陷落柱形成与断裂构造的关系分析

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。