摘要：淮北煤田閘河礦區，古陷落柱構造少有發育。袁莊煤礦在2006年10月生產工作面揭露一古陷落柱并成功改造。但經過對該古陷落柱構造的分析，得出該陷落構造的形成層位、成因、空間形態及其對下一步袁莊礦6煤層開采的影響等相關結論。
　　關鍵詞：陷落柱；空間形態；真空吸蝕；
　　
　　2006年10月，淮北礦業集團袁莊煤礦正在回采的Ⅳ31212工作面在回采過程中，在無預兆的情況下，揭露一古陷落柱構造，嚴重威脅生產安全。雖通過及時與徐州中礦地質工程有限科技開發有限公司聯系并進行合作，采用瞬變電磁法判斷了該陷落柱的富水性及影響范圍，并依此拿出了合理的改造方案，成功順利的通過該陷落柱構造，確保了生產的安全進行，但其教訓是深刻的。所以有必要，對該陷落柱構造進行詳細的分析，以便為下部煤層的開采，提供更加準確可靠的地質資料。該陷落柱為袁莊礦自投產以來揭露的第二個陷落柱構造，故暫稱為2#陷落柱。（發表論文）
　　12#陷落柱的井下觀測
　　2#陷落柱位于Ⅳ31212工作面的中部，平面形狀似圓形，平均直徑45m。與柱體相接部位的煤層及其頂底板產狀正常，無明顯變化。但距柱體15m范圍內，連續發育落差不足1m的小斷層多條，且均為正斷層。斷層面頃向面向柱體，小斷層的斷層面走向近似于柱體邊緣相切。煤質無明顯變化。柱體與回采煤層31煤層的接觸面處，31煤一側為明顯的凹凸不平的高角度傾斜面，呈鑲嵌狀，無擦痕。與柱體接觸處有煤粉、巖屑組成的軟泥。柱體內，巖塊大小不一，直徑從幾厘米至幾十幾厘米不等，排列雜亂無章。巖塊多為31煤層上覆過渡相及陸相碎屑巖，含有大量黃色顆粒晶體。柱體內部膠結較好。柱體附近，煤層頂板淋水，涌水量基本穩定在20m3/h左右。
　　
　　
　　22#陷落柱的成因分析
　　2.1陷落柱的普遍成因
　　巖容陷落柱是局部地層中的巖溶塌陷現象，巖溶陷落柱發育的普遍地質條件如下：
　　1）含煤巖系或其下部地層中含有可溶性巖、礦層。這些巖層或礦層易被地下水溶蝕后出現溶洞，并有逐步擴大的可能；
　　2）含煤區域內，發育有良好的地下水通道。主要是指斷裂構造造成地面水系、井下富水層位與可溶性巖、礦層之間的水力聯系；
　　3）地下水源豐富，且含有溶蝕性大的各種酸根；
　　4）有流暢的排泄口，地下水動力條件較好，交替循環，有較強的侵蝕“掏空”能力。
　　巖溶是形成陷落柱的先決條件，但并不是所有的巖溶體都會形成陷落柱。導致巖溶坍埸也是有條件的，對其致塌機理，目前有以下幾種觀點：
　　1）重力塌陷的觀點
　　巖溶使巖層的整體性、穩固性遭到破壞，其上覆巖層在重力作用下產生裂隙，而后導致巖體塌落，真至巖溶空間自然平衡拱形成，上覆巖層得到相對的穩定。同于地下水的繼續活動，巖溶仍有可能進一步擴展，再次使巖層失去平衡，不斷垮落，不斷擴大，逐漸形成幾米、幾十米，以至數百米的陷落柱。
　　2）真空吸蝕塌陷的觀點
　　在相對密封的承壓巖溶網絡地下水中，由于某些原因，引起水面的下降。逐漸增大的巖溶空腔必定轉化為低氣壓狀態，似呈真空的空腔。隨著水面的不斷降低，不斷增大的真空腔，不斷地對上部蓋層的內部結構發生微觀的真空吸蝕掏空作用，作蓋層的巖、土層底部呈現顆粒狀或片狀，快速地自行剝落，直至坍塌破壞。
　　3）物理化學綜合作用塌陷的觀點
　　陷落柱的成因相當復雜，是由多種因素綜合的物理化學作的結果。如：巖層內部物質的重結晶作用；地下水循環造成的沖蝕及溶蝕作用；有機質分解立物的化學作用等。
　　2.22#陷落柱的成因分析
　　一、水文地質條件概況
　　（一）新生界含、隔水層（組）特征
　　本區煤系均被新生界松散層所覆蓋，可分為一個含水層（組）和一個隔水層（組）。
　　1）第四系上部含水層（組）
　　一般自地表垂深3~5m起，底界深度一般25m左右。含水砂層厚度15m左右。巖性主要由淺黃色、淺灰色粉砂、粘土質砂組成，局部為細砂，夾有砂質粘土、粘土薄層。本組分布穩定，其上部為潛水，下部為弱承壓水，據本礦抽水資料q=0.561L/s.m，K=4.21m/d，水質為HCO3•Cl-Mg•Ca型，礦化度為0.49～1g/l，PH值7.0～7.3。
　　2）第四系底部隔水層（組）
　　底界深度一般50m左右。隔水層一般厚度20m左右。該組主要為粘土夾礫石。本組分布較穩定，隔水性能較好。
　　（二）二迭系煤系含、隔水層（段）
　　區內二迭系含煤地層主要由泥巖、粉砂巖、砂巖及煤層組成，以泥巖、粉砂巖為主，整個二迭系含水層含水性較弱，含、隔水層（段）無明顯界限可分，只能依靠地層剖面巖性與礦內主要可采煤層間的關系劃分為如下含、隔水層（段），自上而下分別為：
　　基巖風化帶含水層（組）
　　石盒子組上部隔水層（組）
　　石盒子組砂巖裂隙含水層（組）
　　石盒子組下部隔水層（組）
　　3～5煤含水層（組）
　　鋁質泥巖隔水層（組）
　　6煤層砂巖裂隙含水層（組）
　　6煤下至太原組隔水層（組）
　　以上各含水層（組）中以砂巖裂隙含水為主，據鉆孔資料及井下生產實際揭露情況，二迭系砂巖裂隙水主要以靜儲量的形式賦存于砂巖層裂隙之中，受構造控制。砂巖裂隙一般不發育，即使局部地段裂隙發育，也具不均一性，抽水試驗單孔單位涌水量一般較小。據礦內對6煤頂底板砂巖抽水試驗，q=0.00126～0.01055l/s.m，K=0.00133～0.0122m/d，礦化度2.16g/l，水質為SO4•Cl-Na•Ca類型。
　　從以上資料可以看出本區主采煤層頂、底板砂巖裂隙含水性不均，水量不太豐富。
　　（三）太原組石灰巖巖溶裂隙含水層（組）
　　太原組灰巖富水性不均一，其富水性強弱，取決于巖溶裂隙發育程度，一般規律是淺部露頭帶巖溶裂隙發育，富水性比深部強，即使在同一深度，其巖溶裂隙的發育程度也具不均一性，但一般情況下是1-4層灰巖溶裂隙較發育，富水性較好。
　　本礦太原組灰巖巖性為灰白色細～粗粒結晶狀灰巖與泥巖及砂質泥巖互層，灰巖共有12層，多呈薄層狀，分層厚0～14.8m，累計厚度約63.54m，含水層總厚度164m左右，為灰巖裂隙溶洞承壓水，根據區域水文地質資料，該含水層含水不均一，富水性隨埋深增加而減弱，如埋深在115～273m區間，q=0.745L/s.m，而在448～520m區間，q=0.012L/s.m，同時，處在同一標高，該含水層之富水性比其它二疊系各含水層強。K=0.09596～0.7161m/d，水質類型為SO4•Cl-Na•Ca型，礦化度1.16～1.23g/l，硬度11.8～26.2德國度，PH值=7.2～7.7。本區07-觀1孔1-4灰注水試驗，q=0.0556L/s.m，K=0.1966m/d。　　
　　二、2#陷落柱的形成
　　1）2#陷落柱的底部開始形成層位
　　2#陷落柱位于牛眠向斜軸部附近。而牛眠向斜是一受水平構造應力形成的褶曲構造，同一巖層在向斜軸部較向斜兩翼較好。軸部平緩，軸心隆起，呈明顯的“W”形，具有典型的復式向斜的特征。向斜軸部構造應力集中，裂隙及斷裂構造發育。為煤系地層下部可溶性巖層形成溶洞，提供了可能。
　　根據區域水文地質條件，袁莊礦區太原組含灰巖12層，其中4灰分層較厚，含水量較大。且經過水質化驗，水質類型為SO4•Cl-Na•Ca型，礦化度1.16～1.23g/l，硬度11.8～26.2德國度，PH值=7.2～7.7。我們知道，當PH值低于8時，水中所有碳酸均呈游離CO2和HCO3-離子狀態存在，具有較強的腐蝕性。同時，根據袁莊礦區正常地溫梯度計算，在2#陷落柱發育位置，4灰的地溫應該在30°~40°之間，進一步促進了灰巖水的溶蝕性，為容洞的發育提供了可能。
　　除4灰外，另一層陷落柱底部溶洞可能發育層為奧陶系灰巖。但在本區。奧陶系埋深較大，約在-700左右，富水性較弱。同時，若2#陷落柱發育于奧灰，而影響到31煤層，并在31煤中柱體直徑達50m，則該陷落柱高度至少為200m以上，如此高度的陷落柱，在淮北閘河礦區開采多年來，從未有過的。此外，袁莊礦區，奧灰水水位在-700處，水頭壓力必然較大，形成的陷落柱也應該多為導水陷落柱，這一點特性也與2#陷落柱特性不符。綜上，可初步判斷2#陷落柱始發育于太原組4灰。
　　
　　2）溶洞的擴大及坍塌過程
　　在溶洞形成之后，伴隨一系列的物理化學作用，溶洞不斷擴大。后在溶洞上覆巖層自重和溶洞真空吸蝕的交互作用下，引起溶洞頂蓋的坍塌，進而形成陷落柱。根據該區域地質條件分析，2#陷落柱，高度約為120m左右，平面形狀為似圓形。結合區域地層產狀，可以發現2#陷落柱的平面形狀很有特點，平面圓形向地層上方凸起。這從側面反應出，該區域上下巖層產狀基本一致，變化不大，這與該區域的已知地質條件相吻合。同時考慮到該區域，4灰的厚度及區域裂隙發育程度，可以認為在2#陷落柱的形成過程中，溶洞的真空吸蝕作用占居主導地位。進而可以推斷，形成2#陷落柱的底部溶洞，不會太大。
　　從31煤層往下，直至太原組灰巖，均為過渡相砂泥巖互層，巖石性質較均一。因而在陷落柱的形成過成中，柱體側斜角度會相對較均一。因柱體內部，巖塊膠結較好，能夠起到良好的阻水作用。所以在31煤層工作面揭露2#陷落柱時，并未引起水災。
　　
　　3）2#陷落柱的形狀
　　經過上述分析，可以初步判定2#陷落柱的形態，平面及剖面如圖示：
　　2.32#陷落柱分析對6煤開采的意義
　　1）2#陷落柱本身對6煤開采的影響
　　經過上述分析，可知2#陷落柱在6煤回采過程中，勢必要揭露，且位置和斷面直徑均會有所變化。由于6煤層本身離太原組灰巖較近，不排除2#陷落柱在6煤層導水的可能性，因此，必須引起高度重視。在6煤層開拓和采區布置時，予以考慮。
　　
　　2）其它影響
　　2#陷落柱的揭露及其形成過程的推測，表明在袁莊礦區，灰巖溶洞時有發育。并有可能，在6煤層開采過程中，揭露一些未影響到31煤層的古陷落構造。同時，灰巖中發育的陷落構造，大大降低了，6煤底板的有效隔水厚度，使奧灰水對6煤層的開采威脅加巨。因此，在6煤開采過程中，對煤層底板灰巖水的防治將是重中之中。
　　
　　參考文獻：
　　[1]車樹成.《煤礦地質學》[M]中國礦業大學出版社
　　[2]《袁莊煤礦礦井地質報告》
　　[3]柴登榜.《礦井地質工作手冊》[M]煤灰工業出版社