陷落柱在煤矿生产中的影响作用分析

李吉云

（山西煤炭地质局148勘查院，太原 030024）

陷落柱在煤矿生产中的影响作用分析

李吉云

（山西煤炭地质局148勘查院，太原 030024）

陷落柱的存在，对煤矿的安全与经济效益都有很大的影响，针对陷落柱的危害，结合生产矿井中的实际案例，对其形成的机理、对煤炭的破坏作用、导水性对矿井生产的影响及对瓦斯涌出的影响进行了分析，给出避免或减少因陷落柱而引起的地质灾害的建议，对矿井安全生产具有一定的现实意义。

陷落柱；地下水；瓦斯；通道

岩溶陷落柱在山西的西山煤田、霍州煤田、宁武煤田比较发育，由于陷落柱的存在，使得煤矿煤层连续性遭到破坏，影响了采煤工作面的正常布置与推进，而且也造成了煤炭资源的大量损失，打乱了煤矿正常的生产计划，降低了煤矿的经济效益；同时在水文地质条件复杂的矿区，陷落柱有可能成为地下水或采空区积水的通道，造成矿井突水；在矿井瓦斯含量较高的矿区，陷落柱也可以成为瓦斯释放的通道，造成井下瓦斯涌出情况发生异常，甚至出现瓦斯事故。因此，对陷落柱的研究具有一定的现实意义。

1 陷落柱形成机理分析

陷落柱的形成具备3个条件：

1）地层中存在可溶性的岩层、矿层。在山西的西山煤田及霍州煤田、宁武煤田的煤系地层中存在多层的石灰岩，而在其煤系地层的基底发育有峰峰组、马家沟组地层，发育有厚层的石灰岩、白云岩或石膏，因此这些煤田的矿区具备形成岩溶陷落柱的基本条件。

2）有丰富的地下水资源。地下水中含有二氧化碳，二氧化碳与水形成酸性的碳酸，碳酸在地热、地压等作用下，与不溶于水的石灰岩产生化学反应，使得不溶性的石灰岩转化为可溶性的碳酸盐类，在长期的化学反应下，不溶性的固态岩石转化为液态的可溶性物质，使得原来平衡的空间状态发生改变，地下水对固态岩石的浮力支撑现象减小或消失，在重力的作用下不断崩塌，并不断向上发展成为一个洞体，最终形成今天许多井田或矿区形形色色的陷落柱体。

3）地下水具有流畅的排泄口。依据山西省泉域分布情况，西山煤田、宁武煤田、霍州煤田煤系地层基底的含水层有比较稳定的流场，西山煤田一般属于晋祠泉域或兰村泉域，宁武煤田有的属于兰村泉域或马圈泉域，霍州煤田一般属于郭庄泉域，总之它们的地下水都有比较明确的排泄途径和排泄口，因此地下水活动区域的不溶性固态物质在地下水的不断溶蚀作用下，通过地下水的流动搬运到异地，周而复始的搬运作用，加速了岩溶陷落柱的发展扩大。

2 陷落柱对煤炭资源的破坏作用

2.1影响煤层的连续性与资源量

在矿区采掘时发现的陷落柱，表现为陷落柱密集、单位面积内发育多，这与当时进行井田勘探时的陷落柱构造情况发生了较大的变化；在我们所接触到的煤矿中，西山煤田的官地煤矿、白家庄煤矿、杜儿坪煤矿、霍州煤田的辛置煤及宁武煤田静乐矿区陷落柱较发育；依据煤矿构造台账提供的资料，西山煤田的杜儿坪煤矿与官地煤矿揭露的陷落柱的控制面积接近井田面积的15%~25%，井田实际赋煤面积较勘探阶段减少，井田的煤炭储量相应地减少，严重地压缩了煤炭资源储量的实际保有量；而煤炭资源保有量的减少，对矿井的实际服务年限产生较大的影响，对国家及企业的资金投入造成无法挽回的损失。各煤矿陷落柱的发育见表1。

表1 各煤矿陷落柱发育表

2.2影响矿井的井下采掘推进

在已经编制完成或已知的煤矿报告中，通过对矿井陷落柱资料分析发现，杜儿坪煤矿的陷落柱特别发育，如此发育且范围大的陷落柱在生产中对采煤工作面的布置与推进产生了很大的影响与困难；由于割煤机强行通过陷落柱导致生产时间损失、机械设备磨损与迁移，造成正常采煤工作周期的延长，对煤矿的生产计划产生较大的改变；同时对于分布范围较小的陷落柱一般与煤层共同开采，对原煤的分选、煤质产生较大的影响，导致煤的灰分、发热量等方面的改变。

3 陷落柱的导水性对矿井生产的影响分析

无论是勘探过程中发现的陷落柱，还是在井下采掘过程中揭露的陷落柱，其导水性对矿井的安全生产有着较大的影响。

3.1带压较小或不带压的上部煤层揭露陷落柱对

矿井的影响

煤矿在开采上部山西组可采煤层时，如果揭露了陷落柱，那么开采下部的太原组地层煤层时也一定会揭露或遭遇同一个陷落柱。在已知的煤矿中，在开采上部煤层揭露的陷落柱中，依据煤矿防治水部门反映，一般均未发现有陷落柱大量涌水或突水现象发生，仅仅在揭露初期有少量渗水或淋水，过一段时间这些现象基本消失。

老矿井或兼并重组整合矿井大部分开采上部的山西组煤层，出现陷落柱不导水现象的原因有2个，其一是山西组大部分的煤矿床顶底板含水层富水性较弱，大气降水补给差，而且这些煤矿经过了多年的开采，上部含水层水得到了疏排，即使陷落柱柱体内岩石胶结不好也不会发生导水现象；其二是绝大部分的陷落柱原始柱体内岩石胶结较好。

在开采下部煤层时，上部煤层已形成大面积的采空区，会存在采空区局部积水的现象，当采掘经过陷落柱时，滞后导水的现象可能发生，随着采空区面积的不断增大，在矿山压力的作用下，陷落柱原有的胶结状态发生活化，转变为导水陷落柱，则上部采空区积水可能通过陷落柱直接馈入下部井巷中，造成事故。虽然目前没有案例发生，但对于大部分的经过兼并重组整合的矿井来说，由于采空区及采空区积水的普查工作难度大，在开采下部煤层时发生陷落柱导通采空区积水的可能性大，对矿井的潜在威胁是存在的。例如柳林王家沟煤业，以前开采上部的4、5号煤层，目前井田范围内的4、5号煤层已经接近开采完毕，后期规划开采下部的8、9号煤层；而依据对4、5煤层采空区的普查，有8处积水，积水量最大的区域正好位于8、9号煤层的规划开采区，在该积水区有2个陷落柱，5号煤层与8号煤层的间距在25 m~38 m，8号煤层开采产生的导水裂隙带高度在46 m~53 m，因此在带压、底板扰动带、导水裂隙带的作用下，陷落柱导通上部采空区积水的可能性大。

3.2带压严重区域揭露陷落柱对矿井生产的影响

在山西煤田的分布范围内，大部分的矿井开采属于带压开采，也即为带压型煤矿床，地下奥灰水的水头高度高于所开采的煤层底板赋存标高。在西山煤田的大部分矿井，虽然属于带压开采，然而通过水文地质试验，证明其含水层富水性弱，属于弱的含水层，属于有压无量，对矿井的正常开采影响不大，矿井的防治水工作难度较小。

汾源煤业、前文明煤业、辛置煤矿3个煤矿的陷落柱均发育，3个煤矿的井田范围内煤层基本上均带压，地下水水头高度高于煤层最低标高可达几百米，含水层的富水性也较好，底板隔水层的厚度如辛置煤矿只有18.25 m左右，如果煤层开采产生的底板扰动带高度以18m~20m为基础，那么如果在有陷落柱存在的区域，在地下水强大的水压、矿压、底板扰动带作用下，陷落柱构造必然会成为地下水突入矿井的通道，存在奥灰突水的危险性，因此对于这些煤矿的下部煤层，实现带压开采则必须加强对陷落柱构造的探测与防治；汾源煤业、前文明煤业、辛置煤矿3个煤矿的奥灰突水性情况见表2。

表2 三煤矿奥灰水突水情况

4 陷落柱对矿井瓦斯涌出的影响分析

瓦斯在煤矿井下一般由压力大的区域向压力较低的区域运移，而运移的通道一般为岩层裂隙或构造断裂、陷落柱；在井下巷道采掘过程中，破坏了地层的平衡状态，切割了裂隙、陷落柱、构造断裂，瓦斯会从巷道的四面八方通过裂隙、构造断裂、陷落柱向巷道涌出、释放。下面通过潞安集团司马煤业井下瓦斯监测情况说明陷落柱对瓦斯的释放、压力卸载等影响。

在司马煤业二采区1211工作面巷道掘进过程中揭露了一个陷落柱（X3），1211工作面巷道掘进过程中回风巷瓦斯测试参数如下：回风巷开口至1 167.7 m测试的瓦斯含量4.139 2 m3/t~7.117 m3/t（不包括陷落柱测点），平均为5.474 5 m3/t；瓦斯压力为0.204MPa~0.386MPa（不包括陷落柱测点），平均为0.282 2 MPa；而在距离X3号陷落柱10m的2个测试点的瓦斯含量与瓦斯压力分别在3.896 0 m3/t~3.968 7 m3/t、0.181 MPa~0.185 MPa，临近陷落柱测点的瓦斯含量与瓦斯压力明显低于其它测点测定的测定值，由此推断陷落柱构造对煤层瓦斯的赋存有一定的影响，陷落柱在一定程度上起着瓦斯逸散的通道以及瓦斯压力卸载的功能；而在对1211工作面回采过程中，在通过陷落柱（X3）时，瓦斯监测浓度由0.2%突变为0.42%，而且在距离陷落柱离开20 m时，瓦斯监测浓度由较低到0.2%左右，说明陷落柱对临近层的瓦斯起到了通道作用，因此无论低瓦斯矿井还是高瓦斯矿井，在掘进或回采过程中揭露陷落柱时，陷落柱对瓦斯的涌出都有一定的影响，这应引起煤矿通风部门的关注。

5 结束语

陷落柱的存在对煤炭资源的破坏属于客观存在，不可避免；但陷落柱的存在对煤矿生产中可能引发的水文、瓦斯等地质灾害却是可以通过各种技术手段避免或减少的，煤矿部门应严格按照《煤矿防治水规定》开展防治水工作，采用井下的、井上的物探手段或钻探手段，加强对采掘区域的超前探测工作，进行预测预报工作，为煤矿的安全生产提供必要的资料支撑。

[1]霍州煤电集团汾源煤业煤矿水文地质勘探报告[R].太原:山西煤炭地质局148勘察院,2011.

[2]山西焦煤集团有限公司杜儿坪煤矿矿山储量年报[R].太原:山西煤炭地质局148勘察院,2014.

[3]山西潞安集团司马煤业生产矿井地质报告[R].太原:山西煤炭地质局148勘察院,2015.

[4]山西省霍州煤电有限责任公司辛置煤矿及扩区勘探地质报告[R].太原:山西煤炭地质局148勘察院,2014.

（编辑：刘新光）

Effects of Collapse Columns on Production in Coal M ines

LI Jiyun
(No.148 Survey Institute,Shanxi Coal Geological Bureau,Taiyuan 030024,China)

Collapse columnsseriously affect the safety and economic benefits of coalmines.In view of the harm ful collapse columns,combined with the practical cases in coalmines,their mechanism of formation,destructive effect,water conductivity’s effect on mine production and gas emission were analyzed.The paper proposes some advice to avoid or reduce geological disasters caused by the collapse columns,which have practicalmeanings for the safety production inmines.

collapse columns;groundwater;gas;channel

TD 745

B

1672-5050（2016）06-045-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.014

2016-10-30

李吉云（1963-），山西原平人，本科，高级工程师，从事煤炭地质、水文地质、煤层气勘查与报告编制工作。