李雅庄井田陷落柱发育特征分析及预测_李雄.pdf

李雅庄井田陷落柱发育特征分析及预测李 雄，王丽娟（山西焦煤霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西 霍州 031400）摘要：李雅庄井田内陷落柱与断层较为发育，矿井自建井、生产至今共揭露 243 处陷落柱，主要分布在二、三、四采区。井田陷落柱密度较大，平均密度为每平方公里 69 个4。本文以观测描述陷落柱的平面形状、大小、柱壁角、充填物的特征、层位、压实程度和含导水性以及围岩的变化，结合李雅庄井田地质构造发育、水文运移规律，通过统计分析寻求井田范围内陷落柱的发育规律，对未开采区域陷落柱展布形式、分布进行预测，从而为矿井安全开采提供指导信息。关键词：井田；岩溶陷落柱；发育特征；水文地质特征中图分类号：TD 327文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0075-05Analysis and prediction of development characteristics of collapse columnin Liyazhuang mine fieldLI Xiong，WANG lijuan（Shanxi Coking Huozhou Coal power Group Co.LTD.Liyazhuang coal mine,Huozhou031400,China）Abstract：Collapse columns and faults are well developed in Liyazhuang mine field.Up to now,a total of 243 collapse columns have beenexposed,mainly distributed in No.2,No.3 and No.4 mining areas.The average density of collapse columns is 69 per square kilometer.Based onthe observation plane shape,size,description of collapse column wall Angle,the characteristics of the fillings,horizon,compaction degree andthe hydraulic conductivity and the change of the surrounding rock,combining liyazhuang coal mine geological structure developmentregularity,hydrology,through statistical analysis to seek development rule of the field range of collapse column of undeveloped area of collapsedistribution form,distribution to make predictions,Thus provide guidance information for mine safety mining.Key words：mine field；karstic collapse column；development characteristics；hydrogeologic characteristic1李雅庄井田概况1.1地层及构造李雅庄井田位于霍州煤炭国家规划矿区的东部边缘，出露最老地层为二叠上统上石盒子组的下部（P2s1）分布于井田南西边缘，向东，向北依次出露有上石盒子组中、上部和石千峰组地层。新生界地层不整合覆于上述地层之上。据钻探揭露地层的层序由老至新有：下古生界奥陶系中统上马家沟组（O2s）、峰峰组（O2f）；上古生界石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）；二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x），上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh）；新生界新近系上新统（N2）、第四系全新统（Q4）。李雅庄井田受南侧什林挠褶断裂带和东侧霍山断裂带的控制，井田内总体构造为一走向北东，倾向南东的单斜构造，地层倾角一般为 10左右。井田内断层发育，多为走向北东正断层，宽缓褶曲对地层倾角的影响不大，井田构造中等 4。1.2水文地质李雅庄井田位处郭庄泉岩溶水系统（泉域），泉域以大泉排泄为主，形成补、径、排体系，构成独立的岩溶水系统。通过地下水运移条件分析，李雅庄井田西北部太灰及奥灰含水层补给来源主要为紫金矿井田内发育的 F1、FN2、FN3 三条阶梯状正断层渗透补给，东北部主要受霍山断裂构造渗透补给影响较多。井田南部特别是 F2 断层尖灭处，为地下水径流条件较好，陷落柱发育密集，含水层渗透性能强，水力传导快。其奥灰富水性相对于整个井田来说相对较好。通过对井田内 F2 断层导水性和对两盘水文地质条件的控制作用分析，说明 F2 断层对井田内奥灰水径流环境影响较大。2陷落柱的空间形态岩溶陷落柱的空间形状，是指从岩溶陷落柱底界奥陶系灰岩至柱顶各个层位中，岩溶陷落柱在长度、宽度和高度方面的三维结构表现形式。岩溶陷落柱的平面形状，面积大小，剖面形状多种多样，极不规则，柱体高度发育不同，柱体中心轴复杂多变 5。本文观测描述李雅庄陷落柱的平面形状、大小、柱壁角、充填物的特征、层位、压实程度和含导水性以及围岩的变化，分析研究发育规律。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷75DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.0062.1陷落柱平面形状及面积陷落柱的平面形状是指柱体与地表或岩层层面的切割面形状，也称之为横切面形状。其平面形状多为椭圆形、似圆形、不规则形。据统计，李雅庄井田 2号煤层共揭露陷落柱 243 个，（见表 1）其中以椭圆形居多，有 176 个，占 72%；似圆形有 60 个，占25%；不规则形有 7 个，占 3%（见图 1）。其长轴与短轴比值多在 1.1 1.7 者之间，以 1.1 居多（见图 2）。且长轴方位多为 NEE SSE，与地层倾向大体一致。表 1李雅庄井田较大陷落柱几何参数统计表井田内所揭露的陷落柱截面面积大小不等，长轴变化在 5105 m，以 1560 m 居多，短轴一般长365 m。面积最大陷落柱长轴 105 m，短轴 65 m，面积为 5 357.6 m2；最小的陷落柱长轴为 5 m，短轴为3 m，面积为 11.8 m2。就同一岩溶陷落柱而言，其截面面积有从上到下增大的趋势。图 1 李雅庄井田内陷落柱平面形状示意图图 2 李雅庄井田陷落柱长短轴比值条形图2.2陷落柱的剖面形状陷落柱剖面形状是指通过柱体中心轴的垂直切面的形状，其形状主要分为四类：圆锥体，表现为上小下大；筒状，上下大小相近；斜塔状；不规则状 5。岩溶陷落柱的剖面形状，主要影响因素为所穿过岩层的岩石沉积特征及物理力学性质，以不规则状或锯齿状的柱状体为主。李雅庄井田目前开采二叠系 2 号煤层，下组煤层暂不开采。井田内所发现的陷落柱全部为 2 号煤层采掘活动中所揭露，所收集陷落柱平面形状、大小、剖面形态仅仅局限于 2 号煤层一定空间范围之内。目前，矿井还没有对井田内的陷落柱空间形态做过针对性的探查，陷落柱在 2 号煤层上部岩层、第三系、第四系及下部岩层、煤层发育情况还不清楚，因此对于井田内陷落柱的剖面形状暂时还无法确定。通过对井田内 2 号煤层下部隔水层岩性组合进行统计，2 号煤至奥灰层面隔水层平均厚度 117 m，泥岩类岩层平均占的 54.5%、砂岩类岩层占 27.5%、灰岩类岩层占 15.3%、其他类岩层占 2.7%。底板隔水层以软弱类岩层为主，坚硬类岩层次之。加之井田内断层、岩层裂隙较为发育，符合锥形体陷落柱发育特征。这一点从回采面揭露的完整陷落柱剖面上能够体现出来。如 2-207 回采面 NO.95 号陷落柱（见图3），柱体呈椎体型，陷落角为 75，填充物以砂岩和泥岩为主，柱体与周边围岩接触面呈锯齿状。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷编号长轴/m短轴/m长轴：短轴面积/m2柱壁角角/（）长轴方向水文情况形状柱内填充物190601.54239.070SE干燥 椭圆形泥岩、砂岩、煤屑245431.01519.050SE有 淋头水似圆形砂岩、泥岩、煤屑350351.41373.870NNE干燥 椭圆形泥岩、砂岩、煤屑440351.11099.085SSE少 量淋水椭圆形泥岩、砂岩、煤屑562601.02920.275SSE较 小淋水椭圆形砂岩、泥岩、煤屑6105651.65357.675SE干燥 椭圆形泥岩、砂岩、煤屑790541.73815.170SE干燥 椭圆形泥岩、砂岩、煤屑860401.51884.055SSE干燥 椭圆形泥岩、白砂岩、煤屑946301.51083.375SSE干燥 椭圆形砂岩、泥岩、煤屑1071282.51560.660SSE干燥 椭圆形泥岩、砂岩、煤屑1186352.52362.960SE干燥 椭圆形泥岩、砂岩、煤屑1250401.31570.080SSE干燥 椭圆形泥岩、白砂岩1340351.11099.085SSE干燥 椭圆形块状砂岩、泥岩1438341.11014.285SSE干燥 椭圆形块状砂岩、泥岩1540331.21036.275NNE干燥 椭圆形块状砂岩、泥岩1652281.91143.085SSE干燥 椭圆形块状砂岩、泥岩、煤1742331.31088.075SSE无水 似圆形块状砂岩、泥岩1861262.31245.076SSE无水不规则形细砂岩、泥岩、煤屑1975253.01471.975SSE无水 椭圆形粉砂岩、泥岩2065631.03214.670SSE无水 似圆形 灰色泥岩，细砂岩2144401.11381.675SE无水 似圆形砂岩、泥岩2248331.51243.480SSE无水 椭圆形细砂岩、泥岩762.3陷落柱高度陷落柱的高度一般是指溶洞的底面至陷落柱柱顶的距离，该区域至今未有钻孔直接探测到溶洞底面的资料，这里所说的高度是指奥灰顶部至陷落柱顶面或塌陷顶的距离。图 3李雅庄矿 2-207 工作面 NO.95 陷落柱剖面图通过对 2 号煤层一定空间范围内陷落柱柱体充填物进行分析，发现井田内绝大部分的陷落柱柱体充填物，以灰色泥岩、灰白色砂岩为主，并含有一定量的碎煤块，充填情况杂乱无章并且较为疏松。柱体内并未发现有二叠系上石盒子组紫红色泥岩、第三系砂质粘土及第四系黄土 1。另外根据地表调查显示，井田内并未发现有地表岩溶塌陷坑。分析认为，井田内陷落柱发育情况较好，但可能只发育至二叠系岩层，并未继续向上发育。因李雅庄井田目前还没有对井田内陷落柱做过针对性的探查，因此无法确定其发育高度。3陷落柱柱体特征3.1柱体充填物特征通过对李雅庄井田内 2 号煤层揭露的陷落柱进行观察研究，发现柱体内岩石胶结较疏松，充填岩块为上覆地层岩石碎块和岩（煤）粉组成的非均质地质体，岩性混杂、排列紊乱、无分选性，有棱角或无棱角，磨圆相差较大。3.2陷落柱在垂向上的不等高性李雅庄井田目前开采 2 号煤层，井田内揭露的陷落柱空间有限，无法查明陷落柱在不同层面的空间形状。但是根据岩溶陷落柱的塌陷规律，一般表现为上小下大塌陷，陷落柱底界面积最大，越往上面积逐渐减少，从井田内回采面揭露的完整陷落柱中（见图 3）大体可以看出这种趋势。由于岩溶陷落柱发育高度不一，致使不同层位岩溶陷落柱的分布密度不同。岩层中岩溶陷落柱随着开采深度由浅到深，分布密度逐渐增大，下组煤层岩溶陷落柱分布密度大于上组煤层，井田范围地表岩溶陷落柱暂未发现。因此矿井在开采下组煤的时候，可对比上组煤揭露的陷落柱进行探查和预防。3.3陷落柱含、导水性通过对李雅庄井田目前揭露的 243 个陷落柱资料统计，大部岩溶陷落柱不导水，个别为导水陷落柱。充填物胶结程度良好，孔隙、裂隙不发育的陷落柱，往往不含水或含水甚微；充填物结构疏松，孔隙、裂隙发育的陷落柱，往往渗透能力强，地下水补给来源充沛，从