华北煤田陷落柱发育的几何特征_尹万才

第23卷第2期山东科技大学学报(自然科学版)Vol.23No.2 2004年6月Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Scienc e)Jun.2004文章编号:1672-3767(2004)02-0023-03

华北煤田陷落柱发育的几何特征X

尹万才1,施龙青2,卜昌森3

(1.肥城矿业集团,山东肥城271619; 2.山东科技大学,山东泰安271019; 3.山东省煤炭工业局,山东济南250000)

摘要:从平面形状、剖面形状、发育高度及中心轴变化方面,总结了华北煤田陷落柱的几何特征。在平面形状特征方面,以椭圆形为主;在剖面形状方面,以上小下大的圆锥状柱体为主。陷落柱的发育高度大小差别十分悬殊,几乎所有的陷落柱中心轴都会随地层深度的变化发生有规律的偏移。

关键词:煤田;陷落柱;几何特征

中图分类号:T D12文献标识码:A

Geometrical Characteristics of Sunken Column in North China Coalfield

YIN Wan-cai1,SHI Long-qing2,BU Chang-sen3

(1.Feicheng M ining Group,Feicheng,S handong271619,China; 2.Shandong University of S cience an d Technology,

Tai an,S handong271019,China;3.Shandong Coal Industrial Bureau,Jinan,Shandong250000,China)

A bstract:The ge ometrical characteristics of sunken column in North China C oalfield is summarized from the aspects of its planar shape,sectional shape,development height and axle c enter change,etc.The shape of most sunken c olumns presents ellipse in plan and circular cone in section.The height of sunken columns is a great disparity in size.Almost all the axle centers of sunken c olumns change in regularity w ith depth of strata.

Key words:coalfield;sunken column;g eometrical characteristic

陷落柱是一种比较特殊的地质体,它的几何形态、赋存状态和出露状况以及出现前的征兆,都有其固有的特征。认识煤田陷落柱发育的几何特征,总结其发育规律,对防治矿井水害具有指导意义。陷落柱的形态是陷落柱最重要的特征,也是陷落柱这种特殊地质体最本质和最鲜明的客观表现形式。陷落柱的平面形状不一,面积大小不同,剖面形状多种多样,极不规则,柱体的高度各异,柱体中心轴复杂多变。

1陷落柱的平面形状

指陷落柱体与地表或岩层层面的切割面形状,也称之为横切面形状。从目前华北各煤矿区所揭露的大量陷落柱情况看,其平面形状有椭圆形、似圆形、肾形、长条形和不规则形等,其中呈椭圆形和似圆形者居多,尤以椭圆形为最。陷落柱的长、短轴大小不一,面积有大有小,并且相差十分悬殊,长轴最大可达600m,小者不足10m,面积大者达数万乃至10万m2,小者仅几十平方米。据河北井陉矿区已发现的112个陷落柱统计,椭圆形者58个,占50.4%,似圆形者33个,占28. 6%,不规则形者21个,占21.0%,;陷落柱面积>50000m2的1个,占0.8%,50000~2000m2的53个,占47.3%,<500m2的54个,占48.2%。鲁西新汶矿区协庄矿已发现的14个陷落柱,椭圆形者占71.4%,似圆形者占28.6%,其中最大的一个陷落柱,长轴170m,短轴70m,面积为9341. 5m2,最小的一个陷落柱,长轴30m,短轴24m,面积为565.2m2。肥城煤田目前发现的9个陷落柱,其平面形状均为椭圆形,其中最大者是杨庄矿1982年6月8504采面回风巷揭露的2号陷落柱,长轴120m,短轴45m,最小者也是该矿1993

X收稿日期:2004-02-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50374044)作者简介:尹万才(1964-),男,山东昌乐人,高级工程师,主要从事地质工程及矿井水害防治方面的研究.

年11月在9412采面揭露的6号陷落柱,长轴仅20m,短轴13m 。

2 陷落柱的剖面形状

陷落柱的剖面形状,主要受所穿过岩层的岩石物理力学性质的制约,粗细变化不一,多呈不规则状或锯齿状的柱状体。在岩性比较坚硬均一、裂隙又比较发育的岩层中,其剖面形态多为上小下大的圆锥状柱体,这种剖面形状的陷落柱在华北煤田占大多数。在松散层中,陷落柱的剖面形状多呈上大下小的漏斗状柱体,此种陷落柱在华东地区的一些煤田比较多见。当陷落柱穿过软硬相间的岩层段时,其剖面形状常呈时凸时凹和时粗时细的不规则状。华北煤田目前发现陷落柱的剖面形状,除大多数呈上小下大的圆锥状和极少数为上大下小的漏斗状柱体外,还发现有上下粗细近同的圆筒状柱体,以及两头大中间小的不规则状柱体和弯曲状柱体。河北井陉矿区的112个陷落柱中,96%为上小下大的圆锥状柱体(图1),4%是两头大中间小的不规则状和圆筒状柱体(图2)。肥城煤田目前所揭露的9个陷落柱,其剖面

形状基本上是上小下大的圆锥状柱体。

图1 圆锥状陷落柱

Fig.1Circular sunken col

umn

图2 不规则状陷落柱

Fig.2Irregular sunken column

3 陷落柱的高度

陷落柱的高度一般指溶洞的底面至陷落柱柱顶的距离,但至今仍未有钻孔直接探测到溶洞底面的资料报导,这里所说的陷落柱高度笼统地指奥灰顶部至柱顶或塌陷顶的距离。华北煤田的陷落柱高度,不同矿区的不同陷落柱,大小差别十分悬殊。有的陷落柱塌至地表,其高度比较大,如山西阳泉、汾西等矿区的少数塌至地表的陷落柱,柱体高度达数百米以上。更多的陷落柱只塌至太原组或山西组,其柱体高度比较小,多数为百余米至数10m,个别只有10余m 。目前发现陷落柱柱体高度最大的是山西阳泉矿区的一个陷落柱,高度达600m 。河南鹤壁矿区四矿的15号陷落柱,柱体高度为400m 左右(图3)。河北井陉矿区的112个陷落柱,柱体高度大者为150~200m,多属塌至山西组的陷落柱,小者仅50m 左右,属塌至太原组底部的陷落柱。鲁西新汶煤田协庄矿揭露的14个陷落柱,其中有11个塌至山西组,滕县煤田柴里矿揭露的4个陷落柱,全部在山西组3煤层中,柱体高度多在300m 左右。肥城煤田目前发现的9个陷落柱,在山西组揭露的有2个,分别是杨庄矿在31煤揭露的1号陷落柱(图4)和平阴煤矿在4煤揭露的陷落柱,柱体高度也在300m 左右;在太原组8煤揭露的陷落柱有4个,9煤揭露的有3个,柱体高度在百米以内。陷落柱的柱体高度与奥灰顶部岩溶洞穴的规模大小、地下水迳流条件、上覆岩层的岩石物理力学性质、裂隙发育程度和稳定性有关。奥灰顶部溶洞体积大,地下水迳流条件好,上覆岩层裂隙发育稳定性差,则陷落柱发育就比较好,其柱体高度就大。反之,溶

洞体积小,地下水迳流条件变差,上覆岩层稳定性好,陷落柱发育不够充分,其柱体高度比较小。

4 陷落柱的中心轴

陷落柱各平面中心点的连线称为陷落柱的中心线或中心轴。从理论上讲,陷落柱的中心轴应垂直于所穿过的岩层层面,但由于所穿过岩层的产状变化,岩石物理力学性质差异,裂隙发育程度不同,加上后期构造的改造和影响,陷落柱的中心轴常有变化。实际揭露的陷落柱中心轴大多数不

是垂直层面,而是歪斜和弯曲多变的,甚至有的还发生扭转,它反映了陷落柱在垂向上的伸展变化以及在空间产出的状态(图5)。河北井陉矿区一

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