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[摘 要]陷落柱是影响阳煤一矿生产的最主要的地质因素。本文指出了阳煤一矿陷落柱的发育及分布规律，简要分析了陷落柱突水机理，最后提出了陷落柱的水害的防治水对策，通过系统的分析，阐述了煤矿陷落柱水害特征及其防治技术。
[关键词]陷落柱 发育规律 防治技术
中图分类号：S471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0090-01
1 概况
阳煤一矿位于山西省阳泉市西北和盂县交界处，行政区隶属于阳泉市管辖。井田内的落雁垴-庙梁分水岭是阳泉市、盂县行政分界线。井田南部为阳泉市旧街、兴辛及平坦乡管辖；北部归盂县的南娄、路家村乡及阳泉市的燕龛乡和荫营镇管辖。一矿井田位于矿区大单斜的西北部，其构造形态基本上也呈一单斜状，其走向为北西，倾向为南西。沿单斜走向和倾向均发育有次一级的较平缓的褶皱群和层间断裂构造，局部地段发育有陡倾挠曲，尤其是本井田陷落柱较发育。目前在井田内共发现陷落柱530多个，其中绝大部分为井下采掘工程所揭露，地面调查和勘探查明的陷落柱只占总数的3.9%。陷落柱目前乃至时今后影响生产的最主要的地质因素。
2、井田陷落柱特征及发育规律
从阳煤一矿矿区岩溶陷落柱平面展布情况来看，岩溶陷落柱呈群分片出现。从井下揭露情况来看，陷落柱比较集中分布于井田的中部区域，自南往北陷落柱数量增多、密度变大。但每个陷落柱的具体位置分布没有明显的规律性，从煤层底板上看，陷落柱群的大致方向为NW-SE向，且在巨沟村背斜、烟咀-高家沟-常家沟向斜和杨家峪-红简沟-周家山背斜有大量陷落柱发育，占总数80%以上。陷落柱的形态特征是指陷落柱的三度空间形状。现以3#煤层揭露的陷落柱为例，从陷落柱的平面和剖面形态和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。
（1）平面形态
它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。一般呈椭圆形，也可呈圆形、蚕豆形或长条形等。本矿井田内的陷落柱在煤层底板上的平面投影形状大多呈椭圆形，极少数为不规则形或似圆形。陷落柱的直径大小相差悬殊，最大的直径为385m，最小的仅为10m。陷落柱长轴方向性不太明显，但大体上可以看出有三组方向较为发育。即320°～330°一组较为发育，以10°～20°、80°～90°两组次之。通过对3#煤层揭露的陷落柱长轴方向进行统计，可以得出：陷落柱长轴方向以北西方向为主，占总数的47%。
（2）剖面形态
它是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落柱形态。剖面形态与所穿透的各岩层的岩石性质有关，如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层（如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层），则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层（如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层），则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水平面的交角为60-80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍是锥形柱状。陷落柱的柱体形态并不很规则，根据揭露的情况来看，陷落柱在剖面上呈切顶锥体形态出现，陷落角一般为78°～80°，一般下部比上部大。且柱体多倾斜，倾斜方向不一。
（3）陷落柱的中心轴
陷落柱的中心轴是指陷落柱各平面形态的中心点的连线。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常有变化，因此，中心轴大多不是垂直的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。究其原因有二：一是受后期构造运动（层滑构造）的影响，柱体部分层段产生了水平方向的位移。二是由于陷落柱形成时，上覆岩层的物理力学性质在竖向上的不均性和力学结构面（节理、裂隙、层理、断层等）在不同方向上的切割，造成陷落柱向岩层相对软弱或裂隙相对发育的一侧偏移。因此柱体中心轴形态表现为歪斜、弯曲、扭转形态。从剖面上几个煤层揭露同一个陷落柱的情况分析，大多数中轴线位置都有不同程度的偏移，3号～12号煤层（层间距90米）的偏移距离最大为30～40米，12号～15号煤层（层间距40米）的偏移距离最大为20米。掌握中心轴的倾伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、下部水平陷落的平面位置非常重要。
3、陷落柱的突水防治技术研究
3.1 陷落柱突水机理
陷落柱柱体内部物质杂乱无章，柱体边缘多受断层、穿层节理控制，垮落过程中，周边围岩又因卸荷、位移、松动弯曲下沉等原因，产生了一些新的裂隙，因此在有的柱体边界处，存在有裂隙带、破碎带、 泥化带，它们为该处岩体上的软弱带，煤矿陷落柱突水与煤层采动有关，采矿活动导致围岩强度降低进而引发陷落柱突水。
3.2 陷落柱突水的防治技术
煤矿在生产过程中，现场工人应及时掌握以上陷落柱围岩特征与突水征兆，并进行超前钻探测，做好现场的预测预报工作，也可通过陷落柱矿物成分鉴别，水化学成分判别等实验手段鉴别陷落柱的存在；一矿多利用钻探、三维物探、工程物探、地质雷达、瞬变电磁法、音频电透视等地球物理手段确定陷落柱的位置或富水性，地球物理方法也是目前最有效的陷落柱探测手段。对于煤矿陷落柱的防治，主要可采取预防类和截流注浆类两大方面的技术措施。前者主要是在探明陷落柱发育位置，地层层位以及小构造影响带范围的基础上，采矿工程绕过陷落柱区域的技术措施，主要有留设防水煤岩柱等措施； 后者主要采取堵、截、引、固等技术将预先配成的低渗透浆液或骨料注入陷落柱断裂破碎带含水层裂隙等，使之与围岩固结，在陷落柱周围岩层体中形成低渗或阻水性质的并具有一定强度的隔水带，以起到堵塞过水通道充填含水层空隙减低渗透性，增大围岩隔水性能的作用，此类技术主要有止水帽技术预注浆技术 、直接封堵技术、帷幕注浆技术、引流注浆技术、巷道截流技术等。一般地，陷落柱水害发生后，腔洞顶部出现空洞，井上下注浆封堵陷落柱柱内边缘围岩裂隙或打钻联通上部空洞并充填骨料将动水流变为渗透流，改善胶结程度，减小裂隙空隙率，切断导水通道，预注浆或截流注浆一定量后，浆液不可能通过小的裂隙扩散充填到已封闭的较小裂隙以外的区域，这时，需通过引流注浆使在泵压驱动下沿大通道流动的浆液，在引流水压差与泵压推动的合力作用下，流经未充填好的其他通道。为确保垂向导水陷落柱的治理效果，彻底切断导水通道下部水源，常在垂向导水通道的特定位置建立人工阻水塞，以保证被淹矿井的排水。针对不同类型陷落柱应有不同的防治水技术，对不充水型陷落柱，应在柱体周围进行水泥砂浆加固，并在巷道中施工密闭墙； 对充水型陷落柱，生产中一旦揭露必须立即撤人，对巷道或工作面进行封闭，在地面或者地下对陷落柱水源层进行帷幕注浆，将陷落柱导水通道截断，达到防治目的。
结论
目前阳煤一矿的实践表明，大多数陷落柱是不导水的，但在一定采动条件影响下，也可能转化为导水陷落柱，因此正确的分析陷落柱的分布规律、充分认识陷落柱的突水机理，对于制定有效治理措施、防治突水事故发生，对于煤矿安全生产起着重要作用。
参考文献
[1] 尹尚先，吴文金，李永军等.华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究.北京煤炭工业出版社，2008.
[2] 杨高峰.马兰矿松散陷落柱特征及对生产危害性分析.山西焦煤科技，2007，（1）：26-28.
[3] 赵金贵.西山煤田岩溶陷落柱形态学特征及构造水文演化.太原理工大学.2004.5.
[关键词]陷落柱 发育规律 防治技术
中图分类号：S471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0090-01
1 概况
阳煤一矿位于山西省阳泉市西北和盂县交界处，行政区隶属于阳泉市管辖。井田内的落雁垴-庙梁分水岭是阳泉市、盂县行政分界线。井田南部为阳泉市旧街、兴辛及平坦乡管辖；北部归盂县的南娄、路家村乡及阳泉市的燕龛乡和荫营镇管辖。一矿井田位于矿区大单斜的西北部，其构造形态基本上也呈一单斜状，其走向为北西，倾向为南西。沿单斜走向和倾向均发育有次一级的较平缓的褶皱群和层间断裂构造，局部地段发育有陡倾挠曲，尤其是本井田陷落柱较发育。目前在井田内共发现陷落柱530多个，其中绝大部分为井下采掘工程所揭露，地面调查和勘探查明的陷落柱只占总数的3.9%。陷落柱目前乃至时今后影响生产的最主要的地质因素。
2、井田陷落柱特征及发育规律
从阳煤一矿矿区岩溶陷落柱平面展布情况来看，岩溶陷落柱呈群分片出现。从井下揭露情况来看，陷落柱比较集中分布于井田的中部区域，自南往北陷落柱数量增多、密度变大。但每个陷落柱的具体位置分布没有明显的规律性，从煤层底板上看，陷落柱群的大致方向为NW-SE向，且在巨沟村背斜、烟咀-高家沟-常家沟向斜和杨家峪-红简沟-周家山背斜有大量陷落柱发育，占总数80%以上。陷落柱的形态特征是指陷落柱的三度空间形状。现以3#煤层揭露的陷落柱为例，从陷落柱的平面和剖面形态和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。
（1）平面形态
它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。一般呈椭圆形，也可呈圆形、蚕豆形或长条形等。本矿井田内的陷落柱在煤层底板上的平面投影形状大多呈椭圆形，极少数为不规则形或似圆形。陷落柱的直径大小相差悬殊，最大的直径为385m，最小的仅为10m。陷落柱长轴方向性不太明显，但大体上可以看出有三组方向较为发育。即320°～330°一组较为发育，以10°～20°、80°～90°两组次之。通过对3#煤层揭露的陷落柱长轴方向进行统计，可以得出：陷落柱长轴方向以北西方向为主，占总数的47%。
（2）剖面形态
它是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落柱形态。剖面形态与所穿透的各岩层的岩石性质有关，如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层（如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层），则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层（如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层），则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水平面的交角为60-80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍是锥形柱状。陷落柱的柱体形态并不很规则，根据揭露的情况来看，陷落柱在剖面上呈切顶锥体形态出现，陷落角一般为78°～80°，一般下部比上部大。且柱体多倾斜，倾斜方向不一。
（3）陷落柱的中心轴
陷落柱的中心轴是指陷落柱各平面形态的中心点的连线。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常有变化，因此，中心轴大多不是垂直的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。究其原因有二：一是受后期构造运动（层滑构造）的影响，柱体部分层段产生了水平方向的位移。二是由于陷落柱形成时，上覆岩层的物理力学性质在竖向上的不均性和力学结构面（节理、裂隙、层理、断层等）在不同方向上的切割，造成陷落柱向岩层相对软弱或裂隙相对发育的一侧偏移。因此柱体中心轴形态表现为歪斜、弯曲、扭转形态。从剖面上几个煤层揭露同一个陷落柱的情况分析，大多数中轴线位置都有不同程度的偏移，3号～12号煤层（层间距90米）的偏移距离最大为30～40米，12号～15号煤层（层间距40米）的偏移距离最大为20米。掌握中心轴的倾伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、下部水平陷落的平面位置非常重要。
3、陷落柱的突水防治技术研究
3.1 陷落柱突水机理
陷落柱柱体内部物质杂乱无章，柱体边缘多受断层、穿层节理控制，垮落过程中，周边围岩又因卸荷、位移、松动弯曲下沉等原因，产生了一些新的裂隙，因此在有的柱体边界处，存在有裂隙带、破碎带、 泥化带，它们为该处岩体上的软弱带，煤矿陷落柱突水与煤层采动有关，采矿活动导致围岩强度降低进而引发陷落柱突水。
3.2 陷落柱突水的防治技术
煤矿在生产过程中，现场工人应及时掌握以上陷落柱围岩特征与突水征兆，并进行超前钻探测，做好现场的预测预报工作，也可通过陷落柱矿物成分鉴别，水化学成分判别等实验手段鉴别陷落柱的存在；一矿多利用钻探、三维物探、工程物探、地质雷达、瞬变电磁法、音频电透视等地球物理手段确定陷落柱的位置或富水性，地球物理方法也是目前最有效的陷落柱探测手段。对于煤矿陷落柱的防治，主要可采取预防类和截流注浆类两大方面的技术措施。前者主要是在探明陷落柱发育位置，地层层位以及小构造影响带范围的基础上，采矿工程绕过陷落柱区域的技术措施，主要有留设防水煤岩柱等措施； 后者主要采取堵、截、引、固等技术将预先配成的低渗透浆液或骨料注入陷落柱断裂破碎带含水层裂隙等，使之与围岩固结，在陷落柱周围岩层体中形成低渗或阻水性质的并具有一定强度的隔水带，以起到堵塞过水通道充填含水层空隙减低渗透性，增大围岩隔水性能的作用，此类技术主要有止水帽技术预注浆技术 、直接封堵技术、帷幕注浆技术、引流注浆技术、巷道截流技术等。一般地，陷落柱水害发生后，腔洞顶部出现空洞，井上下注浆封堵陷落柱柱内边缘围岩裂隙或打钻联通上部空洞并充填骨料将动水流变为渗透流，改善胶结程度，减小裂隙空隙率，切断导水通道，预注浆或截流注浆一定量后，浆液不可能通过小的裂隙扩散充填到已封闭的较小裂隙以外的区域，这时，需通过引流注浆使在泵压驱动下沿大通道流动的浆液，在引流水压差与泵压推动的合力作用下，流经未充填好的其他通道。为确保垂向导水陷落柱的治理效果，彻底切断导水通道下部水源，常在垂向导水通道的特定位置建立人工阻水塞，以保证被淹矿井的排水。针对不同类型陷落柱应有不同的防治水技术，对不充水型陷落柱，应在柱体周围进行水泥砂浆加固，并在巷道中施工密闭墙； 对充水型陷落柱，生产中一旦揭露必须立即撤人，对巷道或工作面进行封闭，在地面或者地下对陷落柱水源层进行帷幕注浆，将陷落柱导水通道截断，达到防治目的。
结论
目前阳煤一矿的实践表明，大多数陷落柱是不导水的，但在一定采动条件影响下，也可能转化为导水陷落柱，因此正确的分析陷落柱的分布规律、充分认识陷落柱的突水机理，对于制定有效治理措施、防治突水事故发生，对于煤矿安全生产起着重要作用。
参考文献
[1] 尹尚先，吴文金，李永军等.华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究.北京煤炭工业出版社，2008.
[2] 杨高峰.马兰矿松散陷落柱特征及对生产危害性分析.山西焦煤科技，2007，（1）：26-28.
[3] 赵金贵.西山煤田岩溶陷落柱形态学特征及构造水文演化.太原理工大学.2004.5.