷落往上方可能存在重力、地温和地化异常，因此有人提出来用高精度重力仪、气敏地气监测仪和热敏电阻测温仪等在地面发现和圈定陷落柱的设想，但需要专门的研究和试验。 3巷探 为了查清某个陷落柱的确切位置、形状、大小及其对煤层的破坏程度，对没有突水危险的陷落柱，可以利用小断面的巷道进行探测。由于巷探工作量较大，费用较高，因此布置巷探时一定要遵循一巷多用的原则。 三陷落柱的预测 陷落柱的预测可分为陷落柱分布规律预测和已知陷落柱推延预测两类。 1陷落柱分布规律预测 又称陷落柱成因预测。它是通过具体分析某一地区的地质和水文地质条件，揭示陷落柱的发育和分布规律，并在此基础上进行陷落柱发育程度分区，为采区布置和采掘计划安排提供宏观定性依据。 前已述及，陷落柱是岩溶塌陷造成的，因此研究陷落柱的发育和分布规律，实际上就是研究岩溶的发育和分布规律。由于断裂构造是地下水的良好通道，是形成岩溶的重要条件之一，因此区内陷落柱的分布多与岩溶化断裂带相一致，呈串带状分布。由于矿区不同地段地质和水文地质条件不同，岩溶发育条件存在着差异，因此陷落柱在数量、形态和大小方面部表现出明显的分区性。陷落柱集中分布在地下水强迳流带内；在断裂构造交汇处，地下水排泄口附近，陷落柱数量多、个体大。 在进行陷落柱分布规律预测时，首先要查明陷落柱的形成条件，包括做好预测区的地质和水文地质调查，分析区内地质构造和地下水运动规律，弄清补给区、补给层位和排泄口位置，以及可溶性岩层埋藏深度等，为正确评定不同区域陷落柱发育程度差异提供理论依据，然后，根据已采区陷落柱的发育和分布情况，数量多少和对生产的影响程度，从已知区到预测区进行类比分析类比分析主要包括陷落柱形成条件的异同，陷落柱发育程度的比较，以及它们对生产影响程度的大小等；最后，在综合上述研究成果的基础上，按陷落柱的发育程度进行分区，一般采用三级划分，即发育区、较发育区和不发育区。 2已知陷落柱推延预测 指根据上部揭露的陷落柱资料，预测下部水平