礦井地質學-陷落柱-嘟嘟

1、巖溶陷落柱探查與治理,主講人： 嘟嘟,主 要 內 容,1概論1.1 陷落柱的概念與基本特征1.2 陷落柱分類1.3 陷落柱對煤礦安全的危害1.4 典型陷落柱突水淹井案例2陷落柱探查方法2.1 “中間層”綜合水文地質試驗2.2 物理探查2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術2.4 巷道掘進與工作面回采陷落柱探測3陷落柱治理技術3.1 三段式封堵3.2 “堵水塞”建造3.3 陷落柱與突水水源封堵3.4 不（

2、含）導水陷落柱處理3.5 效果評價,1.1 陷落柱的概念與基本特征,1）基本概念陷落柱是1937年德國人在井陘煤礦誤作“環(huán)形斷層”首先提出的，后因其無序的內部結構，而被稱為“矸子窩”、“無炭柱”、“塌陷柱”。1944年日本技術人員將其定名為“陷落柱”。 巖溶陷落柱：在石灰?guī)r等可溶性巖石地區(qū)，由于地下水的溶蝕作用形成洞穴，上覆非可溶性巖層向巖溶洞穴中塌陷的一種地質現(xiàn)象，因形成的塌陷體多呈環(huán)形柱狀，俗稱巖溶陷落柱。,1概論,

3、1.1 陷落柱的概念與基本特征,2）形成機理與成因巖溶陷落柱形成機理的代表性學說有6種：重力說， 康顏仁（1992）陷落柱形成分三個階段：首先是巖溶洞穴形成階段，地下水沿著可溶性巖石的節(jié)理裂隙和斷層運動，使裂隙逐漸擴大。于是大量巖溶水匯集其中，不但進行化學溶蝕，而且進行機械侵蝕作用，頂部和兩側巖層坍塌形成溶洞；第二階段是溶洞再擴大并形成第二層溶洞，由于地殼上升溶洞也隨之擴大，還會發(fā)育第三、四層溶洞；第三階段是上覆非可溶性巖層

4、的塌陷，形成陷落柱。當地殼繼續(xù)上升，地下水位下降，不僅第一層溶洞坍塌，第二層溶洞也開始坍塌。這樣坍塌不斷增長，當兩層溶洞的位置接近一條垂直線時，則有可能連接起來，陷落柱的高度增大，這就是為什么有些陷落柱高度達數百米的原因。 強調溶蝕與重力作用,1概論,1.1 陷落柱的概念與基本特征,膏巖說， 錢學博（1960） 陷落柱是石膏喀斯特產物。在中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r中賦存有很厚的硬石膏，峰峰組灰?guī)r中也夾有石膏層。由于地

5、殼不斷上升，在地下水的作用下，硬石膏水化變成石膏。體積膨脹64%，膨脹后的石膏沿著破碎帶的擠入上覆的巖層。然后，這種柱狀的石膏體不斷地被地下水溶蝕，周圍的巖石塌落形成陷落柱。,1概論,循環(huán)說，王銳（1982）第—階段：為于水平循環(huán)帶成虹吸循環(huán)帶的巖溶洞隙逐漸形成并擴大，產生頂板和兩側巖層塌陷，形成十分復雜的溶洞。第二階段：由于地殼的上升，溶洞繼續(xù)擴大上升，地下水向下運動，沿著裂隙進一步加深，且在深部形成第二層溶洞。開始了第二循環(huán)、以

6、后還可以出現(xiàn)第三循環(huán)、第四個循環(huán)第三階段：第一層溶洞繼續(xù)坍塌擴大．上覆非可溶性巖層塌陷。形成巖溶陷落柱，當地殼繼續(xù)上升，地下水位繼續(xù)下降時，第二層溶洞也可能開始坍塌、這樣，兩層溶洞坍塌連接起來，使非可溶性巖層塌陷更深。,1.1 陷落柱的概念與基本特征,1概論,真空吸蝕說，徐衛(wèi)國（1972）在相對密封的承壓巖溶網絡地下水中，由于地下水的排泄或地殼局部的升降等，引起巖溶腔內地下水大幅度下降，當水位低于巖溶腔口表面，即巖溶腔內水體由承壓轉

7、為無壓時，在巖溶腔內水面與巖溶蓋層之間出現(xiàn)空穴，即巖溶空腔。逐漸增大的巖溶空腔必定轉化為低氣壓狀態(tài)，形成真空腔（或稱負壓腔），在真空腔內不斷下降的水面猶如巨型吸盤，強有力的抽吸著上面巖層向下塌落，最終形成陷落柱。,1.1 陷落柱的概念與基本特征,1概論,熱力巖溶說，陳尚平（1993）燕山期火成巖體和熱液的侵入，造成殘熱水和地下水復雜的循環(huán)和溶蝕作用。高溫高壓的熱水可極大地提高碳酸鈣的溶解度。熱水巖溶的起始點是從矽卡巖成礦熱液生成鐵礦后

8、殘熱水進入碳酸鹽巖開始的，這樣就可以生成高度極大的巖溶洞穴，而且不受地殼升降與侵蝕基準面變化的影響。當地層褶皺隆起時，洞穴塌陷形成陷落柱。,1.1 陷落柱的概念與基本特征,1概論,1.1 陷落柱的概念與基本特征,CaCO3溶解試驗主要結論：（1）CaCO3溶解度隨溫度的升高而降低，但達到超臨界狀態(tài)時，溶解度又大幅度提高； CaCO3溶解速度隨溫度的升高而升高，當升高到超臨界狀態(tài)時，升高速度劇增。（2）超臨界水對CaCO3 溶解度是近

9、臨界水的近2倍，又因為超臨界水對CaCO3的溶解度與時間無關，可以推測超臨界水對石灰?guī)r的溶解幾乎是在瞬間完成的。實驗條件：超臨界水387～389℃，26～28MPa；近臨界水301～303℃，28MPa。常溫水18℃，2MPa。常溫條件下加入2MPa的純CO2。,1概論,構造控制說陷落柱一般沿斷層、向斜軸部發(fā)育。,1.1 陷落柱的概念與基本特征,1概論,向斜軸部陷落柱成因分析示意圖,背斜軸部陷落柱成因分析示意圖,巖溶陷落柱的成因是以

10、奧灰?guī)r層中地下水的強烈交替為條件，巖溶發(fā)育為基礎，巖體自重重力、地應力集中以及溶洞內的真空負壓三重作用為動力，經過迅速垮落、間歇、溶蝕、搬運、塌陷、冒落等周而復始過程，分階段逐步形成陷落柱。,1.1 陷落柱的概念與基本特征,1概論,1.1 陷落柱的概念與基本特征,3）陷落柱的基本特征（1）平面上陷落柱的形狀一般為橢圓形或者是扁圓形的陷落盆地。外圍的巖層產狀正常而連續(xù)，盆地中常常被不同地層的巖煤的碎塊填充，無層序，混亂堆積。 （2）陷

11、落柱的縱向上總體形態(tài)一般是上小下大的不規(guī)則柱形，頂部多發(fā)于有一定規(guī)模的空腔，中間為松散充填物，基底為奧奧系石灰?guī)r。 （3）導水陷落柱，充填物多為松散狀，膠結程度差；不導水陷落柱，充填物有二次膠結作用，視時間長短和膠結物性質，膠結程度不一。 （4）陷落柱與圍巖的接觸界面多呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀，界線明顯，有的地方表現(xiàn)為斷層，（5）陷落柱錐形體的中心軸與巖層層面近似垂直。因此，在傾斜巖層里陷落柱也發(fā)生歪斜，在水平的投影圖上，各煤層的陷落

12、柱范圍并不是完全地重疊。,1概論,陷落柱柱面特征,陷落柱中心軸變化示意圖,平面：圓形、似圓形、橢圓形、長條形和不規(guī)則形。剖面：圓錐狀、漏斗狀和不規(guī)則狀。,1.2 陷落柱分類,1概論,裸露型：陷落柱直接發(fā)育至地表。覆蓋型：被第四系松散層覆蓋。埋藏型：陷落柱發(fā)育在上覆非可溶性巖層內,分大、中、小三種,影響和制約著采區(qū)的布置、采面的劃分、計劃的安排和采掘的接替，而且還直接導致突水，造成人員和財產的重大損失。1）礦井內隱伏陷落柱埋藏隱蔽

13、、分布孤立、導水通道規(guī)模大，且與奧灰強巖溶含水層相通，一旦發(fā)生透水，往往是重特大事故，造成被淹，甚至人員傷亡。因此，隱伏導水陷落柱的探查一直是防治水工作者長期攻關的課題。2）未揭露的導水陷落柱從奧灰頂界面發(fā)育至煤系地層，并與開采煤層頂底板含水層溝通，成為煤系含水層的強大補給水源，在這些含水層中若井項工程揭露與陷落柱有聯(lián)系的導水裂隙時，則會發(fā)生突水，不僅增加了礦井涌水量，而且威脅著礦井安全。如某礦9號陷落柱最高發(fā)育至7煤頂板，成為7與

14、12號煤頂底板砂巖含水層、K3灰?guī)r含水層的補給水源，造成7煤開采時頂底板涌水量較大，后經陷落柱治理后減少礦井涌水量10m3/min。3）導水煤炭資源受高壓水威脅不能開采，勢必造成資源浪費。,1.3 陷落柱對煤礦安全的危害,1概論,1概論,1.4 典型陷落柱突水淹井案例,所謂“中間層”指開采煤層與奧灰之間的薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層，由于導水陷落柱貫通“中間層”含水層，兩者勢必發(fā)生水力聯(lián)系。井下涌水量大且衰減較小，直至穩(wěn)定，水質呈現(xiàn)奧灰

15、水質特征。 以煤系薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層研究對象，開展井下放水試驗，觀測煤系薄層灰?guī)r（或砂巖）含水層與奧灰含水層地下水流暢變化，圈定奧灰低水位與“中間層”含水層高水位重疊“異常區(qū)”，同時進行示蹤劑連通試驗，確認奧灰水與“中間層”含水層的水力聯(lián)系，井下向“異常區(qū)”施工驗證鉆孔，進一步確認“異常區(qū)”的性質與具體位置。范各莊礦通過此方法確定了3個導水陷落柱。,2.1 “中間層”綜合水文地質試驗,2探查方法,,,,,中間層放水

16、試驗圈定陷落柱示意圖,（1）三維地震一般情況下，陷落柱內常常是松散充填物，而周邊是正常的巖層，兩者存在著明顯的密度與速度差異，這就為地震波的識別提供了物性前提。,2.2 物理探查,2探查方法,圖8 三維地震解譯陷落柱示意圖,2.2 物理探查,2探查方法,異常體,2.2 物理探查,2探查方法,隱伏構造體的空間形態(tài),2.2 物理探查,2探查方法,瞬變電磁法勘探是一種電法勘探手段，通過對目標體探測獲取視電阻率數據，分析視電阻率異常區(qū)范圍，

17、推測陷落柱含導水性。該方法不能探測陷落柱的邊界，無法確定視電阻率“異常區(qū)”的性質，通常在三維地震基本確認陷落柱的情況下，采用該方法探測分析陷落柱的含導水性。不含導水陷落柱由于結構松散、巖石破碎，變現(xiàn)為高阻特征；含導水陷落柱表現(xiàn)為相對正常的證的低電阻率，這就是瞬變電磁探測的物性基礎。,16號煤層附近視電阻率異常平面圖,2.2 物理探查,2探查方法,,13線視電阻率斷面圖,2探查方法,15線視電阻率斷面圖,2探查方法,2探查方法,研究地質構

18、造與水文地質條件，建立已有陷落柱數據庫，研究陷落柱發(fā)育分布規(guī)律，開發(fā)陷落柱預測軟件，陷落柱發(fā)育區(qū)進行宏觀預測。,2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術,2探查方法,根據對影響陷落柱發(fā)育條件因素分析，并邀請3位專家打分，最終形成預測單元A的各個指標對于陷落柱比較發(fā)育和不發(fā)育兩個評語集的隸屬度以及各指標的權重。,2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術,2探查方法,2.3 陷落柱發(fā)育區(qū)預測技術,,陷落柱較發(fā)育區(qū)及預測區(qū)的空間展布屬性測量結果,陷落柱發(fā)育程度預測圖

19、,1）煤層巷道掘進陷落柱探測 東龐9203、烏海16煤回風巷、張集-300下山、任樓7222工作面均是巷道掘進后方陷落柱突破煤壁發(fā)生滯后突水；范各莊2171工作面是掘進巷道前方煤壁突破發(fā)生突水。物探：電法超前探測，瞬變電磁側向探，直流電法電測深等。探測手段：物探：電法超前探測，瞬變電磁側向探，直流電法電測深等。鉆探：掘進前方及側幫。超前距控制： 陷落柱水探放時，用式（1）求得α值，定為探放水超前距，

20、超前距不得小于20m。 （1）,2.4 掘進、回采陷落柱探測,2探查方法,,2.4 掘進、回采陷落柱探測,2探查方法,,鉆探,2.4 掘進、回采陷落柱探測,2探查方法,,2.4 掘進、回采陷落柱探測,2探查方法,,探測疏松體,坑透探測

21、技術,2.4 掘進、回采陷落柱探測,2探查方法,,工作面內陷落柱探測,3陷落柱治理技術,治理技術發(fā)展過程大概可劃分為三個階段：第一階段（1984年～1996年），以開灤范各莊礦2171 綜采工作面突水陷落柱治理為代表。由于是國內外第一例陷落柱突水災害，無成功經驗借鑒，受當時鉆探技術水平的限制，其治理技術最大特點是對突水陷落柱采用分段下行式注漿實施全面封堵，共注入水泥70000噸，各類骨料35400m3，注漿孔35個、進尺23000m；

22、第二階段（1996年～2006年），在該階段陷落柱內“堵水塞”技術廣泛應用，即在突水陷落柱內預定層位，通過鉆孔注漿建造一定長度的“堵水塞”，截斷陷落柱突水通道。如皖北任樓7277工作面陷落柱、徐州張集-300m水平陷落柱及開灤范各莊10#陷落柱治理工程。 由于采用普通地質鉆機施工，其缺點是無法在松散柱體內精確控制鉆進方向，陷落柱內鉆孔軌跡形同“蛇形”，因此也稱“蛇形”鉆進；第三階段（2006年～今），隨著美國雪姆公司汽車鉆機的引進，

23、定向分支造孔技術得以大量應用，使陷落柱內“堵水塞”建造技術更加成熟和完善。如東龐礦2903工作面突水陷落柱，采用該項技術確保鉆孔在陷落柱松散體內精確定向鉆進，形成了以定向分支造孔、充填注漿、升壓注漿、引流注漿和加固注漿為主的“堵水塞”建造技術，該項目獲2010年度國家科技進步二等獎。另外，本階段發(fā)生了兩次下組煤開采陷落柱突水淹井災害，如峰峰九龍礦12423N工作面陷落柱和神華烏海駱駝山16煤回風巷陷落柱突水。與以往不同的是突水陷落柱隱伏

24、于開采煤層之下，由于陷落柱在煤系地層發(fā)育高度有限，開采煤層距離奧灰含水層較近，因此，均采用突水陷落柱與水源封堵方案,3陷落柱治理技術,3治理技術,國內典型陷落柱突水淹井治理方案匯總表,3陷落柱治理技術,3.1 三段式封堵(以范各莊2171為例）（1）上部骨料充填對陷落柱上部空腔充填骨料，壓實陷落柱內松石堆積物，防治陷落柱進一步向上發(fā)育。（2）中部注漿堵截導水通道在12煤底板至K3灰之間建造長約100m的“堵水塞”。（3）下部水源

25、封堵 在基底奧灰含水層段進行充填灌漿，攔截突水水源，對“堵水塞”起到支撐作用。,3治理技術,3.1三段式封堵(以范各莊2171為例）,3治理技術,,,3陷落柱治理技術,3.2 “堵水塞”建造（1）過水巷道“阻水墻”建造在突水構造不明的條件下，如過水巷道位置資料準確，位置清楚，可先期在過水巷道中實施“阻水墻”建造，進行堵巷截流，實現(xiàn)早日復礦之目的。,3治理技術,,3.2 “堵水塞”建造,快速定向鉆進,骨料灌注,阻

26、水墻建造,,,旋噴注漿,充填注漿,升壓注漿,引流注漿,3治理技術,阻水墻建造流程圖,3治理技術,3陷落柱治理技術,（2）“堵水塞”建造,3治理技術,,①最下部可采層煤層之下，采動應力波及不到；② 阻斷所有影響煤層開采的含水層補給通道；③“堵水塞”長度應能抵抗最大靜水壓力。,陷落柱阻水塞建造工藝,3治理技術,3陷落柱治理技術,（2）“堵水塞”建造,3治理技術,,3陷落柱治理技術,3.3 陷落柱與突水水源封堵,3治理技術,,當突水

27、陷落柱位于開采煤層之下或進入煤系地層層位較低時，建造“堵水塞”長度不足，則采用突水陷落柱與奧灰水源封堵方案。峰峰集團的九龍礦、烏海能源駱駝山礦的陷落柱采用該方案取得成功。主要工藝技術：（1）定向分支鉆孔技術。（2）分段下行式注漿法，定量間歇注漿工藝。（3）陷落柱內水泥-骨料反過濾注漿技術。 在對突水陷落柱灌注骨料的同時，對奧灰上部注漿，水泥漿液沿水流通道上行、骨料沿陷落柱通道下行，實現(xiàn)骨料與漿液在陷落柱通道中的混

28、合，達到了快速封堵通道的目的。,3陷落柱治理技術,3治理技術,,3陷落柱治理技術,3治理技術,3.4 不（含）導水陷落柱處理（1）直接推采 對于井巷揭露的未發(fā)生突水陷落柱，應進一步查明陷落柱的形態(tài)特征、開采煤層底板陷落柱充填特征與邊緣裂隙特征,經水文地質條件安全評價后，確認采動破壞不會造成陷落柱“活化”，引起采后突水時，可直接推采。 安全評價的主要內容是：陷落柱充填物的強度、膠結特征、鉆孔漏失情

29、況、底板破壞深度，以及陷落柱基底奧灰含水層富水性、水壓等。 a: 陷落柱基底奧灰含水層一定范圍內無水，既無水可導； b: 開采煤層距離奧灰強含水層較遠，采動應力波及不到，且充填物膠結密實。,3陷落柱治理技術,3治理技術,3.4 不（含）導水陷落柱處理（2）煤柱留設 若井巷揭露的未發(fā)生突水陷落柱，雖然陷落柱本身既不含水也不導水，但由于陷落柱內充填物結構疏松、強度低、孔隙裂隙率高，且距離奧灰含水層近，奧灰

30、富水性強，為避免采動造成陷落柱“活化”，引起采后突水，可留設陷落柱防水煤柱。 煤柱留設可參照《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中第二種情況，即含導水斷層煤層留設。,3陷落柱治理技術,3治理技術,3.4 不（含）導水陷落柱處理（3）注漿加固與改造 若陷落柱內充填物結構疏松、強度低、孔隙裂隙率高，且距離奧灰含水層近，奧灰富水性強，為避免采動造成陷落柱“活化”，引起采后突水，可對陷落柱進行注漿加固，形成一定強度和厚度

31、的隔水層，必要時對基底奧灰含水層進行局部注漿改造，將強含水層改造為隔水層或弱含水層。 注漿加固與改造的原則： 在陷落柱處，底板破壞深度較正常地層深，應充分考慮這一因素，加固層為的選擇尤為重要，應確保采動應力不對改造后的隔水層造成破壞。 陷落柱處理之后可直接推采。,3陷落柱治理技術,3治理技術,3.5 效果評價（1）壓水試驗,壓水試驗成果,3陷落柱治理技術,3治理技術,3.5 效果評價（2）鉆