（地质工程专业论文）西铭井田陷落柱特征研究及分布规律初探.pdf

太原理工大学工程硕士学位论文y6 2 0 1 0 2 摘要 陷落柱主要发育于以厚层灰岩为煤系基底的华北含煤区，已 在煤矿开采中大量揭露，现已成为煤矿安全高产的主要影响因素 之一。目前研究不够深入，预测较为困难。 本文以太原西山煤田西铭井田作为研究区，基于笔者十余年 来的详细观察、记录及其它同事的记录资料，从陷落柱的个体特 征、伴生构造、成因、分布规律等方面进行了研究，首次总结出 了伴生构造特征，并给膏溶塌陷的陷落柱成因提供了有力证据； 找出了西铭矿陷落柱分布规律，并对未采区进行了预测。本文成 果对陷落柱预测及采区工作面布置具有指导意义，为陷落柱地质 学增加了新的内容。 【关键词】陷落柱特征分布规律西铭井田 英文并列题目：t h e m o r p h o l o g y a n dd i s t r i b u t i o no f c o l l a p s e p i l l a r si nc o a lm e a s u r e si nx i m i n gm i n e ，t a i y u a n ，c h i n a 太原理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 华北晚古生代煤系地层中普遍发育陷落柱，它的存在既造成该处煤层的 缺失，也构成了工作导致下部承压岩溶水的入侵，严重威胁矿井的安全。陷 落柱发育较密，是西山煤田的地质特征之一，西铭井田又特别发育。 西铭矿为全部采用现代化综采设备的“高产高效”矿井，只有布置走向 千米以上，倾向1 5 0 2 0 0 米的综采工作面，才能体现综采的高效益。但实 际中常常在一个工作面内会遇到几个或十几个陷落柱( 见图1 1 ) ，有一个综 采工作面曾揭露3 4 个，有时还遇到较大的陷落柱。由于陷落柱的影响，不 得不修改采面布置，提前另开切眼，缩短了工作面走向，降低了工作面效益； 又使部分煤层因外半截工作面被回采而成为边角煤，造成储量损失；综采、 综掘工作面遇到陷落柱，绝大多数是要掘过、采过陷落柱，从而使掘进队组 日迸由十几米降为三两米，采煤队日推进由1 0 刀以上降为2 3 刀，直接影 响全矿的安全生产及效益。所以陷落柱的预测就显得极为重要。 图1 14 8 3 1 2 、4 8 3 1 0 3 - _ 作面陷落柱平面图 j 趟 太原理工大学工程硕士学位论文 但陷落柱预测难度较大：( 1 ) 由于陷落柱直径较小，以往以钻探为主的精 查勘探无法探清它的发育程度；( 2 ) 大规模使用综采以前，由于刀柱式、高档 采煤法躲过陷落柱较容易，很少完全揭露陷落柱，其底部又位于煤系地层基 底奥灰层位，揭露的机会极少，致使陷落柱研究很少，其发育层位、形成机 理、形成时期等问题都不清楚，缺乏预测陷落柱分布的理论指导。 本文研究的目的有四个： 利用综采工作面大面积揭露陷落柱这一有利条件，找出陷落柱分布规 律，对未采区陷落柱发育程度进行预测预报，为生产设计提供比较可靠的地 质资料； 总结陷落柱伴生断层的规律，以伴生断层作为前兆现象预测陷落柱； 以实际收集的地质资料为基础，进行整理分析，总结出其内在规律； 寻求陷落柱成因，从成因上入手进行大范围陷落柱预测。 本项研究最终目的在于解决陷落柱预测问题，向生产设计部门提供准确 的地质资料，合理布置工作面，以提高煤炭回收率；向生产单位提供准确的 地质预报，做好计划生产；进行陷落柱基础研究，积极推动对中国岩溶的研 究。 1 2 准备工作 1 2 1 文献调研 本文研究依托于郭敏泰教授承担的国家自然科学基金资助项目 ( 4 9 7 7 2 1 3 3 ) “华北煤田基底溶洞网络与煤系陷落柱发育规律研究”。本课题 组宋晓夏工程师在1 9 9 9 年1 0 一1 2 月，先后在太原理工大学图书馆、山西省 图书馆、国家图书馆、中国科技信息研究所信息服务中心、中国地质图书馆 和煤炭科技情报所等单位，系统地检索了以下刊物：中国煤田地质、矿 井地质、地质论评、地质学报、中国岩溶、煤田地质与勘探、煤 炭科学技术、煤炭学报、东北煤炭技术、山西煤炭、各矿业学院的 学报、各矿务局的科技期刊，以及有关的教材和专著。在国家地质资料馆查 太原理工大学工程硕士学位论文 阅了早期的煤田勘探报告，查证了陷落柱的发现史。2 0 0 0 年9 月，在山西 省煤田地质局，查阅了西山、阳泉等矿区的地质勘探报告，获得了这些区域 在煤田地质勘探过程中发现陷落柱的资料。 通过以上文献调研，共检索到1 9 9 9 年底之前发表的与陷落柱有关的文 献3 2 1 篇( 部) ，收录其中的2 4 4 篇( 部) ，所收录的文献按种类分为：期刊 论文2 0 5 篇，专著1 1 部，其它文献( 会议论文、学位论文、各种报告等) 2 8 篇；按发表年代分为：4 0 年代5 篇( 部) ；5 0 年代6 篇( 部) ；6 0 年代9 篇( 部) ；7 0 年代7 篇( 部) ；8 0 年代7 6 篇( 部) ；9 0 年代1 4 1 篇( 部) o 这些文献比较全面地反映了陷落柱的研究水平和现状。宋晓夏工程师最后对 这些资料进行归类，并建立了专门的文献数据库。1 1 1 笔者2 0 0 1 年1 0 1 2 月借阅了该文献数据库中所有资料，对当前陷落柱 研究水平及动态有了清楚的了解，明确了陷落柱研究方向。 1 2 2 现场观测及矿井地质资料收集 利用笔者从事矿井地质工作的便利，组织全科所有地质人员，近年来对 井下采掘时揭露的所有陷落柱进行了详细的观察记录，并画了素描图，详细 填制了各种比例图件，有比较详细的第一手资料；在论文准备阶段查阅了西 铭矿地质科所有图纸资料，整理出全部陷落柱资料，并进行了统计分析。使 用图种有1 1 0 0 0 自由分幅图、1 2 0 0 0 采区采掘工程平面图、1 1 5 0 0 0 采掘工 程平面图( 所有煤层) 、1 1 5 0 0 0 西铭井田地形地质图、1 1 0 0 0 0 西铭井田构造 纲要图，仔细研究了西铭矿矿井地质报告( 1 9 9 0 ) 及附表，调查了队组 采过陷落柱时的产量、出勤、材料消耗等。还对井田地表进行了多次踏勘， 调查了地表陷落柱出露情况，对井下已揭露的陷落柱还进行了地表调查，并 做了详细的记录。 1 3 陷落柱研究的现状 陷落柱的记录最早出现在二十世纪四十年代初的文献中，半个多世纪以 来，随着采矿业的飞速发展，陷落柱揭露的范围更广，数量更多，由于它的 太原理工大学工程硕士学位论文 存在对现代化综采影响之大，引起越来越多的煤炭科研人员的注意，陷落柱 研究广度和深度都呈加速发展的趋势，关于陷落柱的研究工作总体上分为两 个方面：一是利用地质学理论分析陷落柱，包括对陷落柱形成的地质条件、 分布规律、派生构造、岩体力学性质、柱体内部结构和成因机制等，即对陷 落柱地质特征的认识；二是运用地球物理方法探测陷落柱。 笔者认为，以往陷落柱研究工作可分为以下几个阶段。 5 0 年代至6 0 年代初，煤田地质勘探在全国大规模进行，煤矿开采 范围迅速扩大，华北的许多矿区都揭露了陷落柱。这方面的资料多数出现在 各种煤田地质勘探报告中，也有若干文章发表。这一阶段对陷落柱的研究主 要集中在形态特征和派生构造的描述方面，对陷落柱成因研究较少。 6 0 年代至7 0 年代中期，为陷落柱研究缓慢发展时期，但一些地球 物理勘探方法，比如无线电波透视法，开始应用于探测陷落柱。 从7 0 年代末开始，陷落柱研究进展较快，陷落柱对煤矿生产的影 响也日益受到生产和科研部门的重视。1 9 8 7 年在阳泉召开了华北地区岩溶 陷落柱学术交流会，1 9 9 0 年中国统配煤矿总公司把陷落柱的采前勘探和开 采中的处理列为科研攻关项目。这个时期的研究内容及结论包括如下几个方 面： ( 1 ) 陷落柱分布和柱体特征 华北地区岩溶陷落柱已见于晋、冀、豫、陕、苏等六省二十余个煤田中， 少者数十个，多则上千个。以汾河沿岸，太行山东、西麓矿区最为发育，如 西山、汾西、霍州、阳泉、井陉等矿区。陷落柱平面形态多呈似园、椭圆形， 长轴直径一般2 0 4 0 m ，大者达3 0 0 m 。剖面上陷落柱发育高度很大，由2 0 0 3 0 0 m 到5 0 0 。6 0 0 m ，多呈锯齿状边缘的垂直尖锥状，也有倾伏状的。陷落 柱一般隐伏于地下，其顶部埋深可达2 0 0 3 0 0 m ；有的发育达到第四系，在 黄土中形成洼地。其基底埋藏很深，尚无一处钻探揭露。陷落柱一般由破碎 岩块及其风化的碎石、砂土组成，有的还保持似层状结构。 ( 2 ) 陷落柱的形成机制 一般认为：陷落柱是奥陶系灰岩中古岩溶洞上覆地层在区域地质构造、 太原理工大学工程硕士学位论文 岩溶地下水活动等在漫长地质历史时期综合作用下冒落充填古溶洞后形成 的，即溶洞的存在是陷落柱存在的前提，关于其形成机制及模式，理论界存 在多种观点和解释，目前主要有四种说法：即膏溶塌陷说、重力塌陷说、真 空吸蚀塌陷说和热液成因说。下面逐个做一介绍。 膏溶塌陷说1 2 1 认为：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6 4 ，膨胀后的石膏沿 着破碎带的交线挤入上覆的岩层。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了陷落柱。 重力塌陷说【3 1 认为：陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段， 地下水沿可溶性岩石的节理、裂隙和断层面流动，岩石受冲刷、溶蚀，使裂 隙不断扩大。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，不仅第一层溶洞塌陷，第二层溶洞也开始塌陷。这样塌陷高度不断增 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。 真空吸蚀塌陷说1 4 1 4 。 。为：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。 热液成因说嘲认为：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 太原理工大学工程硕士学位论文 面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷形成陷落柱。 总之，陷落柱的形成机制较复杂，上述观点都不够完备。这一问题将在 后面的章节中做迸一步讨论。 ( 3 ) 陷落柱的发育时期 一般认为陷落柱可发育于不同的时期，且具有不同的活动性。汾河地堑 内的陷落柱近代尚在活动。 ( 4 ) 陷落柱的导水性与突水条件 大多数陷落柱不导水，但是，当陷落柱处于地下水主径流带且具有较高 奥灰水水压的地区时，往往具有突水危险。特别指出的是，通过对1 9 8 4 年 开滦范各庄矿奥灰岩溶陷落柱重大突水灾害的治理，对陷落柱突水机理有了 比较清楚的认识，并总结出一套快速治水的成功经验。 ( 5 ) 陷落柱的分布规律 陷落柱的平面展布往往是分片分区，成群发育，有密集区、稀疏区和空 白区，并具有一定的方向性。 ( 6 ) 陷落柱的预测和探测 在预测方面，一些矿根据陷落柱的分布规律结合矿区的具体条件，如岩 性、构造、地下水径流等，划分了陷落柱发育带，进行定性预测。有的矿总 结了陷落柱的预报标志，如岩层产状的变化、裂隙的发育、渗水量的突变等。 有的矿还进行了陷落柱阻水强度和抗压强度试验，进行水文地质预报。在陷 落柱探测方面，应用到多种物探方法，其中，电法勘探开展较早，以无线电 波透视法为主，以后逐渐应用了地震波法、磁法、放射性探测法以及重力探 测法。 由于无线电波透视法是在工作面完全送出来之后，对工作面内是否有陷 落柱进行探测，它有两个较大的缺点：( 1 ) 探测滞后，不能在工作面设计前 提供陷落柱分布资料，即使测出来陷落柱后也已无法调整工作面位置，来躲 过较大的陷落柱，作用不大；( 2 ) 测出来的资料仅能圈出异常区，无法准确 确定位置及大小，还须打钻验证，且准确性较差。 最近几年使用的地震波法，在采区设计前可在地面探测陷落柱，为工作 太原理工大学工程硕士学位论文 面设计提供探测资料，正在试验中，缺点是费用高，地形要求较平坦。 近年来，陷落柱方面的讨论仍十分热烈。其原因是，煤矿开采深度、 广度的不断加大和机械化程度的逐渐提高，对陷落柱研究提出了更高的要 求。目前主要开展的有两项研究工作，一是淮南工业学院承担的煤炭科学基 金资助项目( 9 7 地1 0 7 0 8 ) ，重点研究奥陶系古岩溶特征以及陷落柱形成的 岩体力学机制；二是太原理工大学郭敏泰教授承担的国家自然科学基金资助 项目( 4 9 7 7 2 1 3 3 ) “华北煤田基底溶洞网络与陷落柱发育规律研究”，该项目 拟通过对煤系隐伏陷落柱从足够的空问尺度和时间范围进行研究，通过典型 矿区的地质观测、采掘剖切资料分析、构造一水文单元的形成演化研究及岩 体力学实证分析，揭示岩溶洞网和陷落柱群的发育机理与分布规律，为陷落 柱地质学的诞生和陷落柱预测精度的提高奠定基础。 在本文研究地区西山煤田，陷落柱工作程度较高。从5 0 年代末到8 0 年代中期，山西省煤田地质勘探公司在本煤田进行了大规模的地质测量与勘 探工作，为研究地表陷落柱积累了一些有价值的资料。在西山矿区长期开采 过程中，揭露了大量的陷落柱，更为研究提供了宝贵的机会。山西矿业学院、 中国矿业大学及淮南矿业学院等单位，都在这里进行了陷落柱的结构特征、 分布规律、形成机制等方面的研究。比如，董其成的博士学位论文西山煤 田陷落柱地质特征及地震波场研究嘲，对陷落柱的地质特征及如何采用地 震勘探方法解决陷落柱的正、反演问题，进行了较为深入的探讨。同时，原 西山矿务局所属各生产矿井也都在积极探索解决陷落柱问题的有效途径，例 如，1 9 9 6 年1 1 月，官地矿组织地质人员编写了太原西山煤田官地矿区岩 溶陷落柱分析预测报告口】。 笔者认为，目前在陷落柱的认识上还存在许多问题。概括地讲，可分三 个方面： ( 1 ) 陷落柱形成机理需要一种科学的解释，现有的几种观点都缺乏充分 的证据。奥灰岩溶的规模多大，数量多少，发育层位( 即陷落柱的底部层位) 和方向如何；奥灰中所夹石膏层的厚度多大，分布范围多广，硬石膏遇水膨 胀后能否破坏上覆煤系地层，其中膨胀岩层厚度与所破坏上覆岩层厚度有何 太原理工大学工程硕士学位论文 关系? 奥灰中硬石膏转变为石膏的面积与所破坏上覆岩层厚度及范围有何关 系? 以及陷落柱形成时代；陷落柱顶部有役有空洞、面积大小，其上岩层有 没有裂隙；陷落柱周围伴生构造情况；某一层位陷落柱的冒落距是多大等等， 都是未知的问题。 ( 2 ) 对陷落柱的空间形态和分布规律研究不够。如前所述，陷落柱研究 的实际意义在于为煤矿生产服务，减少由此产生的经济损失。那么，所做的 研究工作既要有一定的广度，又必须达到一定的精度。所谓广度，就是研究 较大的区域( 一个煤田、一个井田) ，几十到几百平方公里范围内陷落柱的 发育规律；所谓精度，就是在较小的范围( 一个采区或回采工作面) 内，研 究陷落柱的分布密度、发育高度及其在不同煤层中的分布状况等，为煤矿设 计和生产提供可靠的地质资料。 ( 3 ) 在物探方面，过去采用的各种手段，都不能在采区或工作面布置之 前探明陷落柱在煤层中的准确位置和发育规模，不能真正发挥矿井地质工作 在煤矿生产中的眼睛作用。 1 4 研究思路与主要研究工作 陷落柱做为一种地质构造体，它存在于奥灰及其以上直至地表的地层 中，其高度均在数百米，现在仍没有一处揭露出其基底或全部，揭露的仅是 某个陷落柱的局部，对陷落柱的研究仅能从这些局部的观察来推测整体，增 加了陷落柱研究的难度。近年来煤矿开采大量揭露陷落柱，为研究提供了大 量珍贵的资料。 笔者在西铭矿地质科工作十余年中，西铭井田就揭露了2 2 3 个陷落柱， 对煤层内揭露的陷落柱进行了较为详细的观察和记录，并对其进行了研究， 本项研究工作是在这个基础上，又对部分陷落柱地表出露情况进行了踏勘。 主要研究工作有以下几方面： ( 1 ) 以西铭井田为研究对象，从宏观上运用统计学研究井田内陷落柱的分 布规律，分为平面分布规律及上下组不同煤层数量、大小等规律两部分，并 太原理工大学工程硕士学位论文 对末采区进行预测； ( 2 ) 从微观上对陷落柱个体的充填物组成、压实程度、冒落距等进行研究， 进行陷落柱基础研究； ( 3 ) 研究陷落柱伴生构造规律，在生产实践中应用该规律对陷落柱进行预 测预报； ( 4 ) 从伴生构造特征探讨其形成原因，找出形成陷落柱的充分必要条件， 进一步来研究陷落柱的成因； ( 5 ) 最后从综采过陷落柱的效益分析，来阐明预报陷落柱的重要性，及在 陷落柱发育区应采用的采煤方法。 太原理工大学工程硕士学位论文 第二章西铭井田地质概况 2 1 概况 西山煤田位于山西省中部，吕梁山东麓，太原市西侧，东南临太原一晋 中盆地，地跨太原万柏林区、娄烦、清徐、交城、文水和古交等县市。 西铭矿位于西山煤田的东北部，东为太原市，距太原市中心“五一”广 场约2 0 公里，为太原市万柏林区、古交市辖区，地理坐标：北纬3 7 。4 8 4 5 ”一3 7 。5 3 4 5 ”，东经1 1 2 。1 3 7 5 ”一1 1 2 。2 4 2 2 5 ”。井田范围： 东部以北投沟露头线和小窑采空区为界；北部以随老母一磺厂一赛庄断层为 界；西与杜儿坪矿、古交市石千峰煤矿相邻；南与杜儿坪矿相接。矿井东西 长约1 2 o k m ，南北宽约3 8 k m ，面积约为4 5 4 k i n 2 。( 见图2 1 ) 矿区交通便利，有矿区公路连接太原西出口太佳公路，东可直通太原市 区，西可经古交市通向陕西佳县。太铁玉门沟编组站有铁路专用线直通矿区。 西山煤田西部为吕梁山脉，北部为云中山脉，东部为太原盆地。主要地 貌为山间谷地、黄土丘陵地和台地，在煤田中部，自西向东为狐偃山一一三 县岭一一庙前山一一石千峰弧形分水岭，将煤田地形分割为北部的古交黄土 丘陵区，汾河及其支流屯兰河、原平河、大川河谷地的中高山区，东南部与 盆地接壤的台地和丘陵区，以及西部的西冶川、文峪河谷。煤田内狐偃山海 拔最高。为2 2 0 2 4 7 米，沿分水岭向东依次为：三县岭1 6 3 0 4 2 米，庙前山 1 8 6 5 5 2 米，石千峰1 7 4 7 7 米，东部山西焦煤集团公司所在地高程为8 6 0 米， 相对高差1 3 0 0 米。 西铭井田位于本区的中高山区东，属中低山区，其外西j b 边缘有汾河自 西向东流过。区内地表沟壑纵横，山峦起伏，地形切割剧烈，地形复杂。较 大沟谷有：玉门沟、卧龙沟、磺厂沟、冀家沟、随老母沟、化北沟等，均为 季节性冲沟，呈树枝状，多为v 形或u 形谷，属黄河流域汾河水系，所有沟 谷均起源于石千峰，分别向北注入汾河。均为原始地貌长期受地表水流的冲 刷、侵蚀，地表多为山体基岩裸露，山头及山梁残留少量黄土或红土。杜儿 太原理工大学工程硕士学位论文 坪矿界内的石千峰为本区最高点，标高为1 7 4 7 7 米，最低点在矿区东南部 玉门沟内，标高为9 8 7 5 米。 图2 1 西铭井田位置示意图 西铭矿是由原地方国营西铭焦炭厂所辖玉门沟、七里沟等5 个小煤矿发 展起来的，后经多次技术改造、改扩建，最终设计能力达到3 0 0 万吨t 年， 开拓方式为走向平峒盘区石门，分上下两个水平，下水平井口标高1 0 1 8 米， 为运输大巷，采用1 4 吨6 0 0 r a m 轨距架线电机车，5 吨侧底卸式矿车运输， 上水平11 5 2 大巷做为输助运输大巷。嘲 太原理工大学工程硕士学位论文 2 2 地层和煤层 2 2 1 地层 井田内地层由东向西出露下古生界、上古生界、新生界。下古生界可见 奥陶系中统，上古生界有石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下 统山西组与下石盒子组、二叠系上统上石盒子组与石千峰组，以及不整合覆 盖于上述地层的新生界第三系、第四系地层，其主要为红土与黄土以及河床 相砂砾冲积物( 图2 2 ) 。由老到新叙述如下： 一奥陶系中统( 0 2 ) 1 下马家沟组( 0 2 x ) - 下段为石膏层，厚1 4 米；上、中段为厚层灰岩与泥质灰岩、白云质结 晶灰岩互层，厚1 1 6 米。全组厚1 3 0 米。 2 上马家沟组( 0 2 s ) ： 下段为深灰色白云质灰岩夹硬石膏层，局部有厚层硬石膏，单层厚可达 6 米，本段厚8 0 米，是本地区硬石膏层主要存在层位。底部为角砾状泥灰 岩、灰岩，其裂隙及层面充填纤维状石膏。该段上部岩溶发育，且互相贯通。 上、中段，为厚层致密灰岩，夹泥灰岩，厚2 0 0 米；下部为石膏带和泥 灰岩、灰岩、石膏混合体，上部裂隙溶洞发育。 全组厚2 8 0 米。 3 峰峰组( 0 2 f ) ： 下段为石膏、石灰岩与混合体( 为石膏、石灰岩、泥灰岩三者混合) 三 者互层，上部石膏层较厚，下部较薄，且裂隙溶洞发育，本段厚5 5 米。 上段为深灰色石灰岩，致密坚硬，裂隙发育，充填方解石脉。上部含黄 铁矿；下部局部可见小溶洞，常呈蜂窝状，厚约5 8 米。 全组厚1 1 3 米。 二石炭系中统( c ：) 本溪组( c 2 b ) 与下覆奥陶系中统峰峰组呈平行不整合接触，属滨岸环境沉积。按其岩 太原理工大学工程硕士学位论文 性不同分上、下两段。下部为铁铝岩段：底部为断续分布的山西式铁矿；其 上为成层好，厚度、岩性变化较大的铝土矿( g 层铝土矿) 。上部为畔沟段： 以细碎屑岩为主，与砂岩、灰岩互层，夹煤线，全组平均厚度2 4 5 7 米。 三石炭系上统( c ，) 太原组( c 3 t ) 为滨岸一三角洲环境沉积，沼泽发育，成煤条件好，有多层较厚的煤层。 底部以晋祠砂岩k 1 与下伏本溪组整合接触。按环境组合和古生物特征，分 为晋祠、毛儿沟、东大窑三段。全组厚9 6 8 5 米。 晋祠段( c ，t 。) 底部为灰白色中粗粒泥质石英杂砂岩( 晋祠砂岩k ) ，其上 为深灰色含黄铁矿、菱铁矿结核的细碎屑岩，和富含鲕粒的粉砂岩，夹煤线 1 2 层，顶部为吴家峪灰岩( l o ) ，其岩性、厚度变化大，层位不稳定。段 厚2 1 7 6 米。 毛儿沟段( c ，t 。) 为一套碎屑岩、碳酸盐岩与煤的互层。底部赋存有8 4 、 9 。二个主要可采煤层；主要砂岩自下而上有两层，9 8 煤之下的细粒石英杂砂 岩( 西铭砂岩x s ) 及8 ”与9 。煤层间的细砂岩；本段中间有两层灰岩，一层 为8 4 煤顶板生物屑泥晶灰岩( 庙沟灰岩l 。) ，岩性较稳定，本区厚度稳定；另 一层为含骨粉屑泥晶灰岩( 毛儿沟灰岩k + 3 ) ，常夹一层沉凝灰岩( 即硅质岩) ， 本区较稳定。段厚4 4 4 6 米。 东大窑段( c ，t ，) 该段以粗碎屑岩为主，夹有细碎屑岩和碳酸盐岩及矿、 7 ”煤层。粗碎屑岩位于6 4 煤层与7 憔层之间，为灰白色粗粒石英砂岩夹长 石石英杂砂岩( 七里沟砂岩q s ) 。该段有碳酸盐岩两层：其下层为7 ”煤层顶 板之生物泥晶灰岩( 斜道灰岩l 4 ) ，该层在全区最为稳定；上层为含骨屑泥晶 灰岩( 东大窑灰岩k ) ，它仅发育在狐偃山一一七里沟之南侧。段厚3 0 6 3 米。 本文主要以太原组地层做为研究对象，现将其中部分地层岩性特征从下 到上描述如下： 1 煤( 9 ”) ：俗称八尺，底部夹1 2 层薄层炭质页岩，厚1 9 0 4 2 7 米， 平均厚3 _ 3 1 米，由东向西变薄。 2 砂质页岩：灰黑色，层理明显，含植物根部化石，底部为页岩。平 太原理工大学工程硕士学位论文 均厚1 8 4 米。 图2 - 2西山煤田地层层序示意图 太原理工大学工程硕士学位论文 3 煤( 的：俗称十五尺，中上部夹1 2 层厚0 2 0 o 8 0 米页岩或炭质 页岩。厚2 2 3 5 8 2 米，平均厚3 9 5 米，由东向西变薄。 4 石灰岩( 庙沟灰岩l ，) ：深灰色生物屑泥晶灰岩，致密坚硬，裂隙充 填有方解石脉，局部可见断续波状纹理，有星点状黄铁矿结晶，含动物化石， 厚1 3 6 2 4 9 米，平均2 0 0 米。 5 页岩：灰黑色，具水平层理，含黄铁矿结核、云母片及动物化石， 底部夹钙质页岩，厚3 7 9 6 9 1 米，平均5 7 5 米。 6 石灰岩( 毛儿沟灰岩l 2 + 3 ) ：深灰色，厚层状生物屑泥晶灰岩，致密坚 硬，发育波状层理及串珠似瘤状构造，底部所夹泥质灰岩中有大量水平虫孔 及介壳堆积。毛儿沟灰岩常夹一层沉凝灰岩( 以往称之为硅质岩) ，灰岩中含 大量海相动物化石，厚7 3 0 9 3 6 米，平均8 1 0 米。 7 页岩：灰黑色，片状，含黄铁矿，上部含植物化石碎片，下部含动 物化石，厚3 0 1 4 9 7 米，平均4 0 6 米。 8 t 煤( 7 # ) ：俗称下三尺，煤厚变化较大，不稳定，厚0 6 8 1 0 8 米，平 均0 9 3 米。 9 。石灰岩( 斜道灰岩l 4 ) ：深灰色，生物屑泥晶( 含泥) 灰岩，含方解石脉 及黄铁矿，下部含大量的动物化石，层位稳定，厚1 0 3 2 9 9 米，平均1 8 5 米。 l o 页岩：黑色，上部含植物化石，下部含海相动化石，厚3 1 9 米。 1 1 细一中粒砂岩( 七里沟砂岩q s ) ：灰白色，下部为粗砂岩含小砾，向 上渐变为细砂岩，是以石英长石为主的石英杂砂岩、石英长石杂砂岩。钙质 胶结，节理发育。含煤线及植物化石碎片，具大型板状交错层理，含泥质包 体及硅化木，在矿区发育。厚1 2 1 2 2 1 6 3 米，平均1 6 5 4 米。 1 2 砂质页岩：灰黑色，向上渐变为页岩，下部含砂质成份增高，含黄 铁矿及植物化石，厚5 2 1 米。 1 3 煤( 酽) ：俗称七尺煤，厚度不稳定，结构复杂，夹2 3 层薄层页岩， 厚0 1 6 米，平均厚o 4 8 米。仅在矿区西南部局部可采。 1 4 页岩：灰色，薄层状，水平层理发育，顶部常相变为灰质页岩，含 太原理工大学工程硕士学位论文 海相动物化石碎片，厚6 o o 米。 1 5 石灰岩( 东大窑灰岩k ) ：深灰色，致密坚硬，顶部伴有菱铁矿层， 该灰岩不稳定，在东大窑一带发育，含动物化石。厚0 4 8 0 米，平均1 7 0 米。 1 6 砂质页岩：灰黑色，顶部为薄层页岩，含菱铁矿结核和植物碎片， 厚5 ，2 0 米。 其上为山西组底部北岔沟砂岩( k 3 ) ：灰白色，上部为细砂岩，底部为 粗砂岩，含砾石，泥质、钙质胶结，成份以长石石英为主。厚0 2 7 0 0 米， 平均8 7 8 米。 四二叠系下统( p i ) 1 山西组( p l s ) 以北岔沟砂岩( k 3 ) 与下伏的太原组整合接触。山西组主要为三角洲一 一滨海平原环境沉积。按环境组合和生物化石组合特征，将其分为两段：下 段为北岔沟段，为一套灰白色粗粒石英杂砂岩，夹碎屑长石石英杂砂岩与细 碎屑岩互层，夹4 ”、3 吓、3 # d 2 煤层；上段为下石村段，主要为细碎屑岩与 煤层的互层，2 # 、l 。、o 岁、o 妒、0 1 4 煤层赋存其中。全组厚5 5 米。 2 下石盒子组( p 1 x ) 以底部骆驼脖砂岩( k 4 ) 与下伏山西组整合接触，全组厚9 9 7 米。根 据岩性可划分为上下两段。 下石盒子组下段( p i x l ) 底部为骆驼脖砂岩( 磁) ，厚7 2 米，灰色厚 层状，成份以石英为主，含长石黑色矿物。骆驼脖砂岩以上为一组黄绿色、 灰绿色砂质页岩、页岩、中细砂岩互层，底部有时夹1 2 层煤线或炭质页 岩，全段厚4 0 2 5 米。 下石盒子组上段( p ，x 2 )底部为一层厚层灰绿色中粗粒砂岩，成份以 石英为主，钙质胶结，交错层理发育。其上为灰黄、黄绿色砂质页岩、砂岩 互层，夹有紫色页岩，中部有一层砂岩但不稳定。顶部有桃红色粘土页岩， 常具鲕状结构，厚5 9 4 5 米。 五二叠系上统( r ) 太原理工大学工程硕士学位论文 l 上石盒子组( p 2 s ) 为一套草绿色、杏黄色、紫红色、青兰色为主色的砂质砾岩、砂质页岩、 中层砂岩、页岩互层地层，全组厚约3 7 9 米。 2 石千峰组( p 2 s h ) 底部为一层浅灰色、紫红色含砾砂岩，其成份为长石、石英，钙质胶结， 底部坚硬，厚9 米。其上为浅红色中至厚层砂岩、砂质页岩互层，厚5 6 5 米。 六新生界第三一第四系( n q ) 不整合覆盖在基岩之上，广泛分布在山坡及沟谷两侧，厚0 8 5 米。底 部多为棕红色砂质粘土，夹砾石层和钙质结核；其上为灰黄色、深黄色粉砂 土，下粗上细，分布较广，多被垦为农田。近代冲刷堆积，多分布于较大沟 谷。 2 2 2 煤层 西山煤田主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，旧称“月 门沟煤系”，含煤多达1 5 层，自上而下编号为：0 1 ”0 3 。、1 1 2 # 。5 4 煤层 以上属山西组，其余各层属太原组，习惯上将山西组内煤层称为上组煤，太 原组内煤层称为下组煤。西铭井田上组煤可采的有2 # 、3 # 上、3 三层，下组 煤6 # 、7 4 、酽、9 4 四层可采。其中3 + 上、3 4 下、7 均为不稳定煤层，局部 可采；2 # 、3 。上、3 4 下、6 。为度煤，含硫较低，含硫均在1 以下。7 。、酽、9 ” 为贫煤，含硫高，含硫均超过l ，可达3 左右。整个煤系可采煤层总厚 1 4 2 5 米，主要含煤地层总厚1 3 0 “米，含可采煤层系数为1 0 9 2 。 2 3 区域构造 西山煤田东侧以山前大断裂与多字形汾渭地堑相接，西侧以巨大的南北 向断裂与吕梁隆起相接。煤田总体上为一北大南小两翼不对称的复式向斜构 造，轴向近南北，地层倾向南西。( 图2 3 ) 西山煤田构造形迹的展布和组合可划分为三个构造体系，即：南北经向 太原理工大学工程硕士学位论文 构造、北东新华夏系构造、旋扭帚状构造。 经向构造：主要由北而南的狮子河向斜、马兰向斜、东社向斜组成的西 山向斜，展布于煤田西部，并贯穿煤田南北，构成煤田的一级构造，为一不 对称向斜，轴面呈波状“s ”形展布。在西山向斜北部东翼还发育着北东、 北北东向的褶皱形迹，北东向的如石千峰向斜，它对杜几坪、西铭井田起着 控制作用。煤田东部边缘为山前大断裂，以陡崖山坡与太原盆地相接。 图2 3 太原西山煤田地质构造分布图 新华夏系构造：是煤田内部的二级构造，其展布形式主要是北东一北北 东泰山式压扭断裂，其中北北东向压扭构造不明显。北东向的断裂成带近等 间距分布，主要分布于煤田东翼，将煤田切割成长方形地块，断层多为高角 度正断层，落差大小悬殊，大者在1 8 0 米以上，在煤田内部对构造起着主要 的控制作用，对煤田开发影响甚大。 太原理工大学工程硬士学位论文 帚状构造：其构造形迹主要展布在煤田北部及南部，即北部为古交矿区 西部马兰帚状构造，南部为清交矿区的云梦山帚状构造。 2 4 西山煤田构造演化 西山煤田的主要构造格局形成于中生代燕山运动，新生代喜山运动对其 进行了改造。主要有三期不同的构造应力场的作用：中生代晚期的燕山运动 早期主要表现为不均衡的南北挤压，使西山煤田东部向北，西部向南扭动， 并造成西山煤田与宁武煤田分离；燕山运动的晚期主要表现为东西的强烈挤 压，生成了西山煤田内的一级构造，即南北向的西山向斜，煤田中部有燕山 期碱性二长岩，亦沿构造裂隙侵入并形成岩体、岩床，将西山向斜轴的中段 向东部推移，形成一向东突出的弧形。其后的区域构造发展继而生成了新华 夏构造体系；第三纪未、第四纪初强烈的喜马拉雅运动，将西山煤田中新华 夏断裂发展成为现在的展布特征( 见图2 3 ) 。将原沁水煤田西北角的西山煤 田沿毅华夏系泰山式主断面向北移动，沁水煤田向南移动，由于构造切割， 西山煤田与沁水煤田分离而单独存在。煤田东部边缘地貌陡峻，可见煤田自 第三纪末由于山前大断裂的继续活动，呈现了西山煤田逐渐抬起，太原平原 相对下陷之势。瞵1 2 5 井田构造 西铭井田内2 4 煤层大部分已开采，部分8 8 、9 气谋层也已开采，大中型褶 曲、断层都已揭露，陷落柱在不同区域的发育程度也有所了解，现简述如下： 2 5 1断层 西铭井田内断层可分为区域构造作用形成的断层( 以下简称断层) 和陷 落柱伴生断层( 以下简称伴生断层) 两类。 断层主要为新华夏系构造，并受经向构造控制。从井田已揭露的断层来 看，走向为北东东向高角度的正断层为主，并呈带状等间距排列，有许多呈 太原理工大学工程硕士学位论文 阶梯状、地垒、地堑产出。另有少量走向为北北东、北北西的正断层或逆断 层。这些断层中，落差大于2 0 米的极少，井田内仅见一条，其它几条已作 为井田的边界；落差在5 2 0 米的断层也不多，但其走向延伸较长，长者约 5 3 5 0 米，短者也有2 0 0 多米，且分布于井田中部、东南部和东北部，此类 断层布置工作面前均已揭露；落差小于5 米的断层最多，其中又以0 2 米 断层为主，其落差小，延伸长度一般不长。该类断层一般单个存在，破碎带 较窄，对煤岩层破坏不大，落差较小的对综采影响有限。 伴生断层存在于陷落柱周围，距陷落柱边缘一般不超过2 0 米，可与其 它伴生构造形成一个环状伴生构造带。这类断层均为正断层，断层面与水平 面相交的断层线呈弧形，走向变化较大；所有伴生断层均由陷落柱中心向外 倾斜；落差一般为0 2 米，个别可达到5 米左右，一般中段落差大，两端 变小，直至尖灭。 2 。煤层揭露的陷落柱很少有伴生断层，8 ”煤层揭露的陷落柱有伴生断层 的较多。 2 5 2 井田内陷落柱分布 西铭井田陷落柱特别发育，截止2 0 0 2 年1 2 月3 1 日揭露的陷落柱已达 6 5 7 个( 表2 - 1 ) ，平均密度3 6 个 k i n 2 ，陷落柱密集处可达2 3 6 个 k l n 2 。但 它们不是均匀分布的，大多数区域仅有零星分布，在这中间点缀着几处相对 密集分布的小片密集区，在这小片密集区内陷落柱也是三五成群不均匀分 布。从整个井田来看，从东向西陷落柱发育程度降低( 这与井田东侧的山前 大断裂有密切关系) 。从地层顺序来看，下部煤层揭露的陷落柱个数增加， 面积增大。 井田内陷落柱发育区有：1 1 4 6 采区东半部中部的一个条带、西半部、 3 0 3 采区、小西二采区、西四与西六采区之间、3 0 5 采区、西八采区西南角、 西十采区东南角、在这些区域陷落柱的平均密度为1 1 7 个k i n 2 。( 图2 - 4 、图 2 5 ) 陷落柱柱体岩性2 ”煤中以白砂岩、页岩为主，8 ”煤中以灰岩、页岩为主， 太原理工大学工程硕士学位论文 偶见以白砂岩为主的。旷煤揭露的较少。这些柱体岩石中的灰岩块、砂岩块 均较硬，且柱体压实程度较高，大块岩石间均为碎石块充填，很少有空隙、 空洞，在大块岩石下偶见空洞，内部常常有结晶很好的菱形方解石。少数陷 落柱岩块还被方解石脉包裹、胶结、柱体均较硬，因而采煤机割过陷落柱是 不可能的。 西铭矿陷落柱统计表 表2 - 1 鬃鬻辫骥螭鞘淑 煤层缄弩 巍逡 2 2 1 1 3 82 8 94 3 5 9 。4 岩 5 合计 6 5 7 说明：( 1 ) 本表数据截止20 0 2 年1 2 月3 1 日； ( 2 ) 2 谋已经揭露，8 。煤又强行采过的陷落柱有4 个； ( 3 ) 8 “煤层开采面积为24 煤层的一半； ( 4 ) 上层煤揭露的陷落柱，下层煤未重复统计。 本井田有很多陷落柱周围有伴生断层，这类陷落柱约占总数的三分之 二，在这些陷落柱周围环绕着许多正断层，多条断层在陷落柱周围常常呈同 心状绕陷落柱分布，形成一个同心状伴生断层带，该带一般宽约l o 2 0 米， 甚至可达3 0 米，因此，煤层受破坏的面积远比陷落柱面积大的多。在整个 伴生断层带内，相邻伴生断层多呈等间距排列，在断层之间往往发育着许多 光滑破裂面，为张性，该面产状特征与伴生断层相似，由于诸多断层及光滑 破裂面的存在，破坏了岩层的整体性，使该带内煤岩层比较破碎，是最易冒 顶的地方。伴生断层中由于多条倾向相同断层的存在，加之煤岩层的倾角也 太原理工大学工程硕士学位论文 较周围正常煤层倾角大，且倾向同伴生断层相同，使该带内边较外边煤层底 板标高高出许多，有的可达6 米以上。对于综采工作面来说，无疑又增大了 无煤带的面积，极大地增加了回采的难度。 陷落柱分布虽有大体规律，但具体到某一个陷落柱，它的准确位置、大 小、却很难预测。其原因在于：陷落柱影响范围小，一般巷道掘至其附近 才能发现；地面因植被覆盖等原因一般观察不到；陷落柱成因不清，无 法确定出其相关因素，更谈不上用它来预测。只能在上层煤开采的基础上， 来大体预测下层煤中的陷落柱。 太原理工大学工程硕士学位论文 随蔷睬鼎l昧斟田采i水略蝼下n凶州眯蟥i“辑蜓淫i_ 圈挺求堪摊湮隧蝼n锫漆陋i圈 。调 ，刁 。q 。川 。1 r，il r，lll l 太原理工大学工程硕士学位论文 一醴辎帐挺犍漫蛊皓寝蝼凶咪敢伥岳斌一 喽蔷昧犁m昧斟阻味iq水暗蝼in凶翻咪蝼ln 匝梧求堪桉避喽蝼|8话雏陋in匝 埘犍避i - 。亭 。，、i 。2 。一臼 d，。 太原理工大学工程硕士学位论文 2 6 水文地质概况 太原地区为一完整的岩溶水系统，有独立的补、径、排体系。太原岩溶 水系统内发育若干隆起区和凹陷，隆起区构成补给区，构造形迹简单；而凹 陷内部不同时期的各组断裂互相交错，致使深部地下水埋藏径流条件复杂 化。根据水化学、水同位素、地温资料揭示，本系统中西山、北山与东山奥 灰水埋藏径流条件截然不同，将太原岩溶水系统划分为西山、北山、东山、 及盆地四个水文地质单元。本文仅介绍西山水文地质单元。西山水文地质单 元在天然流场状态下可视为泉排型的封闭单元。晋祠泉、下槐泉是其天然排 泄点。据奥灰水的补、径、排的特点，分为以下三个亚单元( 图2 6 ) 。 ( 1 ) 东部亚单元：汾河以北的奥灰水由西北流向东南，下槐泉为溢出点， 动态较稳定。镇城底一古交一王封一线为灰岩浅埋藏径流区，最明显的构造 特点是发育北东向高角度正断层，并组成地堑和地垒。镇城底地堑两侧为一 局部汇水区，单井出水量为1 0 0 0 2 0 0 0 m 3 d 。古交地垒北侧存在富水区， 地垒的东北端发育构造天窗，并接受汾河的渗流补给。王封地垒长2 0 k m ， 它的中段富水，奥灰水向边山带汇流。据有关资料，沿此线出现地温负异常， 反映王封以西奥灰水与汾河有水力联系，而东部径流深度加大。证明自古交、 西铭至晋祠存在一条奥灰水径流带，它在空间上展布是不均匀的，具三维补 给关系。 ( 2 ) 中部亚单元：位于西山向斜核部，受南北向褶皱控制，石灰岩埋深 在6 0 0 m 以下，无充分的补给与排泄的水动力条件，故本区处于滞流状态。 ( 3 ) 西部亚单元：位于马兰向斜以西，主要接受石灰岩露头区降水补给， 径流距离较短。以接受当地补给，短距离径流后排泄为特征。 煤田中的孔隙水主要分布在新生界第三、四系未胶结和半胶结的砂砾层 孔隙中，孔隙水可通过断裂构造进入深部的岩溶水系统。煤田中分布于煤系 地层及上覆碎屑岩中的裂隙水量相对较少，在本区不起主导作用。 西山煤田的岩溶作用是在裂隙扩容的基础上进行的。裂隙未形成前，碳 酸盐岩类的孔隙度和渗透系数极低，可以看作弱含水或不含水岩石，但这类 太原理工大学工程硕士学位论文 岩石遭受构造作用后，形成的节理和裂隙使灰岩的含水性和导水能力大为增 强。由于寒武、奥陶系地层每个组底部为泥质灰岩，所以岩溶水在垂向上具 有成层性和相对独立性的特点。由于煤田断裂和褶皱构造分布不均匀，造成 岩溶水在水平方向上具有分区性，中部地区为岩溶水滞流区，东部地区为岩 溶发育区。 图2 _ _ 6 西山岩溶水单元 ( 据许贵森，1 9 8 5 ，修改) i 一东部亚单元 1 一水位观测点 4 地下水边界 一中部亚单元 2 一等水压线( m ) 5 一地下水流向 一西部亚单元 3 一泉 中奥陶统岩溶较发育的峰峰组、上马家沟组和下马家沟组在正常情况 太原理工大学工程硕士学位论文 下，各含水层之间均有较好的隔水层。然而由于煤田中各种断裂的导水作用， 造成各含水层间不同程度的沟通，于是形成了复杂的三维层状网络含水结 构。岩溶水可以沿断裂从一个含水层流入另一个含水层，然后以顺层方式流 动，这样使岩溶水的赋存表现为多层网络特征。 太原理工大学工程硕士学位论文 第三章西铭井田陷落柱分布规律 3 1 西铭井田陷落柱揭露情况分析 煤矿井下揭露陷落柱不外是开掘巷道揭露或回采工作面中采出。在采用 综合机械化采煤方法以前，主要为房柱式、刀柱式、高档普采方法开采，遇 见陷落柱即停采，缩短工作面倾斜长或重送切眼再开采，仅在送主要巷道时 掘过陷落柱，所以对陷落柱内部岩块构成知之不多。只有在引进综采之后， 由于重送切眼搬家费用相对采过陷落柱来说过高，才出现了综采强过陷落 柱，也才有机会在煤层层位整个揭露陷落柱，给我们研究陷落柱提供了较多 机会。 西铭井田内有多条沟，沟内大面积2 8 煤被冲蚀，沿沟有较长的煤层露头， 分布着许多小煤窑，开采了大面积的2 ”煤层，地质构造均没有记录；西铭矿 2 4 煤层主要为刀柱式开采，陷落柱主要为掘进巷道揭露。这些区域陷落柱发 育程度都不清楚。即使后来采用了高档采煤方法，也仅采过较小的陷落柱， 直至2 0 0 1 年开采4 2 0 1 4 工作面时才开始使用综采。由于并田西部陷落柱较 少，2 8 煤层中密度y j j , ，仅采过不多几个。8 ”煤层虽然开采时间短、开采范 围小，但都是在井田东部综采开采的，工作面问仅留有不宽的隔离煤柱，开 采区域内陷落柱基本被揭露。近几年全矿采过的陷落柱大部分是8 。煤综采工 作面内的，约占总数的9 0 以上，8 。煤层层位陷落柱资料占绝大多数，也是 本文作者主要研究对象。 3 2 井田内陷落柱两个统计特征