第六章瓦斯地質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造

瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)第六章地質(zhì)構(gòu)造

1第四節(jié)巖漿侵入煤層巖漿侵入煤層，破壞煤層的連續(xù)性，減少煤炭?jī)?chǔ)量，并可使煤質(zhì)變差，降低煤的工業(yè)價(jià)值。同時(shí)，侵入巖體硬度大，妨礙采掘工程順利進(jìn)行。一、巖漿侵入對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響（一）巖漿侵入對(duì)煤質(zhì)的影響巖漿侵入使煤層發(fā)生變質(zhì)作用，并使煤質(zhì)變劣。其變質(zhì)程度由巖漿的成分、侵入體大小、形態(tài)及侵入煤層的位置所決定。一般說(shuō)來(lái)，巖漿侵入引起的變質(zhì)作用有以下規(guī)律。（1）巖墻切割煤層，對(duì)煤質(zhì)影響小，通常只是巖墻兩側(cè)幾米的煤發(fā)生變質(zhì)。巖床沿煤層侵入，對(duì)煤質(zhì)影響范圍大，一般巖漿侵入煤層下部影響較大，侵入頂部影響較小，侵入中部影響最大。2（2）侵入體的大小，厚度直接影響變質(zhì)程度。侵入體越大，煤層變質(zhì)越高，影響范圍越大；反之則小。（3）侵入體巖性對(duì)煤質(zhì)的影響，一般認(rèn)為輝綠巖影響最大，閃長(zhǎng)巖次之，石英斑巖影響最小。這是因?yàn)檩x綠巖屬基性巖，熔化溫度高，因此對(duì)煤質(zhì)影響較大；石英斑巖屬酸性巖，熔化溫度低，對(duì)煤質(zhì)影響小。（4）巖漿侵入煤層，形成一個(gè)熱力變質(zhì)帶。距侵入體近者變質(zhì)深，遠(yuǎn)者變質(zhì)淺?？砂疵悍N劃分若干帶，由近而遠(yuǎn)為天然焦、高變質(zhì)煤、低變質(zhì)煤，逐漸轉(zhuǎn)成正常煤。從一個(gè)煤層看，不僅有水平分帶，而且垂直分帶現(xiàn)象也很明顯（圖6—52），煤種沿傾斜方向有明顯分帶現(xiàn)象，這種分帶現(xiàn)象與侵人體的產(chǎn)狀和形態(tài)有密切關(guān)系，產(chǎn)狀越緩，體積越大，分帶現(xiàn)象越明顯。3圖6—52煤種沿傾向分帶示意圖1—輝綠巖；2—二級(jí)天然焦；3—一級(jí)天然焦；4—無(wú)煙煤；5—貧煤6—瘦煤；7—焦煤；8—焦肥煤；9—夾矸；10—采樣點(diǎn)4鮑溫反應(yīng)系列暗色礦物淺色礦物巖石種類（不連續(xù)反應(yīng)系列）橄欖石（連續(xù)反應(yīng)系列）橄欖巖輝長(zhǎng)巖閃長(zhǎng)巖花崗巖輝石角閃石黑云母酸性斜長(zhǎng)石中性斜長(zhǎng)石基性斜長(zhǎng)石鉀長(zhǎng)石白云母石英溫度SiO2含量5侵入巖產(chǎn)狀類型a—巖床；b—巖盆；c—巖蓋；d—巖墻6（二）巖漿侵入對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響巖漿侵入對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。（1）減少煤炭?jī)?chǔ)量，縮短礦井服務(wù)年限。例如阜新平安礦某區(qū)面積為25萬(wàn)m2，原有儲(chǔ)量152萬(wàn)t。由于巖漿侵入破壞，只剩下200t，其余均被巖漿吞蝕或變成天然焦。（2）使煤質(zhì)變差，灰分增高，揮發(fā)分顯著降低，粘結(jié)性遭到破壞。使原來(lái)的優(yōu)質(zhì)工業(yè)用煤降為一般的民用煤或天然焦。例如河北井徑一礦原產(chǎn)很好的主焦煤，但在巖漿侵入體附近采出的煤炭，質(zhì)量很差，甚至不能使用。（3）破壞煤層的連續(xù)性。巖漿侵入體把煤層分割成若干塊段，零星巖體，結(jié)巷道掘進(jìn)、采面回采帶來(lái)困難，影響采面合理布置。7二、巖漿侵入煤層的觀測(cè)與研究（一）對(duì)巖漿侵入體的觀測(cè)對(duì)井下一切揭露侵入體的地點(diǎn)，都應(yīng)該進(jìn)行觀測(cè)和素描，觀測(cè)的內(nèi)容有下面四個(gè)方面。（1）巖漿侵入體的顏色、礦物成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征及巖石類型。（2）巖漿侵入體的產(chǎn)狀。（3）巖漿侵入體與斷裂的關(guān)系。（4）煤層受影響的情況，包括侵入體與煤層的接觸關(guān)系，天然焦的寬度，煤層的變質(zhì)程度等。（二）對(duì)巖漿侵入體的探測(cè)由于侵入體形狀變化多端，為指導(dǎo)采掘工作的順利進(jìn)行在巖漿侵入體分布區(qū)要專門布置一些探巷和鉆孔來(lái)探明侵入體的分布范圍。

當(dāng)巖漿侵入厚煤層時(shí)，在掘進(jìn)巷道的同時(shí)每隔一定距離應(yīng)探測(cè)一次侵入體和煤層的厚度變化，得到從頂板到底板完整的煤巖柱狀，最后編制剖面圖，反映煤層、巖體的分布情況（圖6—53）。89對(duì)中厚及薄煤層，可以在同一煤層中布置鉆孔或探巷查明侵入體平面分布范圍（圖6—54），也可以從鄰近煤層的巷道中打鉆孔圈定侵入體的分布范圍（圖6—55）。為了查明侵入體附近的煤變質(zhì)情況，應(yīng)加強(qiáng)取樣化驗(yàn)工作。一般根據(jù)巖漿侵入體的形態(tài)特征和煤的變質(zhì)情況布置取樣點(diǎn)。同時(shí)，還可以根據(jù)煤變質(zhì)的規(guī)律變化預(yù)測(cè)侵入體的分布。10（三）對(duì)巖漿侵入體資料的綜合研究對(duì)揭露巖漿侵入體的鉆孔、巷道及取樣化驗(yàn)資料，加以系統(tǒng)整理和綜合分析編制反映巖漿侵入體分布和煤層變質(zhì)情況的綜合圖件，如侵入體分布圖、煤質(zhì)等值線圖、剖面圖、素描圖等，然后提出侵入體分布及煤層煤質(zhì)預(yù)測(cè)圖。三、巖漿侵入煤層的處理掘進(jìn)巷道遇到巖墻時(shí)，可按原設(shè)計(jì)直接穿過(guò)?；夭蓵r(shí)，可根據(jù)巖墻的大小與分布情況，決定是重開切眼還是分兩個(gè)工作面回采。如果巖墻沿傾向或斜交方向分布，回采至巖墻時(shí)，重開切眼，繼續(xù)回采（圖6—56）。如果巖墻沿走向分布時(shí)，可分成上、下兩個(gè)小面回采（圖6—57）。對(duì)于巖床，則要求先用探巷和鉆孔圈定范圍，然后決定回采方案。對(duì)串珠狀侵入體，如果對(duì)煤層破壞不嚴(yán)重，工作面可直接推過(guò)，但要增加采面處理侵入體的工序。若侵入體分布區(qū)大，殘留煤層很薄，只能作為不可采區(qū)處理。1112第五節(jié)喀斯特陷落柱

喀斯特陷落柱，是喀斯特塌陷的一種類型。它是由于煤層下伏碳酸巖等可溶巖層，經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕，形成空洞，從而引起上覆巖層失穩(wěn)，向溶蝕空間冒落、塌陷，形成筒狀或似錐狀柱體，故以它的成因和形狀取名為喀斯特陷落柱，簡(jiǎn)稱陷落柱，俗稱“無(wú)炭柱”或“矸子窩”。在華北一些礦區(qū)，陷落柱較發(fā)育，其中尤以山西省的太原西山礦區(qū)、陽(yáng)泉礦區(qū)、霍州礦區(qū)、汾西礦區(qū)及太行山東麓的峰峰礦區(qū)、井陘礦區(qū)特別發(fā)育。其它在開灤、鶴壁、新汶、棗陶、徐州、銅川、大同等均有發(fā)現(xiàn)。陷落柱發(fā)育的礦區(qū)，常使煤層遭受到不同程度的破壞，給機(jī)械化開采造成極大困難，嚴(yán)重的可使部分煤層失去開采價(jià)值。在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，陷落柱是地下水的良好通道，給安全生產(chǎn)造成嚴(yán)且威脅。[karst]巖溶的地形地貌，因在亞得里亞海沿岸的喀斯特高原最為典型而得名[xíng]

太行山首始于河內(nèi),北至幽州,凡有八陘,是山凡中斷皆曰陘?！妒稣饔洝?/p>

13千峰石林14漓江山水1516一、陷落柱的成因

喀斯特洞穴的發(fā)育和喀斯特洞穴塌陷是形成陷落柱的根本原因。（一）喀斯特洞穴發(fā)育的地質(zhì)條件（1）煤系或其下部地層中含有可溶性巖層，如石灰?guī)r、石膏層、泥炭層等。這些巖層易被地下水溶蝕后形成溶洞。（2）煤系地層分布區(qū)域內(nèi)發(fā)育有斷裂構(gòu)造等良好的地下水通道。（3）地下水源豐富，并且地下水中含有溶蝕性大的各種酸根，如CO2等。（4）有流暢的排泄口，地下水動(dòng)力條件好，水的交替循環(huán)強(qiáng)烈，有較強(qiáng)的侵蝕“淘空”能力。17（二）喀斯特洞穴致塌機(jī)理喀斯特洞穴是形成陷落柱的前提條件，但并不是所有的喀斯特洞穴都會(huì)塌落成陷落柱。導(dǎo)致喀斯特洞穴塌陷是有條件的，目前有以下幾種致塌機(jī)理。

1．重力塌陷

喀斯特洞穴頂部承受不了上覆巖層的重力，產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致塌陷。由于地下水的持續(xù)活動(dòng)，溶洞不斷擴(kuò)大，使上覆巖層垮落，形成幾米、幾十米，甚至上百米的陷落柱。

2．真空吸蝕塌陷在相對(duì)密封的承壓喀斯特溶腔（指充滿地下水的溶孔、溶洞）中，由于地下水的排泄、局部的地殼升降等，使溶腔蓋層底面由承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓，甚至形成負(fù)壓。在喀斯特溶腔內(nèi)不斷下降著的水面強(qiáng)有力地抽吸作用下，上面蓋層向下陷落，此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行。同時(shí)由于溶腔內(nèi)外的壓差效應(yīng)，使溶腔外部大氣壓力對(duì)蓋層表面產(chǎn)生沖壓作用，降低巖層強(qiáng)度，加速蓋層宏觀平衡的破壞。當(dāng)溶腔內(nèi)真空積累達(dá)到臨界值時(shí)，蓋層失去平衡，出現(xiàn)瞬間坍塌?？λ固卣婵瘴g作用是解釋喀斯特陷落的新觀點(diǎn)。183．物理化學(xué)作用綜合塌陷陷落柱的形成至少是由三種物理化學(xué)因素綜合作用的結(jié)果，包括巖層內(nèi)某些物質(zhì)的重結(jié)晶作用，如硬石膏的水化作用（CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O），使體積增大30%以上；地下水循環(huán)造成的沖蝕和溶蝕作用；有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)物的化學(xué)作用，即成煤過(guò)程中有機(jī)質(zhì)分解釋放出大量H2O、CO2、CH4等物質(zhì)進(jìn)入煤系下伏地層，與巖層內(nèi)部成分發(fā)生物理化學(xué)作用，使巖層破壞和垮落。19二、陷落柱的特征（一）陷落柱的基本形態(tài)1．陷落柱的平面形狀

陷落柱的平面形狀是指陷落柱與某一層面（如煤層頂?shù)酌妫┗虻乇砻嫦嘟磺械男螤?。陷落柱的平面形狀絕大多數(shù)為似圓形和橢圓形，也有長(zhǎng)條形和不規(guī)則形，如圖6—58所示為陽(yáng)泉三礦揭露的幾種陷落柱平面形狀。為了表征陷落柱的平面形狀，用長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度、長(zhǎng)短軸比值和長(zhǎng)軸方向來(lái)表示。202．陷落柱的剖面形狀陷落柱的剖面形狀與所穿透巖層的巖性有關(guān)。在堅(jiān)硬巖層，如砂巖、砂礫巖、石灰?guī)r中，由于巖石堅(jiān)硬不易塌陷，柱體呈現(xiàn)上小下大的錐狀，柱面與水平面夾角在60o～80o。之間（圖6—59）。在第四系松散沉積層或含水較多的松軟巖層（如裂隙發(fā)育的泥質(zhì)頁(yè)巖），由于巖層松軟極易塌陷，陷落柱體呈現(xiàn)上大下小的漏斗狀，柱面與水平面夾角約為40o～50o（圖6—59a）。圖6—59c為某礦實(shí)際揭露的一個(gè)陷落柱，穿過(guò)幾個(gè)煤層，各煤層破壞程度不一，柱體平面面積大小不一，軸心偏離也大?？梢娤萋渲拭嫘螤詈懿灰?guī)則，但總體上還是呈現(xiàn)為錐形柱體。由于柱體呈不規(guī)則的錐體形狀。因此不能簡(jiǎn)單按照一個(gè)塌陷角計(jì)算不同層位或不同標(biāo)高的陷落柱平面面積。3．陷落柱的高度

從溶洞底面至塌陷頂?shù)拇怪本嚯x為陷落柱高度。陷落柱高度與溶洞的大小、地下水排泄條件、巖石物理力學(xué)性質(zhì)及裂隙發(fā)育程度等有關(guān)，一般可由幾十米到一二百米，但也有高達(dá)數(shù)百米的巨型陷落柱，有的塌至地表。當(dāng)?shù)撞咳芏大w積大、地下水排泄條件良好及巖層裂隙發(fā)育時(shí)，陷落柱高度就大；反之則小。21224．陷落柱中心軸

陷落柱各個(gè)平面中心點(diǎn)的連線稱為陷落柱的中心軸線。圖6—64顯示中心軸大多數(shù)不是直立的，而是歪斜甚至扭轉(zhuǎn)彎曲的。陷落柱中心軸通常垂直于塌陷巖層的層面。掌握中心軸變化規(guī)律，有助于預(yù)測(cè)下部煤層或下水平陷落柱的平面位置。23（二）陷落柱的出露特征1．陷落柱的地表出露特征（1）盆狀凹陷陷落柱出露地表后，常呈現(xiàn)盆狀凹陷區(qū)。凹陷區(qū)巖層層序遭到破壞，而其周圍巖層層序正常，巖層產(chǎn)狀稍向凹陷中心傾斜。凹陷區(qū)常被黃土覆蓋，在黃土層上長(zhǎng)滿茂密的植物，較易識(shí)別。（2）丘狀凸起在石炭二疊紀(jì)煤系地層分布區(qū)，由粉砂巖和泥質(zhì)巖組成的二疊系山西組地層中，若見到局部隆起的石盒子組或石千峰組砂巖碎塊堆積，是陷落柱的一種地表特征。這是由于石盒子組或石千峰組砂巖較山西組地層堅(jiān)硬，耐風(fēng)化，致使山西組地層破壞，而石盒子組或石千峰組砂巖碎塊呈現(xiàn)隆起的丘狀地形。這種特征在陽(yáng)泉礦區(qū)很典型。（3）柱狀破碎帶在溝谷兩側(cè)的自然剖面或公路、鐵路兩側(cè)的人工剖面上常可見到一些柱狀破碎帶，此即陷落柱在地表的出露。（4）特殊地貌形態(tài)在黃土覆蓋區(qū)，陷落柱常使表層黃土出現(xiàn)大大小小的圓形陷坑構(gòu)成形似蜂窩狀地貌。有時(shí)還出現(xiàn)弧形裂縫，裂縫大小不一，小者幾厘米，大者達(dá)幾米。陷落柱還可以引起地表黃土層產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。242．陷落柱的井下出露特征（1）柱面特征陷落柱柱面呈不規(guī)則狀。堅(jiān)硬巖石不易塌陷，呈突出狀；松軟巖石很易塌落，呈凹進(jìn)狀。（圖6—60）。由于陷落柱的水平切面圖形為一封閉曲線，所以巷道與柱面相遇處多呈弧線?；〉陌霃酱笮∨c陷落柱平面形狀、陷落柱大小、相遇部位有關(guān)。如果陷落柱面積大或相遇部位靠近短軸位置，則弧線平緩，反之弧線彎曲較大。據(jù)此，可依據(jù)弧線彎曲情況判斷陷落柱的大小，還可以作為區(qū)別斷層和陷落柱的標(biāo)志。25（2）柱體特征柱體多為較新層位的巖石碎塊或第四系松散沉積物充填。柱體內(nèi)塌落巖塊巖性混雜、大小不一、棱角明顯。古老陷落柱中的巖塊多被膠結(jié)，近代塌落的巖塊呈松散堆積。（3）陷落柱內(nèi)沉淀物在陷落柱的柱面及柱體內(nèi)裂隙面上常見到紅色的鐵質(zhì)、白色的鈣質(zhì)或高的土質(zhì)沉淀物，有時(shí)還可見到新生界泥質(zhì)沉積物。這些是地下水滲入陷落柱產(chǎn)生的沉淀物。（三）喀斯特陷落柱的分布特點(diǎn)陷落柱的平面分布不均一，具有明顯的分區(qū)性和分帶性。陷落柱的形成與喀斯特地下水活動(dòng)的強(qiáng)烈程度有關(guān)，礦區(qū)內(nèi)各個(gè)井田的水文地質(zhì)條件存在差異，因此陷落柱的形成在時(shí)間和空間上均有差別，其數(shù)量和規(guī)模都表現(xiàn)出明顯的分區(qū)性。由圖6—61可看出，陽(yáng)泉礦區(qū)南部的馬郡頭井田和五礦陷落柱最發(fā)育；北部的三礦和四礦較發(fā)育；最北的固莊礦、蔭營(yíng)礦和中部的二礦、大陽(yáng)泉礦不發(fā)育。構(gòu)造裂隙是地下水的良好通道，為形成喀斯特的重要條件。因此喀斯特陷落柱常沿喀斯特化斷裂帶、褶曲軸，特別是斷層交匯處呈串珠狀密集分，表現(xiàn)出明顯的分帶性。例如徐州大黃山礦陷落柱沿主向斜軸里帶狀分布，井陘煤礦的陷落柱沿北東方向呈串珠狀展布，均與該區(qū)地下水集中徑流帶關(guān)系密切。2627三、陷落柱的觀測(cè)與研究（一）陷落柱出現(xiàn)前的預(yù)兆1．產(chǎn)狀變化陷落柱在陷落過(guò)程中，由于牽引作用使圍巖向陷落中心傾斜，傾角變化一般4o～6o之間，個(gè)別可達(dá)10o以上，其影響范圍一般在15～20m范圍之內(nèi)，少數(shù)可達(dá)30m（圖6—62）。282．裂隙增多在陷落過(guò)程中，陷落柱周圍煤巖層產(chǎn)生大量裂隙。裂隙走向平行柱面的切線方向，裂隙面向陷落中心傾斜，裂隙的發(fā)育程度與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，在脆性巖石中裂隙較發(fā)育，在柔性巖石中裂隙較少。在裂隙中，常見有粘上、高嶺上、碳酸鈣、氧化鐵等充填物。3．小斷層增多陷落柱周圍的煤巖層，由于受塌陷和重力的影響，沿裂隙面向下發(fā)生位移產(chǎn)生小斷層。此種小斷層規(guī)模小，走向延長(zhǎng)10～20m，落差多在0.5m以內(nèi)，且都是向陷落中心傾斜的正斷層（圖6—63）。294．煤質(zhì)氧化陷落柱附近的煤層，由于地下水作用，易發(fā)生氧化。氧化煤的光澤變暗，灰分增高、強(qiáng)度降低。嚴(yán)重者可變?yōu)槊喝A。煤的氧化程度和影響范圍與陷落柱大小、裂隙發(fā)育程度和地下水活動(dòng)有關(guān)。陷落柱越大、裂隙越發(fā)育、距陷落柱越近、水量越大，影響范圍則越大；反之則小。5．涌水量增大陷落柱穿過(guò)含水層時(shí)，將地下水導(dǎo)入礦井，當(dāng)巷道接近陷落柱時(shí)，涌水量會(huì)驟然增加，有時(shí)會(huì)發(fā)生突水事故。其涌水量的大小與該處水文地質(zhì)條件有關(guān)。30（二）井下遇陷落柱的觀測(cè)巷道遇到陷落柱，揭露的只是一個(gè)很小的接觸面（柱面），觀測(cè)時(shí)應(yīng)確定巷道與陷落柱的相遇部位。出于這種接觸面與斷層帶、沖刷帶有相似的特征，必須仔細(xì)觀察才能作出正確判斷。1．柱體前的煤巖層特征與住體相接觸部位的煤層及頂?shù)装鍘r層產(chǎn)狀會(huì)稍有變化，傾向柱體。傾角增大或減小，裂隙發(fā)育且常呈弧形。煤質(zhì)亦有變化，光澤變暗，煤質(zhì)松軟，有水銹。2．柱面特征一般為凹凸不平的高角度傾斜面，呈鑲嵌狀，但也有陡峭的直立面，面上常有水銹，柱面上有煤粉、巖屑組成的軟泥，要注意測(cè)定柱面與巷底交切弧線的弧度及方向。3．柱體內(nèi)特征觀察巖塊的巖性、形狀、大小及堆積方式等，要特別注意與揭露點(diǎn)附近的鉆孔或石門剖面資料進(jìn)行巖性對(duì)比，判斷陷落層位。314．利用已有資料根據(jù)上部煤層、地表或上水平的資料，結(jié)合觀測(cè)特征，判斷陷落柱的形狀、大小及陷落柱的相遇部位（圖6—64）。32（三）陷落柱的探測(cè)為了準(zhǔn)確圈定陷落柱的位置、大小、形狀和面積，在觀測(cè)基礎(chǔ)上，必須使用探測(cè)手段。1．鉆探鉆探使用的范圍較廣。在地表可用鉆探驗(yàn)證異常區(qū)是否有陷落柱存在；在井下可用鉆探探測(cè)巷道前方或由巷道圈定的回采工作面內(nèi)有無(wú)陷落柱存在（圖6—65）。332．物探由于煤層與陷落柱的電性不同，對(duì)電磁波具有不同的吸收作用，所以可用無(wú)線電波透視法探測(cè)工作面內(nèi)的陷落柱。3．巷探巷探能直接進(jìn)行觀察和測(cè)定，可靠程度高，但工作量大，費(fèi)用高。安排巷探時(shí)盡可能考慮一巷多用，或采取小斷面掘進(jìn)。四、陷落柱對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響及處理（一）陷落柱對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響1．破壞可采煤層，減少煤炭?jī)?chǔ)量由于陷落柱本身及其周圍不能開采