岩溶陷落柱探查与治理.ppt

岩溶陷落柱探查与治理,主讲人：南生辉研究员2012年10月,主要内容,1概论1.1陷落柱的概念与基本特征1.2陷落柱分类1.3陷落柱对煤矿安全的危害1.4典型陷落柱突水淹井案例2陷落柱探查方法2.1“中间层”综合水文地质试验2.2物理探查2.3陷落柱发育区预测技术2.4巷道掘进与工作面回采陷落柱探测3陷落柱治理技术3.1三段式封堵3.2“堵水塞”建造3.3陷落柱与突水水源封堵3.4不（含）导水陷落柱处理3.5效果评价,1.1陷落柱的概念与基本特征,1）基本概念陷落柱是1937年德国人在井陉煤矿误作“环形断层”首先提出的，后因其无序的内部结构，而被称为“矸子窝”、“无炭柱”、“塌陷柱”。1944年日本技术人员将其定名为“陷落柱”。岩溶陷落柱：在石灰岩等可溶性岩石地区，由于地下水的溶蚀作用形成洞穴，上覆非可溶性岩层向岩溶洞穴中塌陷的一种地质现象，因形成的塌陷体多呈环形柱状，俗称岩溶陷落柱。,1概论,1.1陷落柱的概念与基本特征,2）形成机理与成因岩溶陷落柱形成机理的代表性学说有6种：重力说，康颜仁（1992）陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段，地下水沿着可溶性岩石的节理裂隙和断层运动，使裂隙逐渐扩大。于是大量岩溶水汇集其中，不但进行化学溶蚀，而且进行机械侵蚀作用，顶部和两侧岩层坍塌形成溶洞；第二阶段是溶洞再扩大并形成第二层溶洞，由于地壳上升溶洞也随之扩大，还会发育第三、四层溶洞；第三阶段是上覆非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱。当地壳继续上升，地下水位下降，不仅第一层溶洞坍塌，第二层溶洞也开始坍塌。这样坍塌不断增长，当两层溶洞的位置接近一条垂直线时，则有可能连接起来，陷落柱的高度增大，这就是为什么有些陷落柱高度达数百米的原因。强调溶蚀与重力作用,1概论,1.1陷落柱的概念与基本特征,膏岩说，钱学博（1960）陷落柱是石膏喀斯特产物。在中奥陶统马家沟组灰岩中赋存有很厚的硬石膏，峰峰组灰岩中也夹有石膏层。由于地壳不断上升，在地下水的作用下，硬石膏水化变成石膏。体积膨胀64%，膨胀后的石膏沿着破碎带的挤入上覆的岩层。然后，这种柱状的石膏体不断地被地下水溶蚀，周围的岩石塌落形成陷落柱。,1概论,循环说，王锐（1982）第阶段：为于水平循环带成虹吸循环带的岩溶洞隙逐渐形成并扩大，产生顶板和两侧岩层塌陷，形成十分复杂的溶洞。第二阶段：由于地壳的上升，溶洞继续扩大上升，地下水向下运动，沿着裂隙进一步加深，且在深部形成第二层溶洞。开始了第二循环、以后还可以出现第三循环、第四个循环第三阶段：第一层溶洞继续坍塌扩大上覆非可溶性岩层塌陷。形成岩溶陷落柱，当地壳继续上升，地下水位继续下降时，第二层溶洞也可能开始坍塌、这样，两层溶洞坍塌连接起来，使非可溶性岩层塌陷更深。,1.1陷落柱的概念与基本特征,1概论,真空吸蚀说，徐卫国（1972）在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于地下水的排泄或地壳局部的升降等，引起岩溶腔内地下水大幅度下降，当水位低于岩溶腔口表面，即岩溶腔内水体由承压转为无压时，在岩溶腔内水面与岩溶盖层之间出现空穴，即岩溶空腔。逐渐增大的岩溶空腔必定转化为低气压状态，形成真空腔（或称负压腔），在真空腔内不断下降的水面犹如巨型吸盘，强有力的抽吸着上面岩层向下塌落，最终形成陷落柱。,1.1陷落柱的概念与基本特征,1概论,热力岩溶说，陈尚平（1993）燕山期火成岩体和热液的侵入，造成残热水和地下水复杂的循环和溶蚀作用。高温高压的热水可极大地提高碳酸钙的溶解度。热水岩溶的起始点是从矽卡岩成矿热液生成铁矿后残热水进入碳酸盐岩开始的，这样就可以生成高度极大的岩溶洞穴，而且不受地壳升降与侵蚀基准面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷形成陷落柱。,1.1陷落柱的概念与基本特征,1概论,1.1陷落柱的概念与基本特征,CaCO3溶解试验主要结论：（1）CaCO3溶解度随温度的升高而降低，但达到超临界状态时，溶解度又大幅度提高；CaCO3溶解速度随温度的升高而升高，当升高到超临界状态时，升高速度剧增。（2）超临界水对CaCO3溶解度是近临界水的近2倍，又因为超临界水对CaCO3的溶解度与时间无关，可以推测超临界水对石灰岩的溶解几乎是在瞬间完成的。实验条件：超临界水387389，2628MPa；近临界水301303，28MPa。常温水18，2MPa。常温条件下加入2MPa的纯CO2。,1概论,构造控制说陷落柱一般沿断层、向斜轴部发育。,1.1陷落柱的概念与基本特征,1概论,向斜轴部陷落柱成因分析示意图,背斜轴部陷落柱成因分析示意图,岩溶陷落柱的成因是以奥灰岩层中地下水的强烈交替为条件，岩溶发育为基础，岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、间歇、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始过程，分阶段逐步形成陷落柱。,1.1陷落柱的概念与基本特征,1概论,1.1陷落柱的概念与基本特征,3）陷落柱的基本特征（1）平面上陷落柱的形状一般为椭圆形或者是扁圆形的陷落盆地。外围的岩层产状正常而连续，盆地中常常被不同地层的岩煤的碎块填充，无层序，混乱堆积。（2）陷落柱的纵向上总体形态一般是上小下大的不规则柱形，顶部多发于有一定规模的空腔，中间为松散充填物，基底为奥奥系石灰岩。（3）导水陷落柱，充填物多为松散状，胶结程度差；不导水陷落柱，充填物有二次胶结作用，视时间长短和胶结物性质，胶结程度不一。（4）陷落柱与围岩的接触界面多呈现出不规则的锯齿状，界线明显，有的地方表现为断层，（5）陷落柱锥形体的中心轴与岩层层面近似垂直。因此，在倾斜岩层里陷落柱也发生歪斜，在水平的投影图上，各煤层的陷落柱范围并不是完全地重叠。,1概论,陷落柱柱面特征,陷落柱中心轴变化示意图,平面：圆形、似圆形、椭圆形、长条形和不规则形。剖面：圆锥状、漏斗状和不规则状。,1.2陷落柱分类,1概论,裸露型：陷落柱直接发育至地表。覆盖型：被第四系松散层覆盖。埋藏型：陷落柱发育在上覆非可溶性岩层内,分大、中、小三种,影响和制约着采区的布置、采面的划分、计划的安排和采掘的接替，而且还直接导致突水，造成人员和财产的重大损失。1）矿井内隐伏陷落柱埋藏隐蔽、分布孤立、导水通道规模大，且与奥灰强岩溶含水层相通，一旦发生透水，往往是重特大事故，造成被淹，甚至人员伤亡。因此，隐伏导水陷落柱的探查一直是防治水工作者长期攻关的课题。2）未揭露的导水陷落柱从奥灰顶界面发育至煤系地层，并与开采煤层顶底板含水层沟通，成为煤系含水层的强大补给水源，在这些含水层中若井项工程揭露与陷落柱有联系的导水裂隙时，则会发生突水，不仅增加了矿井涌水量，而且威胁着矿井安全。如某矿9号陷落柱最高发育至7煤顶板，成为7与12号煤顶底板砂岩含水层、K3灰岩含水层的补给水源，造成7煤开采时顶底板涌水量较大，后经陷落柱治理后减少矿井涌水量10m3/min。3）导水煤炭资源受高压水威胁不能开采，势必造成资源浪费。,1.3陷落柱对煤矿安全的危害,1概论,1概论,1.4典型陷落柱突水淹井案例,所谓“中间层”指开采煤层与奥灰之间的薄层灰岩（或砂岩）含水层，由于导水陷落柱贯通“中间层”含水层，两者势必发生水力联系。井下涌水量大且衰减较小，直至稳定，水质呈现奥灰水质特征。以煤系薄层灰岩（或砂岩）含水层研究对象，开展井下放水试验，观测煤系薄层灰岩（或砂岩）含水层与奥灰含水层地下水流畅变化，圈定奥灰低水位与“中间层”含水层高水位重叠“异常区”，同时进行示踪剂连通试验，确认奥灰水与“中间层”含水层的水力联系，井下向“异常区”施工验证钻孔，进一步确认“异常区”的性质与具体位置。范各庄矿通过此方法确定了3个导水陷落柱。,2.1“中间层”综合水文地质试验,2探查方法,中间层放水试验圈定陷落柱示意图,（1）三维地震一般情况下，陷落柱内常常是松散充填物，而周边是正常的岩层，两者存在着明显的密度与速度差异，这就为地震波的识别提供了物性前提。,2.2物理探查,2探查方法,图8三维地震解译陷落柱示意图,2.2物理探查,2探查方法,异常体,2.2物理探查,2探查方法,隐伏构造体的空间形态,2.2物理探查,2探查方法,瞬变电磁法勘探是一种电法勘探手段，通过对目标体探测获取视电阻率数据，分析视电阻率异常区范围，推测陷落柱含导水性。该方法不能探测陷落柱的边界，无法确定视电阻率“异常区”的性质，通常在三维地震基本确认陷落柱的情况下，采用该方法探测分析陷落柱的含导水性。不含导水陷落柱由于结构松散、岩石破碎，变现为高阻特征；含导水陷落柱表现为相对正常的证的低电阻率，这就是瞬变电磁探测的物性基础。,16号煤层附近视电阻率异常平面图,2.2物理探查,2探查方法,13线视电阻率断面图,2探查方法,15线视电阻率断面图,2探查方法,2探查方法,研究地质构造与水文地质条件，建立已有陷落柱数据库，研究陷落柱发育分布规律，开发陷落柱预测软件，陷落柱发育区进行宏观预测。,2.3陷落柱发育区预测技术,2探查方法,根据对影响陷落柱发育条件因素分析，并邀请3位专家打分，最终形成预测单元A的各个指标对于陷落柱比较发育和不发育两个评语集的隶属度以及各指标的权重。,2.3陷落柱发育区预测技术,2探查方法,2.3陷落柱发育区预测技术,陷落柱较发育区及预测区的空间展布属性测量结果,陷落柱发育程度预测图,1）煤层巷道掘进陷落柱探测东庞9203、乌海16煤回风巷、张集-300下山、任楼7222工作面均是巷道掘进后方陷落柱突破煤壁发生滞后突水；范各庄2171工作面是掘进巷道前方煤壁突破发生突水。物探：电法超前探测，瞬变电磁侧向探，直流电法电测深等。探测手段：物探：电法超前探测，瞬变电磁侧向探，直流电法电测深等。钻探：掘进前方及侧帮。超前距控制：陷落柱水探放时，用式（1）求得值，定为探放水超前距，超前距不得小于20m。（1）,2.4掘进、回采陷落柱探测,2探查方法,2.4掘进、回采陷落柱探测,2探查方法,钻探,2.4掘进、回采陷落柱探测,2探查方法,2.4掘进、回采陷落柱探测,2探查方法,探测疏松体,坑透探测技术,2.4掘进、回采陷落柱探测,2探查方法,工作面内陷落柱探测,3陷落柱治理技术,治理技术发展过程大概可划分为三个阶段：第一阶段（1984年1996年），以开滦范各庄矿2171综采工作面突水陷落柱治理为代表。由于是国内外第一例陷落柱突水灾害，无成功经验借鉴，受当时钻探技术水平的限制，其治理技术最大特点是对突水陷落柱采用分段下行式注浆实施全面封堵，共注入水泥70000吨，各类骨料35400m3，注浆孔35个、进尺23000m；第二阶段（1996年2006年），在该阶段陷落柱内“堵水塞”技术广泛应用，即在突水陷落柱内预定层位，通过钻孔注浆建造一定长度的“堵水塞”，截断陷落柱突水通道。如皖北任楼7277工作面陷落柱、徐州张集-300m水平陷落柱及开滦范各庄10#陷落柱治理工程。由于采用普通地质钻机施工，其缺点是无法在松散柱体内精确控制钻进方向，陷落柱内钻孔轨迹形同“蛇形”，因此也称“蛇形”钻进；第三阶段（2006年今），随着美国雪姆公司汽车钻机的引进，定向分支造孔技术得以大量应用，使陷落柱内“堵水塞”建造技术更加成熟和完善。如东庞矿2903工作面突水陷落柱，采用该项技术确保钻孔在陷落柱松散体内精确定向钻进，形成了以定向分支造孔、充填注浆、升压注浆、引流注浆和加固注浆为主的“堵水塞”建造技术，该项目获2010年度国家科技进步二等奖。另外，本阶段发生了两次下组煤开采陷落柱突水淹井灾害，如峰峰九龙矿12423N工作面陷落柱和神华乌海骆驼山16煤回风巷陷落柱突水。与以往不同的是突水陷落柱隐伏于开采煤层之下，由于陷落柱在煤系地层发育高度有限，开采煤层距离奥灰含水层较近，因此，均采用突水陷落柱与水源封堵方案,3陷落柱治理技术,3治理技术,国内典型陷落柱突水淹井治理方案汇总表,3陷落柱治理技术,3.1三段式封堵(以范各庄2171为例）（1）上部骨料充填对陷落柱上部空腔充填骨料，压实陷落柱内松石堆积物，防治陷落柱进一步向上发育。（2）中部注浆堵截导水通道在12煤底板至K3灰之间建造长约100m的“堵水塞”。（3）下部水源封堵在基底奥灰含水层段进行充填灌浆，拦截突水水源，对“堵水塞”起到支撑作用。,3治理技术,3.1三段式封堵(以范各庄2171为例）,3治理技术,3陷落柱治理技术,3.2“堵水塞”建造（1）过水巷道“阻水墙”建造在突水构造不明的条件下，如过水巷道位置资料准确，位置清楚，可先期在过水巷道中实施“阻水墙”建造，进行堵巷截流，实现早日复矿之目的。,3治理技术,3.2“堵水塞”建造,快速定向钻进,骨料灌注,阻水墙建造,旋喷注浆,充填注浆,升压注浆,引流注浆,3治理技术,阻水墙建造流程图,3治理技术,3陷落柱治理技术,（2）“堵水塞”建造,3治理技术,最下部可采层煤层之下，采动应力波及不到；阻断所有影响煤层开采的含水层补给通道；“堵水塞”长度应能抵抗最大静水压力。,陷落柱阻水塞建造工艺,3治理技术,3陷落柱治理技术,（2）“堵水塞”建造,3治理技术,3陷落柱治理技术,3.3陷落柱与突水水源封堵,3治理技术,当突水陷落柱位于开采煤层之下或进入煤系地层层位较低时，建造“堵水塞”长度不足，则采用突水陷落柱与奥灰水源封堵方案。峰峰集团的九龙矿、乌海能源骆驼山矿的陷落柱采用该方案取得成功。主要工艺技术：（1）定向分支钻孔技术。（2）分段下行式注浆法，定量间歇注浆工艺。（3）陷落柱内水泥-骨料反过滤注浆技术。在对突水陷落柱灌注骨料的同时，对奥灰上部注浆，水泥浆液沿水流通道上行、骨料沿陷落柱通道下行，实现骨料与浆液在陷落柱通道中的混合，达到了快速封堵通道的目的。,3陷落柱治理技术,3治理技术,3陷落柱治理技术,3治理技术,3.4不（含）导水陷落柱处理（1）直接推采对于井巷揭露的未发生突水陷落柱，应进一步查明陷落柱的形态特征、开采煤层底板陷落柱充填特征与边缘裂隙特征,经水文地质条件安全评价后，确认采动破坏不会造成陷落柱“活化”，引起采后突水时，可直接推采。安全评价的主要内容是：陷落柱充填物的强度、胶结特征、钻孔漏失情况、底板破坏深度，以及陷落柱基底奥灰含水层富水性、水压等。a:陷落柱基底奥灰含水层一定范围内无水，既无水可导；b: