（环境科学专业论文）淮南煤田岩溶陷落柱带特征及形成机理.pdf

c h a r a c t e r i s t i c sa n df o r m i n gm e c h a n i s mo fk a r s t i c c o l l a p s ec o l u m n s ( b e l t s ) a tc o a l f i e l di nh u a i n a n a b s t r a c t k a r s tc o l l a p s ec o l u m na sas p e c i a lk i n do fg e o l o g i cb o d yi nc o a ln o to n l y e f f e c t sr o a d w a ya r r a n g e m e n t ，r o a d w a ys t a b i l i t ya n dt h eq u a n t i t yo fc o a lm i n i n g ，b u t a l s om a yb e c a u s ew a t e ri n r u s ho nc o a lf a c e ，w h i c hp o s e sag r e a tt h r e a tt ot h es a f e t y o fw o r k e r s t h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df o r m i n gm e c h a n i s mo fk a r s t c o l l a p s ec o l u m ni sh e l p f u lf o rc o a lg e o l o g i s t st om a k ec o r r e c tj u d g e m e n to nk a r s t c o l l a p s ec o l u m n ，a n dt h e np r e p a r ei na d v a n c e ，t op r e v e n t c o a l f i e l dd i s a s t e r s e f f e c t i v e l ya n dr e d u c et h el o s s e sf r o mc o l l a p s ec o l u m n t h u st h i sr e s e a r c hh a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nm a n yr e l a t i v el i t e r a t u r e a b o u tc o a l m i n ek a r s tc o l l a p s ec o l u m n ，t h i sp a p e rw a sp e r f o r m e du s i n gt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l da p p l i c a t i o nt oa n a l y s et h ed a t eo fc o a l f i e l d g e o l o g y ， h y d r o g e o l o g y ，c h e m i c a lc h a r a c t e ra n dc o l l a p s ec o l u m nu n d e r g r o u n di n h u a i n a n w h i c hi sl o c a t e di nk a r s tc o l l a p s ec o l u m na r e a a c c o r d i n gt ot h e3 ds e i s m i cd a t a a n di m a g ei nc o l u m n s ，a n a l y s em o r p h o l o g i c a la n di n t e r n a lf i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ek a r s tc o l l a p s ec o l u m n b ya n a l y s i n gt h ed a t ao fg r o u n d w a t e rc h e m i c a la n dt h e l o c a t i o no fw a t e ri n r u s hi nx i e q i a om i n e ，c o m b i n e st h ed t mf u n c t i o nw i t h p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i so fg i s ，t os t u d yt h es p h e r eo fi n f l u e n c e ，t h ec h a r a c t e r o fw a t e rq u a n l i t ya n dq u a n t i t y , a n dt h et e m p e r a t u r ec h a n g e si nt h ea f f e c t e dz o n e a n ds y s t e m a t i cs u m m a r yo ft h eh u a i n a nk a r s tc o l l a p s ec o l u m n s ( b e l t s ) w i t ht h r e e l a y e r so fd i f f e r e n th y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fk a r s t c o l l a p s ec o l u m n ，c o m b i n e st h eg e o l o g i c a le v o l u t i o np r o c e s sw i t ht h eg r o u n d w a t e r a c t i v i t y , t os t u d yt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fk a r s tc o l l a p s ec o l u m n t h ea n a l y s i s a b o v ea r eo fi m p o r t a n tg u i d a n c ef o rp r e v e n t i n gg e o l o g yp r o b l e m s 。t h er e s u l t so f t h i sr e s e a r c ha r es u m m a r i z e db e l o w ： ( 1 ) t h ep l a n ts h a p e so ft h em o s tk a r s tc o l l a p s ec o l u m na r ee l o n g a t e d ，a n dt h e g e n e r a lt r e n di nn w - s e ，c r o s ss e c t i o n ss h o ws m a l lt o pa n db i gb o t t o m ，t h et o p u n d e rt h eb e d r o c ks u r f a c ef o rt h em o s tk a r s tc o l l a p s ec o l u m n ； ( 2 ) m o s tk a r s tc o l l a p s ec o l u m nd e v e l o pf r o mc a m b r i a nl i m e s t o n ea n dw i t h l a r g ec o l l a p s i n ga r e a ，a n dt h ea d jo i n i n gr o c kc r a c kh i g h l yd e v e l o p e d ； ( 3 ) t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fk a r s tc o l l a p s e c o l u m ni ne a c hc o a li s d i f f e r e n t ，a n dt h el o w e rt h ec o a ls e a m ，t h eg r e a t e rt h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y i ti s n e c e s s a r yt op a ys p e c i a la t t e n t i o nt oi ta n dt h e np r e v e n tw a t e ri n r u s h ； ( 4 ) w i t haw i d ea f f e c t i o na n do b v i o u sv a r i a t i o no fh y d r o c h e m i c a lc h a r a c t e ri n t h ek a r s tc o l l a p s ec o l u m n ，o n l yn o t i c et h ev a r i e t yo fc o a lw a t e ra n dp r e p a r ei n a d v a n c ec a nw ea v o i dw a t e ri n r u s h i n g ； ( 5 ) as e r i e so fe x t e n s i o nf a u l ta l o n gn w d i r e c t i o nd e v e l o p e di nh u a i n a n m i n e f i e l da f t e rt h r e et e c t o n i cp r o c e s s e s ( g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ) ，t h e ne v o l v ei n t ok a r s t c a v e se x t e n d i n gd o w nt oc a m b r i a nl i m e s t o n eb e c a u s eo ft h el o n g t e r mc o r r o s i o no f s e - n wg r o u n d w a t e r ，f i n a l l yf o r mt h ec o l l a p s ec o l u m nd u et og r a v i t y k e y w o r d s ：h u a i n a nm i n ef i e l d ，k a r s t , c o l l a p s ec o l u m n sc h a r a c t e r i s t i c s ，g r o u n d w a t e r c h a r a c t e r i s t i c s ，f o r m i n gm e c h a n i s m 插图清单 图1 1 研究技术路线框架图6 图2 1 淮南矿区交通位置图8 图2 2 淮南煤田地质构造简图1 1 图2 3 淮南煤田老区地质构造纲要图1 2 图2 4 淮南煤田新区地质构造纲要图1 3 图2 - 5 潘集背斜区水文地质单元的新生界地层综合柱状图1 5 图2 - 6 陈桥背斜区水文地质单元的新生界地层综合柱状图1 6 图2 7 淮南煤田水文地质分区略图1 7 图3 1 谢桥矿l 群、2 群陷落柱主要地层振幅切片图2 0 图3 - 2 谢桥2 陷落柱剖面图2 1 图3 3 谢桥1 撑、2 撑陷落柱空间特征图2 2 图3 4 谢桥1 群、2 群陷落柱立体显示图2 2 图3 5 谢桥矿洞穴沉积物电镜微视图2 3 图3 - 6 孔集塌陷体内部充填物2 4 图3 7 潘三矿1 2 3 1 8 工作面揭露陷落柱素描图，2 5 图3 8 潘三井田东一东二采区异常体分析能团图2 5 图3 - 9 谢桥矿l ! i 陷落柱地震属性图2 6 图3 1 0 谢桥矿2 撑陷落柱地震属性图2 6 图3 1 l 东- b 组轨道石门出水点平面示意图2 8 图3 1 2 顾桥进风井3 3 8 m 注浆照2 9 图3 1 3 顾南付井7 8 0 m 揭露串浆照2 9 图3 1 4 谢桥煤系水质分类主成分分析图3 1 图3 1 5 谢桥煤系水温等值线图3 2 图3 1 6 顾桥煤系水取样分布图3 5 图3 1 7 顾桥煤系水质分类主成分分系图3 6 图3 1 81 3 煤系水与1 1 煤系水特征离子等值线对比图3 8 图3 1 9 顾北矿煤系水s 0 4 2 - 等值线图4 0 图3 2 0 顾桥矿黄铁岩块照片4 0 图4 1 淮南煤田岩溶陷落柱( 带) 平面分布图4 3 图4 2 李嘴孜矿孔集井水文地质剖面示意图4 5 图4 3 舜耕山至上窑山剖面图4 6 图4 4 八公山区n w 向组合成扫帚状断层构造图4 7 图4 5 淮南煤田印支运动期演化示意图4 8 图4 - 6 淮南煤田燕山早期演化示意图4 9 图4 7 淮南煤田燕山晚期应力分析图4 9 图4 8 淮南顾桥串珠状陷落柱形成示意图5 0 表格清单 表1 1 历次岩溶陷落柱突水统计表1 表3 1 谢桥煤矿l 挣、2 撑陷落柱几何特征表2 0 表3 2 谢桥矿陷落柱探测钻孔揭露溶洞高度表3 0 表3 3 谢桥煤系水水质资料汇总3 1 表3 4 各含水层水质、水温对比表3 4 表3 5 顾北矿各含水层六大离子范围值3 8 表3 6 顾北矿煤系异常水样表3 9 表4 1 淮南煤田岩溶陷落柱统计表4 2 表4 2 淮南煤田区域灰岩地简表4 4 表4 3 淮南煤田主要褶皱情况一览表4 6 表4 4 矿区n w i f i l 断层密度表4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金胆些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签 字日期： 咖年勿月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝者娩獬，匆翩虢锹名北。 签字日期幽p 年年月夕彦日 签字日期小卜年4 月7 署日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，衷心感谢导师钱家忠教授、淮南矿业集团李佩全教授级 高工及刘登宪教授级高工。在三年的读研期问，导师不仅传授我知识、给予我 指导和关心，更以其师长风范教育我如何做人、做事。在完成整个毕业论文期 间，导师更是倾注了大量的心血，从论文选题、开展调研到定稿直在予以指 导和修正，使得我的论文任务能如期圆满完成。在此，谨向导师表示我真诚的 感谢! 感谢资源与环境工程学院朱光及刘国生两位老师，在论文的写作中给予我 大量的关心和指点；感谢赵卫东老师在论文的写作和完成期问在技术和理论上 给予了大量的指导! 感谢学院孙世群老师、陈天虎老师、汪家权老师、陈陆望老师等对我三年 来的关心、支持和鼓励! 感谢张瑞钢、杨梅、关秋红、吕纯、马雷、潘婧、曹雪春、周小平、林曼 利、高志强、祝翠、杨丹丹同学在项目进行中予以的支持，使得我能全身心的 投入到论文写作上。感谢陈舟、严小三、夏琼、花芳、王璐璐、陈遵先等师兄、 师姐和同学，他们在硕士期间的生活和学习上给予了我极大的关心、爱护及帮 助。 感谢淮南矿业集团武兴楼老师，在论文的数据采集方面给予了极大的帮助， 在此表示由衷的谢意! 再次向所有帮助过我的人们表示由衷的谢意，愿他们身体健康、事业顺利! 作者：张春雷 2 0 1 0 年3 月1 8 日 1 1 研究背景与研究意义 第一章绪论 目前煤炭仍是我国最为重要的能源物质之一，巨大的能源需求刺激了我国 各地矿山大面积开采，随之而来的安全生产问题受到高度重视及重点研究【l 6 】。 岩溶陷落柱是我国特有的大规模地质现象，也是一直影响华北煤田安全开采最 难解决的问题之一【7 “引，岩溶陷落柱影响煤矿开采安全一个重要方面就是其作 为一种强导水通道极易沟通各地下含水层，从而是引发煤矿突水。在我国煤田 陷落柱已经造成矿山多次淹井和淹工作面灾害。受灾煤矿由华北型煤田北部的 开滦矿区到南部的平顶山矿区，从西部的渭北矿区到东部的肥城矿区，几乎涵 盖了整个华北煤田，岩溶陷落柱突水已成为近2 0 来煤矿最严重的灾害之一，且 岩溶陷落柱突水造成的经济损失重大。详细情况见表1 1 。 表1 1 历次岩溶陷落柱突水统计表 注：表中数据来自尹尚先华北煤炭岩溶陷落柱及其突水机理 因此研究岩溶陷落柱特征及其形成机理不仅能为前期矿井采掘工程布置提 供准确地质依据，同时也为及时快速判别矿井突水水源提供重要参考，从而赢 得宝贵时间，既保障矿工生命安全，又减少经济损失。 综上所述，展开对岩溶陷落柱的研究具有重要的理论意义和现实意义。它 也是治理矿井地质灾害及防止水工作的重要课题之一【1 3 20 1 。 淮南煤田位于安徽省境内的淮河两岸，自成立煤田地质机构以来，5 0 多年 中在勘探与煤炭开采过程中，从未遇到过陷落柱，1 9 9 6 年3 月4 日，距淮南煤田 约7 0 k m 的皖北任楼矿发生岩溶陷落柱出水( q = 3 4 5 7 0 m 3 h ) 淹井后 2 1 1 ，经过调 研，相继在两淮矿区发现了近3 0 个陷落柱，其中2 0 0 2 年淮南矿业集团与中国矿业 大学在谢桥矿东二采区使用三维地震解释时发现有两个异常体：2 0 0 4 年经过钻 探验证及井下揭露确定为陷落柱，其发育规模、深度、层位与华北地区地面所 发现的陷落柱都有不同。自此以后，分别于2 0 0 6 年、2 0 0 7 年又在淮南煤田通过 物探及井巷揭露发现陷落柱共有1 1 个之多。出现陷落柱就预示着可能会给淮南 煤田煤炭开采工作带来灾害，尤其是针对淮南煤炭群开采方式，更应重视。本 次展开对淮南煤田的岩溶陷落柱( 带) 特征及其形成机理的研究，不仅可以正确 指导淮南煤矿安全生产，加强对岩溶陷落柱的综合治理，提高矿井综合效益， 而且可以揭示陷落柱对附近地下水水化学特征影响，丰富和完善矿井水害防治 理论，同时也可以提高淮南矿区安全生产管理的现代化水平。为淮南煤田矿井 探索陷落柱提供技术支持与参考。 综上所述，开展本次项目研究对淮南煤矿在研究陷落柱分布规律的预测、 防止矿井水害方面具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 日本侵华期间，松泽勋和小贯义男分别在太原西山和河北井陉煤矿井下发 现“不规则圆形柱状地体 ，1 9 4 2 年小贯义男将其首次命名为陷落柱，并于昭 和9 年写成河北井陉炭田地质调查报告第一次对陷落柱进行了详细描述。其 中运用的方法：一，通过对上下三组煤层开采中所揭露的柱体截面形态进行较详 细的跟踪，制作出平面形态叠置图；二，依据平面形态叠置图及地层产状，做 出陷落柱柱体断面图( 二维剖面) 。其中柱体底部延伸到奥灰岩层中。对于平 面形态，提出了“长径、“短径 的概念和对柱体充填物特征也进行了较粗 略的描述【2 2 1 。 陷落柱在中国从发现至今已有半个多世纪年的漫长历史，广大采矿界、地 质界学者始终没有停止过过对岩溶陷落柱的研究。研究分以下几个阶段： ( 一)初期起步阶段：4 0 年代初研究者们对陷落柱的成因、形态、名称及 相关性质都是第一次接触，对其未形成统一的认识，从而也使得早期陷落柱的 命名五花八门，出现了“矸窝子、无炭柱、环状陷落、圆形断层”等等不同的 叫法； ( 二)中期探索阶段：5 0 一6 0 年代初期，新中国初期发展急需能源物资，对 各地进行了大规模的煤矿地质勘察，随着开采规模和开采方法的不断扩大与改 进，在华北石炭二叠及株罗系煤田中发现了大量岩溶陷落柱。这一时段的研究 多以简单的描述陷落柱的形态和派生结构为主，具体如下：研究陷落柱在地 表出露特征。在陷落柱形成过程中下层塌陷之后在地表也出现凹陷，研究者对 其形态描述为“盆状凹陷”，对其中填埋物也进行描述。研究陷落柱在不同 采煤层上特征。在开采巷道中多陷落柱截面进行文字描述，并加以图形注释。 柱体围岩伴生构造特征。以预测判别为目的对围岩形态进行简单描述。6 0 7 0 年代中期，人们开始有意识的寻找，希望提前探测陷落柱的具体位置，为后续 的开采制定计划，为安全生产打下基础，这一阶段各种物探手段开始应运，包 2 括无线电波透视法等； ( 三)高速发展阶段：7 0 年代末至今，陷落柱对煤矿生产的影响日益受到 生产和科研部门的重视。1 9 8 7 年，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。这一阶段研究的内容全面详细。具体包括： 1 ) 陷落柱的发育分布及柱体特征。 陷落柱的发育分布情况如下【2 3 】： a 汾河沿岸：从山西霍县、汾西、灵山、汾阳至太原西山，这一带煤田岩 溶陷落柱极为发育，其中以霍西及太原西山两煤田为甚； b 太行山西坡g 从山西晋城、高平、长治、平顺、襄垣、武乡至昔阳、阳 泉、盂县一带矿区均有岩溶陷落柱，其中一阳泉最多； c 太行山东麓和东南麓：从河南焦作、鹤壁、安阳矿区至河北峰峰、井陉 等矿区也有岩溶陷落柱分布，岩溶陷落柱发育密度和太行山西坡相似； d 燕山南麓的开滦矿区，仅范各庄井田、唐家庄井田及林西矿有岩溶陷落 柱。此外渭北的韩城、澄合、浦自及铜川各矿区、鲁西的新汶、肥城、兖州、 藤州等矿区及江苏北部的大屯、徐州等矿区也都存在岩溶陷落柱。 陷落柱特征是陷落柱研究最为重要的环节，众多学者已有深入研究，杨高峰 2 4 1 描述了马兰矿顶空型松散陷落柱内部特征；尹万才 2 5 1 从平面形状、剖面形状、 发育高度及中心轴变化方面，总结了华北煤田陷落柱的几何特征；张同兴【2 6 】研究 了煤系地层陷落柱围岩的产状、岩性特征等；吴基文【2 刀具体针对皖北刘桥矿陷 落柱特征进行了研究， 2 ) 研究陷落柱的发育时间。 郭红玉【2 8 】通过地质分析，包括大范围的构造、盆岭演化及岩溶水系统等和详 细的野外踏勘，推测陷落柱发育时间大致范围，同时追踪陷落柱发育过程可能 的时问记录物，包括盆地沉积物，河流阶地残留物和洞穴堆积物等。然后确 定所用方法和采样位置。最后并结合实际地质过程，分析太原西山岩溶陷落柱 发育确切时间。 3 ) 研究陷落柱的导水性。 刘满才【29 1 、张胜利【3 叭、杨为民【3 1 】等根据陷落柱的特征，包括导通底板层 位、埋深、柱体填充物、胶结状态、围岩形态，力学结构等。并结合长期检测 的井田关键层的水质、水量、水温等因素综合考虑了陷落柱导水的可能性。 4 ) 研究陷落柱的分布规律。 岩溶陷落柱在平面分布上，可成片成区，有密集和稀疏之分，且陷落柱分 布具有方向性。在研究陷落柱分布规律时应抓住陷落柱岩溶地下水长期溶蚀而 成，因此研究区域地质构造及岩溶地下水可以合理解释陷落柱的分布规律。在 次方面已有学者取得较好成果【3 2 以5 1 。 5 1 陷落柱的预测与物探方法。 在预测方面，有研究者【3 6 】根据陷落柱的分布规律结合该矿区的具体地质及 水文地质条件，划分出陷落柱易发育带，进行定性预测：另有人【3 7 】总结陷落柱 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，也有研究者 【3 8 】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。 在物探方面，地质条件定性的分析陷落柱的存在，再利用各种物探方法， 例如地震波法、放射性探测法、磁法、特殊气体等等，也有利用遥感技术来探 测【3 9 4 ”。 6 ) 提出了诸多陷落柱成因理论。 其中包括：重力塌陷说、石膏溶蚀说、真空吸蚀说、热液成因说等 4 4 - 4 9 。 现细述如下： 重力塌陷学说：陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段，岩石受 地下水冲刷、溶蚀，使其中的裂隙不断扩大。其间不但进行化学溶蚀，而且进 行机械搬运作用，顶部和两侧岩层发生坍塌：再次是溶洞再扩大并形成第二层溶 洞，还会发育第三、四层溶洞：最后是上覆非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱。 膏溶塌陷学说：陷落柱是石膏喀斯特产物。赋存在中奥陶统马家沟组灰岩中 有很厚的硬石膏。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了陷落柱。 真空吸蚀塌陷学说：在地下水的排泄或地壳局部的升降过程中，岩溶腔内地 下水可能会大幅度下降，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，在真空腔内不断下降的水面犹如巨型吸盘，使上层岩体向 下塌落，形成陷落柱。 热液成因学说：早期火成岩体和热液的侵入地下，造成地下水复杂的循环和 溶蚀作用。在高温地下水中会加大碳酸钙的溶解度。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人碳酸盐岩开始的，这样最终就形成了陷落 柱。 随着计算机的应用，各种软件开始在研究陷落柱问题中显露出巨大优势， 其中g i s 是典型的代表，董勇【5o 】将d e m 技术应用到陷落柱林的三维空间形态的 表达，并根据实测截面并考虑围岩岩体力学性质进行数据推测形成满足d e m 的 数据，利用d e m 技术生成陷落柱林的三维空间形态图形，结果表明这一方法方 便可行，可作为研究陷落柱发育规律和预测的基本方法。盛业华【5 1 1 ，郭达志【5 2 】 在g i s 的支持下，对遥感数据、地质资料和实地调查资料进行多因素复合分析 从中提取了矿山环形和线性构造及热异常区，从而圈定了陷落柱的可能分布区。 2 0 0 7 年刘海荣 5 3 - 5 4 等建立起基于a r c s d e 的西l 山煤田陷落柱数据库，以期更好的 4 加强陷落柱管理。总结起来，目前就g i s 技术应用于煤田陷落柱的研究可大体 分为以下几类：一是用此技术分析陷落柱个体的发育规律，二是将此技术作为 物探的一种方法用于探测陷落柱位置，三是用于建立陷落柱的数据库。 本次研究将以淮南煤田现有1 1 个岩溶陷落柱为研究对象，综合应用物探手 段分析陷落柱个体特征，并基于g i s 水质数据库，利用d e m 空间分析陷落柱影 响范围内水质、水量、水温的变化情况。在此基础上结合地质构造形态探索淮 南煤田岩溶陷落柱的形成机理。为淮南解决地质及防止水工作提供可靠的技术 参考。 综上所述，为了摸清淮南煤田陷落柱地质情况，合理布置综采工作面，以 及快速判别突水水源，确保矿区安全生产，我们拟开展的这项研究工作具有重 要的理论意义和实用价值。 1 3 研究思路及研究内容 本文结合淮南矿业集团委托项目：“淮南煤田地下水化学特征研究及快速 判别信息系统开发( 2 0 0 5 0 3 0 1 ) 、国家安全生产科技发展指导性计划项目： “淮南煤田矿井突水水源快速判别技术及决策支持系统开发( 0 6 1 7 3 ) ”以及 国家自然科学基金项目( 4 0 6 7 2 1 5 4 ) ，在收集淮南煤田岩溶陷落柱的基础上， 研究煤田陷落柱的特征，包括岩溶陷落柱形态特征、内部充填特征、影响带特 征，以及淮南陷落柱的形成机理。主要技术路线如如图1 1 所示。 巫画亟画磋委叵亟困 图1 1 研究技术路线框架图 6 第二章淮南煤田地质及水文地质条件 2 1 淮南煤田概矿 淮南煤田至今已有近百年的开采历史，曾是全国闻名的五大煤矿之一，素 有“华东煤都”、“动力之乡”的美誉。现有1 4 对生产矿井和1 对在建矿井。并以淮 河为界将淮南煤田细分为老矿区和新矿区：淮河以北为淮南煤田的潘谢新矿区 ( 以下简称“新区”) 。矿井包括有：潘一矿、潘二矿、潘三矿、潘北矿、谢桥 矿和张集矿( 含张集北区) 、顾桥矿、顾北矿、丁集矿，朱集矿；淮河以南为淮 南煤田的老矿区( 以下简称“老区”) 。矿井包括有：新庄孜矿、谢一矿、李一 矿、李咀孜矿。 2 1 1 研究区气象 淮南煤田位于安徽省淮南市，属淮北平原，暖温带半湿润季风气候区。本 区气候温暖，雨量充沛。矿区历年最大年降雨量为1 5 2 7 。6 m m ( 1 9 5 6 ) ，最小为 4 8 4 2 m m ( 1 9 7 8 ) ，平均年降雨量为9 1 9 2 m m ，降雨多集中在6 、7 、8 三个月， 占年降雨量的5 0 4 ，其中7 月份约占2 0 0 ，最大月降雨量为4 3 8 6 m m ( 1 9 5 4 0 7 ) ，最大日降雨量为3 2 0 m m ( 1 9 7 5 0 8 3 1 ) 。矿区年最高气温为+ 4 4 2 ( 1 9 5 3 0 8 1 3 ) ，最低为2 2 8 ( 1 9 5 9 0 5 ) ，年平均气温为+ 1 5 左右。 2 1 2 研究区水文 淮南煤田属淮河水系，淮河对煤田水文条件有直接影响，其自煤田西部边 界横切山区寒武系灰岩地层( 黑龙潭) 后分南、北两支进入老矿区。南支主河 道自原孔集( 现合并为孔李公司) 井田经李咀孜、毕家岗、新庄孜井田北翼煤 系地层之上向东流出矿区。流经矿区的河道长约7 0 k m ，河底标高+ 9 + 1 l m ，平 水期水位一般+ 17 m ，水面宽15 0 2 8 0 m ；常见洪水位+ 2 2 + 2 4 m ，水面宽 8 0 0 4 0 0 0 m 不等，高于孔集、李咀孜、毕家岗井田地面2 4 m 。历史最高洪水位 为+ 2 4 5 3 m ( 马头村水文站) ，最大水深1 5 m ，最大流量1 0 8 0 0 m 3 s 。河床底多 为第四系粘质砂土。 淮河以北新区有淮河及其一、二级支流如：济河、西淝河、港河、永幸河、 泥河等。济河为谢桥矿区主要水系，上接颖河的永安闸，自西至东横贯矿区中 部，向东汇入西淝河，济河以蓄水抗旱为主，兼排过多降水，在永安闸与谢桥 闸之间水位标高保持在+ 2 3 5 0 m ，蓄水4 0 0 5 0 0 万m 3 ，夏季为洪水期，历史上最 高洪水位为1 9 5 4 年7 月，实测标高2 4 4 2 2 2 4 7 4 3 m 。西淝河经过顾桥矿南缘，在 鲁台改入淮河，是地面水汇集排泄的渠道，历年最高水位+ 2 4 8 2 m ( 1 9 5 4 年) ，1 9 9 1 年为+ 2 4 0 3 m ( 闸上) ，两岸筑有大堤，最大堤距3 0 0 0 3 5 0 0 m ，右堤顶高+ 2 6 。6 1 m ， 7 左堤顶高+ 2 71 l m 。顾桥集西有岗河，地势低洼，标高为1 8 - 2 0 m 。此外，区内 遍布人工开挖的渠道，用以灌溉、防洪及排涝。泥河位于张北矿南缘，由西北 向东南经青年闸流入淮河，沿岸地势低洼，雨季淮河水位上涨易成内涝，内涝 水缸为+ 2 22 m 。 213 研究区交通位置及社会经济状况 淮南煤田位于东经1 1 6 * 2 l 2 i ”1 1 7 。1 i 5 9 ”北纬3 2 。3 2 4 5 ”3 3 。0 + 2 4 ”之间， 横跨淮南和阜阳两市，是华东经济发达区腹地交通运输便捷，铁路、公路、 水路四通八选( 立u 图2 1 ) 。淮南煤炭储量丰富是全国13 个亿吨煤炭基地之一， 远景储量4 4 4 亿吨，探明储量15 3 亿吨总储量占安徽省的7 4 ，华东地区的5 0 约占全国的1 9 ，该煤田煤质优良、煤种丰富，被誉为绿色能源，煤炭年产量 己突破6 0 0 0 万吨。 2 2 研究区地层 22 i 研究区地层 匣2 - 1 淮南矿区交通位置图 淮南煤田处于黄淮平原的南部，地层区划属华北地层区，两淮分区，淮南 小区。区内地层发育良好煤系地层全部被第三、四系覆盖，出露较全，除第 四系地层外，山露的地层还有白垩系( k ) 、三退系( t ) 、二迭系( p ) 、石碳系( c ) 、 奥陶系( o ) 、寒武系( e ) 、青白口系( e q ) 和下元古界( p t ) ，5 5 9 0 m 。 淮南煤田系“南型北相”煤田，地层由老到新分别为： 前震旦系：主要由绿色角闪石片麻岩，角闪斜长片麻岩组成。 震旦系：总厚约1 0 3 5 米，主要由石英砂岩、薄层页岩、薄层泥灰岩、厚层 矽质灰岩组成。 寒武系( ) ：总厚1 4 0 0 米，主要由灰砾岩、紫色页岩、薄层泥灰岩、砂岩 等组成。灰岩中有时含海绿石，局部具带状结构。 奥陶系中下统马家沟组( o l + 2 ) ：总厚约2 5 0 米，主要由薄层泥灰岩、钙质 页岩、厚层白云质灰岩夹泥灰岩等组成。所见石灰岩隐晶致密细晶结构，夹 角砾状灰岩和紫红、灰绿色页岩，水平、缓波状层理，下部裂隙溶洞发育。 石炭系( c ) ； 石炭系中统( c 2 ) ：为浅灰，青灰色铝质泥岩，夹紫红、锈黄色铁质及黄 铁矿，局部具有淋滤现象。厚3 0 5 5 4 0 m ，平均4 6 7 m 。与下伏奥陶系马家沟 组呈假整合接触，缺失下统。 石炭系上统( c 3 ) ：厚1 0 2 8 4 1 0 4 3 5 m ，平均1 0 3 3 8 m 。由1 3 层灰岩与泥 岩、细砂岩相间组成，局部具有燧石、黄铁矿结核，含薄煤或炭质页岩5 6 层， 均不稳定，不可采。灰岩中多产海相动物化石：海百合茎、腕足类、珊瑚及蜒 等。特别是底部厚层灰岩中富产蜒。 二叠系( p ) ：总厚大于1 9 6 0 米，分上下两统四个组，即下统山西组、下石盒 子组、上统上石盒子组、石千峰组。主要由煤及以砂岩、粉砂岩和泥岩所组成， 是主要含煤地层。下二叠系山西统主要为页岩，含a 组煤；上二叠系石盒子统 主要为页岩、砂岩、砂质页岩，分为b 、c 、d 、e 四个含煤组， 第三系( t ) ：总厚约5 0 0 米以上，红色、绿色砂砾岩，分布在李二矿井田东 部舜耕山以南至合肥凹陷。 第四系：厚0 1 3 8 米不等，下部为泥灰岩、中部为砂层，上部为粘土、亚 粘土或粉砂土。中部区与西部二道河区地层厚度、岩性特征差异悬殊。中部区 第四系岩性以残积类粘土、亚粘土为主，在山前坡地灰岩上方厚度为0 - 3 0 米。 西部二道河区第四系自下而上依岩性特征划分为：泥灰岩组、砂层组、表土层 三个地层组，地层总厚在煤系上方为1 8 1 3 8 米。 泥灰岩组：属山前湖相沉积，该组地层岩性为：固结泥质灰岩、砂砾岩、 钙核粘土等。 砂层组：属河漫滩沉积，在井田范围内地层总厚6 - 4 7 米。砂层粒级以粉砂、 细砂为主，中砂次之，偶夹淤积粘土透镜体。 表土层：总厚5 2 9 2 0 5 4 米，一般为1 0 1 5 米，淮河河床区冲刷缺失。岩性 主要为砂质粘土。 2 2 2 研究区含煤地层 含煤地层为石炭系上统太原组，二迭系山西组、上、下石盒子组。 9 ( 一) 、石炭系上统太原组( c 3 ) ： 由灰岩、砂岩、泥岩和煤层相间组成，含煤5 6 层，薄而不稳定，均不可 采，无经济价值。 ( 二) 、二迭系山西组，上、下石盒子组： 二迭系山西组，上、下石盒子组是本区主要含煤地层，可分七个含煤段， 分述如下： 1 山西组( p1 1 ) ： 即第一含煤段，底部为灰黑色富含腕足类化石的泥岩、砂质泥岩，其上为 砂泥岩互层，浑浊层理发育，具虫孔构造，夹菱铁结核。下部含煤层l 层。中上 部以粉砂岩、泥岩为主，夹一至二层灰白色石英砂岩、中细砂岩，局部含煤砾 及泥质包体。 2 下石盒子坌f l ( v 2 1 ) ： 即第二含煤段，为主要含煤段之一，含煤系数达1 0 。含煤8 1 l 层，编号 为4l - - 9 煤层，其中可采煤层6 层。底部为含砾的中粗砂岩，具冲刷现象。其上 发育一套花斑状泥岩、带状泥岩和铝质泥岩。中部常见薄层状粉细砂岩、砂泥 岩互层，具浑浊层理和底栖动物通道，含舌形贝。8 煤层与5 煤层顶板常发育石 英砂岩、中细砂岩。上部以灰色、深灰色泥岩为主，夹有细中砂岩和石英砂 岩。8 煤层、5 煤层顶板多产植物化石。 3 上石盒子组( p 1 2 ) ： 可分为5 个含煤段。 ( 1 ) 第三含煤段：底部常发育一层灰白色石英砂岩或中砂岩。下部以细、 中砂岩为主，夹有泥岩。上部以灰色泥岩、砂质泥岩为主，夹浅灰灰白色细、 中砂岩。含煤5 层，其中1 1 2 煤属于可采煤层，顶部有时有一层花斑状泥岩。11 2 煤底板常有菱铁鲕粒，顶板富含植物化石； ( 2 ) 第四含煤段：是主要含煤段之一，以灰色泥岩、砂质泥岩为主，中下 部发育花斑状泥岩，局部含鲕粒。项部有时发育花斑状泥岩。底部为灰白色细、 中砂岩或石英砂岩。中上部含煤5 层。1 3 1 煤为主要可采煤层，其上、下均产植 物化石； ( 3 ) 第五含煤段：多青灰色、灰绿色。以泥岩、砂质泥岩为主，夹粉砂岩、 砂泥岩互层和细、中砂岩。下部发育多层花斑状泥岩，底部常有细、中砂岩或 石英砂岩。含煤4 层，其中1 6 1 、1 7 1 煤层局部可采。其附近常见个体较大的舌 形贝，上部产植物化石； ( 4 ) 第六含煤段：以浅灰、青灰、灰绿色粉砂岩，细、中砂岩为主，夹深 灰、灰色泥岩，砂质泥岩。中部含煤4 5 层，其中1 8 煤厚度大部可采。1 8 1 9 煤层附近常见1 2 层薄层燧石层，富含海绵骨针( 海绵岩) ，1 8 煤底板常见铝 质泥岩，鲕状或花斑状泥岩； l o ( 5 ) 第七含煤段：上部以灰绿色、浅灰一青灰色粉砂岩，细、中砂岩为主， 夹少量泥岩、砂质泥岩。下部以灰色泥岩、砂质泥岩为主，夹粉砂岩、细、中 砂岩，局部发育一层花斑泥岩，底部中砂岩具冲刷现象。含煤4 5 层，其中2 3 、 2 5 煤层厚度一般均达到可采。 煤系的沉积环境，一般认为，从山西组至第七含煤段，依次属于从海湾发 展起来的下三角洲平原。经历了海湾充填体系树枝状、网状河体系，再转入河 口湾、海湾环境到上三角洲平原，直至陆相冲积平原沉积环境。其中以上、下 三角洲平原过渡带和网状河道体系对成煤最为有利。 2 3 研究区构造形态 淮南煤田地处华北板块东南缘，东接郯庐断裂，西连周口凹陷，北靠蚌埠 隆起，南邻合肥凹陷。见图2 2 淮南构造简图。淮南煤田为近东西向的复向斜 构造盆地，东西长1 8 0 k m ，南北宽1 5 - - 一2 5 k m ，面积约3 2 0 0 k m 2 。区域地质构造 属秦岭纬向构造带的东部倾伏端，复向斜盆地南北两翼残丘起伏，零星裸露奥 陶、寒武系以石灰岩为主的地层。 图2 - 2 淮南煤田地质构造简图 2 3 1 老区地质构造 淮南煤田老区内伴随褶皱而生成的主干断裂是舜耕山逆掩断层及阜凤( 二 道河) 逆断层，目前淮河以南的各个生产矿井均位于这两大断裂之间。主要构 造形态呈弧形展布，煤系地层分布及水文地质分区受上述两条主干断裂的控 制。区内次一级的主要断层主要有山王集断层( f 6 7 ) ，f l l - 9 f 1 9 - 5 断层，f 1 3 _ 8 ， f 4 5 断层组等，空问位置分布如图2 3 所示。 232 新区地质构造 圈2 - 3 淮南煤口老医地质构造纲要图 新区地质构造分布如图2 - 4 所示。潘集陈桥中心隆起背斜，位于淮南复向 斜中偏北部，全被1 5 - 4 5 0 m 厚的新生界地层覆盖，经勘探查明为一走向东西、 由二选系太原群及部分奥陶系地层组成的背斜构造，一般倾角1 0 4 0 。，为略有 起伏的宽缓背斜，轴部地层近水平，两翼两端略不剥称。区内土要断层为北北 东向斜切断层，背斜向东西两端倾没。局部有火成岩侵入。煤田内断裂大致可 分为三组，以东西向和北北东向两组断裂为主，北西向断裂次之。从断裂总的 分布来