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煤矿 1.2 Mta 设计 CAD

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英文原文Electromagnetic environments in roadways of underground coal mines and a novel testing methodSUN Jiping1, WANG Fuzeng1,2,*, PAN Tao1, TANG Liang3, WANG Shuai1, MING Yanjie11State Key Laboratory of Coal Resources & Safe Mining, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China2College of Information Science & Technology, Agriculture University of Hebei, Baoding 071000, China3China Software Testing Center, Beijing 100048, ChinaAbstract: The electromagnetic environment of laneways in underground coal mines is an important area for the design of new electronic products, as well as a fundamental space for mine monitoring, surveillance, communications and control systems. An investigation of electromagnetic interference in coal mines is essential for the enhancement of performances of these systems. In this study, a new field method is provided in which radiated emission tests in coal mine laneways have been carried out. We conclude that: 1) the wiring motor vehicles can radiate interference with a bandwidth up to 1 GHz and with an amplitude 10 dBV/m higher than the background noise; 2) the PHS (Personal Handy phone System) mobile communication system can cause interference 40 dBV/m higher than the background noise; 3) an interference 25 dBV/m higher than the background noise can be generated during the communication at a working bandwidth of 48.8 MHz; and 4) power cables, battery vehicles as well as mechanical and electrical dong rooms have little effect on the electromagnetic radiation environment in coal mine tunnels.Keywords: roadway; electromagnetic environment; electromagnetic radiation; electromagnetic interference1 IntroductionThe electromagnetic environment of a laneway in underground coal mines is an important area for electronic designs and layout, as well a fundamental workspace for mine monitoring, surveillance, communications and control systems. So far however, there have been no reports about measurements and analyses in the electromagnetic environment of coal mines. We have carried out and describe some important analyses and reached meaningful conclusions from test results in the electromagnetic environment of two coal mines.2 Test environmentMeasured electromagnetic radiation intensity was measured in the main roadways of the Yi-kuang and Er-kuang collieries of the Pingdingshan Coal Mine Group on Aug. 6th16th and 19th23th, 2008. The production capacity of the Yi-kuang Mine of the Pingdingshan Coal Mine Group is 4500000 tons a year, at three production levels with lengths of 180, 240 and 517 m, a transport belt longer than 40000 m and 26 fixed power substations. The cross-section of the roadway is an arch with a width of about 3.5 m. There are power cables, battery powered electric vehicles, communication systems, as well as a PHS communication system in the roadway. The annual output of the Er-kuang Mine with 7 fixed substations in the roadway is 1100000 tons. There is a 1500 m long horizontal roadway at the 86 m level, 3 m wide, where a number of power cables, a communications leakage cable, monkey cars and wired motor vehicles are located. The sketch map of the cross section of two tunnels is shown in Fig. 1 and the on-site testing environment in Fig. 2.3 Test equipment and methodsThe data were acquired by an R&S spectrum analyzer FSP7, with antenna frequencies ranging from 20 MHz to 7 GHz14-15. The test frequency bandwidths and resolutions were as follows: 1) 20200 MHz, BWF: 10 kHz; 2) 200500 MHz, BWF: 10 kHz; 3) 0.53 GHz, BWF: 30 kHz; 4) 37 GHz, BWF: 30 kHz.The measurement points deployed every 200300 m in the roadways, were near the doors of the electrical and mechanical services chambers or at the branch entrances of the roadways and at the site where the cross-section of the roadways change. A couple of additional measuring points were added. Hence, we were able to acquire and study the effect of the electrical and mechanical dong rooms, as well as the branches of the tunnel turns. Each test point was measured vertically at depths of 0.5, 1.0 and 1.7 m. The distances from the test sites along the wall near the sidewalk were 0.5, 1.0 and 1.7 m in the same horizontal plane.4 Results and discussionThe test results are set out in Figs. 3816.In Fig. 3, data of groups of electromagnetic radiation are shown where there are only power cables in the roadway, with distances between the measuring points and tunnel wall of 0.5, 1.0 and 1.7 m.In Fig. 4 data of groups of electromagnetic radiation spectra are shown, which were obtained near the electrical and mechanical services department cave room with only power cables in the roadway, with distances between the measuring points and tunnel wall of 0.5, 1.0 and 1.7 m.In Fig. 5 electromagnetic interference spectra are shown a battery charged electric locomotive was passing by, t with power cables in the roadway, with distances between t measuring points and locomotive of 0.5, 1.0 and 1.7 m.In Fig. 6, radiation intensity is shown when a wired electric locomotive was passing the tunnel.In Fig. 7a the electromagnetic radiation spectrum is shown when the PHS was operating. In Fig. 7b the spectrum is shown when the leakage communication system was operating. In Fig. 8, a frequency spectrum of electromagnetic radiation measured in a section of an abandoned mine tunnel is shown, where the roadway is without any cables and electrical equipments and far away from the electrical and mechanical dong rooms and a fully mechanized coal mining face.5 Conclusions1) Wired-motor vehicles in a tunnel can lead to a very strong and wide spectrum of electromagnetic interference when passing by, with frequencies up to 1 GHz and with 10 dB v/m above the level of background noise in intensity.2) The PHS mobile communication system in underground mines can cause a strong electromagnetic radiation at the PHS corresponding band (1.92 GHz), with 40 dB v/m above the background noise in intensity.3) The leakage communication system in under groundmines can bring about strong electromagnetic interference in its corresponding working band (48.8 MHz,with 25 dB v/m above the background noise in intensity.4) The power cables of coal mines have little effect on electromagnetic radiation, with less than 3 dB v/m above the background noise at frecuencies of less than 200 MHz.5) Battery charged electric cars in coal mines have little effect on electromagnetic radiation in roadway environments.6) Electrical cave rooms of underground coal mines also have little effect on electromagnetic radiation in roadway environments.6 AcknowledgementsThe present research work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.50674093), the National Scientific and Technological Support Projects (No.2006BAK03B00) and the Pingdingshan Coal Mine Group. The EMI distribution measurements were obtained from several coal mines of the Pingdingshan Group. The authors gratefully acknowledge the support of these institutions.References1 Sun J P, Pan T, Tian Z J. Study on electromagnetic compatibility in coal mine. Journal of China Coal Society, 2006, 31(3): 377-379. (In Chinese)2 Sun J P, Ma F Y, Li C. Improved complex filter applied in enhancing EFT/B immunity at a coal mine monitoring substation. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 18(1): 22-26.3 Sun J P, Ma F Y. Improved shielding and filtering applied to immunity enhancement of underground gas sensors. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 18(2): 220-223.4 CCIR Report 322. World Distribution and Characteristics of Atmospheric Radio Noise. Geneva: ITU, 1964.5 Zhang Q Y. Research about prevention of electromagnetism interference on electronic equipments in coal mine. Journal of Anhui Institute of Architecture & Industry, 2006(5): 79-82. (In Chinese)6 Emslie A, Lagace R, Strong P. Theory of the propagation of UHF radio waves in coal mine tunnels. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1975(23): 192-205.7 Delogne P. Leaky Feeders and Subsurface Radio Communications. London: Peregrinus, 1982.8 Sun J P, Cheng L F. Analysis of electromagnetic wave propagation modes in rectangular tunnel. Chinese Journal of Radio Science, 2005, 20(4): 522-525. (In Chinese)9 Sun J P, Zhang C L. Effects of cross section dimensions on propagation characteristics in trapezoid tunnel. Journal of Electronics & Information Technology, 2006, 28: 1504-1507. (In Chinese)10 Wang Y H. Characterization of the high frequency electromagnetic interference in coal mine. Telecommunications Science, 2002(3): 63-64. (In Chinese)11 Sun J P, Cheng L F, Zhang C S. Influence of conductivity on radio waves propagation in tunnels. Journal of Liaoning Technical University, 2007, 26(1): 96-98. (In Chinese)12 Wu C X, Du C Y. The analysis of disturbing of explosion protection distribution switch and prevention and cure measures in the pit of mine. Journal of Hebei Energy Institute of Vocation and Technology, 2006(3): 80-88. (In Chinese)13 Cook J C. Radar transparencies of mine and tunnel rocks. Geophysics, 1975, 40(5): 865-885.14 GB/T13926.3-92. Industrial Process Measurement and Control Devices, Electromagnetic Compatibility, Electromagnetic Radiation Requirements. AQSIQ, 1992. (In Chinese)15 GB/T117799.4. EMC, Common Criteria, Emission Standards for Industrial Environment. AQSIQ, 1998. (In Chinese)16 Liu G L, Yin G X. Electronic Measurement. Beijing: Mechanical Industry Press, 2003. (In Chinese)中文译文煤矿巷道中的新型电磁环境测试方法孙继平 王福增 潘涛 唐亮 王帅 明严杰煤炭资源与安全开采国家重点实验室，中国矿业大学，北京100083，中国河北农业大学信息科学与技术学院，保定071000，中国中国软件测试中心，北京100048，中国摘要：煤矿井下巷道中的电磁环境，是新电子产品设计的重要领域，也是煤矿监测，监视，通讯和控制系统的基本空间。对于这些系统的性能提高，煤矿的电磁干扰调查是必不可少的。在这项研究中，一个新的领域中提供的方法即辐射发射测试在煤矿巷道中开始应用。我们的结论是：1）架线电机车辐射干扰的频率和振幅比背景噪声分别高1GHz和10dBV/m；2）PHS（个人手持电话系统）移动通信系统造成的干扰比背景噪声高出40dBV/m。3）干扰高于背景噪声25dBV/m，可在沟通时产生在48.8兆赫工作带宽；4）电力电缆，以蓄电池为动力的机车，以及机械和电气硐室对煤矿隧道中的电磁辐射环境也有一点影响。 关键词：巷道 电磁环境 电磁辐射 电磁干扰1简介煤矿井下巷道中的电磁环境，是电子设计和布局的重要领域，同时也是煤矿监测，监视，通讯和控制系统的基本工作空间。然而到目前为止，还没有出现煤矿电磁环境相关的测量和分析报告。 我们已经进行了描述和一些重要的分析，并得出了部分非常有意义的结论，这主要是由两个煤矿电磁环境的测试结果得出的结论。 2测试环境测量电磁辐射强度测量的测量工作是2008年8月616日和1923日分别在平顶山煤矿集团一号煤矿和二号煤矿的主要巷道中进行的。 平顶山煤矿集团一号煤矿的生产能力为450.00万吨每年3个生产水平的深度分别为180米、240米和517米，拥有一个长度超过4.0万米的皮带运输机和26个固定电源变电站。巷道的交叉部分是一个约3.5米宽的拱形。巷道里有电力电缆，电池供电的电动机车，通信系统，以及PHS（个人手持电话系统）移动通信系统。拥有7个矿井巷道固定电站的平顶山煤矿集团二号煤矿，年产110.0万吨。有1500米长的水平巷道在地下-86米处，宽度3米，有大量的电力电缆，裸露的通信电缆，猴车和架线电机车位于这个水平巷道。两条巷道的横截面示意图如图-1所示，在现场测试环境如图-2所示。 动力电缆电缆照明轨道 水管架线电机车动力电缆电缆照明照明图-1 巷道断面示意图图-2在现场的两个煤矿的测试环境3测试设备和方法这些数据是利用RS的频谱分析仪FSP7在20 MHz到7GHz的频率上收集到的。测试的频率、带宽和结果如下：1）20200MHz，BWF：10KHz; 2）200500MHz，BWF：10KHz; 3）0.53GHz，BWF：30KHz; 4）37GHz，BWF：30KHz。在巷道里每200300米部署一个测量点，在电气和机械硐室或在巷道交叉口附近，以及现场的道路发生变化的部分额外的增加了一些测量点。因此，我们能够获得和研究的电气和机械硐室之间的影响，以及巷道转弯变化的影响。每一个测试点，测量垂直深度在0.5，1.0和1.7m。沿巷道壁附近的行人通道上的测试点在同一水平面上，它们的距离分别为0.5，1.0和1.7m。4结果与讨论测试结果见图3-8。在图-3中，这组电磁辐射数据显示的是在只有电力电缆的巷道里的测量结果，其测量点之间和巷道壁的距离分别为0.5，1.0和1.7米。 （a）距离0.5m时的计算 （b）距离1.0m时的计算 （c）距离1.7m时的计算图-3 地下巷道内电力电缆的电磁辐射光谱在图-4中，这组电磁辐射数据显示的是在靠近只有电力电缆的电气和机械硐室巷道里的测量结果，其测量点之间和巷道壁的距离分别为0.5，1.0和1.7米。 （a）距离0.5m时的计算 （b）距离1.0m时的计算 （c）距离1.7m时的计算图-4 电气和机械硐室附近的电磁辐射光谱在图-5中电磁干扰光谱显示的是电池充电式电动机车驶过来，在电力电缆巷道里的t测点的测试结果，t测点与电机车之间的距离分别为0.5，1.0和1.7m。 （a）距离0.5m时的计算 （b）距离1.0m时的计算 （c）距离1.7m时的计算图-5 电机车开过时候的电磁辐射光谱在图-6显示的是一个有架线电机车通过的巷道的电磁辐射强度。图-6 架线电机车通过巷道时的电磁辐射光谱图-7a显示的是当PHS（个人手持电话系统）移动通信系统在运行时候的电磁辐射情况。图-7b显示的是当裸露的通信系统在工作时候的电磁辐射情况。图-8显示的电磁辐射情况是在一个废弃矿井的一段巷道里测量得到的，那里的巷道没有任何电缆和电气设备，远离电气和机械硐室和综采工作面。图-7 有移动通信信号时的电磁辐射光谱图-8 无背景噪声以及电缆和电气设备时的电磁辐射光谱5结论1） 巷道里有架线电机车通过时可以导致非常强劲且频谱很宽的电磁干扰，强度比背景噪音频率高出1GHz和10以上。2） PHS（个人手持电话系统）移动通信系统在地下矿井中的使用可能会导致在PHS移动通信系统的相应波段（1.92GHz）产生强大的电磁辐射，强度比背景噪音高出40dBV/m以上。 3） 在地下矿井中裸露的通信系统会带来在其相应的工作频段（48.8MHz）上的强大电磁干扰，强度比背景噪音高出25dBV/m以上。4） 煤矿电力电缆对电磁辐射的影响不大，只有频率小于200MHz的时候在背景噪音上产生不到3dBV/m的干扰。5） 电池充电式机车在煤矿巷道中对电磁辐射环境的影响很少。 6） 地下煤矿电气和机械硐室对巷道电磁辐射环境也没有太大的影响。鸣谢目前的研究工作是在中国国家自然科学基金（No.50674093）国家科技支撑项目（No.2006BAK03B00）和平顶山煤矿集团的大力支持下进行的。EMI测量结果是在平顶山煤矿集团的多个煤矿内取得的。作者们十分感谢这些机构的大力支持。参考文献1 Sun J P，Pan T，,Tian Z J。煤矿电磁兼容性研究。中国煤炭学会学报,2006，31（3）：377-379。 （中文）2 Sun J P，Ma F Y，Li C。改进复杂的过滤器以适应加强煤矿变电站监测。中国矿业大学学报，2008，18（1）：22-26。 3 Sun J P, Ma F Y。改进的屏蔽和过滤传感器用于增强地下气体检测。 中国矿业大学学报，2008，18（2）：220-223。4 CCIR报告322。世界范围内的大气无线电噪声的分布和特点。日内瓦：国际电联，1964年。 5 Zhang Q Y。关于预防煤矿电子设备电磁干扰影响的研究。安徽建筑工业学院学报2006（5）：79-82。 （中文）6 Emslie A, Lagace R, Strong P。超高频无线电波在煤矿巷道的传播理论。IEEE天线的交换和传播，1975（23）：192 - 205。 7 Delogne P。漏泄馈线和地下无线电通信。伦敦：游隼，1982年。8 Sun J P, Cheng L F。分析矩形隧道中电磁波传播模式。中国无线电科学学报，2005，20（4）：522-525。 （中文） 9 Sun J P, Zhang C 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绪论1.1研究内容及意义煤炭工业是目前我国的支柱能源产业，其安全生产则是煤炭工业稳定、持续、高速发展的根本保证。但煤炭生产属特殊作业，受到自然地质条件、生产过程复杂等众多因素影响，致使灾难危险因素多，时常遇到水、火、瓦斯、煤尘和冒顶等多种自然灾害的威胁，因此煤矿安全问题也较其他行业更重要、更复杂、更难解决，给国家和企业造成了无法估量的经济损失和社会影响。煤矿安全问题历来就是煤矿生产的头等大事，关系国家和集体的财产、煤矿职工生命安全和身心健康。矿井水灾是煤矿灾害之一，在煤矿事故中占相当大的比例，造成的生命和财产损失非常巨大。陷落柱是和奥灰相连接的地质构造，其充水性和导水性直接威胁安全生产，是酿成水灾的重要因素，因此研究陷落柱导水性意义重大，深入研究陷落柱的水文地质特征及分布规律，防止事故的发生，成为矿井安全生产中亟待解决的问题。岩溶陷落柱是我国北方型石炭二叠纪煤田的一种特殊隐伏垂向构造，是煤系下伏灰岩中的大跨度溶洞发生持续向上的塌陷所产生的三维形态呈柱状的塌落岩块堆积体，广泛分布于20个煤田45个煤矿区，在各煤田，都有着密度不同的分布。本课题从矿区的地质构造、水文地质条件研究入手，通过对矿区的地下水的水化学特征及补、径、排条件来探寻岩溶陷落柱的成因及发育规律。1.2国内外研究现状1.2.1岩体结构研究现状在岩体结构方面，国内外学者进行了大量的研究，取得了显著进展和成效。岩体力学是在20世纪50年代后期形成的，以法国J.Talobre的岩体力学的出版为标志。早期的岩体力学研究是以岩块为研究对象，人们把岩体看成一种材料，直接引用材料力学研究中发展起来的连续介质理论，人们还没有意识到岩体的特殊性和复杂性。大量的工程实践表明，特别是1959年12月，法国Malpassat坝的失事，1960年10月意大利设计精巧的Vajont坝的滑坡造成的水库失效等大型工程事故的惨痛教训，人们开始重视对岩体中裂隙节理基本性质，力学特征的研究。事实上，岩体与岩石不同，其中存在大量的节理、裂隙、层面等不连续面(或称结构面)。岩体在这些不连续结构面的切割下，形成一定的岩体结构，并赋存于一定的地质环境中的地质体。奥地利J.Stini一再强调：应该对岩体结构面，如节理、裂隙、断层进行观测和考察，研究它们的作用及其对岩石力学性质的影响。60年代，谷振德、孙玉科提出了“岩体力学”概念和岩体结构控制岩体稳定性的重要观点。1974年意大利L.Broili曾提出了五条岩体力学性质定理，强调岩体力学性质的影响大于岩石力学性质的影响，岩体强度和变形取决于岩体结构面的特征。在大量试验和实践的基础上，20世纪70年代末和80年代初，孙广忠等明确提出“岩体结构控制论”，奠定岩体力学的基本理论，推动了岩体力学进入岩体结构力学的研究阶段。结构面和结构体是岩体结构的两个基本单元，是岩体力学规律形成的基础，它们相互排列组合，形成了各种各样的岩体结构，控制了岩体的变形和破坏。岩体结构是沉积建造和构造改造作用的结果，其形成和演化的实质就是在沉积作用和构造作用的双重控制下，岩体内外物质和能量的交换过程。在岩体结构内，各组成要素表现为多层次性、非线性和不确定性等。谷振德(1979)，孙广忠(1988，1993)，陈昌彦(1997)等提出了不同级别的结构面对岩体结构效应的贡献是不同的。为此按结构面的自然规模将其分为五级，一般认为I、II和III级结构面为不同规模的断层和断裂带，IV、V结构面多为随机分布的节理裂隙。当前随着新科学、新技术和新方法的不断引入，取得了很大发展。Pinnaduwa.H.S.Kulatilake(1997)提出了盒分维值在节理化岩体统计均质分区中的应用。王金安，谢和平(1997)研究了剪切过程中岩石节理粗糙度分形及力学特征；在岩体力学计算中，除了将结构面单独处理外，采用降低弹模的方法，建立节理岩体等效本构关系进行模拟，均取得良好效果。谭学术(1994)探讨层状复合岩体的宏观强度及其当量物理学性质，对不同岩石组成的层状岩体，在假设层面均质条件下，给出了三维应力理论强度条件表达式。何满朝(1993)对含结构面的岩体进行连续性概化，提出了连续性模型和连续微元尺寸条件，不同尺寸和不同岩体结构面的工程岩体，其连续微元尺寸有所不同，从而为结构面的处理提供了理论依据。但是目前对岩体结构面的几何形态和力学性质的描述依然十分粗糙，特别是环境因素对它们的影响上缺乏可靠依据，对沉积岩体结构特性认识不够深入。岩体力学至今强调的是连续介质理论，虽然考虑了材料非线性问题，但从几何场理论的角度来看，它仍然是小变形近似理论，因此，从原始沉积入手，研究岩体的岩性结构和环境因素及其对力学性质的影响，建立可靠的岩体结构地质力学模型和本构关系，是工程岩体力学研究的重要内容。1.2.2岩体渗流力学发展及现状自1856年达西提出著名达西定律以来，连续介质渗流研究己日趋完善。从上世纪五十年代后，国内外许多学者对裂隙岩体的渗流进行了许多理论探索和实验研究。Barenblett(1960)，Streltsora(1975)，Iwai(1976)，Snow(1965，1984，1985)等学者把裂隙介质视为连续介质，提出了有关裂隙渗流的立方定律，并导出了裂隙岩体的渗透张量。wilson和witherspoon(1970)，Maina(1972)分析比较了视为连续介质与不连续介质的结果，提出最大裂隙间距与最小边界尺寸之比分别大于l/50或l/20时，应按不连续介质考虑。Barenblett(1960)提出双重介质模型，将裂隙岩体视为两个连续介质组成，即孔隙介质储水，裂隙介质导水，分别建立孔隙、裂隙介质渗流模型，用孔隙和裂隙间的水量交换来组建藕合方程。warren和Root(1963)提出了类似的模型，他们认为，岩体裂隙具有均质正交的裂隙系统，裂隙相互连通，每一方位裂隙平行一个渗透主轴，垂直于每一主轴的裂隙等距分布，裂隙隙宽和间距恒定；每一岩块裂隙系统均具有均质各向同性的渗流特性，孔隙、裂隙之间存在水量交换。Trelesova (1976)提出类似双重介质渗流模型，认为岩体由裂隙和岩块组成，岩块在水平方向无限延伸，岩块厚度和裂隙宽度不变，且岩块厚度远大于裂隙宽度，裂隙中的水流是水平流，岩块中的水流是垂直流。Wittke(1986)不考虑岩块的渗流，以真实裂隙网络辗布为基础，运用线单元建立了裂隙网络水流的线素模型，并发展为裂隙岩体渗流的裂隙网络模型。Cvarlienko(1998)等提出考虑岩体微观到宏观裂隙渗流的双重标准化法。Wei (1999)等提出了岩体水力学化学特性的离散一连续介质耦合模型。在我国，自80年代以后，许多学者对裂隙岩体渗流进行了深入研究。田开铭(1986)在室内进行了不等宽交叉裂隙的水力学实验，得出了交叉裂隙具有偏流效应，后发展为偏流理论。田开铭，万力(1989)对裂隙岩体渗流做了许多工作，发表了各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价。张有天(1997)对裂隙水的运动和求解方法提出了独到的见解。陈钟祥(1980)针对圆形均质地层中有一口圆心井的典型情况，通过一类新的特殊函数获得了双重孔隙介质渗流方程的精确解。朱学愚，谢春红(1990)提出了一种计算裂隙渗流的多孔介质模型和有限元法，这种理论和方法的最大优点是在于可以把局部坐标系下的各向异性导水系数转化为全局坐标系下的各向异性导水系数，从而简化了计算。王泳嘉(1991，1999)提出了用离散单元法求解裂隙岩体渗流的基本思路。周志芳等(1993，1997)应用有限元分析法反演了裂隙岩体的渗透系数张量，并提出了裂隙岩体渗流分析的混合网络有限元法，以反映各级裂隙对渗流的影响。万力等(1993)提出三维裂隙网络的多边形单元渗流模型。莫海鸿等(1997)提出了裂隙介质网络水流的拓扑模型。王洪涛等(1997，1998)提出了三维随机裂隙网络非稳定流模型。肖裕行等(1997，1999)对裂隙岩体水力等效连续介质中的物理量进行了讨论。周创兵等(1997)对岩体裂隙面形态与水力特性的关系进行了研究；还对岩体节理非饱和渗流特性、节理张开度概率模型与随机模拟进行了研究。郑少河，赵阳升(1999)进行了气一固二相流体裂缝渗流规律的模拟实验研究。李定方(1999)采用流体力学方法研究了粗糙裂隙和充填裂隙的水流特性，分析了充填裂隙接触面积对流态的影响。张有天，周维恒(1999)就渗流对裂隙岩质边坡的影响进行了研究。杜广林等(2000)提出裂隙介质中的多重裂隙网络渗流模型。王媛，速宝玉(2002)对单裂隙面渗流特性及等效水力宽度进行了研究。国内外还有许多其他学者在裂隙岩体渗流方面做了大量的研究工作。1.2.3岩溶陷落柱研究现状二十世纪五十年代以来，人们对岩溶陷落柱的成因、形态、分布及探查手段做了大量的研究工作。导水型陷落柱危害巨大，对它的预测是煤矿开采过程中必须首先解决的重大问题。但多年以来，人们对陷落柱的研究一直很不充分，虽然有许多有关陷落柱的文章发表，但作者多是从事煤矿井下工作的地质人员。人们对陷落柱在成因、分布、空间形状、物质组成等方面进行了的论述，对因它而形成的地质灾害预防及补救等方面也有述及。但由于陷落柱发生的随机性和隐伏性，上述方面对陷落柱的预测均起不到关键作用。目前，已有的文献资料表明，对陷落柱的探测及预测一般采取的方法，主要集中在两方面：一方面，开展常规勘探，如：钻探、无线电波透视法探测、直流电法勘探等，都不能很好地对陷落柱的位置和形态进行探测。多年来，对陷落柱进行物探方法研究的报道多属单个物探分支单位，多具有片面性。中国矿业大学对直流电法探测陷落柱进行了研究，以数值模拟，水槽物理模拟等为手段，取得了一些重要成果。另外，采用地震波方法探测陷落柱进行了一定的研究，具有一定的指导意义。有些单位及研究人员也进行了物探方法探测陷落柱的研究，如张献民等进行了高密度电法探陷落柱的有限元数值模拟及实际探测，得出了一些有益结论。杨德义等人认为，绕射波是地震探测陷落柱的标志，并提出了“延迟绕射波”的概念。人们对野外施工方法、资料处理等方面尚无岩溶陷落柱岩体结构力学特征及其突水风险预测的研究一以刘桥矿为例新的见解，仅对陷落柱发育位置作出定性评价，由于技术自身及岩溶陷落柱的复杂性等因素，往往容易造成误判或漏判。另一方面，从陷落柱的发育规律、成因机理、导突水、柱体及围岩岩体结构特征等方面开展研究。项远法(1993)通过对岩溶陷落柱突水事例和实验室的模拟试验，证实岩溶陷落柱围岩破碎，应力大大降低，是导致陷落柱突水的必要条件。胡宝林(1997)根据层状沉积岩层的断裂力学机理和洞穴的再发育过程，提出了煤系地层陷落柱多期活动模式。吴基文(1998)认为，构造作用控制着陷落柱的形成。杨为民(2001)提出泥石浆型堆积是煤层段岩溶陷落柱主要充填物，并指出柱边贯通性节理在高水头作用下成为最优通道。岩溶陷落柱安润莲(2002)从多个角度阐述了陷落柱的研究现状及发展趋势。司海宝(2004)系统指出了岩溶陷落柱发育地质条件。许多煤矿生产技术人员，从生产实践的角度，阐述陷落柱发育的结构特征。以上文献均是从不同的角度分析陷落柱发育特征，而系统研究陷落柱发育地质条件，提出完整的岩溶陷落柱预测体系和导突水类型，采用有限单元法对陷落柱围岩裂隙带导突水模拟，进而对岩溶陷落柱的突水风险做定量评价等，还未见报道。1.3论文研究的主要内容本论文采用类比研究、参考有关现场实测数据和实践经验、结合统计方法、回归理论分析，对工作面过陷落柱时候的生产安全和产量提高等做了研究。整篇文章主要包括以下几个部分：（1）溶岩陷落柱的基础理论（2）溶岩陷落柱的突水机理（3）综采工作面过陷落柱的技术措施2 岩溶陷落柱的基础理论2.1岩溶陷落柱的基本概念及危害2.1.1岩溶陷落柱的概念岩溶陷落柱是我国华北煤田广泛发育的一种极富区域特色的地质现象。岩溶陷落柱是岩溶洞穴塌陷的产物，它是煤系下伏可溶性岩层，经地下水强烈溶蚀后，形成较大的溶洞，在各种地质因素作用下，引起上覆岩层的失稳、塌陷，形成筒状柱体，是岩溶引起的一种特殊地质现象，因塌陷体的剖面形状似一柱状，故称陷落柱。陷落柱的形成经历了漫长的地质历史时期，是在岩溶充分发育的基础上，受地质构造的控制所形成。陷落柱所在岩体呈双层结构，下段为岩溶地层，在我国华北地区即为奥陶纪灰岩(简称奥灰)，上段是石炭一二叠纪煤系，主体为非岩溶地层。陷落由奥灰中发育的溶洞引起，如果覆岩陷落限于奥灰岩内，属一般岩溶塌陷。只有当覆岩陷落越过奥灰顶界灰岩，使石炭一二叠纪煤系物质陷落到灰岩溶洞中，同时煤系内形成一段竖井状腔体，腔体再被上方冒落物填充，这才出现真正意义上的煤田陷落柱，陷落柱高度由数十米至500600m，多为200300m。2.1.2岩溶陷落柱的危害岩溶陷落柱是中国北方型石炭二叠系煤田的一种特殊岩溶塌陷，广泛分布于我国北方山西高原、太行山、吕梁山以及晋、陕、蒙、冀、鲁、豫、苏、皖等地近20个煤田45个煤矿区，总数超过3000个。岩溶陷落柱属于隐伏垂向构造，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点，对煤矿安全生产及当地人民生活危害极大。1984年6月2日，开滦范各庄矿2171综采工作面发生世界采矿史上罕见的岩溶陷落柱透水灾害，最大涌水量达2053m3/ min，该矿及3个临近矿井被淹，直接经济损失数亿元；徐州张集煤矿和青山泉一号井、安阳铜冶一矿、皖北任楼矿等也发生过较大陷落柱突水事故，均造成巨大经济损失和不良后果。随着开采深度和强度的增加，开采环境日趋复杂，水压、地应力和瓦斯不断增大，水害问题更加突出。陷落柱大都在地表没有显现迹象，但对煤矿正常生产，甚至当地居民生活带来很大危害。可归纳为几个方面：（1）影响煤炭资源的开发利用岩溶陷落柱不仅给地面工程带来危害，而且也可对地下采矿造成严重影响。就煤矿生产而言，岩溶陷落柱的存在，由于其形状、大小不一，内部地层杂乱无章，破坏了煤层的连续性，使含煤地层遭受严重的破坏，可采煤层在一定范围内失去开采价值，减少矿井储量，给煤矿的井巷工程布置与施工、采煤方法及采掘机械的选择等增加了相当大的困难。每年由此而造成的经济损失高达数亿元人民币。（2）恶化矿坑水文地质工程地质环境有的陷落柱胶结程度较差，柱体周围岩石破碎，并伴生许多小断裂，这就可能成为沟通地表水或地下水的良好通道，从而影响地下水的水质，造成井下涌水或突水，尤其是隐藏在采区或回采工作面内的导水陷落柱，更是极大威胁着煤矿的安全生产。（3）矿坑突水淹井中奥陶统灰岩层是北方煤田主要的含水层，具有很高的承压水头，岩溶陷落柱的基底一般又均发育其中，若柱体充填物的压密、胶结程度较差，在开采等外部因素的影响下，陷落柱很可能成为奥灰含水岩层的导水通道，危及矿井安全。岩溶陷落柱给顶板管理带来困难，对瓦斯赋集也有影响，但岩溶陷落柱的导水性对煤矿安全影响最大，岩溶陷落柱导水性的影响因素很多，不同条件下陷落柱导水性表现不同的特征。岩溶陷落柱形成以后，在新构造运动下，地壳上升速度比较快、幅度比较大，岩溶陷落柱所在井田或地段被抬升到侵蚀基准面之上，则奥灰顶部含水层缺少应有的补给水源，由原来的突水区变为贫水区，岩溶陷落柱进入衰老或死亡阶段，其导水能力减弱甚至丧失。岩溶陷落柱所在的井田或块段，其两侧如被后期落差较大且阻水的倾向断层切割破坏，奥灰顶部的补给源即被切断或阻隔，水量因此减弱，地下水活动受到限制，变成贫水或滞水区，岩溶陷落柱导水能力也会减弱，如果井田浅部被后期形成的阻水走向断层切割，井田深部补给源则被切断，在一定程度上影响深部地段岩溶陷落柱的导水性。大量开发利用岩溶地下水源及矿区大量抽排放水和实施各种防治水工程，也会使地下水位降低，水的压力减弱，径流条件变差，往往造成岩溶陷落柱无水可导。岩溶陷落柱自身的导水能力一般取决于柱体充填物的压实和胶结程度。干燥无水的岩溶陷落柱充填物的压实胶结程度比较高；当压实胶结紧密的柱体遭受风化程度较高且发育裂隙时，易出现滴、淋水现象，成为弱导水的岩溶陷落柱：揭露时明显滴水的岩溶陷落柱，一般胶结程度较差，柱体及围岩中裂隙发育，可见，柱体充填物的压实胶结程度是陷落柱导水的内在因素，是判断其导水性强弱和划分岩溶陷落柱导水类型主要指标。华北型煤田内多数岩溶陷落柱不导水，所有导水性强的岩溶陷落柱都分布在现代地下水强径流带上，一旦被揭露常发生突水。因此地下水径流条件不仅影响岩溶陷落柱导水能力的强弱，而且直接控制强导水型岩溶陷落柱的分布。（4）使其周围煤炭氧化，从而失去可采价值陷落柱附近会有许多断层和褶曲，构造裂隙发育。破碎煤体自热环境之中始终存在热流动态平衡关系，煤的自热自燃发展过程就是在自热环境内部热流祸合的能量动态平衡矛盾中持续稳定进行的。煤体被氧化之后，又有持续的氧气供应，很容易引起煤的自燃。陷落柱附近煤层，受地下水作用，使煤发生氧化作用，煤的光泽变暗，灰分增高，强度降低。（5）减少井田的煤炭储量使得矿井服务年限缩短，甚至可造成报废井巷工程的重大经济损失。其中，以煤矿突水淹井的危害最大。岩溶陷落柱能沟通各含水层，特别是导通煤系地层底部丰富的奥灰高压水，大量溃入矿井造成淹井事故。所以对于岩溶陷落柱的发育及分布规律必须加以重视。2.2岩溶陷落柱的成因岩溶陷落柱也称喀斯特陷落柱，是非构造运动产生的，岩溶塌陷体受到致塌力超过抗塌力而产生的，各种致塌力可以形成多种力学效应，构成不同的致塌模式，因此塌陷的形成是多机制的。岩溶陷落柱发育是多种地质因素共同作用的结果，它的形成往往经历了一个孕育、发生、发展的复杂过程，有其特定的地质环境。陷落柱发育的地区，上覆地层为石炭二叠系砂岩、页岩、泥岩互层或砂岩、页岩、煤层、灰岩互层，为一套内陆河湖相或海陆交互相碎屑岩系。下伏地层为奥陶系上下马家沟组和峰峰组灰岩和泥灰岩，为一套海相碳酸盐岩可溶岩系。岩溶水在灰岩裸露山区受大气降水的入渗补给和河流的渗漏补给后向径流排泄区运移，在漫长的地质年代里，可溶岩不断溶蚀溶解，形成溶蚀裂隙，扩大成溶洞，称其为隐覆岩溶。当溶洞顶板地层为泥灰岩时，遇水变软，而上覆石炭系本溪组和太原组地层均为柔性地层，在地下水的成陷落柱。岩溶陷落柱发育必须具备四个条件：一是具备可溶性的岩(矿)层，这是岩溶形成的物质基础：二是地质构造是促进可溶岩溶解与冲蚀作用加速进行的重要条件，即要有地下水的良好通道；三是水的交替循环是岩溶发育的基本动力，也就是说有地下水的排泄口，以便加剧地下水的交替进行；四是重力作用。重力作用是岩溶陷落柱向上不断发育的主要力学条件。2.2.1岩溶陷落柱形成的物质基础可溶性岩层是岩溶陷落柱发育的先决条件，也是陷落柱的起始层位，岩溶洞穴的发育决定了岩溶陷落柱的空间展布。可溶岩是指碳酸盐类(石灰岩、白云岩)、硫酸盐类(石膏)的岩石与水相互作用溶解于水而得名。可溶岩的纯度愈高，其可溶性愈强，岩溶愈发育，溶洞大而集中，典型的岩溶形态发育完善。相反，可溶岩的纯度愈低，则不易形成岩溶。古风化剥蚀面受构造作用的影响，岩溶作用增强和发育，为岩溶陷落柱的形成和发展奠定了良好的基础。同时，古风化剥蚀岩溶发育带控制了石炭二叠纪煤田岩溶陷落柱的形成发育，控制该区岩溶陷落柱的柱底深度范围，也是深部岩溶陷落柱形成的最基本条件。从钻孔资料来看，奥灰岩性及其结构具有以下特点：（1）岩性稳定，厚度大，分布广；（2）各组段灰岩与白云岩多相间分布，岩石成分及其可溶性都有较大差别，导致矿区内岩溶发育不均匀；（3）奥灰中上部为一套碳酸盐与硫酸盐岩相间，这种特殊的易溶硫酸盐岩的存在，为其后岩溶的充分发育奠定了物质基础，奥灰顶部风化剥蚀岩溶发育带为岩溶陷落柱形成、发育创造了条件。岩溶发育的层位受岩性和地下水及构造形态、组合、深度的控制，大规模岩溶区往往有强岩溶带与弱岩溶带，如断裂带和背斜轴岩溶发育，尤其是奥灰岩溶在不同的岩性组合、物性特征、溶蚀特征、含水类型及水文地质特征等条件下发育强度不同，反映了层控性的特点。2.2.2岩溶陷落柱形成的重要条件地质构造是岩溶陷落柱的主导控制因素，决定了陷落柱的发育高度和形状。陷落柱伸到500600m，甚至到达地表，面积大小不等，地质构造(主要是裂隙)在陷落柱陷落发育过程中，扮演了关键的角色。地壳运动始终控制着奥灰顶部古风化剥蚀岩溶发育带的深度，即控制岩溶陷落柱形成的地质构造背景。地质构造控制岩溶的发育程度、地下水活动条件和地下水径流的强度，从而控制岩溶陷落柱的形成和发展，同时地质构造不同程度地破坏上覆煤系地层的稳定性，有利于重力塌陷的发生，直接控制岩溶陷落柱的空间分布。地质构造也是促进可溶岩溶解与冲蚀作用加速进行的重要条件，即要有地下水的良好通道。地质构造是岩溶陷落柱的主导控制因素，影响着陷落柱的发育高度和形状。由于地质构造破坏了岩石的完整性，增加岩石的渗透性能，扩大了水与岩石的接触可溶机会，使水流具有了良好的通道，加强了岩溶发育程度。一般而言，断层附近和褶曲轴部，构造裂隙发育，岩石的透水性好，因而岩溶最为发育。这是由于断层破坏了岩层的连续性和完整性，加强了地下水的循环交替，并使具有溶蚀能力的水与可溶岩石的接触而不断扩大，加快了对可溶岩的溶蚀所致，因此说地质构造不仅控制岩溶的发育强度和深度，而且控制岩溶发育的方向和部位。构造运动使地壳抬升或下降，控制着基准面的高低；同时控制了地下水运移交替所必需的各种构造裂隙和节理，控制了可溶性岩石的埋藏和隔水层的分布，从而决定了岩溶的分布。与构造运动的多期性相对应，往往有多期岩溶发育。滑动构造对岩溶陷落柱形成有着重要影响。主滑面促进奥灰顶部岩溶洞穴的发育，形成了原始的塌陷空间：次级滑面进一步破坏了上覆煤系地层和稳定性，为重力塌陷创造了构造动力条件：多级滑动构造体系在空间上控制岩溶陷落柱的发育分布，即岩溶陷落柱多发育于滑动构造相对发育区，多级滑动构造体系控制了岩溶陷落柱的形成时代。2.2.3岩溶形成的基本动力水的交替循环是岩溶发育的基本动力，也就是说有地下水的排泄口，可以加剧地下水的交替进行。地下水具有良好的排泄口，促进水交替循环是岩溶形成的基本动力。地下水循环且带有溶蚀物质流向排泄区，由于水不断循环，裂隙逐步扩大，水流通道加宽，水速加大，溶蚀不断扩大，形成了岩溶洞穴，甚至地下暗河，为陷落柱的形成创造了条件。地下水径流是岩溶陷落柱发育的水动力条件，岩溶陷落柱均分布于地下水强径流带上。文献资料表明，在石炭二叠纪煤系沉积前，受加里东构造运动的影响整体抬升，地壳大面积的升降运动，使岩层中构造裂隙不甚发育，在这种地质条件下，地表水及地下水主要为面状流，虽然岩溶发育，但难以形成大型溶洞。石炭二叠纪煤系形成以后，受印支、燕山运动影响，发育了一系列的褶曲及断裂构造，地势落差增大，并遭受强烈的风化剥蚀作用，奥灰大面积出露于地表，受构造控制，地下水运动非常活跃，为奥灰岩溶洞穴的发育提供了有利条件。根据地下水运动情况，将岩溶洞穴分为两类：（1）位于侵蚀基准面之上的流水型洞穴，除溶蚀外，地下水对灰岩的机械冲蚀作用明显，洞穴的高度普遍较高；（2）位于侵蚀基准面之下的含水层型岩溶洞穴，以溶蚀为主，岩溶发育有较大的选择性，大部分岩溶洞穴由于排泄不畅而终止发育，而沿着张性断裂方向或在径流方向有排泄通道的，则容易形成较大洞穴。地质资料表明，滕北矿区奥灰水径流条件较好，岩溶作用强烈，特别在向斜轴部为集中循环交替带，地下水径流更为强烈，为岩溶的发育提供了更为有利的条件。2.2.4岩溶陷落柱形成的力学条件重力作用是岩溶陷落柱向上不断发育的主要力学条件。引起塌陷的主导作用是重力作用，岩溶洞穴的存在，是重力塌陷的先决条件，煤系的岩性情况对重力塌陷具有一定的影响作用，地质构造是促进重力塌陷的重要因素。从力学角度考虑，在向斜部位岩溶陷落柱成因归结为：（l）上部煤系柔性地层受压，产生塑性形变使奥灰岩上覆地层成为致密屏蔽，为下部溶洞腔内形成真空吸蚀创造了条件。（2）下部奥灰岩受拉，使脆性岩石形变而发育张性断裂构造，有利于岩溶发育。在向斜轴部的岩层底面，张性断裂裂隙使岩层破碎为倒楔形(底大顶小的四方柱体)岩块(如图2.1)，倒楔形有利于岩块整体下移。（3）由于地下水活动，岩溶溶洞不断发展扩大，破坏了原来岩层的应力平衡状态，引起岩层的应力释放和弹塑性变形破坏，其不平衡之原因既有地应力集中的作用，同时也有岩层强度的降低。（4）地下水面的变动，使岩溶溶洞腔内有压水面转为无压，水面以上空间出现低气压或真空负压。如果地下水面急剧下降，真空负压瞬间诱导出的巨大能量对上覆岩层内部、漩吸、掏空和搬运等破坏作用。Fig2.1 The skecth mpa of the ocllapse clomuns cause on synclinal axis（5）如果上覆岩层存在地下水渗流，岩溶塌陷形成的柱体严重扰动地下水的渗流方向，渗流方向的突变以及垂直方向渗透水压力的迅速增加，使陷落柱体内岩块伴随水流向下部岩溶裂隙通道或空洞中运动。（6）上覆岩层的关键层因受岩体自身重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用而破坏塌落。一旦关键层失稳，轴部破碎的岩体沿垂向裂隙面由下向上持续塌落，部分陷落物被水带走，坍塌继续向上发展，待岩石破碎膨胀充填了整个陷落空间，并形成自然平衡拱后，坍塌陷落才停止，于是上覆岩层得到暂时稳定。（7）由于地质和水文地质条件没有发生大的改变，地下水不断对灰岩和塌落的岩石进行化学溶蚀、机械搬运和破坏，使岩溶进一步扩大，处于暂时稳定状态的上覆岩层再次失去平衡而继续塌落，重复上述(3)(6)作用过程，此种作用迅速而间歇地重复进行，使陷落柱不断向上发展。（8）由于岩溶水活动，冒落下来的岩石逐渐被冲蚀带走，因此陷落柱的发育高度和规模与奥灰水流携带能力和形成时间长短有关。（9）岩溶陷落柱多发育于向斜地段而不是背斜轴部的主要原因：背斜轴部岩层底面受压，岩溶不发育，溶洞空间有限，地下水径流缓慢，因此，上覆岩层塌落及地下水对灰岩和塌落岩石的化学溶蚀、机械搬运和破坏活动强度低得多；在背斜轴部的岩层底面，压性或压扭性断裂裂隙使岩层破碎为正楔形(顶大底小的四方柱体)岩块(如图2.2)，而正楔形不利于岩块整体下移，因此即使其他条件相同，向斜较背斜易于产生陷落柱。综上所述，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。2.3岩溶陷落柱的基本特点2.3.1岩溶陷落柱揭露前特征通过对揭露陷落柱的实例分析，发现在井下采掘开采施工过程中，在工作面接触陷落柱前，常出现各种异常变化。根据己揭露的陷落柱来看，岩溶陷落柱从柱面上看，柱面不规则；从垂直剖面上看是两条曲折线，工作面底面与柱面接触处为一弧线；从柱体上看，塌落岩体时代较周围正常岩层的时代新，岩块形状不规则，大小不一，棱角明显，排列无序。陷落柱揭露前有如下主要特征：（1）产状发生显著变化。周围煤层向陷落柱中心部位倾伏，倾角变化一般510，影响范围不大，大约在1520m，在松软和塑性较大的岩层中影响显著，而在坚硬和脆性岩层中则不太明显。（2）煤岩层的裂隙明显增多，裂隙的走向平行于柱面的切线方向，成环形状分布，裂隙面倾向柱心，与原来煤岩层裂隙不同，裂隙大都被方解石脉充填。（3）小断层增多，这些断层规模小，平行于陷落柱面，走向延展短，多在20m以内，落差都在0.5m之内，且为正断层，倾向为陷落柱中心方向。陷落柱外围和柱顶上部均有一定范围的裂隙发育带(图2.3)。（4）陷落柱附近往往水量增大，有淋水出现，有时持续时间比较长，当采掘工程接近陷落柱时，地下水涌水量会骤然增加。（5）煤质的变化，由于陷落柱附近煤层，受地下水作用，使煤发生氧化作用，煤的光泽变暗或消失，灰分增高，硬度变小，湿度增大，强度降低。其影响范围与陷落柱的大小、裂隙发育程度和地下水的活动有关。（6）岩石块成岩的时代比围岩新，碎石有明显棱角，形状极不规则，排列紊乱，大小悬殊，软硬不均，颜色混杂，有的被压实胶结，有的松散堆积，有的被风化。（7）水和瓦斯涌出量增大。（8）顶板压力增大。（9）陷落柱上方的巷道常出现放射状断层群。（10）钻探的岩芯混乱，出现塌孔、涌水现象。（11）陷落柱边缘很少见到擦痕，偶见擦痕其方向也多为大致垂直向下。而断层面上擦痕较多，并且具有一定的稳定性，往往不是垂直向下。（12）挤压软泥在陷落柱局部边缘柱面上时有时无出现(较薄且不均)，而在断层面上的挤压软泥与其不同，较厚且均匀稳定。2.3.2岩溶陷落柱的外部形态特征（1）地表出露特征1 丘状凸起，坚硬的砂岩体堆在页岩层中，岩块大小不等，与周围岩层有明显不同，略高于附近岩层；2 盆状塌陷区，其凹陷区的岩层层序遭受破坏，大小岩体混杂堆积。凹陷区周围岩层层位正常，裂隙较发育，岩层产状稍有变化，均向凹陷中心倾斜。凹陷盆地黄土较周围多，又湿润，所以植物生长比周围茂盛。另外，在地表、沟谷、崖边、河床和公路旁存在很多盆状塌陷区，应引起注意，作为地表勘察参考，切勿把滑坡堆积区域误认为陷落柱。（2）井下出露特征陷落柱柱面是不规则面，它的垂直剖面是两条曲折线，这是由塌陷的煤、岩层性质决定的。又因为柱面的水平切面为一封闭曲线。所以巷道底板与柱面接触处为一弧线，其弧线半径与陷落柱的平面形状大小有关。若平面面积大，则弧线平缓。由此可以利用弧线接触情况判断陷落柱的大小，还可以作为区别断层和陷落柱的标志。柱边围岩产状变化不大，无受力向下弯曲现象，边缘充填物也无方向性和受力挤压现象，与断层破碎带有明显区别。由于岩溶陷落柱柱体卸载应力释放，地应力重新分布引起局部应力集中，当钻孔钻进到裂隙带中，即出现大量漏水或出水，井下工程揭露则有淋滴水。2.3.3岩溶陷落柱的内部特征（1）陷落柱内部物质特征陷落柱内部物质结构具有堆积物杂乱无章、充填物多为煤系地层岩块、不同陷落柱或同一陷落柱的不同部位岩石下移的距离不一样、充填物风化程度明显差异等特征：1 陷落柱内的充填物为煤系地层陷落的岩块，是岩石脱离原层位下移形成的，且冒落堆积是分期逐步向上发展的。2 内部堆积物杂乱无章。不同陷落柱由于发育高度不同，岩石下移的距离也不同。同一陷落柱的不同部位岩石下落的距离也不一样。3 不同陷落柱和同一陷落柱的不同部位充填物的风化程度有明显差异。有的所见充填物中，软岩已风化成泥土状，硬岩碎块被泥土胶结紧密；有的大部分岩石己风化为黄色细砂，只有少量钙质砂岩还保持较大岩块；有的所见充填物中，软岩开始风化变软，颜色微变黄，浅灰色和灰色细砂岩呈兰色，破碎后内部为白色，外部有一层兰色圈，为还原环境的水浸现象；有的所见充填物均为原状岩石破碎，无风化变色现象；有的从钻探取芯看，陷落柱内充填物的大部分软岩已风化变软，而硬岩基本保持原岩状态，很多菱铁矿结核被浸蚀出现溶孔，有的在裂隙中再沉积形成溶滤式小铁矿石，软岩多风化成黄色，有的己形成粘泥和碎屑。4 陷落柱内部的水流活动改变了其内部结构和充填物的状态。冲出物有粘泥、煤屑和岩块，岩块均滚圆呈卵石。层位越低的岩石块越小，滚圆度越好，这可能与岩石风化强弱和水流搬运距离大小有关。5 不同陷落柱和同一陷落柱的不同部位裂隙和空洞发育不一样。陷落柱内部裂隙和空洞发育情况取决于充填物的风化和压实程度，不同陷落柱间差别很大。（2）岩溶陷落柱的形态及其结构特征6 陷落柱的平面形态特征陷落柱的平面形状是指塌陷体与某一层面(如煤层顶底板面)或地表面相接触的切割面形态。一般呈圆形、椭圆形、不规则的长条形，直径大小不等，一般是几十米至百米以上，最大可达300400米，长短轴之比一般为4:12:1。7 陷落柱的剖面形态特征通过塌陷中心轴(陷落体各平面中心点的连线称为陷落体的中心线或中心轴)剖切的塌陷体的竖直面形态称为陷落柱的剖面形状。其形状并不是一个规则的柱体。一般情况下，如果塌陷体穿过的岩体是含水较多的松软岩层(如第四纪的冲积层或有裂隙的泥质岩层)，岩体松散极易塌陷，坍塌体上部的平面面积较大，剖面形状多呈上大下小的漏斗状；如果塌陷体穿过的岩层是岩性均一，机械强度较大的坚硬岩层(如砂岩、砂砾岩、砾岩、石灰岩层等)，由于岩体坚硬不易塌陷，塌陷体上部的平面面积较小，剖面形状多呈塌陷角较陡的上小下大的锥形柱体。8 陷落柱的塌陷高度从岩溶的底面至塌陷顶的垂距为陷落柱的高度。这个高度，与岩溶洞穴的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质以及裂隙发育程度等密切相关，一般可由几十米到一二百米，但也有高达数百米的巨型陷落，也有仅数米的小型坍塌。陷落穿越的岩层数也是不等的，由几个层次到几十个层次，整个柱体的形状是不规则的。9 陷落柱的中心轴陷落柱的中心轴位置通常是垂直于塌陷岩层的层面。由于柱体穿越的各个岩层的产状并不一致，各岩层的岩石性质，裂隙发育程度都不同，中心轴大多不是直立的，而是歪斜，甚至为扭转的状态。掌握轴位变化规律，就有助于预测下部煤层，或下一水平的陷落柱平面位置。10 陷落柱的柱面特征陷落柱的柱面是指陷落体与周围正常岩体的接触面。采掘过程中揭露的柱面只是整个柱面的很小的一个局部，要根据此作出正确的判断和推测。这个接触面也是随岩层的岩石性质，结构和构造的不同而变化。如为性质均一，机械强度较大的岩层，柱面多呈直立状：若为岩性松软脆弱，煤岩层与上、下较坚硬的岩层相间，常会出现凹入的银嵌状，反之则出现鼓凸状、倒台阶状或锯齿状。若上部岩体松软多水，裂隙发育并逐渐过渡为较坚硬的煤岩层时，则接触面也可呈滑坡状。2.4华北型煤田岩溶陷落柱的分布规律岩溶陷落柱发育过程，受控于古构造、古地理环境、古水文和可溶性岩石。一般与古水流及古构造发育方向一致。华北石炭二叠纪煤系基底为奥陶纪石灰岩，其岩溶发育，则华北型煤田内广泛发育岩溶陷落柱，其发育分布受诸多因素影响，对煤矿安全威胁较大。岩溶陷落柱是在特定的地质背景下、多种因素和综合作用的产物，经历了孕育、发生、发展的复杂过程，其发育分布表现如下规律：（1）多发育分布于井田浅部同等条件下，岩溶发育程度与埋深有密切关系，一般浅部发育较好，而深部较差。石灰岩本身结构坚硬、致密，它被溶蚀前的透水性主要取决于风化裂隙和构造裂隙发育程度，风化裂隙虽然对岩石透水性起相当大的作用，但其主要作用于岩石表层，很难达到深部，而构造裂隙不仅作用于岩石表层，而且还能进入岩层一定深度。地质构造把岩溶的发育控制在一定深度，进而把陷落柱的形成也控制在一定范围内。（2）发育和分布具有不均匀性由于岩溶发育的不均匀性，以及地质构造和水文地质的复杂多变和差异性，导致岩溶陷落柱发育和分布的不均匀性，岩溶陷落柱常成群出现，单个出现的情况比较少，并且有分区、分片、成带分布的特点。（3）发育和分布与地质构造密切相关岩溶陷落柱多发育和分布于构造复杂区，即地质构造应力大的区域容易形成陷落柱。在其它条件相同的情况下，地质构造越发育，越易形成陷落柱，如张性断裂旁侧及断层交汇处、小型向斜轴部和转折端附近、次级背斜的倾伏端附近。地质构造引起局部地区岩层中的结构破坏，出现岩层的应力集中点(或带)，如果这种集中带恰好作用在岩溶的上方岩层中，则它和重力共同作用下，产生使上覆岩层失去平衡的力，要比重力单独作用大得多，从而加剧陷落柱的形成。尤其需要注意的是华北型煤田内岩溶陷落柱的空间分布与滑动构造的发育具有一致性。研究表明，华北型煤田普遍存在于以石炭二叠纪煤系与中奥陶统灰岩之间的假整合面为主滑面以及煤系中若干次级滑面共同组成的多级滑动构造体系。主滑面滑动强度大，同时，煤系中次级滑面数量多，并派生一系列顺层及垂直层的节理，使煤岩岩层稳定性受到破坏，为岩溶陷落柱的向上发展提供了有利条件。则岩溶陷落柱多分布在滑动构造比较发育的井田，特别是滑动强度较大的浅部。（4）在大断层的交汇处更容易发育大规模的陷落柱。在大断层的交汇处，岩层的连续性、整体性乃至岩体结构遭到很大的破坏，强度降低，裂隙发育，增加了水的渗透和连通性，增加了水和岩石的接触面积，加快了岩石被溶蚀的速度。因此，在大断层的交汇处更容易发育大规模的陷落柱。（5）多发育在地下水强径流带和地下水排泄口处由于地下水强径流带和地下水排泄口处岩溶作用强烈，则几乎所有导水性强的岩溶陷落柱集中、成群分布。在地下水的排泄口，水流集中，地下水强径流强烈，溶蚀和搬运速度快，更易形成陷落柱。3 岩溶陷落柱突水机理3.1岩溶陷落柱的导水类型及突水方式3.1.1岩溶陷落柱的导水类型岩溶陷落柱常成为奥陶系灰岩强含水层地下水和煤系地层之间的联系通道，井巷或采煤工作面接近陷落柱时，则可能产生突水，威胁着上部煤层的开采，故研究陷落柱的导水性是煤矿防治水工作的重要内容之一。陷落柱导水性主要取决于柱体内物质组成、压实和胶结情况以及承受水压大小。一般形成比较早的陷落柱，压实胶结比较好，导水性弱。而形成较新或正在形成中的陷落柱，胶结不好，导水性强。同时，在横向上也有一定变化，表现为外围环带导水性相对比较强，中间部位差，构成环带分布的特点。据现场观测资料，陷落柱围岩可划分为3个带：裂隙带：岩层产状基本保持不变，但裂隙发育；破碎带：岩层产状异常，岩石破碎；泥化带：风化作用强烈，岩石松软，砂岩和粘土岩已风化成砂和粘泥，泥化带宽23m，裂隙带和破碎带宽约1030m。依据导水性能可把陷落柱划分为以下三种类型：（1）疏干型(不导水型陷落柱)这种类型的岩溶陷落柱，溶洞发育空间不大，陷落岩石碎胀堆积，充满陷落柱空间并压实，阻塞了导水通道，风化程度极强，揭露时有少量滴水或无水，边缘裂隙水己被疏干，采掘工程可由柱内通过，但应密集支护。在陷落柱形成后，由于构造运动或地下岩溶水的利用，承压水水头减小或消失，己无水可导；对陷落柱柱体本身来说，其充填物多以煤系地层的砂岩碎块为主，掺杂少量的分布不连续的碳酸盐碎块。这种岩土体胶结紧密，渗透率极低，不含水、不渗水，抗渗能力强，而且这种胶结体具有粘弹性，在漫长的地质历史时期中，经过反复压实作用，一般压实紧密，呈胶结状态的非均质柱体，且岩块间又有方解石和泥质充填，因而柱体内无裂隙、无节理，整体性好，柱体具有很高的阻水强度。（2）边缘充水型(弱导水型陷落柱)这种类型的岩溶陷落柱，溶洞发育空间较大，充填物滚圆度好，只充满大部分空间，且压实不够紧密，胶结不好，岩溶裂隙较为发育，未全阻塞导水通道，陷落柱内充填物被压实紧密，风化程度强，内水力联系不好，边缘次生裂隙发育充水。这类陷落柱一经采掘揭露时，即会造成一定量的突水，但出水时涌水量不大。（3）强充水型(强导水型陷落柱)这种类型的岩溶陷落柱，溶洞发育空间很大，还有很多空间未被充填，未阻塞导水通道，岩溶强烈，奥灰水充满柱体。陷落柱内充填物尚未胶结、岩块梭角显著、杂乱无章，存在着大量空洞，或者是正在发育的陷落柱，其导水性极强，水力联系好，能沟通几个含水层。已有资料显示，作为导水陷落柱，均分布于现代地下水强径流带上，一旦揭露，突水量大、来势凶猛。陷落柱作为地质体薄弱带，一方面，陷落柱自身导水。这类陷落柱多为正在发育的，由于其充填物未能很好压实胶结，自身成为导水通道。另一方面，岩溶陷落柱周边裂隙带导水，这类陷落柱多为活化的。陷落柱在形成过程中，周边围岩因卸载、松动、撞击形成了一个以陷落柱柱体为中心的、不规则环状破碎裂隙带，受采动应力作用的影响，裂隙带抗剪强度降低，地下水的楔入，导致裂隙尖端应力集中，使裂隙扩展、贯通，成为导水通道，引发陷落柱突水。综上所述，导水性极强的岩溶陷落柱是华北地区石炭二叠系煤田中底板岩溶裂隙水的重要充水通道，必须加以重视和研究，但是并非所有岩溶陷落柱都可构成充水通道，只有处在现代岩溶水强径流带和集中排泄带并隐伏埋藏在地下水头面以下者，才能构成突水的潜在威胁，造成突水危害。因此，应在查明充水岩层岩溶发育特征，地下水量与水压分布的基础上，研究陷落柱的位置和导水性。3.1.2岩溶陷落柱的突水方式实践表明，采掘工程接近强含水岩溶陷落柱，或不能有效地控制沟通强含水岩溶陷落柱的涌水钻孔，或人为反复钻探破坏了强含水岩溶陷落柱的围岩区，围岩应力骤降带的范围扩大，其阻止和限制地下水流的能力减弱，导水性增强，当围岩的承压力小于地下水头压力时，围岩失去保护能力而突水。不同地质、水文地质条件下岩溶陷落柱造成突水的特点有所不同，可大致分为以下三种类型：（1）突发型在地质、水文地质条件不清时，巷道工程开拓或采煤回采工作面揭露导水性极强的陷落柱，使大量地下水在短暂的时间内突然溃入坑道，造成淹井事故。（2）缓冲型在水压很高，水量大，虽留有煤柱但强度不够，在水压、矿压等共同作用下，煤柱破坏形成突水，水量由小逐渐增大，有一缓冲过程。这种突水较易防治。（3）滞后型若煤柱强度不够，矿压长期作用，煤柱压酥或者应力突然作用，长期完好的采掘工程也可能发生滞后突水。在采矿生产中，要针对不同突水类型，结合矿区地质、水文地质条件，采取适宜的方法防止岩溶陷落柱突水。必须坚持有疑必探，先探后掘，先探后采的原则，可采用钻孔探放水、钻孔无线电透视仪和“坑透仪”透视探测等方法做好超前探测。在进行探放水时，特别是在煤层中探岩溶陷落柱深层高压水，具有很大的危险性，应该采用物探先行，钻探验证的方法，而且钻探时，在开孔部位没有可以下好套管的坚硬岩层及不能下好护孔套管的地区，不能盲目探水，这样才能达到保证安全的目的。3.2陷落柱导突水性初步分析一般情况下，华北煤田岩溶陷落柱柱体能有效隔绝各含水层之间的水力联系，但在高水头作用下，受采动应力的影响，深部的太灰或奥灰水可沿着陷落柱周边裂隙带楔入上突，使裂隙带活化，导致矿井突水灾害。具体作用方式有两种：（1）受采动应力集中的影响：采动集中应力作用于铅直方向，与自重应力重合，由于陷落柱陷落角较大，其下滑力的增幅大于抗剪强度的增幅，相应增加了陷落柱柱面的下滑力，当接近或等于柱面的抗剪强度时，使陷落柱沿柱面滑剪，导致灰岩水的楔入引发突水。（2）受采动产生的卸压带的影响：卸压带内，水平和铅直方向应力均减小，尤其是水平应力的减小，直接导致陷落柱柱面抗剪强度的降低，即：=C+tan式中：水平应力；内摩擦角；C凝聚力。随着的降低，引发下伏太灰、奥灰承压水进入柱体围岩裂隙带，由于水的楔入，C和都会显著降低，进而引发突水。从已揭露的前7个陷落柱水文情况分析，基本为不导水陷落柱，在巷道揭露初期多见潮湿、渗水，未出现沟通深部灰岩水的现象。多为渗淋水煤系地层砂岩水，水量较小。第8个(A8)陷落柱于2004年2月4日于-540集中机巷迎头遇见。揭露时柱内堆积物松散，并有渗水现象，A8水质则为太灰水，水量一直稳定在15m3/h，与以往陷落柱不同，具有特殊性。如图(3-1)： 图3-1 A8陷落柱剖面图3.3陷落柱突水风险预测由于岩溶陷落柱的隐蔽性和导水性，具有极大的破坏性，直接危害煤矿安全生产，因而开展陷落柱导突水风险定量评价有着很强的理论意义和现实效益。本章在前面分析陷落柱岩体结构特征的基础上，系统研究了陷落柱的导水原因及其影响因素，建立起符合岩溶陷落柱导突水力学模型。通过数值模拟方法，对陷落柱导突水风险进行定量评价。3.3.1陷落柱导水原因研究表明，岩溶陷落柱围岩裂隙带是岩溶陷落柱导突水的主要通道，陷落柱在形成过程中，周边围岩因卸载、松动、撞击形成了一个以陷落柱柱体为中心的、不规则环状破碎裂隙带，受采动应力作用的影响，裂隙带抗剪强度降低，地下水的楔入，导致裂隙尖端应力集中，使裂隙扩展贯通，成为导水通道，引发陷落柱突水。因此，围岩裂隙带导水是岩溶陷落柱导水的主要通道。主要原因有：（1）岩溶陷落柱及围岩裂隙带的存在，改变了地应力场的方向和大小：当地层中存在陷落柱时，陷落柱及附近围岩裂隙带最大主应力方向在地质构造作用的控制下，随着陷落角的不同，与区域构造场的最大主应力方向有着不同程度的偏离，而裂隙带附近的三个主应力的大小，也随着陷落角的不同，与区域构造场的主应力值的大小有所不同。对于自重应力，一般是随着陷落柱的存在而减小。由于裂隙带中地应力值降低，承压水的压力有可能大于水平方向的最小主应力，使裂隙带中的裂缝张开，导致承压水导升而突水。（2）岩溶陷落柱柱体及围岩裂隙带的存在，提供了突水通道：围岩裂隙带内裂隙比较发育，岩体较破碎，给承压水的导升和裂隙开裂创造了条件。此外，裂隙带中的填充物多为胶结不够紧密的泥质、炭质胶结。在承压水长期作用下被软化、掏空和溶蚀，增加了原始导高，从而降低了有效隔水层的厚度，给突水创造了有利条件。（3）地应力释放，使隔水岩层阻水能力下降：掘进与采矿不仅造成围岩破坏，同时使部分地应力释放，使岩体渗透性增加，特别是在裂隙带中，原岩应力值降低的幅度更大。3.3.2陷落柱导水的影响因素陷落柱对煤系地层的影响主要有两个方面：一是使陷落柱附近煤、岩层破构力学特征及其突水风险预测的研究一以刘桥矿为例坏，强度降低；二是破坏了地层连续性和完整性，直接沟通煤层与地表或地下水体。影响岩溶陷落柱导水的因素主要有：（1）陷落柱柱内充填物的密实程度：陷落柱柱内充填物的密实程度越小，阻水能力越弱，有时直接导通下伏承压含水层，一旦揭露或接近，突水很难避免。（2）水压：水压是影响岩溶陷落柱导突水的主要因素之一，由于受陷落柱的影响，柱体及围岩的力学强度明显降低，围岩裂隙明显增多，导致下部承压水沿裂隙带上升，比正常底板的水压的原始导高高度要高的多，并且在采动应力作用下，裂隙的数量和宽度也将进一步增加，使有效阻水岩层的厚度降低。所以，水压越大，陷落柱导突水风险越大，反之，则越小。（3）围岩裂隙带宽度：岩溶陷落柱在长期陷落的过程中，导致柱体围岩相对较疏松，节理或裂隙比较发育，虽经后期的充填或是胶结作用，但其物理力学性质仍与正常岩层存在一定的差异。围岩裂隙带越宽，其影响的范围也就越宽，致使煤层开采时，陷落柱导突水风险增大。（4）顶、底板岩石的力学性质：底板岩石的强度、物理力学性质、煤岩层倾角、采厚、开采方式等决定了煤层采出后，顶底板及煤柱本身的破坏程度以及破坏范围的大小。（5）陷落柱的陷落高度：陷落柱的陷落高度在某种程度上决定了陷落柱围岩裂隙带的宽度及围岩层的破坏程度和强度衰减程度。当陷落柱的陷落高度较大时，围岩裂隙带较宽，也较为破碎，在受底板承压水高水头作用的情况下，陷落柱的导突水风险将增大。（6）陷落角：陷落角是指岩溶陷落柱与岩(煤)层的夹角，一般来说，陷落角越大时，水压力作用越强烈，导突水风险越大，反之越小。（7）煤层开采厚度及开采方式：煤层开采厚度及开采方式决定于单层或分层开采的采高，而采高是影响顶板冒落高度、采空区充填速度的重要因素。采高越大，底板破坏越深。分层开采对底板的破坏主要取决于第一分层的破坏。根据实测资料，分层开采对底板的重复叠加破坏与顶板覆岩一样，底板破坏深度并不随分层数而直线增加，一般来说，第二层开采的破坏，在第一层开采破坏范围内增加破坏深度2一3m，再下一分层开采，破坏深度增加更小。（8）煤层的埋藏深度：开采深度越深，覆岩自重越大，相对减弱了承压水作用强度，从而减小了构力学特征及其突水风险预测的研究一以刘桥矿为例陷落柱导突水风险。3.3.3陷落柱岩体本构关系选取适合陷落柱围岩突水的岩体本构关系，是数值模拟中至关重要的一环。而对岩体力学性质的研究则是近年发展起来的新兴学科，属应用性基础学科，其基础理论相当广泛，涉及流体力学、固体力学、计算数学、结构力学、弹塑性力学等众多学科。多学科合作、协同研究加速了岩体力学的发展。岩体属于弹塑性材料，因而本论文采用弹塑性模型来进行研究。弹塑性材料的一个显著特点就是当应力超过屈服点后，应力应变关系呈非线性，并且其加载与卸载的应力应变路径是不同的。一般弹塑性本构关系用应力应变全量关系不能精确地给予描述，必须建立反映对加载路径有关的应力应变之间的增量关系。对岩体进行弹塑性分析要有三个基本要求：（1）建立一个符合岩体特性的屈服准则；（2）确定岩体应力与塑性应变增量相对应关系的流动法则；（3）确定岩体屈服后应力状态的硬化规律。3.4本章小结本章在总结陷落柱柱体及围岩特征基础上，分析其岩体结构力学特征，得出了以下几点结论：（1）岩溶陷落柱的发育有其特定的条件，是多种地质因素共同作用的结果，包括可溶性岩层，地下水径流，地质构造和力学条件。（2）陷落柱发育的地质构造条件，决定了陷落柱柱体及围岩具有独特岩体结构特征。一方面，由于地质构造的作用，本区形成了大量的X剪节理，将层状岩体切割成菱形块体，在张应力作用下，岩体底部蚀空后，易于塌陷。另一方面，在陷落的过程中，柱边围岩因卸荷、松动、撞击、悬梁弯曲等原因，产生一系列新的裂隙。因此，在陷落柱围岩边界处，存在裂隙带、破碎带和泥化带，是陷落柱导水的主要通道。（3）据柱体充填物质的柱体压实胶结程度，围岩裂隙带发育程度及其揭露时出水情况和涌水量大小，将陷落柱划分为不导水型或弱导水型、边缘充水导水型和全充水强导水型。（4）陷落柱在高水头作用下，受采动应力的影响，深部的太灰或奥灰水可沿着陷落柱柱体或围岩裂隙软弱带楔入上突，使软弱带活化，是导致矿井突水主要原因。4 综采工作面过陷落柱的技术措施陷落柱是影响煤矿生产和建设的地质因素之一。在陷落柱发育的矿区常使煤层遭到严重的破坏。严重者可使部分可采煤层失去开采价值。有的虽可开采，但很难布置正规的回采工作面，无法选用较先进的采煤机械。在水文地质条件比较复杂的矿井中，陷落柱常是地下水的良好通道，给安全生产造成严重威胁。4.1工作面过陷落柱的方法通常，综采工作面遇陷落柱开采有三种方法：（1）搬家跳采。当陷落柱直径大于30 m，塌落的岩石普氏系数大于6，且陷落柱位于工作面中部时，可采用重掘开切眼的方法跳过陷落柱开采。（2）开掘绕巷处理。当陷落柱直径大于20 m，塌落的岩石普氏系数大于6，且陷落柱位于工作面端部或尾部时，采取开掘绕巷，缩短切眼，绕过陷落柱(为保持开采过程中不同区段的工作面长度一致，避免随时增减液压支架，应使绕巷平行或垂直于工作面)。（3）平推硬过。当陷落柱直径小于30 m，陷落柱内岩石较松软，易于采煤机切割或爆破处理，且位于工作面中部，可采取平推强行硬过方法。4.2综放工作面快速高效绕陷落柱开采技术工程实例：漳村煤矿2201工作面位于22采区最南面，根据三维地震勘探结果及井下钻探情况分析，工作面西部发育一陷落柱，陷落柱长轴为南北向，长约135 m，短轴为东西向，长约80 m。2201工作面为22采区首采面，顶部含水层未受到破坏和疏放，含水层富水性强，回采期间会形成冒落裂隙带，导通顶部含水层水，预计工作面最大涌水量150 m3/h，正常涌水量80 m3/h。4.2.1工作面绕陷落柱开采巷道优化布置根据留设防(隔)水煤柱有关规定：煤层与充水断层或充水陷落柱相接触，防水煤柱一般为3040 m。参照矿井水文地质规程关于含水或导水断层防隔水煤柱的留设经验计算公式进行计算陷落柱周围留设煤柱的最小尺寸：式中：L煤柱留设宽度，m； K为安全系数，一般取25；M为煤层厚度或采