（矿产普查与勘探专业论文）西铭井田陷落柱发育特征与分布规律研究.pdf

删工大学硕士学位舣r 3 7 r 龆2 s 摘要 、7 陷落柱是煤系下伏灰岩中的溶洞发生持续向上的塌陷所产生的柱 状地质体，是中国特有的一种岩溶地质现象。西铭井田陷落柱十分发 育，已成为影响煤矿生产的重要因素。7 本文运用构造地质学、水文地质学和岩溶学的理论和方法，通过 地面地质调查、采掘工作面地质编录，对陷落柱的发育特征进行了较 为深入的研究1 滗者认真总结了西铭井田长期开采积累的陷落柱资 料，对该井田陷落柱分布规律进行了精细的研究。在对不同煤层陷落 柱分布密度定量化分区的基础上，首次提出在横向上和垂向上预测陷 落柱分布密度的原理与方法。本文成果对采煤疋作面合理布置具有指 导意义，也有助于陷落柱研究的进一步深化。) 【关键词】陷落柱发育特征分布密度西铭井田 s o n gx i a o x i a st h e s i sf o rm a s t e r sd e g r e e t h em o r p h o l o g ya n d d i s t r i b u t i o no fc o l l a p s ep i l l a r s i nc o a lm e a s u r e si nx i m i o gm i n e t a i y u a n ，c h i n a a b s t r a c t t h ec o l l a p s ep i l l a ro c c u r r e di nc o a lm e a s u r e so fc h i n ai sap i l l a r s h a p e db r e c c i ab o d yo r i g i n a t e d f r o mt h e c o l l a p s eo fc o a l m e a s u r e sa n d o t h e rs t r a t at h a to v e r l i et h ec a v e si nd i s s o l v a b l el i m e s t o n es e q u e n c es of a r t h i sk i n do fb u r i e dk a r s tp h e n o m e n o nh a sn o tb e e nd o c u m e n t e di no t h e r p a r t s o ft h ew o r l d t h e c o l l a p s ep i l l a r s a r ea l s oa n i m p o r t a n t k i n do f b a r r i e r st oo b s t r u c tt h el o n g w a l lm e c h a n i z e d m i n i n g m o r et h a n5 0 0o fc o l l a p s ep i l l a r sd e v e l o p e di na na r e ao f 4 3k m 2o f x i m i n gc o a lm i n e ，t a i y u a n ，c h i n a ，h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d f r o mt h e s u r f a c eo u t c r o p sa n dt h em i n i n gf a c e sw i t l l i ns e v e r a lc o a ls e a m s t h e i r m o r p h o l o g y , s p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，g e n e t i c m e c h a n i s ma n dd i s t r i b u t i o np r e d i c t i o na r ed e s c r i b e da n dd i s c u s s e di nt h i s p a p e rf r o mt h ev i e wo fs t r u c t u r a lg e o l o g y , h y d r o g e o l o g y , k a r s t o l o g ya n d c o l l a p s ep i l l a rm o r p h o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e h e i g h to fc o l l a p s ep i l l a r s i nt h em i n e c h a n g e sf r o m1 0t o5 0 0 m ，m o s to f t h e mi nt h er a n g eo f1 0 0 1 6 0 m w i t ht h e d i a m e t e r so f2 0t o6 0 m ；t h en u m b e rd e n s i t yf n u m b e r s k m 2 1o fc o l l a p s e p i l l a r s i nt 1 1 ec a r b o n i f e r o u s p e r m i a nc o a lm e a s u r ei nt h em i n ec h a n g e s f r o m1t o10 0 k m 2 w i t h a d e n s i t y o fl0 2 0 k m 2 g e n e r a l l y t h e a r r a n g e m e n to fc o l l a p s ep i l l a r su n c o v e r e di n 8 撑s e a m i nt h e4 “p a n e l i n d i c a t e st h ee x i s t e n c eo fan e t w o r ko fc a v es y s t e mi nt h e u n d e r l y i n g c u m b r i a n o r d o v i c i a nl i m e s t o n es e q u e n c e t h ec o m p a r i s o no ft h en u m b e rd e n s i t yo fc o l l a p s ep i l l a r su n c o v e r e d i n2 拌s e a mw i t h8 撑s e a mt h a ti s1 0 0 mb e l o w2 # s e a mr e v e a l st h a ta p r e d i c t i o no fc o l l a p s ep i l l a r si nt h el o w e ru n w o r k e dc o a ls e a mc a nb em a d e f r o mt h ed a t ao f u p p e rw o r k e d s e a m i nt h ec a s eo f x i m i n gc o a lm i n e ，t h i s a u t h o r p r o p o s e ar e l a t i o n s h i po f d 8 - 2 2 7d 2 ，h e r ed 8a n dd 2a r et h en u m b e r d e n s i t yi n8 # a n d 2 # f o rp r e d i c t i n gt h en u m b e rd e n s i t yo f c o l l a p s e dp i l l a r s i n8 # s e a mf r o m2 # s e a m t h i sr e s e a r c hw i l lb e n e f i ta k a r s t i f i c a t i o n ，c o a le x p l o r a t i o n ，a n d c o l l a p s ep i l l a r sr e g i o n d e e p e ru n d e r s t a n d i n g o fb u r i e d c o a lf a c e p l a n n i n g a n dm i n i n gi n k e y w o r d s ：c o l l a p s ep i l l a r ；m o r p h o l o g y ；d i s t r i b u t i o n ；x i m i n gm i n e 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1陷落柱发现史及其定义 关于陷落柱的记录最早出现在2 0 世纪4 0 年代初的文献中。在此 之前，山西太原西山煤矿、阳泉煤矿、灵石富家滩石膏矿和河北井陉 煤矿都发现了这种构造，当时，矿工和采矿技术人员将其称为“矸窝 子、砂墩、无炭柱、无炭部、环状陷落、柱状陷落、圆形断层”等。 1 9 4 2 1 9 4 3 年，侵华日军为了掠夺中国煤炭资源，由北支那开发 株式会社调查局分别对太原西山和河北井陉地区进行地质调查。在太 原西山自家庄西峪村附近，松泽勋发现了“十余个不规则圆形柱状地 体，直径三四十米乃至一百二三十米，柱体被大小各异的岩石碎片充 填，该柱体底界在奥陶系石灰岩中，为空洞陷没起因，称为无炭柱或 陷没柱”“1 。同时，小贯义男对井陉煤矿正丰采煤所坑内揭露的8 个 “圆形断层”的结构特征进行了研究，并对照地表塌陷情况，于1 9 4 4 年1 0 月3 1 日与阳泉煤矿的志井田功协商，将这种构造命名为“陷落 柱”，认为它是由奥陶系灰岩溶洞塌陷形成的。1 。可见，陷落柱这一概 念，是对其成因和形态的概括。 数十年来，陷落柱一词已成为中国地质学界普遍接受的专业术语 而广泛出现于专业文献中，但采矿界则更习惯使用无炭柱一词。 目前，陷落柱仍没有统一的定义。岩溶学词典对该词的解释为： 岩溶陷落柱( k a r s tc o l l a p s eb r e c c i ap i p e ) ，是埋藏型岩溶区的地 下溶洞的顶部岩层及覆盖层失去支撑，发生塌陷所产生的上小下大的 椎状陷落体”。 地质辞典中的解释为：岩溶陷落柱( k a r s tc o l l a p s ec o l u m n ) ， 简称陷落柱，是煤田地区因下伏的石灰岩层岩溶发育，在重力作用下， 上覆岩层( 包括煤系地层) 呈柱状或圆锥状塌陷形成的地质体的专 称1 “。 太原理5 - 大学硕士学位论文 存本文一h 笔者x , 1 1 1 肖潞柱定义如| j ：陷落干i 是煤系卜伏彦( 柑一 的 大跨度浴洞发i l 二持续向上的塌陷所产生f 门、二：维形态呈柱状的塌落岩 块堆积体。陷落杠的英文译名为c o l 】a p s ep il 】a r 。 陷落柱是中因煤矿区特有的一种岩溶塌陷现象，查阅国内外许多 岩溶地质资料，都没有关于国外陷落柱的记录”1 。 按照碳酸盐岩的出露情况，岩溶可分为三种类型：裸露型岩溶 ( b a r ek a r s t ) ，指可溶岩裸露地表的地区所发育的岩溶：覆盖型岩溶 ( c o v e r e dk a r s t ) ，指被松散堆积物覆盖的岩溶：埋藏型岩溶( b u r i e d k a r s t ) ，指已成岩的非可溶性岩层之下的可溶岩层所发育的岩溶。岩 溶塌陷在各类岩溶区都有发生，而陷落柱是煤系下伏溶洞塌陷的产物， 属埋藏型岩溶塌陷。 1 2 陷落柱的研究历史及现状 半个多世纪以来，陷落柱研究的广度和深度都在不断的发展，其 重要性引起煤炭科研人员越来越多的注意。关于陷落柱的研究工作总 体上分为两个方面：一是运用地质学理论分析陷落柱，包括对陷落柱 的形成背景、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。 1 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。这方面的记录 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。 2 6 0 年代至7 0 年代中期，陷落柱研究进展缓慢，但一些地球物 理勘探方法( 如无线电波透视法) 开始应用于探测陷落柱。 3 从7 0 年代末开始，陷落柱研究的范围迅速扩大，陷落柱列煤 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 太原理工大学硕士学位论文 了华北地区岩溶陷落柱学术交流会，1 9 9 0 年中圈统配煤矿总公司把陷 落拄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而： ( 】)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、苏等省的二十余个 煤h j 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 一4 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 m 到6 0 0 m 不等，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。陷落柱基底埋 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 一般认为陷落柱的发育与奥陶系灰岩的古岩溶密切相关，即溶洞 的存在是陷落柱形成的前提条件。有人认为陷落柱发育主要受地下水 主径流带的控制，有人认为构造是主导控制因素，还有的认为与奥陶 系灰岩中石膏层的分布有关。由此提出了多种陷落柱成因理论，下面 概括介绍其中的一些主要观点。 重力塌陷说认为，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“”。 石膏溶蚀说认为，陷落柱是石膏喀斯特产物。在中奥陶统马家沟 太原理工大学硕士学位论文 纠灰岩中赋存有很厚的硬干i 青，峰峰组狄岩中也火有石膏层。由j i 地 壳彳i 断上升，在地下水的作，| j j 下，硬石膏水化变成年i 膏。体积膨胀6 4 ， 膨胀后的石膏沿着破碎带的交线挤入l 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枉“。 真空吸蚀说认为，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面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷 形成陷落柱m 1 。 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进一步讨论。 ( 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l9 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 。# 趣；：琥乩 太原理工大学硕士学位论文 f _ ) ( ：羽】! n f x ，i 具 j 定f 内方向怕：。 ( 6 )陷落杜的预测和探测 在预测方面，一些矿区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。有的矿区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。有的矿区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。 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间尺度和时间范围 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。 在本文的研究地区西山煤田，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“，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，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 太原理工大学硕士学位论丈 l1 月，官地矿组织地质人员编写了太原四山煤开1 官地矿区岩溶陷落 柱分析预测报告”。 笔者认为，日的存陷落杠的认以j ：还仃在许多问题。概括地讲， 卅分三三个方佰l ： 1 陷落柱形成机理需要一利，科学的m 犁释，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，发育层位和方向如 何；灰岩所夹石膏层的厚度多大，分布范围多广，硬石膏遇水膨胀后 能否挤入煤系地层，以及陷落柱形成时代等等，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先锋作用。关于用物探方法解决陷落柱 问题，本文不做更多讨论。 1 3 选题的目的和意义 本文的研究依托于国家自然科学基金资助项目“华北煤田基底溶 洞网络与煤系陷落柱发育规律研究”。 华北晚古生代煤系中普遍发育陷落柱，其存在规模、危害程度和 勘探难度都不低于其它构造。陷落柱既能造成煤层的缺失，给开采产 生巨大的困难，也可导致下部岩溶水的入侵，威胁矿井的安全。研究 陷落柱的分布规律及其水文地质特征，为煤矿设计和生产提供理论依 据及地质预报，能够减少由此产生的经济损失。此外，与裸露型和覆 蓬| | | l 潋穗i 藤鞣； 太原理工大学硕士学位论文 盖型岩溶研究相比，以往陷落柱的研究t 作还很薄弱，其形成机理、 形成时期和发育层位等问题都小够清楚，这方面的研究可以丰富和发 展我们对中国岩溶的认识。 131华北地区陷落柱的分布特点 陷落柱在华北地区分布十分广泛，在山西、河北、山东、陕西、 河南和江苏等省都发现了陷落柱。其总体分布呈南北向的三个条带： ( 1 ) 汾河沿岸：从山西霍州、汾西、灵石、汾阳以至太原西山；( 2 ) 太行山西麓：从山西晋城、高平、长治、平顺、襄垣、武乡以至昔阳、 平定、阳泉、盂县带；( 3 ) 太行山东麓和东南麓：河北井陉、峰峰 磁县至河南安阳、鹤壁、焦作。此外，在河北开滦矿区，山东新汶、 官桥，江苏徐州，陕西铜川煤矿以及内蒙准格尔煤田等地，也有零星 分布的陷落柱( 图1 一1 ) 。 图l l 华北地区陷落柱分布示意图 ( 据王锐，i 9 8 2 ，修改) l 陷落柱分布区( 不代表数量)2 一碳酸盐岩分布范围 太原理工大学硕士学位论文 在现有文献中记录有部分矿区揭露陷落柱的数只，笔者对此进行 了整理( 表1 一1 ) 。由此几j 见，太原西l h 0 “区、汾两矿区和i 泉矿| j f l 落相：的分川街艘最人。 表ll 华北部分矿区陷落柱数目统计表 省矿区( 矿)数目统计i 刖司 西山矿区1 1 5 5 31 9 9 0 汾西矿区11 0 6 31 9 9 2 霍州团柏矿 9 91 9 9 3 霍州曹村矿” 8 l1 9 9 1 潞安王庄矿”6 1 4 01 9 9 6 山西 阳泉矿区1 4 5 01 9 8 7 大同矿区4 31 9 9 3 晋城凤凰山矿 1 01 9 9 l 西峪煤矿 1 8 31 9 9 5 轩岗六亩地矿1 1 21 9 9 3 井陉矿区1 1 91 9 9 l 峰峰四矿4 11 9 9 3 河北 邢台东庞矿”51 9 9 7 开滦范各庄矿4 l l 1 9 8 4 新汶南冶矿121 9 8 9 山东 协庄矿11 41 9 9 3 鹤壁四矿12 51 9 9 l 河南 安阳铜冶矿1 1 31 9 9 1 辽宁沈南矿区11 21 9 9 5 安徽皖北刘桥一矿11 51 9 9 7 江苏徐州庞庄矿11 01 9 9 7 北京京西矿区151 9 9 4 1 32 陷落柱对煤矿生产的影响 陷落柱常常给矿井开采造成巨大的困难和威胁，是制约煤炭生产 发展的一个重要问题。陷落柱对生产的影响主要表现在以下三个方面。 1 在陷落柱发育的矿区，煤层的连续性遭到破坏，给井巷丁程 的布置和施工，采煤方法和采掘机械的选择增加了许多困难。陷落柱 翁交黼 麟i 太原理工大学硕士学位论文 刈综采的影响尤为严咂。存煤矿经常“i 现这种情况：当构成个综泶 i ：作嘶的巷道全部形成，机电、通风和运输等配套设施安装以后，一 经回采便发现，工作面内部陷落柱特别发行，机械强过成本太大，机 组只能搬家。这样，既打乱了正常的采掘接替，也使井巷工程报废， 造成人力、财力的极大浪费。 2 当采煤工作面切过陷落柱时，很难将柱体内的岩块及充填物 与原煤完全分离，造成原煤灰分增大，这样不仅增加了运输费用，而 且使原煤销售价格降低，直接影响了煤矿的经济效益。 3 在水文地质条件较为复杂的矿区，陷落柱有时会成为导水通 道，使下部岩溶水入侵。建国以来，华北地区已发生多起陷落柱导水 事故“3 ”“( 表1 2 ) 。震惊中外的开滦范各庄矿淹井事故，就是矿 井深部奥灰岩溶水通过陷落柱涌入矿井造成的，当时最大突水量达 2 0 5 3 m 3 m i n ，同时造成附近吕家坨矿被淹，林西矿被迫停产，直接经 济损失超过4 亿元。 表1 2 北方煤矿陷落柱突水简表 最大涌水量 矿井突水位置突水日期 m m l n 河南安阳铜冶矿1 0 3 工作面1 9 6 5 8 2 5 2 4 山西霍县圣佛矿4 8 3 水平大巷 1 9 6 7 1 2 87 8 河南焦作李封矿东1 8 南区 1 9 6 7 3 2 95 3 河北开滦范各庄矿2 1 7 1 工作面 1 9 8 4 622 0 5 3 安徽皖北任楼矿 1 9 9 6341 9 8 江苏徐州张集矿西翼采区轨道下山 1 9 9 721 84 0 2 133 陷落柱研究的理论意义 在过去几十年，地学界一直没有对陷落柱开展精细而透彻的基础 地质研究，以致煤系陷落柱的研究成果既没有形成应有的完整的学科 太原理j - 大学硕士学位论文 体系，也远远落后于断裂构造、地表岩溶作用和地下溶洞系统的高分 辨率j i j | - 究。不仅如此，i j ：1 jj e 发育机制和分枷规律未能鱼i 9 j 继而叉 导致系列卣日性丁样行为和弧人的经济损火。 煤系陷落柱基础地质研究薄弱、对地质勘探和煤矿生产指导无力 的落后局面急需改变。从现代地学的高起点对其进行精细剖析与多学 科综合研究，必将进一步丰富含煤岩系的后沉积演变理论，充实北方 干旱地区地下岩溶地质学说，大大提高陷落柱勘探与预测的精度一时 效指标，并最终建立具有中国地学特色的“陷落柱地质学”新学科。 显然，陷落柱研究不仅在应用上具有广阔前景，而且在科学上具有重 要价值。 1 4 研究思路与主要研究工作 陷落柱是一种较为复杂的研究对象，它结构特殊，而且很少出露 地表。由于受观察和研究条件的限制，只能从局部或有限的侧面认识 陷落柱。煤矿开采揭露的大量陷落柱，为研究提供了宝贵的机会。 本项研究采用室内外相结合的方法，坚持从已知到未知的原则， 选择以往地质工作程度较高，揭露陷落柱较多的西铭井田作为重点研 究地区。基本工作方法是：首先进行野外踏勘，了解井田地表陷落柱 出露情况，对已经确认的陷落柱描述、实测和采样；然后收集矿井开 采积累的陷落柱资料，并对井下正在揭露的陷落柱进行跟踪观测、描 述和采样；对样品和其它基础资料整理，并运用岩溶学、构造地质学、 水文地质学及地层学等学科的基本理论进行分析，在此基础上，编制 各种综合分析图件。 本文重点探讨下列问题： 1 陷落柱的发育特征 分析陷落柱柱体结构和柱围构造，把握其大小、形状、高度等三 维空间尺度，获得“陷落柱”明确的概念。 2 西铭井田陷落柱分布规律 根据西铭井田采掘工程揭露陷落柱的情况，分析井田范围内陷落 j 潮& 釜涵；。沌，j 太原理3 - 大学硕士学位论文 柱分布的规律性，并对陷落柱的分加密度进行分煤层定翳化分区，建 立新的预测方法，为采煤工作面的合理夼置和采煤方法的正确选择提 供指导。 3 陷落柱的形成机制 从区域地质、水文地质背景入手，分析煤系基底灰岩岩溶特征， 结合陷落柱在地表及煤层中的特征，获取陷落柱成因方面的证据。 1 5 准备工作 15 1文献调研 1 9 9 9 年1 0 - 1 2 月，笔者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阅了早期的煤田勘探报告，查证了陷落柱 的发现史。另外，笔者还拜访了钱学溥、王锐等研究陷落柱问题的专 家。 2 0 0 0 年9 月，笔者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i 4 1 篇( 部) 。这些文献比较全面地反映了陷落柱的研究水平和 现状。笔者最后对这些资料进行归类，并建立了专门的文献数据库。 1 5 2 现场观测及矿井地质资料收集 太原理工大学硕士学4 a 刮! - 文 2 0 0 0 年3 1 0 月，笔者在西山、阳泉等地进行了野外和井下地 质调查。完成的主要工作量有：野外踏勘2 0 余次，确认地表出露的陷 落柱8 个。井下调查5 次，观测陷落柱6 个。共拍摄照片3 0 余张，并 做了详细的观测记录。 在本次研究的重点地区西铭矿，收集到西铭矿矿井地质报告 ( 1 9 9 0 ) 及附表，西铭井田2 。煤层采掘工程平面图( i ：5 0 0 0 ) ，西 铭井田8 。煤层采掘工程平面图( 1 ：5 0 0 0 ) ，西铭井田地形地质图 ( 1 ：5 0 0 0 ) ，西铭井田构造纲要图( 1 ：1 0 0 0 0 ) ，西铭矿10 1 8 大巷剖 面图( i ：2 0 0 ) ，西铭矿陷落柱台帐等资料。在杜儿坪矿收集到太 原西山煤田官地矿区岩溶陷落柱分析预测报告。 太原理工大学硕士学位论文 第二章西山煤田地质概况 2 1 自然地理概况 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，跨太原南北郊区、娄烦、清徐、交城、文水和古交等 县市。地理坐标：东经1 1 0 。5 1 4 9 ”一1 1 2 。3 07 ，北纬3 7 。2 3 7 5 l ”一 3 8 。0 2 1 2 ”。西山煤田南北长约7 5 k m ，东西宽约4 0 k m ，总面积 1 8 9 8 4 k m 2 ，呈北、中部开阔，向南收敛的“倒梨形”。 西山煤田西部为吕梁山脉，北部为云中山余脉，东南部为太原盆 地。主要地貌为山间谷地、黄土丘陵和台地，在煤田中部，自西向东 为狐偃山一三县岭一庙前山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、 文峪河谷地。煤田内狐偃山海拔最高为2 2 0 2 4 7 m ，沿分水岭向东依次 为三县岭1 6 3 0 4 2 m ，庙前山1 8 6 5 5 2 m ，石干峰1 7 7 2 6 7 m ，东部西山矿 务局所在地高程为8 6 0 m ，相对高差1 3 0 0m 。 西山煤田地貌形态较为复杂，地表沟壑纵横，山峦起伏，地形切 割剧烈。水系呈树枝状，常为v 形或u 形谷。西山煤田地貌的成因类 型主要为构造剥蚀地貌和流水堆积地貌。构造剥蚀地貌，是原始的构 造地形受到流水的侵蚀，表流的冲刷，风的吹蚀，地下水的溶蚀等综 合作用后，原始地貌已遭到破坏，但其构造形态仍基本保留。本区分 水岭东西两侧的石炭二叠系砂岩区及部分三叠系砂岩区均为剥蚀为主 的中低山区，地貌特征为大部分山体基岩裸露，切割剧烈，山头及山 梁残留少量黄土与红土，古交丘陵区黄土残留较厚，最厚达1 5 0 m 。矿 区东部则为流水堆积地貌，有洪积扇、山间谷地等。 岩石和构造是造成各种地貌的物质基础，而千姿百态的地表形态 是内营力和外营力相互作用的产物。自燕山运动末期形成本区地貌雏 太原理工大学硕士学位论文 形以来，在漫长的地质历史时期晕，又经历了多次构造运动，地层被 切割成不f 二j 的断块，同时也继承和发展了燕【运动所形成的地貌形态， 而成为当今的地貌景观。 2 2 矿区划分 西山煤田是我国最大的主焦煤生产基地，1 9 9 0 年末全煤f i 探明保 有储量1 8 7 5 6 亿吨，占全省的7 2 9 ；预测储量4 6 1 1 亿吨，仅占全 省的0 8 5 。煤田划分为西山、古交、清交、东社等矿区( 图2 1 ) 。 西山、古交两矿区同属西山矿务局开发，是它的前山区和后山区。清 交和东社矿区属远景规划区。 图2 1西山煤田矿区划分图 太原理工大学硕士学位论文 西山矿区，面积约2 0 0 k m 2 ，有四对生产矿井，分别是：西铭、官 地、杜儿坪利白家庄，是老丌发区。古交矿区，面积6 6 0 k m 2 ，煤层呲 存稳定，倾角一般4 i 人于1 0 。，水文地质条件简单，但煤层瓦斯含量 偏高。占交是新丌拓的煤矿区，1 9 7 9 年丌始建设，现有五对生产矿井， 分别是：_ 西曲、东曲、马兰、屯兰和镇城底。 2 3 地层及煤层 2 3 1地层 西山煤田地层有下古生界、上古生界、中生界和新生界。上古生 界包括中石炭统本溪组，上石炭统太原组，下二叠统山西组、下石盒 子组，上二叠统上石盒子组、石千峰组。中生界包括下三叠统刘家沟 组、和尚沟组，中三叠统二马营组，出露良好。煤田西部边缘和北部 地区广泛分布着前寒武系、寒武系和奥陶系中下统地层，构成了煤系 地层的基底。煤田东部由于断裂构造的掀斜抬升，奥陶系灰岩也有少 量出露。晚古生代地层沉积在奥陶系之上，呈不整合接触。新生界第 三、第四系不整合覆盖于上述地层之上，其主要为红土、黄土及河床 相砂砾冲积物。 西山煤田为我国晚古生代典型的海陆交互相煤田，煤田内广泛发 育着一套由滨岸经三角洲到滨海平原，且以三角洲为主体的含煤沉积。 煤系地层自下而上为( 图2 2 ) ： 1 本溪组( c 。) 厚度1 3 7 7 4 5 m ，平均厚度3 0 m 左右。与下伏中奥陶统峰峰组呈 平行不整合接触，属滨岸环境沉积。按其岩性不同分上下两段。下部 为铁铝岩段：底部为断续分布的山西式铁矿；其上为成层较好，厚度、 岩性变化较大的铝土矿( g 层铝土矿) 。上部半沟段：以细碎屑岩为主， 与砂岩、灰岩互层，夹煤线。 2 太原组( c 。：) 厚度8 4 1 3 6 m ，平均厚度l o o m 左右。为滨岸一三角洲环境沉积。 底部以晋祠砂岩与下伏本溪组整合接触。按环境组合和古生物特征， 太原理3 - 大学硕士学位论文 以父家峪灰岩和毛儿沟灰岩顶界分为晋祠、毛儿沟、东大窑三段。 叫 代 自l 段十状 煤层及柏、忠层 代叶 下 t h 桃花泥崭 石 盘 o 丁 p i l k4鼎驼脖砂岩 1 。 l4 煤及铁磨淘砂岩 二铁磨沟灰岩 山 2 o 2 # 煤层 叠 西 3 # 勇l3o 煤层 4o44 煤层 组 世 p l s 重i 确 k 3 三主h 球北岔沟砂岩 l 6 山垢灰岩 晚 东 生一 东大窑灰岩 6 64 煤层 太 大差手公 窑 qs七里沟砂岩 石 l 4 芒习 斜道灰岩 段 三l 74 煤层 原 m b上马兰砂岩 毛 塞弓毛儿沟灰岩 炭 l2l3 儿 m a下马兰砂岩 l i；昭 庙沟灰岩 沟 8 4 一 8o 煤层 组 至i 兰3 、屯兰砂岩 段 世9 #9o 煤层 i 一 1 0 _ 1 0 挥层 晋 西铭砂岩xs 祠百吴家峪灰岩 c 3 t段 l l 1 l o 煤层 k l晋祠砂岩 由 本 l b z = f 半淘灰岩 石 溪 炭 组当凸出 g 层铝土矿 世 c2 bt l o r 叫 山西式铁矿 峰峰组02 f矗刊 图2 2 醋山煤田地层层序示意图 汪籀黝斌。，_ j 1 6 一 太原理工大学硕士学位论文 ；野硎段：底部为灰白色小荆粒石英杂砂岩( 晋祠砂岩) ，其卜为 深彦 色含黄铁矿、菱铁矿结核的细碎屑岩，火煤线1 2 层，顶部为 吴家峪狄岩，其岩性、厚度变化大，层位不稳定。 毛儿沟段：为一套碎屑岩、碳酸盐岩与煤的互层，底部赋存8 4 、 9 4 两层主要可采煤层。本段含有两层灰岩，一层为8 4 煤层顶板的生物 屑狄岩( 庙沟灰岩) ，在煤m 东南部清交一带尖灭，煤m 北部、中部 发育稳定：另一层为含骨粉屑泥晶灰岩( 毛儿沟灰岩) ，在煤阳内较 为稳定。 东大窑段：该段以粗碎屑岩为主，夹碳酸盐岩及6 4 、7 。煤层。该 段有碳酸盐岩两层，其下层为7 4 煤层顶板之生物泥晶灰岩( 斜道灰岩) ， 该层在全区最为稳定：上层为含骨屑泥晶灰岩( 东大窑灰岩) ，它仅 仅发育在狐偃山一七里沟之南侧。 3 山西组( p ，。) 厚3 0 一7 0 m ，平均厚度6 0 m 左右。以北岔沟砂岩与下伏的太原组 整合接触。山西组主要为三角洲一滨海平原环境沉积。按环境组合和 生物化石组合特征，将其分为二段。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5 # 、4 。、3 。 煤层；上段为下石村段，主要为细碎屑岩与煤层的互层，2 4 、l 4 、0 3 。、 0 2 4 、0 1 4 煤层赋存其中。 2 3 2煤层及煤质 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 4 0 3 。、14 1 2 。 以及一些不稳定的煤线。5 。煤层以上属山西组，其余各层属太原组。 其中2 。、8 4 、9 4 煤层稳定可采；3 4 、6 4 、7 。煤层较稳定，大部分可采： 0 2 4 、0 3 4 、4 4 、5 9 煤层不稳定，局部可采；其余为极不稳定、不可采的 煤线或薄煤层。太原组、山西组煤层总厚1 4 4 0 m ，地层厚1 5 3 8 m ， 含煤系数9 i 。习惯上将2 。、3 。、4 。煤层与8 4 、9 。煤层分别称为上煤 组、下煤组，两煤组间距7 5 m 左右。 西山煤田煤种有肥、焦、瘦、贫和无烟煤五个牌号，平面上自西 向东变质程度逐渐增高。古交、东社矿区以肥、焦、瘦煤为主；前山、 知! 箍j 溢h | ； 太原理工大学硕士学位论文 肯交_ f i j 区以瘦、贫煤为= 】二；东南边缘现无烟煤带。各煤种分带性j p j 显，总的趋势呈近南北至北东向延伸。在纵向卜，i h 卜矶上变质科股 逐渐加深，挥发分相应降低，上、下两煤组般相差一个煤种牌号。 煤刚西部中段由于受火成岩体侵入的影响，煤层局部发生接触变质， 变质程度急剧升高，但变化范围仅限于岩体附近。 2 4 构造特征及其演化 241 西山煤田构造特征 西山煤田位于华北亚板块的鄂尔多斯块体东部边缘，煤田东侧以 多字形展布的汾渭地堑为界，煤田西侧为属于同块体的吕梁复式背 斜。煤田总体上为一向斜盆地，轴向近南北，地层倾向南西( 图2 3 ) 。 图2 3 西山煤田构造分布l 訇 太原理工大学硕士学位论文 两山向剩贯穿整个煤= r j ，该向斜西翼边缘发育有南北向的高f j 度 人断层，使两弛地层陡峻，岩层倾角最大达1 5 。，一般为2 ( ) 。五，r 。 向斜东翼地层i p 缓，倾角一般为4 。8 。煤内发育次一级的俐曲 和断裂构造。较大的褶曲有水峪贯向斜、马兰向斜、石千峰向刳、庙 前山向斜、官地背斜等，轴向总体沿n n w 方向延伸。较大断层多为n e n n e 向高角度证断层，组成地垒形式，从北至南有安庄、九龙塔、 红岩村、古交、王封、杜儿坪、碾底等断层，落差4 0 一2 0 0 m ，多为矿 井及采区自然边界。再次一级构造则为小褶曲、小断层和陷落柱，这 些构造在生产井罔内十分普遍，是影响生产的主要因素。 根据官地矿和杜儿坪矿煤巷顶板岩石节理的实测资料，分为四组 节理，并由相互关系判断为两套共轭剪节理( 图2 4 ) ，其中n 1 5 。e 和n 7 5 。w 共轭节理有被另一套共轭节理切割的迹象。分析表明，由 于煤田东部岩层倾角仅5 。左右，故此套节理是在北西至南东方向的 水平挤压应力作用下形成的，另一套共轭节理由n 5 5 。e 和n 3 0 。w 两 组节理组成，其形成时的挤压应力方向应为n n e 向。上述两套共轭节 理的产状与1 4 8 队在煤田东部的杜儿坪矿、西铭矿地面调查结果基本 一致。 n w 图2 4 西山煤田节理玫瑰图 e 煤田西部边缘中部有燕山期碱性二长岩的侵入，形成岩墙、岩床 造成局部煤、岩层的接触变质。 太原理工大学硕士学位论丈 242西山煤田构造演化 西u i 煤m 的主要构造格局形成二p 心m 州k i h 运动，新生代喜l 【j 运 动剥其进行了改造。中生代以来西山煤至少遭受到三期不同的构造 应力场的作用。南北向的褶皱和断裂构造主要腰现在煤h 西音f j ，但中 部也有低级别的南北向褶皱形迹。据此可以推断，煤用曾遭受过东西 向的挤压作用，但是应力集中在西部。可以认为煤阳西部的南北向构 造是太岳山经向构造带的北沿部分，其形成时间可能在燕山运动早 期。燕山期煤田还受到南东至北西方向的水平应力作用，形成了n 1 5 。e 和n 7 5 。w 的共轭剪节理乜“。 中生代末及新生代以来，西山煤田的构造应力场发生了重大变 化。在n n e 向挤压力和顺时针扭动力的作用下，首先形成了n 5 5 。e 和n 3 0 。w 的共轭剪节理，然后在顺时针扭动力作用下造成n w 到s e 方向的拉张，并形成晋中断陷盆地和西山煤田东部的一系列地堑一地 垒构造。 煤田东部n n e 向的张性断层为岩溶水的补给创造了良好的条件， 而上述四组节理，尤其是n n e 向节理组，为地下水的渗流和岩溶的发 育提供了通道，并且s e 向的拉张应力破坏了岩层的稳定性，有利于 陷落柱的发育。 2 5 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，