岩浆侵入体和岩溶陷落柱

第八章岩浆侵入体和岩溶陷落柱,第一节岩浆侵入体第二节岩溶陷落柱,二、岩浆侵入体对煤矿生产的影响,三、煤矿生成中对岩浆侵入体的处理,第一节岩浆侵入体,一、岩浆侵入岩层的一般特征,岩浆岩基本概念回顾,岩浆主要由硅酸盐和一些挥发份组成。硅酸盐的主要成分是SiO2。SiO2含量高，酸性程度也随之升高。挥发份的主要成分是水蒸汽、CO2、SO2、CO、N2等，其中水蒸汽占的比重很大。岩浆岩是由高温、熔融状态的岩浆喷出地表或侵入地壳上部，并冷却、凝固而形成，岩浆主要是由二氧化硅、各种金属氧化物、少量的金属元素和稀有元素、挥发性物质等组成。,岩浆作用：喷出作用侵入作用（根据发生侵入活动的相对深度不同，又分深成侵入（3km）、浅成侵入（0.53km），形成的岩浆岩体相应称为深成侵入体、浅成侵入体。,岩浆岩侵入的破坏作用：一方面导致岩浆熔蚀交代煤层，从而破坏煤层的连续完整性，减少煤田的可采储量；另一方面，引起煤的接触变质，煤的灰分（指煤完全燃烧后其中残余的固体矿物质）增高，粘结性降低，甚至变成天然焦炭，从而降低煤的工业价值。此外，它还造成采区、采面布置困难，妨碍采掘工作顺利进行，导致废巷增多，增加生产成本。,一、岩浆侵入体的一般特征,1、产状特征岩浆岩侵入体的产状是指它的产出状态，即形状、大小、与围岩的接触关系。最常见的为岩墙、岩床。1）岩墙岩墙是指岩浆沿断裂侵入形成的墙状不整合的浅成侵入体。其中规模较小、形状较复杂的称岩脉。厚度由数厘米数十米，一般在岩层中窄，在煤层中宽，长度数米数千米；岩墙受断裂控制，具有一定的方向性，并成组出现。与煤层接触面积较小，对煤层破坏和影响范围不大。,岩墙素描图,教材图2-71,2）岩床岩床是指沿层理面或软弱层位侵入形成的层状整合浅成侵入体。岩床以基性和中性最常见。岩床大致平行围岩层理，多沿煤层侵入，厚度较小，面积较大，倾角平缓，形态复杂多样：层状、似层状、树枝状、串珠状、扁豆状。与煤层大面积接触，对煤层的破坏非常严重。,层状岩床素描图,教材图2-73,似层状岩床素描图,教材图2-74,树枝状岩床素描图,教材图2-75,串珠状岩床素描图,教材图2-76,扁豆状岩床素描图,教材图2-77,2、岩性特征煤系中的岩浆侵入体多系浅成岩和脉岩，其岩性主要为基性岩类和中性岩类。3、接触变质特征当岩浆侵入或接近煤层时，在高温、挥发物质和动压的作用下，引起煤的变质称为接触变质。影响因素：1）侵入体的产状：接触面积大小2）侵入体大小：反映岩浆的数量和蕴含的热量多少,岩墙的影响范围仅在两侧数米,教材图2-78,岩床厚度与变质带的关系,教材图2-79,3）侵入体在煤层中的位置：侵入体对其上面是煤分层影响大，对下面的煤分层影响小4）煤层与侵入体的距离：近者变质深，远者变质浅5）侵入体的岩性：反映了侵入岩浆的粘度：基性岩浆粘度小，易流动，在地壳浅部容易以岩床形式沿煤层广泛侵入，对煤层接触变质影响大；酸性岩浆粘度大，不易流动，对煤层接触变质影响较小；中性岩浆介于两者之间。,岩浆侵入不同位置对煤层变质作用的影响,教材图2-80,煤变质程度随距离的变化1,教材图2-81,煤变质程度随距离的变化2,教材图2-82,煤变质程度随距离的变化3,教材图2-83,侵入到煤层中的岩体一方面对煤层煤质、煤层形态的完整性造成破坏，同时也给矿井生产带来不同程度的影响。1、吞蚀煤层，是矿井储量减少，降低矿井的服务年限。2、使煤质变差，煤的灰分增高、挥发分降低、粘结性破坏，原为优质工业用煤降为一般民用煤或天然焦，降低甚至失去工业价值。3、使原来连续完整的煤层被切割成若干块段，出现不可采区或煤层厚度变薄带，给采面布置、回采及巷道掘进造成很大的困难，增加了原煤的生产成本，降低矿井的生产效益。,二、岩浆侵入体对煤矿生产的影响,教材图2-84,对侵入破坏轻微，煤厚基本可采的地区：重点是查明侵入体的形状、大小和分布，评价其对采掘工艺的影响；对侵入破坏严重、煤层可采性遭到严重破坏的地区：重点是侵入区找煤，圈定可采区段，最大限度回收煤炭资源。1、探测：综合运用钻探、巷探和物探。2、预测：定性的、总体特征的预测。,三、岩浆侵入煤层的探测与预测,扇形钻探与巷探结合探测,教材图2-89,山东陶庄煤矿247巷道钻探剖面图,教材图2-90,(1)赵杰，磁法在探测侵入主采煤层岩浆岩边界中的应用，山东科技大学学报(自然科学版)，2000,19(3)；(2)朱书阶，利用波阻抗反演技术确定岩浆岩侵入煤层范围，煤田地质与勘探，2003，31（1）;(3)王梦倩,赵虎.多参数曲线反演技术在圈定岩浆岩侵入煤层范围中的应用.江苏地质,200630(4):287289(4)李仁海，崔若飞，毛欣荣等.利用岩性解释方法圈定岩浆岩侵入煤层范围.地球物理学进展，2008V23(1):242248,1、对岩墙的处理（1）主要巷道掘进过程中遇到岩墙后，一般可按原设计直接穿过；（2）岩墙沿垂直或斜交煤层走向分布时，工作面回采至岩墙后，在岩墙另一侧重开切眼继续回采。（3）当岩墙沿煤层走向分布且延长较长时，可以以岩墙为界将工作面分为上下两段，采用两个小采面进行回采。,四、煤矿生产中对岩浆侵入体的处理,2、对岩床的处理对于岩床，要求用巷道或钻孔圈定岩体边界范围，然后决定回采方案。如为大面积的岩浆侵入体分布区，则采区、采面布置要设法避开。对煤层破坏不严重的串珠状的侵入体，工作面可以直接推过，但需增加采面处理岩浆岩的工序。,第二节岩溶陷落柱,一、陷落柱特征,二、陷落柱成因,三、陷落柱的观测,四、陷落柱的探测与预测,地震勘探实例断层/冲刷带,岩溶陷落柱是岩溶空洞塌陷的产物，它是由于下伏易溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成大的溶洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶洞中冒落、塌陷所形成的筒状柱体，简称陷落柱。陷落柱是影响煤矿生产的特殊地质条件之一，在我国华北石炭二叠纪煤田中普遍分布，目前全国矿井已揭露岩溶陷落柱70008000个，主要分布在山西、河北、河南、山东、安徽、四川等地，其中以山西、河北最为发育。,一、陷落柱特征,其共同特点是:1.岩溶陷落柱是厚层碳酸盐岩，古岩溶对上覆煤系地层后期重力崩落而产生的。2.岩溶陷落柱的分布与密度受到古岩溶控制，与构造、地下水动力条件、岩性密切相关。3.岩溶陷落柱的含水状况差别很大，它与围岩含水性、地下水补给条件、水压及柱内岩性胶结程度、水压差有关。在陷落柱发育的矿区，煤层遭到严重破坏，不仅影响采面布置，限制采煤机械的使用，而且造成煤炭资源的大量损失。在水文地质条件复杂的地区，陷落柱还可成为地下水的通道，给生产安全带来严重威胁。,（一）地表特征1、盆状塌陷坑：在基岩裸露区，陷落柱常以盆状凹坑出露于地表，坑内岩层遭受破坏，混杂堆积着上覆的不同层位的大小岩块，或为黄土所掩盖；坑外岩层层位正常，裂隙发育，岩层产状微向坑心倾斜。塌陷坑常呈圆形或椭圆形。,2、丘状凸起区：在山西阳泉和平定矿区常能见到在大片出露的、由粉砂岩和泥质岩组成的山西组(P1s)地层中，局部隆起石盒子组(P1xP2s)或石千峰组(P2sh)的砂岩块体堆积。塌陷区内外岩石抵抗风化、剥蚀的能力不同，造成差异风化地貌景观。,地表特征,阳泉三矿,官沟(阳泉三矿西侧),3、柱状破碎带：在沟谷两侧或道路两旁的天然或人工剖面上，可见到的柱状的破碎带，即岩溶陷落柱的剖面形态。4、特殊地貌形态：在黄土覆盖区，基岩中的陷落柱可导致表层黄土产生圆形陷坑或弧形阶梯状裂缝。,地表特征,阳泉五矿,（二）井下特征1、陷落柱的形态特征（1）平面形态：陷落柱与地面、水平切面的交线形态，一般呈椭圆形、圆形、长条形等。,陷落柱平面形状示意图,（2）剖面形态：沿陷落柱中心轴切开的形态。如果陷落柱穿过含水的松软岩层，则剖面形态多呈上大下小的漏斗状（图2-95a）；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层，则剖面多呈上小下大的锥形（图2-95b）；如果穿过岩性不均一的岩层，则形态很不规则，但总体上仍呈锥形柱状（图2-95c）。,井下特征,陷落柱剖面形状示意图,井下特征,（3）陷落柱的高度：指溶洞底到塌陷顶的垂直距离。它与溶洞的大小、地下水的排泄条件、岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有密切关系。一般高度达几十米到100200m不等。（4）陷落柱的中心轴：陷落柱各个平面形态的中心点的联线。通常，中心轴垂直于所穿过的岩层层面，由于陷落柱穿过的各岩层的产状、岩石性质和裂隙发育程度不同，因此，中心轴大多不是直立的，而是歪斜的，甚至是扭转的。,井下特征,陷落柱中心轴变化示意图,井下特征,2、陷落柱的柱面特征陷落柱的柱面是指陷落柱与周围正常岩层的接触面。它受岩层的岩性和结构构造的控制：软岩层凹入，硬岩层凸出；或呈滑坡状曲面。柱面与巷道顶底面交线常为一弧线，根据弧线的曲率和方向可判断陷落柱的形状、大小和中心部位。结合长短轴方向和比值，就可推测出陷落柱的平面形态。,井下特征,根据巷道与陷落柱面交线确定柱体形状大小和相遇部位,井下特征,陷落柱柱面特征,3、陷落柱的柱体组成特征由塌落的岩块堆积组合而成。与周围的正常岩层相比，塌落岩块层位较新，并具有大小悬殊、棱角分明、形状各异、混杂堆积，常为松软岩屑、煤屑和粉粒土充填粘结等特点。,井下特征,陷落柱内塌落岩块的对称分布,井下特征,（三）陷落柱与断层和河流冲蚀的区别1、从接触带特征区别陷落柱的接触面不平整而近直立，面上无擦痕和滑面；接触带中岩层微向柱心倾斜，但牵引不明显，张性裂隙发育，煤质松碎，有风化、氧化现象。断层面较平整，直立产状较少，面上擦痕、阶步和滑面发育；断层带内牵引褶皱和羽状裂隙明显，一般情况下煤未受风化。冲蚀面总的较平缓，有水流冲蚀的痕迹。,2、从地层和岩性标志区别陷落柱内充填岩块大小悬殊、棱角分明、岩性复杂、胶结疏松；折断的大型岩块层理往往直立陡倾。断层破碎带一般较窄；断层角砾较小，成分较简单，棱角被部分磨损，并显示定向排列；断层造成地层有规律的重复和缺失；两侧岩层层理很少直立状态。冲刷带内岩块较小，有磨圆现象，胶结紧密，层理清晰，岩石结构构造保持完好；冲刷带可见层位缺失现象。,陷落柱与断层和河流冲蚀的区别,3、从上下对应关系区别陷落柱具有上下对应的关系。,陷落柱内大块岩石坍塌,陷落柱与断层和河流冲蚀的区别,二、陷落柱成因,（一）岩溶发育的地质条件1、煤系或其下伏地层中含有可溶性岩、矿层，如石灰岩、白云岩或石膏矿等。2、含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断层和裂隙，尤其是导水性好的张性或张扭性断裂。3、地下水交替循环快，排泄流畅，具有良好的地下水动力条件。4、地下水源丰富，具有较大的侵蚀性。,（二）溶洞塌陷机理1、重力塌陷观点岩溶洞穴上覆岩层的塌落是由于重力作用的结果。岩溶洞穴破坏了岩层的整体性和稳定性，改变了地应力的平衡状态，致使洞顶和洞壁的岩层在重力作用下产生破裂和塌落。,2、真空吸蚀塌陷的观点真空吸蚀作用是指在岩溶真空环境中，由于封闭的溶洞内的地下水位下降，产生负压，致使封闭的盖层结构受到破坏，导致地表塌陷。必要条件：（1）溶洞上有密封性能良好的盖层；（2）岩溶空隙中地下水位不断下降，产生足够大的自然负压。,A.水位下降前的平衡状态；B.水位下降，随着向上侵蚀过程使通道被排空；,C.洞穴的顶部逐渐坍陷；D.最后的拱顶坍陷,三、陷落柱对煤矿生产的影响,（1）破坏可采煤层，减少煤炭储量（2）影响正规采煤，制约机械化作业（3）提高掘进率，降低矿井效益（4）陷落柱对煤矿安全生产造成影响,四、陷落柱的探测与预测,（一）陷落柱出现前的征兆1、煤、岩层产状发生变化煤、岩层产状的影响范围和变化程度与它的物理力学性质有关：在较松软的煤、岩层中，产状变化明显，影响范围较宽；在坚硬和脆性的煤、岩层中则变化不明显，影响范围较窄。,2、裂隙和小断层增多由于重力和真空吸蚀作用的影响，在陷落柱周围的煤、岩层中形成一些张性裂隙和小型正断层。这些断层大多倾角较陡，走向平行于柱面的切线方向，或呈弧形平行于柱面，倾向陷落柱中心，断层落差很小，走向延展不长。,陷落柱内周围小断层示意图,3、煤出现风氧化现象轻则光泽变暗，灰分略高，煤质松软；重则风化成粉末状。煤的风氧化程度和影响范围与陷落柱的大小、裂隙发育程度、距离地表的深度和地下水的活动情况等有关。4、煤层挤入破碎岩块由于煤层局部煤质松软，在地下水的侵蚀和掏空作用下，陷落岩块常沿柱体四周嵌入煤层。,5、地下水涌出量增大陷落柱既可聚积地下水，又是连接富水岩层的良好通道。在陷落柱发育的矿井内，采掘前方涌水量增大，往往是临近充水陷落柱的征兆。,陷落柱岩块挤入煤层示意图,（二）陷落柱的探测1、钻探：在探查巷道掘进前方陷落柱时，应根据巷道施工方向，平行布置或扇形布置钻孔；在探查回采工作面内部陷落柱时，一般宜采用扇形孔布置,钻孔圈定采面内陷落柱示意图,2、物探：微重力勘探无限电波透视瑞雷波勘探电法地质雷达（电磁波）地震波CT槽波勘探,(1)高庆余，煤矿区岩溶陷落柱微重力调查初探，中国煤田地质，1998,10(1)(2)刘国林，物探技术在探测岩溶陷落柱中的应用，煤炭工程，2003,(8)(3)李丽萍，利用三维地震资料解释岩溶陷落柱，矿井地质与资源环境2004年全国矿井地质学术会议,（三）陷落柱的预测1、陷落柱的分布规律预测：陷落柱是由于岩溶塌陷造