基于内部结构概化的华北型煤田岩溶陷落柱分类_牛磊.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY TD741 文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.100 l-l 986.2015.03.011 Classification of karst collapse columns in North China、coalfieldsbased on the generalized model of inside structure of the columns NIU Lei, WU Qiang, LI Bo College o/Geoscience and Surveying Engineeri晤，ChinaUniνersity of Mining inside structure; classification; key aquiclude; grouting 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，继而在各种地质因素作用下，引起上覆岩 层的失稳、塌陷而形成的筒状柱体，是岩溶作用在 华北煤田中引起的一种特殊地质现象［I］。 岩榕陷落柱对地下工程，特别是煤矿采掘工程 影响很大，如工作面布置、巷道延伸、资源损失、 甚至煤炭质量和经济效益等。就岩层阻水强度而言， 岩溶陷落柱及柱边围岩是地质体的薄弱环节，可沟 通煤系顶底板各含水层，尤其是奥陶纪灰岩含水层， 给工作面带来突水甚至淹井，危害极大。历史上出 水量最大的几次突水事故，比如1984年开谏范各庄 矿2171工作面突水、2003年邢台东庞矿2903工作 面突水以及1996年皖北任楼7222工作面突水等， 均属于岩溶陷落柱突水［2］。岩溶陷落柱已成为华北 收稿日期2014-07-23 基金项目国家自然科学基金项目（51174289 型煤田煤矿安全生产的一大隐患，最近几年逐步成 为相关研究领域的重要课题。 由于岩溶陷落柱独特的形成过程，其内部结构表 现出复杂的多样性，前人对此进行了相关研究。司海 宝等［3］根据刘桥一矿已揭露岩溶陷落柱的现场调查， 结合以往华北型煤田岩溶陷落柱资料，探讨了岩溶陷 落柱发育的地质环境，分析岩溶陷落柱柱边围岩结构 变化特点。贺志宏［4］通过钻孔窥视仪对双柳矿区的岩 溶陷落柱内部结构进行了观测。尹尚先等［5］分析了岩 溶陷落柱的内部物质特征，并分析了岩溶陷落柱的活 化突水机理。窦随兵等［6］分析了王坡煤矿陷落柱控制 因素和发育特征。此类研究虽然揭示了岩溶陷落柱的 内部组成，但未对其内部结构进行系统的概化。 岩溶陷落柱的内部结构与其发育过程和所处的 发育阶段密切相关，李永军等［7］在总结不同学者提 作者简介牛磊（1986一），男，山东泰安人，博士，研究方向为地下水水害机理及防治.E-mail nlago 引用格式牛磊，武强，李博．基于内部结构概化的华北型煤田岩溶陷落柱分类问．煤田地质与勘探，2015,433 56----60. ChaoXing 第3期牛磊等基于内部结构概化的华北型煤田岩溶陷落柱分类 57 出的重力塌陷说［町、石膏溶蚀说［9］和热液成因说等多 种岩溶陷落柱成因理论，以及对徐淮煤田多个矿区 调研基础上，将岩溶陷落柱的发育阶段分为前期发育 阶段、强烈发育阶段、衰退阶段和死亡阶段，并通过 分析岩溶陷落柱发育的不同层位，将岩溶陷落柱分为 3大类和12小类。此种分类方式较好的反映了岩溶陷 落柱的发育阶段和所处的水文地质环境，但是判断所 需条件复杂且较难获得，无法有效指导采掘工程。 本文在大量调研基础之上，结合岩溶陷落柱的 发育过程，提出了岩溶陷落柱的内部结构概化模型， 同时按照结构组合的不同，对岩溶陆落柱进行分类 分析，详尽分析了不同类型岩溶陷落柱的突水危险 性及其关键隔水段，同时对不同类型的岩溶陷落柱 煤矿采掘工程提供了建议，为岩溶陷落柱突水机理 和防治研究打下基础。 1 岩溶陆落柱内部结构概化模型的提出 岩溶陷落柱内部结构具有多样性［5］。首先，其 中堆积物质多为灰岩以及煤系地层的岩石块体，但 是不同岩溶陷落柱在同一岩层岩石下落距离不同， 甚至同一岩溶陷落柱在不同岩层岩石塌陷距离也不 同；其次，在岩溶陷落柱中存在大量围岩中不存在 的填充物质，其基质多由较细至极细的岩屑、岩粉 以及岩粒组成，填充物质在岩溶陷落柱不同高度上 组分不同，风化程度各异，胶结程度亦有不同；最 后，在岩溶陷落柱形成过程中，由于应力重分布， 陷落柱的柱壁会产生集中应力，在长期集中应力和 高压地下水的共同作用下，岩溶陷落柱柱壁的周边 形成了环绕柱体的共辄剪节理。对于规模较大的岩 溶陷落柱，在原本就比较破碎的岩层中，节理极易 联通而形成破碎带，甚至可以形成小断层或伴生断 层，成为力学上的弱面和水流的通道。故岩溶陷落 柱内部结构不同于其原始地层，亦不能用一种简单 的类型进行概化，需对其进行分段分析。 根据前人研究，笔者提出了岩溶陷落柱的概化 结构模型。如图l所示，一个典型的岩溶陷落柱， 包括堆石段、泥石浆段、岩块碎屑段和柱壁裂隙段 4个不同的部分。各个部分既有相互的联系，同时 又显示出力学和水力特征上的不同。 1.1 堆石段 堆石段位于岩溶陷落柱柱体的最下方，多位于 奥灰、寒灰等岩溶陷落柱初始溶洞的发育地层，有 时会部分甚至大部潜入石炭－二叠系地层。其堆积的 时期在岩溶陷落柱形成的初期。此时原岩受到强烈 的应力改变，导致塌落岩块体积较大；同时受到较 、〈 煤 ｜岩块碎屑段 系 〉〈．．．、／ ’ff 层 火 〉「 x I \Xi 泥石浆段 图l岩溶陆落柱内部结构概化模型 Fig. l Generalized model of internal s位uctureof karst collapse column 强的动水压力作用，导致细小的岩屑、泥质物质等 被水流带走，留下的塌落堆积物多为大、中型岩块。 对于此段，一方面使其上部岩体的应力发生了重新 分布，导致上部岩体继续塌陷；另一方面，使岩溶 地下水由巨型管流逐步改变为细小的裂隙流，甚至 逐步减弱为孔隙渗流，削减了动水能量，使动水条 件转变为静水条件。由前文可知，堆石段中水流是 否可以搬运走细小的岩屑、泥质物质等碎屑颗粒， 而水流的搬运能力主要体现在两个方面，首先是流 体作用于颗粒上的推动力，其主要取决于流体的流 速，推动力越大则其能搬运的颗粒越大；其次是取 决于流体流量的渗流荷载力，荷载力越大则能搬运 的沉积物越多。岩溶陷落柱多产生于地下水强径流 带上，形成初期的流量有所保证，则主要研究水流 的流速。根据能量原理，地下水径流速度越大，堆 石段的范围越大，此段的大小可以反映岩溶陷落柱 形成初期的地下水活跃程度。但由于岩溶陷落柱中水 流速度难以量测，堆石段上部又是良好的阻水介质， 故把柱体内的含水段等效为岩溶陷落柱的堆石段。 1.2 泥石浆段 泥石浆段在堆石段的上方，此段形成于岩溶陷 落柱发育过程的中后期。其形成的物质基础是在煤 系地层中存在易于分解同时能溶解于水的岩层，比 如泥岩、页岩或者含泥质较多的灰岩等，这些岩层 塌陷之后在固、液、气三相动力作用下迅速分解并 且与水结合形成泥浆，泥浆与周围岩层的塌陷岩块 一起，共同组成了泥石浆段的固体物质。此段的存 在，一方面起到了平衡地压、抑制围岩变形以及阻 水、堵水作用，灌入岩溶陷落柱柱体以内的泥石浆 先阻断了地下水水源的上涌通道，后封堵了其他含 水层和柱壁裂隙；另一方面，阻断水力联系后，在 重力作用下，泥石浆物质开始固结、凝固和流变， ChaoXing 58 煤田地质与勘探第43卷 逐渐形成类似泥质胶结的砾岩。一般来说，此段岩土 体的蒙古粒含量高，胶结密实，渗透率低，不含水也不 透水，在有较大的厚度时抗渗能力强，同时体内裂隙 多被填充，整体性较好，具有很高的阻水强度，属于 岩溶陷落柱中的隔水段。但如果受开采扰动，水流也 有可能压裂充填不完全的裂隙而发生导升，若与开采 所产生的裂隙带导通，也存在活化突水的可能性。 1.3 岩块碎屑段 岩块碎屑段位于岩溶陷落柱柱体的最顶部，此段 形成于陆落柱发育的后期，此时柱体下方被泥石浆段 封死，无地下水作用而出现了干式塌陷堆积，其颗粒 级配比较大，既有较大的岩块，也有含量较多的碎屑 物质。此段中岩块原层位多可辨，且同层岩块多连续 排列成层，岩层基本保持连续性。此段主要对下层柱 体起到盖压作用，裂隙一般比较发育，个别岩溶陷落 柱甚至会出现空顶现象。若在此段周围进行开挖，一 般不会发生突水事故，但需注意巷道的稳定性问题。 1.4 柱壁裂隙段 柱壁裂隙段位于岩溶陷落柱的周边，具体说来 可以分为岩溶陷落柱沿柱壁的压剪裂隙区和岩溶陷 落柱顶部的拉剪裂隙区。在岩溶陷落柱发育的各个 阶段，都经历了岩溶陷落柱柱壁的应力集中和柱顶 的应力降低，应力的重新分布使岩溶陷落柱周边相 应岩体发生了断裂破坏从而产生裂隙区。由断裂力 学原理，裂隙的扩展方向并非沿着原来的裂纹方向， 而是沿与最大主应力相垂直的方向扩展。岩溶陷落 柱存在的区域地应力多为垂直应力为主体，故在岩 溶陷落柱产生的前期，柱壁裂隙的扩展方向多为朝 向岩熔陷落柱方向的水平裂隙，而随着应力集中的 加强和柱体临空面的产生，局部的最大主应力方向 有可能转变为偏水平方向，扩展后的裂隙不再是直 线形式，而是与岩溶陷落柱柱体平行的弧线形式。 如果岩溶陷落柱柱壁周边相五临近的裂隙发生贯 通，便在柱壁周边形成了环形的裂隙带，假如裂隙 带继续发展，则有可能会成为岩溶陷落柱周边的小 断层。柱壁裂隙带的存在，一方面吸收了部分集中 应力，减缓了岩溶陷落柱的塌陷速度；但在另一方 面，增加了柱壁围岩的破碎度，同时贯通后的裂隙 带成为了天然的地下水通道，大大增加了靠近岩溶 陷落柱的巷道开挖工程和采掘工程的突水危险性。 相比较而言，柱顶的裂隙相对简单，多为垂直 方向的裂隙，其一方面切割了原岩，为进一步塌陷 提供了基础；另一方面，如果在柱顶进行工程施工 时，此段的存在减少了完整岩体的厚度，同时为地 下水的导升提供了通道，需对此段进行密切的关注。 2 岩溶陷落柱按内部结构分类 由前文可知，岩溶陷落柱内部结构与其所处的 发育阶段密切相关，由于其发育阶段的不连续性， 岩溶陷落柱的内部结构也表现出差异，其各个部分 的组合呈现出多样性。具体分类方案如表1所示。 堆石型岩溶陷落柱（图2），此类岩溶陷落柱位于 现代地下水强径流带上，处于岩溶陷落柱发育的前 期，此类岩溶陷落柱柱体内部均为大中型块体，同 时又与底部岩溶含水层保持良好的联通，内部充水 良好且拥有充足的水力补充；柱壁边缘的裂隙尚未 联通，虽然降低了周边围岩的强度，但并未在柱边 形成导水裂隙带。若开挖工程靠近岩溶陷落柱的周 围，岩溶陷落柱和开采面的之间的围岩在开采扰动 应力和柱体内高压地下水的共同作用下极易发生破 表1岩溶陆落柱按照内部结构分类表 Table 1 Classification of karst collapse columns based on their internal structure 溶陷落柱类型结构组成胶结程度突水危险性关键隔水段举例 堆石型堆石段未胶结极大 柱壁与工作面之间的 东庞矿X7陷落柱 防水煤岩柱 堆石裂隙型堆石段＋柱壁裂隙段未胶结极大 裂隙带与工作丽之间的 任楼矿A3陷落柱 防水煤岩柱 堆石泥石浆型堆石段＋泥石浆段胶结或半胶结较小 工作面与堆石段之间的 刘桥一矿A2陷落柱 泥石浆段 堆石泥石浆裂隙型堆石段＋泥石浆段＋裂隙段胶结或半胶结较大 裂隙带与工作面之间的 西铭矿X4陷落柱 防水煤岩柱 堆石碎屑型堆石段＋岩块碎屑段未胶结或局部胶结中等工作面与堆石段间的岩块范各庄矿7号陷落柱 泥石浆型泥石浆段胶结小泥石浆通二矿8号陷落柱 综合型 堆石段＋泥石浆段＋ 胶结小泥石浆杨应矿3号陷落柱 岩块碎屑段＋裂隙段 柱壁小断层型柱壁存在裂隙扩展形成的小断层不定较大 断层与工作面之间防水 刘桥一矿A6陷落柱 煤岩柱或泥石浆 ChaoXing 第3期牛磊等基于内部结构概化的华北型煤田岩溶陆落柱分类 59 工作面 工作而 煤 系 图2堆石型岩溶陷落柱 Fig.2 Sketch of karst collapse column with enrockment 坏而发生大规模的突水。同时，此类岩溶陷落柱中的 水压力较高且极易活化，故也不易采用注浆等方法阻 水。在工程中，应尽量规避此类岩溶陷落柱，留足充 足的防水煤岩柱，同时应密切观察高压岩溶含水层的 水位变化，加强施工过程中的时实监测，防止岩溶陷 落柱继续发育对采矿工程的影响。 堆石裂隙型岩溶陷落柱（图3），此类岩溶陷落柱 的填充情况和水力性质与堆石型岩溶陷落柱类似，不 同在于柱壁裂隙已经贯通，导水的不仅有柱体，还包 括了柱壁的裂隙带。此类岩溶陷落柱的突水危险性同 样巨大，在预留防水煤岩柱时不仅需要考虑柱体内的高 压孔隙水，还需考虑到柱壁的裂隙水。 王韭E 防水岩柱『一 加二煤系 裂隙段 层 堆石段 图3堆石裂隙型岩溶陆落柱 Fig.3 Sketch of karst collapse column with enrockment and 台actures 堆石泥石浆型岩溶陷落柱（图4），此类岩溶陷落 柱已经处于岩溶陷落柱发育的中后期，已形成了完整 的泥石浆段。泥石浆段的存在，可以有效的阻断水流 的上涌。对于此类岩溶陷落柱，如果开挖工程在堆石 段所处的层位，则突水危险性类同于堆石型岩溶陷落 柱，需留足防水煤岩柱；如果开挖工程在泥石浆段所 处层位，若不穿越、揭露岩溶陷落柱，则基本没有突 图4堆石泥石浆型岩溶陷落柱 Fig.4 Sketch ofkarst collapse column with enrockment and mud 水危险性，但如果靠近甚至穿越岩溶陷落柱，那么防 水关键层就是泥石浆段，若此段厚度较小，也有较大 的突水危险。 堆石泥石浆裂隙型岩溶陷落柱（图5），此类岩溶 陷落柱相对于堆石泥石浆型岩溶陷落柱的不同在于 其泥石浆未能有效的封闭岩溶陷落柱柱壁的裂隙带， 柱壁裂隙依然导水。对于此类岩溶陷落柱，同样要在 工程中规避堆石段。如果必须强行穿越泥石浆段，在 预留足够厚度的泥石浆段阻水的前提下，还必须在柱 壁进行注浆，对围岩进行加固，阻断柱壁的水流上行 通道，同时加强观测。 王韭E 防水岩柱『一 图5堆石泥石浆裂隙型岩溶陷落柱 Fig.5 Sketch of collapse column with enrockment, mud and 合actures 堆石碎屑型岩溶陆落柱（图6），此类岩溶陷落柱 的发育情况是跳跃的，在岩溶陷落柱的发育前期，由 于构造运动等影响，水文地质条件有所变化，地下水 径流大大减缓，柱体未被充分填充而直接过渡到发育 停止阶段。故其内部未有泥石浆段，此类岩溶陷落柱 内部松散，是良好的导水介质，但岩溶含水层的富水 性较差，故此类岩溶陷落柱一般条件下突水危险’性不 ChaoXing 60 煤田地质与勘探第43卷 图6堆石碎屑型岩溶陷落柱 Fig.6 Sketch of karst collapse column with elastic enrockment 大，但若在水文地质条件发生改变时还是很有可能发生 突水的。若穿越此类岩溶陷落柱，最好对柱体岩体进行 注浆加固，同时密切观测岩溶含水层的水位，防止水位 上升引起岩溶陷落柱的重新发育。 泥石浆型岩溶陷落柱（图7），此类岩溶陷落柱的 柱内全部被泥石浆充填，开挖工程中只需与岩溶含水 层保持足够的距离，便可以安全通过。 工作面或苍道 煤系山石层 防水泥石浆段 图7泥石浆型岩溶陷落柱 Fig.7 Sketch of karst collapse column with mud 综合型岩溶陷落柱是经过了整个发育过程的岩 溶陷落柱，其内拥有良好的隔水段，同时水源富水性 较差，突水危险性较低，也可以通过快速施工而安全 穿越，此类陷落柱示意图如图1。 柱壁小断层型岩溶陷落柱（图的，此类岩溶陷落 柱是柱壁裂隙极端发育的岩溶陷落柱，由于断层的存 在，水流可能沿着断层跨越岩溶陷落柱中的隔水段， 而使泥石浆段失去作用。对于此类岩溶陷落柱，需探 明柱边断层的分布和发育情况，利用多种手段，防止 断层的活化而引起岩溶陷落柱突水的发生。 3结论 a.岩溶陷落柱的内部结构与原始围岩呈现出显著 的不同，按照内部充填物质的性质，可以大体分为 王韭E 防水岩柱lJ lγ柱顶裂隙 煤系岩层 图8柱壁小断层型岩溶陷落柱 Fig.8 Sketch of karst collapse column with wall crack 堆石段、泥石浆段、岩块碎屑段和柱壁裂隙段4个不同 的部分，各个部分显示出力学和水力特征上的不同。 b.岩溶陷落柱的内部结构呈现出多样性，相同 结构组合的陷落柱的形成过程大体类似，且表现出类 似的岩石力学和水力学性质，故可按照内部结构将岩 溶陷落柱分为堆石型、堆石裂隙型、堆石泥石浆型、 堆石泥石浆裂隙型、堆石碎屑型、泥石浆型、综合型 和柱壁小断层型8类。 c.按照岩溶陷落柱内部结构分类后，可对具体 类型的岩溶陷落柱突水危险性进行大体评价，明确具 体工程的关键隔水段，对工程的设计、施工进行指导， 确保其安全。 参考文献 川尹尚先，武强，王尚旭华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探 讨［几岩石力学与工程学报，2004,231 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