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陷落柱形成与断裂构造的关系分析

2018-09-11高丽洁

山东煤炭科技 2018年7期
关键词:侏罗系井田含水层

高丽洁

(大同煤矿集团有限责任公司地质勘测处,山西 大同 037003)

陷落柱是煤层下伏碳酸盐岩等可溶性岩层经地下水溶蚀形成空洞,引起上覆岩层失稳,向溶蚀空间冒落、塌陷而形成的似锥状柱体。大同矿区陷落柱较为发育,使煤层遭受不同程度的破坏,给机械化开采造成困难,严重的可使部分煤层失去开采价值。陷落柱通常还是地下水的良好通道,给安全生产造成严重威胁[1]。因此,提高对陷落柱的预测预报水平,具有十分重要的意义。

1 井田地质

云岗井田位于大同煤田东北部,大同煤田主向斜轴的西翼,总体为一单斜构造,地层平缓,走向NW,倾向NE,倾角一般2~6º。井田内褶曲、断层、陷落柱等地质构造发育,未见火成岩侵入[2]。

据地表出露及钻孔揭露资料,井田内的地层由老到新有:太古界集宁群基底;寒武系中上统160~200m;石炭系中统本溪组10~25m,上统太原组平均21m;二叠系下统山西组3~7m;侏罗系下统永定庄组17~51m,中统大同组130~274m,中统云岗组0~260m,平均190m;白垩系0~152m,平均35m;第四系黄土0~35m。

井田内有较大的褶曲及穹隆构造9个,轴向多为NE或NW向。据钻探及生产揭露控制断层159条有余。其中,断距大于5m的26条,断距1~5m的133条(包括个别断距<1m但延伸较大的断层)。NE走向的断层最为发育,共计94条,占59%。此组中多发育压扭性断裂,断面擦痕明显,破坏带不发育,断层呈条带状分布。NW向46条,占29%,多属扭性断裂,走向多为N35º~40ºW,主断层近于一直线。已揭露陷落柱50多处,形状各异,大小不一,平面形态多为不规则的椭圆形。其中,长轴大于50m的共24个,占总数的70.6%,下部煤层陷落柱数量多于上部煤层。

井田内主要的含水层从下到上有:寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层,侏罗系中统大同组、云岗组砂岩裂隙含水层及第四系冲-洪积含水层。寒武系岩溶裂隙含水层是侏罗系煤系地层下伏的主要含水层,岩层以鲕状、竹叶状及厚层板状灰岩为主,岩溶裂隙较发育,富水性中等-弱,十里河以南水位标高在1000~975m,其上覆地层为石炭系本溪组铁铝质泥岩,厚10~25m,属稳定隔水层。该含水层上距侏罗系大同组最下部14#可采煤层平均约80m。侏罗系中统大同组、云岗组砂岩裂隙含水层受数十年采动影响,已被疏干殆尽,成为矿井水外排。第四系冲-洪积层含水层主要分布在十里河河谷一带,范围较小,含水层由第四系全新统松散沉积物组成,厚5~10m。

十里河从井田中部通过,常年有矿井水补给,雨季是洪水排泄通道。少量河水经地面渗漏间接转化为采空区积水。矿井为十里河河床留设了保护煤柱。

2 410盘区西部地质构造及其发育规律

410盘区位于云岗井田西南部,十里河以南,面积约5.4km2。盘区主要可采煤层有2#、3#、7#、9#、12#。其中,12#煤层平均厚2.6m,仅盘区中部可采。410盘区西部煤岩层走向NW,倾向SW,倾角5~10°。区内已揭露落差3m以上断层4条,1.0~3.0m断层9条,1.0m以下断层30多条,陷落柱7处,古河床冲刷带3条(详见表1)。

通过对表1及采掘工程平面图进行分析可以看出,区域内已揭露断层全部为正断层,走向集中在NE25°~40°和NW2°~24°两个方向范围内,倾角多为60~80°。在落差较大的断层周边小断层及节理发育。区内陷落柱长轴多以NE向为主,呈一字型串珠状由东北-西南向排列展布。冲刷带主要集中在盘区北部,走向NE,冲刷范围小。

3 陷落柱形成机理及其与断裂构造的关系分析

岩溶洞穴的发育和岩溶洞穴塌陷是形成陷落柱的根本原因。云岗井田属十里河岩溶水子系统的径流区。依据410盘区西部的煤岩层产状特征、已揭露的陷落柱展布规律及断裂构造的发育特征,可以确定该区域岩溶地下水的流向大致为东北-西南,地下水动力条件好,水的交替循环强烈。井田内发育的断裂构造成为良好的地下水通道,沟通了各含水层间的水力联系,使地下水可以补给到寒武系灰岩中。同时流水的冲蚀作用加速了灰岩岩溶进程。下伏的寒武系地层主要为可溶性的灰岩,易被地下水溶蚀冲蚀后形成孔隙、溶洞、洞穴等。云岗井田内石炭-二叠系以及侏罗系下部的永定庄组地层赋存厚度均较小,在北部部分区域侏罗系地层甚至直接覆盖在寒武系灰岩之上,使得陷落柱的陷落高度极易达到侏罗系大同组煤系地层。

表1 410盘区西部主要构造一览表

两组倾向相对的中等规模落差以上的断层所圈定的区域内,同时该区域煤层下伏赋存厚度较大的可溶性碳酸盐岩地层,且煤层与碳酸盐岩地层层间距较小(100m以内)时,通常会在所圈定区域中部发育岩溶陷落柱,且多以一字型串珠状形式展布出现。

图1 陷落柱形成模型图

综上所述,410盘区西部具备了形成岩溶陷落柱的全部地质条件,因此在该区域形成了数量众多、东北-西南向呈一字型串珠状排列分布的陷落柱群。

4 81027工作面陷落柱预测预报

12#层81027工作面位于410盘区西部。回采期间通过对周边地质条件的综合分析,依据上述陷落柱形成机理,结合周边已揭露陷落柱的分布规律特征,预测在工作面内部45~182m采位范围内,可能存在陷落柱(如图2)。81027工作面大致处于F8和F10两条断层控制的范围内。F8倾向NE,F10倾向SW,两断层倾向相对。按倾角进行推算,两断层约在工作面以下131m处的寒武系灰岩地层中交汇剪切。受剪切影响,剪切部位的岩层完整性遭到破坏,使岩层断裂破碎。地下水通过断层进入灰岩层,在断层剪切部位的岩层破碎区更易于形成溶蚀孔洞,久而久之,孔洞变大形成岩溶洞穴,因而更易于形成陷落柱。

图2 81027工作面平面示意图

81027工作面采至116m采位时,在33#支架处揭露了陷落柱,验证了预测预报的正确性,充分说明技术理论是可行的。

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