陷落柱演示

（2）井下物探 主要采用瞬变电磁、直流电法、坑透以及地震发射波等 物探技术探查陷落柱发育情况。
四、陷落柱探查
（3）探测结果评价 由于地震勘探及电磁法勘探对井下岩层电性以及波阻抗 界面解释的多解性，其探查结果和陷落柱实际发育情况可能 存在一定的差异。地面勘探成本较高，施工复杂，但其勘探 范围大；井下物探探查具有简单、快捷的特点，但其探测范 围受井下现场条件限制。 （4）应用实例 许疃煤矿7229工作面底板疑似陷落柱发育情况综合物 探, 利用现有工作面的机巷通过综合物探方法，确定该陷 落柱在7229底板下部发育情况及富水性。现场采用的综合 物探方法及探测目的如下：
疑似陷落柱体轮廓线
图6 疑似陷落柱地震三维探测72煤底板发育 剖面成果图
此次物探综合探测利用并行直流电法和地震偏移技术探明了 该疑似陷落柱的空间位置和空间展布状况，为72煤和82煤的安全 回3/2采3/20提22 供了保障。
四、陷落柱探查
2.钻探
（1）地面钻探 对存在异常的区域边缘地带施工地面钻孔，条件允许情况下， 对地面钻孔进行人为造斜，以便更好地控制陷落柱的发育范围，地 面钻孔布置要充分考虑异常区附近已施工钻孔的布置。 （2）井下钻探 利用井下已施工的巷道针对异常区域施工井下钻孔，探查异常 区地空间位置。钻孔施工需采用防喷、反压装置施工，承压套管试 压必须符合设计要求。 （3）井上、下钻探优缺点对比 地面钻孔可以对陷落柱发育的整个空间范围进行有效控制，钻 孔施工相对安全，但施工成本较高，工期长；井下钻孔施工成本底， 工期短，但钻孔存在出水的可能，对施工人员人身安全构成一定安 全威胁，且受井下巷道空间的限制，探测范围有限。
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
（一）形成机理
目前对煤系地层中陷落柱的成因机理研究还处在探索阶段， 没有形成理论上的定论。学术界普遍认为形成陷落柱必备条件是 其下伏地层中存在可溶性岩层（如石灰岩、白云岩、石膏等）。
可溶岩岩溶发育、盖层性质和厚度、地下水的活动性及地质 构造四方面是陷落柱形成的控制因素，根据两淮矿区资料显示， 陷落柱的群体延展及统计长轴方向与区域节理方向有明显一致性， 岩溶陷落柱形成过程归结为：
三、陷落柱含、导水性
现在学者研究表明：陷落柱的含导水性与形成过程中高地温 有着密切关系，在高地温和水的作用下，陷落柱内的部分可溶性 矿物会二次结晶，在陷落柱纵向上形成不同厚度的结晶体（结晶 盖体），这种结晶体有着良好隔水性，本身也不含水，是一些陷 落柱含水、导水性的一项重要辨别指标。两淮地区陷落柱水文地 质特征方面看，多数陷落柱无水，只有少数存在突水危害性。两 淮矿区见陷落柱及出水情况见下表1。
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工程实例：许疃煤矿7229工作面疑似陷落柱探查
三维直流电法： 探查工作面下部陷落柱 体富含水特性；
地震波反射共偏 移法：探查巷道底板陷 落柱体范围； 地震放炮法：利用地 震放炮的方式来进行三 维反射偏移成像技术探 查该陷落柱在工作面深 部的发育情况。
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图5 疑似陷落柱并行电法探测无水裂隙在工 作面内底板不同深度的展布图
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四、陷落柱探查
5.综合探查
物探、钻探探查陷落柱有各自的优缺点，为使探查效果最佳， 陷落柱探查应采取物探、钻探相结合的综合探查手段，针对物探 圈定的陷落柱发育范围布置钻孔进行验证和进一步探查工作。
为提高物探探查精度，可采用多种物探手段进行探测，通过 对不同物探方法所得的探测结果进行对比、分析，从而更准确地 探查陷落柱的空间形态。同时，钻探探查时，其探测钻孔的布置 除考虑探查陷落柱发育范围外，还应适当考虑今后注浆加固使用， 尽量做到一孔两用，减少钻探时间，节约钻探成本。
汇报提纲
概述 陷落柱形成机理、形态及分布规律 陷落柱含、导水性 陷落柱探查 陷落柱治理对策 做好对陷落柱的监察工作
一、概 述
（一）定义
由于下伏易溶岩层经过地下水强烈腐蚀，形成大量空洞，引 起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落、塌陷所形成的桶状柱体。其 形成大致经历了溶隙、溶孔、溶洞塌陷等过程，其中溶洞形成是 核心和先决条件。
2.井下探测 （1）井下物探 采用先进的物探手段查明该裂隙异常区的空间分布，水文 地质等特征，为井下钻孔布置提供依据。
① 三维并行电法：
进一步探测和控制该 裂隙异常区的分布范围、 性质、型态，水文地质 等特征。
② 瞬变电磁：
查明裂隙异常区域的 富水性情况。
Z=-1.2m Z=-6.7m Z=-14.0m
Z=-23.6m
Z=-36.4m
Z=-56.3m
3.5
4.5
6
7.5
8.5
10
图7 三维电法反演立体成像图
Z=-75.6m
（2）井下钻探 06
为了探查2101运煤 石门裂隙异常带发育 范围，岩性以及形成 机理，针对物探成果， 在2101运煤石2#钻场 及-650m东大巷5、6# 钻场布置13个井下水 文地质探测钻孔，具 体钻孔布置如图8。
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工程实例：新集二矿2101运煤石门构造异常体综合探查
1.施工地面补勘孔（水0502孔） 由于2101运煤石门下伏为1煤底板太灰及奥灰，针对该裂 隙异常发育区段，设计在工业场地内靠近2101轨道石门附近布 置一个水0502钻孔，层位在奥灰下50m，设计孔深850m。探查 裂隙异常区范围以及存在岩溶陷落柱的可能。
四、陷落柱探查
3.化探
根据钻孔采样化验和测试资料，建立水化学模型，通过对同 位素及特征离子含量的分析对比，确定水质类型。
4.水动态监测
通过进行钻孔水位（水压）、突水点涌水量、放水孔放水量、 水温、水质能观测；根据观测数据分析判断含水层补径排关系， 计算水文地质参数。
一般陷落柱突水具有如下特征：水量---越来越大、水位--灰岩水位不但不降有水位回升的趋势，水质---全硬度、永久硬 度从无到有且逐步增加，水温---比巷道围岩温度高，并有逐步 升高的趋势。
三、陷落柱含、导水性
陷落柱的含水、导水性主要取决于柱内岩石的压实程度,而压 实程度又取决于陷落柱的形成年代和柱内岩石的水化程度。不同的 地质及水文地质条件,形成的陷落柱类型和特征也不相同,其含水、 导水性差异也大。
陷落柱形成时，外围影响带岩体应力平衡状态受到破坏，使其 周围影响区内煤系地层中早期已形成的裂隙体系活化、开放，具有 一定的贮水空间。揭露到陷落柱附近时，会出现出水现象，砂岩水 水量丰富，甚至出水数年，这与陷落柱影响区的压密程度有关。
1.煤系地层形成时处于地壳下降期，受上部柔性煤系压力， 下部奥灰岩受拉状态，有利发育张性断裂构造，进而岩溶发育。
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
2.如遇向斜构造，在向斜轴部的岩层底面，张性裂隙使岩 层破碎为“倒楔形”，有利于岩块整体下移，更容易形成陷落 柱。见图1。
3.地下水活动，岩溶溶洞扩大，破坏了原岩应力平衡状态， 引起上覆岩层的应力释放和弹塑性变形破坏；另外，地下水以 自身渗流和水-岩化学作用两种形式也促进陷落柱的形成。
尚未揭露 目前顾北已进入，未出水
未完全揭露 未出水 洞高72m
三、陷落柱含、导水性
另外，同一陷落柱在不同层位其含、导水性不同。以淮南 矿区为例，目前实际揭露的发育在8煤、11、13煤中的陷落柱不 含水也不导水，如谢桥矿13118工作面下顺槽（外段）从2#带状 陷落柱穿过，潘三矿2007年10月在12318工作面实际揭露1#陷落 柱，另外顾北矿-648南翼轨道大巷已经进入构造异常体，顾桥矿 -780南翼轨道大巷即将进入构造异常体；而4煤以下与灰岩水联 系密切，如谢桥矿东风井-440m总回风道位于4煤底板砂岩中，发 生最大突出水量642m3/h，经两次治理后，剩余水量74.2m3/h。
6.地下水不断对灰岩和塌落的岩石进行化学的溶蚀、机械的 搬运和破坏，使岩溶进一步扩大，处于暂时稳定状态的上覆岩层 关键层再次失去平衡而继续塌落，使陷落柱不断向上发展。
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
（二）形状
1. 岩溶陷落柱的平面形状 岩溶陷落柱的平面形状是指岩溶陷落柱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。呈椭圆形和似圆形者居 多，尤以椭圆形为最多。如孔集岩溶塌陷及谢桥岩溶陷落柱，分 别见下图2(孔集岩溶塌陷体分布图)、图3( 谢桥矿1#、2#陷落柱 在各煤层中的分布图)。 2. 岩溶陷落柱的剖面形状 岩溶陷落柱的剖面形状主要受所穿过岩层的岩石物理力学性 质制约，多呈不规则的柱状体。在岩性比较坚硬均一、裂隙又比 较发育的岩层中，其剖面形状多呈上小下大的圆锥状，塌陷角一 般在60~80°之间，华北型煤田中这种形状的岩溶陷落柱最多。
4. 煤层出现氧化现象，煤层光泽变暗，煤质松软，灰分增高。 5. 地下水涌出量增大。 6. 煤层顶板不同程度的破碎，出现顶板压力异常现象。
四、陷落柱探查
(二)常用的探查手段
1.物探 （1）地面物探
通过地面三维地震、地面瞬变电磁、地面直流电法中的一 种或多种物探手段探查陷落柱是否存在，空间发育形态、含导 水性情况。地面三维物探探查精度相对较高，且对陷落柱的空 间发育形态探测效果较好，地面瞬变电磁、直流电法对陷落柱 的含导水性探测效果较为明显。
矿区
淮北 皖北 淮南 新集
表1 两淮矿区部分陷落柱出水情况统计表
合园矿1个 袁庄矿1个 许瞳矿1个（疑似） 刘一8个，恒源1个
任楼2个
祁东1个（有争议） 潘三：实见1个，疑似3个
出水情况及其处理 无水 无水 无水 无水 出水
有的有水，有的没有水 其中一个造成淹井，另一个发现有
出水征兆就对巷道注浆封闭 淹井
在12318工作面实际揭露未出水
9个，2个带状构造异常 体（有争议），朱集未
统计在内。
7个，1个构造异常体； 1个特大溶洞
谢桥2个，其中1个是带状 孔集实见1个 张集1个
顾桂两个是带状构造异常体 口孜东矿7个
新集二矿1个构造异常体 新集三矿1个特大溶洞
实际揭露一个未出水 对西八A组煤开采有影响
这些现象还需要进一步研究分析，采矿作业对陷落柱柱体内 充填物的的活化也是一个正在研究的课题，对陷落柱防水煤岩柱 的留设影响较大。
四、陷落柱探查
（一）井下岩溶陷落柱初步识别
1. 围岩产状发生变化。 2. 裂隙增多，基本张裂隙且倾角比较陡。 3. 小型正断层明显增多，呈环形分布在柱体周围，断层面倾角
60~ 70°。
（二）重要性
安徽省煤田水害类型属华北石炭二叠纪煤田岩溶—裂隙水害区， 煤矿受太原组灰岩、奥陶系灰岩、寒武系灰岩水害威胁日趋严重， 水文地质条件日趋复杂。自1996年皖北煤电集团公司任楼煤矿7222 工作面陷落柱特大突水灾害，打破了两淮煤田尤其是淮河以北有巨 厚松散覆盖条件的煤系地层无岩溶陷落柱的概念。陷落柱的探查与 治理成为两淮矿区煤矿防治水工作的一项重要内容。
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
图4 谢桥矿1#陷落柱剖面形状
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
（三）分布规律
华北石炭二叠纪煤田岩溶陷落柱的形成、发展和区域构造演 化的关系十分密切，因此，岩溶陷落柱的分布受到区域构造的控 制，具有区域分布的规律性，简述如下：
多数发育分布在井田浅部；常发育在滑动构造发育的井田内； 直接位于岩溶地下水强径流带上；多分布在小型次级向斜的轴部 和转折端附近；常分布在次级背斜的倾伏端附近；常位于张性断 裂的旁侧和两条断层交汇处；常成群出现，单个出现的情况很少。
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
马郢孜
岩溶塌陷区
岩溶塌陷区
77.0 田家山 83.0
溶洞一区
溶洞二区
图例
等高线 陷落柱边界 断崖 推测边界
孙家大山 99.0
图2 孔集矿岩溶塌陷体分布图
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
2#陷落柱 13118工作面 1#陷落柱
3/23/2022
图3 谢桥矿1#、2#陷落柱在各煤层中的分布图
4.上覆岩层的关键层(一般为坚硬而强度较大的夹层)因受 岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用而 破坏塌落。
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
溶洞
图1 向斜、背斜轴部陷落柱成因分析示意图
二、陷落柱形成机理、形态及分布规律
5.一旦关键层失稳，破碎的岩体沿垂向固有构造裂隙面向上 塌落，部分陷落物被水带走，坍塌继续向上发展，待岩石破碎膨 胀充填了整个陷落空间形成自然平衡拱后塌落停止，上覆岩层得 到暂时稳定。