摘要：淮北煤田閘河礦區(qū)，古陷落柱構(gòu)造少有發(fā)育。袁莊煤礦在2006年10月生產(chǎn)工作面揭露一古陷落柱并成功改造。但經(jīng)過對該古陷落柱構(gòu)造的分析，得出該陷落構(gòu)造的形成層位、成因、空間形態(tài)及其對下一步袁莊礦6煤層開采的影響等相關(guān)結(jié)論。
　　關(guān)鍵詞：陷落柱；空間形態(tài)；真空吸蝕；
　　
　　2006年10月，淮北礦業(yè)集團(tuán)袁莊煤礦正在回采的Ⅳ31212工作面在回采過程中，在無預(yù)兆的情況下，揭露一古陷落柱構(gòu)造，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全。雖通過及時與徐州中礦地質(zhì)工程有限科技開發(fā)有限公司聯(lián)系并進(jìn)行合作，采用瞬變電磁法判斷了該陷落柱的富水性及影響范圍，并依此拿出了合理的改造方案，成功順利的通過該陷落柱構(gòu)造，確保了生產(chǎn)的安全進(jìn)行，但其教訓(xùn)是深刻的。所以有必要，對該陷落柱構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的分析，以便為下部煤層的開采，提供更加準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料。該陷落柱為袁莊礦自投產(chǎn)以來揭露的第二個陷落柱構(gòu)造，故暫稱為2#陷落柱。（發(fā)表論文）
　　12#陷落柱的井下觀測
　　2#陷落柱位于Ⅳ31212工作面的中部，平面形狀似圓形，平均直徑45m。與柱體相接部位的煤層及其頂?shù)装瀹a(chǎn)狀正常，無明顯變化。但距柱體15m范圍內(nèi)，連續(xù)發(fā)育落差不足1m的小斷層多條，且均為正斷層。斷層面頃向面向柱體，小斷層的斷層面走向近似于柱體邊緣相切。煤質(zhì)無明顯變化。柱體與回采煤層31煤層的接觸面處，31煤一側(cè)為明顯的凹凸不平的高角度傾斜面，呈鑲嵌狀，無擦痕。與柱體接觸處有煤粉、巖屑組成的軟泥。柱體內(nèi)，巖塊大小不一，直徑從幾厘米至幾十幾厘米不等，排列雜亂無章。巖塊多為31煤層上覆過渡相及陸相碎屑巖，含有大量黃色顆粒晶體。柱體內(nèi)部膠結(jié)較好。柱體附近，煤層頂板淋水，涌水量基本穩(wěn)定在20m3/h左右。
　　
　　
　　22#陷落柱的成因分析
　　2.1陷落柱的普遍成因
　　巖容陷落柱是局部地層中的巖溶塌陷現(xiàn)象，巖溶陷落柱發(fā)育的普遍地質(zhì)條件如下：
　　1）含煤巖系或其下部地層中含有可溶性巖、礦層。這些巖層或礦層易被地下水溶蝕后出現(xiàn)溶洞，并有逐步擴(kuò)大的可能；
　　2）含煤區(qū)域內(nèi)，發(fā)育有良好的地下水通道。主要是指斷裂構(gòu)造造成地面水系、井下富水層位與可溶性巖、礦層之間的水力聯(lián)系；
　　3）地下水源豐富，且含有溶蝕性大的各種酸根；
　　4）有流暢的排泄口，地下水動力條件較好，交替循環(huán)，有較強的侵蝕“掏空”能力。
　　巖溶是形成陷落柱的先決條件，但并不是所有的巖溶體都會形成陷落柱。導(dǎo)致巖溶坍埸也是有條件的，對其致塌機(jī)理，目前有以下幾種觀點：
　　1）重力塌陷的觀點
　　巖溶使巖層的整體性、穩(wěn)固性遭到破壞，其上覆巖層在重力作用下產(chǎn)生裂隙，而后導(dǎo)致巖體塌落，真至巖溶空間自然平衡拱形成，上覆巖層得到相對的穩(wěn)定。同于地下水的繼續(xù)活動，巖溶仍有可能進(jìn)一步擴(kuò)展，再次使巖層失去平衡，不斷垮落，不斷擴(kuò)大，逐漸形成幾米、幾十米，以至數(shù)百米的陷落柱。
　　2）真空吸蝕塌陷的觀點
　　在相對密封的承壓巖溶網(wǎng)絡(luò)地下水中，由于某些原因，引起水面的下降。逐漸增大的巖溶空腔必定轉(zhuǎn)化為低氣壓狀態(tài)，似呈真空的空腔。隨著水面的不斷降低，不斷增大的真空腔，不斷地對上部蓋層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀的真空吸蝕掏空作用，作蓋層的巖、土層底部呈現(xiàn)顆粒狀或片狀，快速地自行剝落，直至坍塌破壞。
　　3）物理化學(xué)綜合作用塌陷的觀點
　　陷落柱的成因相當(dāng)復(fù)雜，是由多種因素綜合的物理化學(xué)作的結(jié)果。如：巖層內(nèi)部物質(zhì)的重結(jié)晶作用；地下水循環(huán)造成的沖蝕及溶蝕作用；有機(jī)質(zhì)分解立物的化學(xué)作用等。
　　2.22#陷落柱的成因分析
　　一、水文地質(zhì)條件概況
　　（一）新生界含、隔水層（組）特征
　　本區(qū)煤系均被新生界松散層所覆蓋，可分為一個含水層（組）和一個隔水層（組）。
　　1）第四系上部含水層（組）
　　一般自地表垂深3~5m起，底界深度一般25m左右。含水砂層厚度15m左右。巖性主要由淺黃色、淺灰色粉砂、粘土質(zhì)砂組成，局部為細(xì)砂，夾有砂質(zhì)粘土、粘土薄層。本組分布穩(wěn)定，其上部為潛水，下部為弱承壓水，據(jù)本礦抽水資料q=0.561L/s.m，K=4.21m/d，水質(zhì)為HCO3•Cl-Mg•Ca型，礦化度為0.49～1g/l，PH值7.0～7.3。
　　2）第四系底部隔水層（組）
　　底界深度一般50m左右。隔水層一般厚度20m左右。該組主要為粘土夾礫石。本組分布較穩(wěn)定，隔水性能較好。
　　（二）二迭系煤系含、隔水層（段）
　　區(qū)內(nèi)二迭系含煤地層主要由泥巖、粉砂巖、砂巖及煤層組成，以泥巖、粉砂巖為主，整個二迭系含水層含水性較弱，含、隔水層（段）無明顯界限可分，只能依靠地層剖面巖性與礦內(nèi)主要可采煤層間的關(guān)系劃分為如下含、隔水層（段），自上而下分別為：
　　基巖風(fēng)化帶含水層（組）
　　石盒子組上部隔水層（組）
　　石盒子組砂巖裂隙含水層（組）
　　石盒子組下部隔水層（組）
　　3～5煤含水層（組）
　　鋁質(zhì)泥巖隔水層（組）
　　6煤層砂巖裂隙含水層（組）
　　6煤下至太原組隔水層（組）
　　以上各含水層（組）中以砂巖裂隙含水為主，據(jù)鉆孔資料及井下生產(chǎn)實際揭露情況，二迭系砂巖裂隙水主要以靜儲量的形式賦存于砂巖層裂隙之中，受構(gòu)造控制。砂巖裂隙一般不發(fā)育，即使局部地段裂隙發(fā)育，也具不均一性，抽水試驗單孔單位涌水量一般較小。據(jù)礦內(nèi)對6煤頂?shù)装迳皫r抽水試驗，q=0.00126～0.01055l/s.m，K=0.00133～0.0122m/d，礦化度2.16g/l，水質(zhì)為SO4•Cl-Na•Ca類型。
　　從以上資料可以看出本區(qū)主采煤層頂、底板砂巖裂隙含水性不均，水量不太豐富。
　　（三）太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（組）
　　太原組灰?guī)r富水性不均一，其富水性強弱，取決于巖溶裂隙發(fā)育程度，一般規(guī)律是淺部露頭帶巖溶裂隙發(fā)育，富水性比深部強，即使在同一深度，其巖溶裂隙的發(fā)育程度也具不均一性，但一般情況下是1-4層灰?guī)r溶裂隙較發(fā)育，富水性較好。
　　本礦太原組灰?guī)r巖性為灰白色細(xì)～粗粒結(jié)晶狀灰?guī)r與泥巖及砂質(zhì)泥巖互層，灰?guī)r共有12層，多呈薄層狀，分層厚0～14.8m，累計厚度約63.54m，含水層總厚度164m左右，為灰?guī)r裂隙溶洞承壓水，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，該含水層含水不均一，富水性隨埋深增加而減弱，如埋深在115～273m區(qū)間，q=0.745L/s.m，而在448～520m區(qū)間，q=0.012L/s.m，同時，處在同一標(biāo)高，該含水層之富水性比其它二疊系各含水層強。K=0.09596～0.7161m/d，水質(zhì)類型為SO4•Cl-Na•Ca型，礦化度1.16～1.23g/l，硬度11.8～26.2德國度，PH值=7.2～7.7。本區(qū)07-觀1孔1-4灰注水試驗，q=0.0556L/s.m，K=0.1966m/d。　　
　　二、2#陷落柱的形成
　　1）2#陷落柱的底部開始形成層位
　　2#陷落柱位于牛眠向斜軸部附近。而牛眠向斜是一受水平構(gòu)造應(yīng)力形成的褶曲構(gòu)造，同一巖層在向斜軸部較向斜兩翼較好。軸部平緩，軸心隆起，呈明顯的“W”形，具有典型的復(fù)式向斜的特征。向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力集中，裂隙及斷裂構(gòu)造發(fā)育。為煤系地層下部可溶性巖層形成溶洞，提供了可能。
　　根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，袁莊礦區(qū)太原組含灰?guī)r12層，其中4灰分層較厚，含水量較大。且經(jīng)過水質(zhì)化驗，水質(zhì)類型為SO4•Cl-Na•Ca型，礦化度1.16～1.23g/l，硬度11.8～26.2德國度，PH值=7.2～7.7。我們知道，當(dāng)PH值低于8時，水中所有碳酸均呈游離CO2和HCO3-離子狀態(tài)存在，具有較強的腐蝕性。同時，根據(jù)袁莊礦區(qū)正常地溫梯度計算，在2#陷落柱發(fā)育位置，4灰的地溫應(yīng)該在30°~40°之間，進(jìn)一步促進(jìn)了灰?guī)r水的溶蝕性，為容洞的發(fā)育提供了可能。
　　除4灰外，另一層陷落柱底部溶洞可能發(fā)育層為奧陶系灰?guī)r。但在本區(qū)。奧陶系埋深較大，約在-700左右，富水性較弱。同時，若2#陷落柱發(fā)育于奧灰，而影響到31煤層，并在31煤中柱體直徑達(dá)50m，則該陷落柱高度至少為200m以上，如此高度的陷落柱，在淮北閘河礦區(qū)開采多年來，從未有過的。此外，袁莊礦區(qū)，奧灰水水位在-700處，水頭壓力必然較大，形成的陷落柱也應(yīng)該多為導(dǎo)水陷落柱，這一點特性也與2#陷落柱特性不符。綜上，可初步判斷2#陷落柱始發(fā)育于太原組4灰。
　　
　　2）溶洞的擴(kuò)大及坍塌過程
　　在溶洞形成之后，伴隨一系列的物理化學(xué)作用，溶洞不斷擴(kuò)大。后在溶洞上覆巖層自重和溶洞真空吸蝕的交互作用下，引起溶洞頂蓋的坍塌，進(jìn)而形成陷落柱。根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)條件分析，2#陷落柱，高度約為120m左右，平面形狀為似圓形。結(jié)合區(qū)域地層產(chǎn)狀，可以發(fā)現(xiàn)2#陷落柱的平面形狀很有特點，平面圓形向地層上方凸起。這從側(cè)面反應(yīng)出，該區(qū)域上下巖層產(chǎn)狀基本一致，變化不大，這與該區(qū)域的已知地質(zhì)條件相吻合。同時考慮到該區(qū)域，4灰的厚度及區(qū)域裂隙發(fā)育程度，可以認(rèn)為在2#陷落柱的形成過程中，溶洞的真空吸蝕作用占居主導(dǎo)地位。進(jìn)而可以推斷，形成2#陷落柱的底部溶洞，不會太大。
　　從31煤層往下，直至太原組灰?guī)r，均為過渡相砂泥巖互層，巖石性質(zhì)較均一。因而在陷落柱的形成過成中，柱體側(cè)斜角度會相對較均一。因柱體內(nèi)部，巖塊膠結(jié)較好，能夠起到良好的阻水作用。所以在31煤層工作面揭露2#陷落柱時，并未引起水災(zāi)。
　　
　　3）2#陷落柱的形狀
　　經(jīng)過上述分析，可以初步判定2#陷落柱的形態(tài)，平面及剖面如圖示：
　　2.32#陷落柱分析對6煤開采的意義
　　1）2#陷落柱本身對6煤開采的影響
　　經(jīng)過上述分析，可知2#陷落柱在6煤回采過程中，勢必要揭露，且位置和斷面直徑均會有所變化。由于6煤層本身離太原組灰?guī)r較近，不排除2#陷落柱在6煤層導(dǎo)水的可能性，因此，必須引起高度重視。在6煤層開拓和采區(qū)布置時，予以考慮。
　　
　　2）其它影響
　　2#陷落柱的揭露及其形成過程的推測，表明在袁莊礦區(qū)，灰?guī)r溶洞時有發(fā)育。并有可能，在6煤層開采過程中，揭露一些未影響到31煤層的古陷落構(gòu)造。同時，灰?guī)r中發(fā)育的陷落構(gòu)造，大大降低了，6煤底板的有效隔水厚度，使奧灰水對6煤層的開采威脅加巨。因此，在6煤開采過程中，對煤層底板灰?guī)r水的防治將是重中之中。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]車樹成.《煤礦地質(zhì)學(xué)》[M]中國礦業(yè)大學(xué)出版社
　　[2]《袁莊煤礦礦井地質(zhì)報告》
　　[3]柴登榜.《礦井地質(zhì)工作手冊》[M]煤灰工業(yè)出版社