凤凰山矿井田陷落柱发
育特征
IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
凤凰山矿井田陷落柱发育特征
及成因机理研究
梁国军,马二信
(晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城048006)
摘要:本文简述了凤凰山矿井田陷落柱的形态特征及分布状况,分析了它的成因机理。提出了在二水平煤层开采时对陷落柱构造预测、处理的方法和建议。
关键词:陷落柱;形态特征;成因分析
凤凰山矿井田位于山西陆台东南部,太行山背斜西侧沁水煤田东翼。行政区划归晋城市。东邻王台铺矿,南与古书院矿相接,西以白马寺断层为界,北至3#煤层露头线。南北长9km,东西宽,面积约36km2。井田内含煤岩系为一套石炭、二叠系含煤地层,不整合于中奥陶系石灰岩之上。其上直接覆盖第三系上新统及第四系中更新统以上红色粘土层。可采煤层三层,即上石炭统太原组的15#煤层和9#煤层,煤厚分别为、左右,下二叠统山西组的3#煤层,厚度6m左右。地层总体走向为NE15o—NE25o。地质构造简单,多为宽缓封闭式短轴背向斜。井田内很少有断层。水文地质条件简单,矿井充水因素有风化裂隙水、老窑积水及奥灰岩溶水。井田开采以来,影响生产的因素主要是褶皱,古河床冲刷,除此之外,岩溶陷落柱也是影响矿井生产的重要因素。本井田现主采一水平3#煤层,由于井田北部小窑破坏严重,一水平3#煤层服务年限被迫缩短,目前已经延深二水平开采9#煤层,实施3#煤、9#煤的合理配采。
1陷落柱构造的基本特征
凤凰山矿井田在勘探阶段未发现陷落柱。但自矿井生产以来,在第一水平3#煤层开采过程中,除井田北部小窑破坏严重,没有取得陷落柱存在和分布的相关资料外,共发现陷落柱38个,总面积,在晋城矿区来说,属比较发育的区段。
陷落柱分布及形态特征
分布状况从井下揭露情况来看,除井田北部没有相关资料外,陷落柱比较集中分布于井田东半部的中部区域,自南往北陷落柱数量增多、密度变大。但每个陷落柱的具体位置分布没有明显的规律性,从3#煤层底板上看,褶皱的轴部、翼部及较平缓的区段都有发育。
平面形状井田内38个陷落柱在煤层底板上的平面投影形状大多呈椭圆形,极少数为不规则形或似圆形。面积30—6000m2,一般在2000m2以下。长轴最大135m,一般在30—60m之间。短轴一般在10—40m之间。长轴方向一般在NE10o—NE45o之间,与本地区奥陶系灰岩水流向基本一致。
剖面形状陷落柱的柱体形态并不很规则,根据揭露的情况来看,其垂直剖面形状一般为上小下大的圆锥体,且柱体多倾斜,倾斜方向不一。
陷落柱地面地貌特征
井田内陷落柱在地面所显现出的地貌特征有三种情况:一是外露较为明显,一般处于山顶地形中(如2303工作面、三盘区大巷陷落柱),岩层出露明显,为黄绿色上石盒子组地层,主要岩性为砂岩、砂质泥岩,山顶四周被坡积物覆盖,局部露出基岩。陷落柱中心乱石堆积,沿其两侧,地层层序正常,但地层倾角明显向陷落柱中心倾斜,在乱石与正常地层接触面上,具有滑面及擦痕。二是外露不明显,一般处于山腰、山脚地形中(如1325、2307、3301等工作面陷落柱),由于坡积物较厚,一般无明显特征,只在个别处(如1325工作面陷落柱)发现在正常坡度地形中,突然出现平台,平台上岩块凌乱,堆积其中。三是完全被黄土层覆盖(如北大巷配风巷陷落柱),地形地貌没有变化。 1.3 陷落柱岩体及四周岩体特征
陷落柱岩体特征陷落柱柱体内一般岩石破碎、杂乱无章,形状极不规则,并且大小不一,棱角分明。岩性均为上覆地层的砂岩、砂质泥岩、泥岩等,呈灰色或黄绿色。孔隙多被碎岩石充填,含黄铁矿晶体,但在柱体内从未发现有黄土成分。
陷落柱四周岩体特征煤岩层产状变化明显,凡揭露的陷落柱地段,由于受到塌落牵引,其周围的煤岩层均向陷落柱中心倾斜,倾角突然增大2—4o。陷落柱边缘与煤岩层的接触,均为参差不齐、犬牙交错状接触,且常伴有一定数量的小断层和节理发育。在距离陷落柱20—50m范围内,煤层变得松软,色泽暗淡无光,有的变成粉末状,与正常煤层有明显区别。 1.4 陷落柱的含水特征
井田内3#煤层开采所见的陷落柱构造均没有涌水现象。但陷落柱属奥灰岩溶陷落,奥灰岩溶水位在+600m左右,而9#煤层部分底板标高,15#煤层大部分底板标高低于+600m,在奥灰岩溶水位以下,在开采9#、15#煤层时将可能通过陷落柱受到奥灰水的威胁。
2陷落柱成因分析
陷落柱的形成原因复杂,必须具备有可溶性岩层、有地下水的良好通道、有丰富饱和的侵蚀水质、有地下水的排泄口四个条件。本井田煤系地层基盘为中奥陶系石灰岩,厚度400余米,除石灰岩外还有泥岩、角砾灰岩和石膏层普遍存在。这就为岩溶陷落柱的形成创造了前提条件。当奥灰岩在本井田形成后,在古老的地下水的侵蚀作用和水动力作用下,加上地质构造的作用,给岩溶的发育创造了良好的环境条件。奥灰岩就在水的溶解侵蚀下形成了溶洞,随着岩溶的扩大,岩溶上覆的地层因受重力作用而塌落,直到形成自然平衡拱后塌落终止,上覆岩层得到暂时稳定。之后在地下水的继续溶蚀、破坏和搬运下,岩溶继续发育和扩大,使上覆地层再次失去平衡后再次塌
落,此种作用持续进行,便形成了现在所揭露的陷落柱。根据井田内陷落柱的岩体成分及不含有黄土成分的基本情况判断,本井田内的陷落柱形成于二叠纪之后,第四纪之前。
3 结论和建议
岩溶陷落柱是影响矿井生产的一种地质构造因素。它的形成和分布与可溶性岩层的物理、化学性质以及地下水的侵蚀性、流动特性密切相关。对矿井生产的影响程度取决于它的大小、多少及导水性等因素。
凤凰山矿井田岩溶陷落柱较为发育,是影响生产的重要构造因素。特别是在二水平9#、15#煤层的开采过程中,有可能通过陷落柱受到奥灰岩溶水的威胁。
根据井田内陷落柱分布由南往北有数量增多、密度变大的趋势,预计在井田北部的小窑破坏区内会分布一定数量的陷落柱。
在进行二水平9#、15#煤层开采时,要根据在一水平生产中揭露的陷落柱的位置、大小特征来预测其在二水平的位置和大小。在工作面布置时尽量避开陷落柱特别是煤层底板低于奥灰水位的陷落柱地段,并留设足够的保安煤柱。对于需要揭露的陷落柱必须事先进行探放水作业。井田北部由于陷落柱分布情况不明,在开采前,要利用地面地质调查和井下物探来圈定陷落柱位置,对于可疑地段要实施钻探探测,开采过程中还要根据陷落柱周围煤岩层所呈现的特征来判断是否有陷落柱存在,以便能有针对性地采取处理措施,确保矿井生产的安全正常进行。
参考文献:
[1]王恕宇等.凤凰山矿井地质报告.1990 作者简介:
梁国军,男,出生,大学,1990年毕业于焦作矿院,工程师,现在晋城煤业集团铁路运输处工务段工作