岩溶陷落柱
陷落柱的形成与分布_姚冬梅
收稿日期:2002-11-11作者简介:姚冬梅(1968-),女,山西太原人,工程师,1991年毕业于山东矿业学院,现从事地质勘探工作。
陷落柱的形成与分布姚冬梅(山西焦煤集团公司官地煤矿,山西太原 030022)摘要:通过分析陷落柱的形成条件和影响其分布的因素,推测出陷落柱可能发育的地区或地段,对煤矿生产中综合治理陷落柱,具有一定的意义。
关键词:陷落柱;形成机理;塌陷;分布规律中图分类号:P642.25 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2003)02-0013-02 岩溶陷落柱是局部地层中的岩溶塌陷现象,根据西山煤田前山各生产矿区揭露的地质资料统计,陷落柱发育密度为20～40个/km 2,其破坏面积约占煤层已采面积的4%～10%,煤炭储量损失高达15%～30%,严重缩短了矿井寿命,并造成煤炭资源的很大浪费。
陷落柱的存在,长期困扰西山煤炭的开发和利用。
近年来,无线电坑透仪的使用和普及,对回采工作面内的隐伏陷落柱探测取得了一定成效,但这一技术目前仅局限在回采工作面回采巷道及切眼构通后的物探分析,还不能对矿井或采区范围内隐伏的陷落柱进行探测分析。
因此,对陷落柱的形成机理和分布规律进行综合分析,可指导采区和工作面的合理布置,避免生产的盲目性。
1 陷落柱的形成陷落柱的形成大致经历了由溶隙到溶孔(溶管)、溶洞及溶洞塌陷这一发育过程,其中溶洞的形成是陷落柱形成的核心,是形成陷落柱的先决条件。
1.1 岩溶洞穴的形成前人对岩溶发育总结了4个必备的物质条件:①有可溶性岩层;②具有良好的地下水通道;③有丰富饱和的侵蚀性水质;④有地下水的排泄口,以加剧地下水的交替作用。
当这4个条件都具备时,在构造力作用下,引起局部可溶性岩层较强的褶皱变形或断裂位移,并在其构造应力作用下产生节理或劈理发育区,使局部岩层的结构强度、稳定性、整体性等发生变化,使原来正常的岩层遭受不同程度的破坏,从而形成岩层的破碎带发育区,在地下水的强烈交替作用下,被侵蚀“掏空”,形成岩溶洞穴。
岩溶陷落柱的研究历史及成因假说
岩溶陷落柱的研究历史及成因假说摘要：岩溶陷落柱在华北型煤田广泛发育和分布，它的存在是矿井安全的重大威胁。
为了解决陷落柱问题，众多专家学者对陷落柱的形成机理、分布规律以及陷落柱突水原因等方面，进行了长期的研究，形成了诸多理论依据。
关键词：岩溶陷落柱；研究历史；形成机理；分布规律；侵蚀基准面Abstract: There are extensive development and distribution of karst collapse column in northern china coal field. The existence of karst collapse column is significant threat to mine safety. In order to solve the problem, many experts and scholars have done the long-term research of formation mechanism, distribution law, collapse column water inrush reason and so on. As a result, many theoretical bases are formed.Key words: karst collapse column; history of research; formation mechanism; distribution law; base level of erosion在我国华北煤田，不少矿区有陷落柱分布。
在陷落柱发育的地区，它一直是影响煤矿生产和建设的主要因素之一，如西山煤田前山各生产矿区揭露的地质资料统计：陷落柱发育密度为20～40个/k㎡，其破坏面积约占煤层已采面积的7%。
由于陷落柱的破坏，生产矿井煤炭储量损失高达15%～30%[1] 。
华北型煤田岩溶陷落柱分布规律及其水文地质意义
第15卷第3期V o l 115, N O -3阜新矿业学院学报(自然科学版)Journal of Fuxin M ining Institute (N atural Science )1996年7月Ju ly ,1996华北型煤田岩溶陷落柱分布规律及其水文地质意义张宝柱 陈振东(阜新矿业学院资源工程系123000)摘 要 本文阐述了华北型煤田内岩溶陷落柱形成的基本条件及其分布规律,依其导水性把陷落柱划分为三大水文地质类型,指出多数是隔水的,但若形成较新或处于强径流带及集中排泄带,可成为矿床充水通道,勿通奥灰水进入矿坑,发生突水淹井事故。
对此进行了深入探讨,并提出相应的防治方法。
关键词 岩溶陷落柱;岩溶水系统;矿床疏干中图号 TD 12收稿日期 1995-06-06。
第一作者 张宝柱,男,1962年生,硕士,讲师。
0 引 言华北型煤田石炭、二叠纪地层内岩溶陷落柱广泛发育,常给煤矿生产带来不利影响,特别是自1984年6月开滦范各庄煤矿发生了世界采矿史上前所未有的奥陶系灰岩岩溶陷落柱特大突水,造成灾害性淹井事故以后,打消了陷落柱不突水的看法,对陷落柱分布规律及水文地质特征研究引起了重视。
1 岩溶陷落柱分布规律岩溶陷落柱是由于煤系地层基底厚层易溶碳酸盐—硫酸盐岩,在强烈溶蚀与机械作用下,形成大型岩溶洞穴而失去对上覆岩层的顶托力,导致上覆岩层不断向下塌落而形成的柱状塌陷体。
它是碳酸盐—硫酸盐岩岩溶化所引起的继生地质现象,主要发育并形成在华北岩溶水类型煤矿区,特别以山西西山、泌水、霍县煤田和河北太行山中南段煤田分布密度最大,发育也最典型。
岩溶陷落柱既是一定岩性结构的产物,同时亦受构造控制,是水化学、水动力作用和机械作用等共同作用的结果,其分布具有如下特征:1.1 受地层结构控制陷落柱发育的地层层位主要分布在碳酸盐、硫酸盐岩混合建造的中奥陶统中。
中奥陶统碳酸盐—硫酸盐岩系属于陆缘浅海台地沉积,为一套泥晶白云岩、泥晶白云质灰岩、泥晶灰岩、石膏及硬石膏岩混合建造,常见大量层次不清的膏溶角砾岩。
岩溶陷落柱成因分布规律浅析
１ 概
况
征 ，准确控 制其发 育范 围、高度 、柱 内充填物等情况。
２ １２ 陷落柱 的超前治理 ．． 根据陷落柱 发育 特征 ，采用地 面钻孔注浆封堵的方法 。
皖北煤 电集 团任楼煤矿是一座设计年产 １０万 ｔ ５ 的现代 化大型矿井 ，现正进 行的 ３０万 ｔ 扩建工程 已基本 完成 ， ０ 改
煤
炭
工
程
２０ 年第 １ 期 ０８ １
岩 溶 陷落柱 成 因分布 规 律 浅析
方 沛 ，王海龙
２ ５０ ） ３ ０ ０ （ 皖北煤电集团公 司 任楼煤矿 ，安徽 淮北
摘
要 ：论 文介 绍 了任楼煤 矿在通 过 多种勘查 手段 对任楼 井 田 已有岩 溶 陷落柱进 行探 查和 分
析 ，查明 了陷落柱 发育 的基本特 征 。根 据岩 溶 陷落柱成 因分布 的一般 规律 ，通 过对 其形成机 理 即
但该矿从一开始试生产就 受到 了严 重的水害威 胁。１９ ９６年
首先对煤 系地层岩 体 的抗 压 、抗剪 、抗 渗透 能力 进行
试 验分 析与测试 ，确定 ８煤底板 下 １ｍ 的山西组 砂岩 、砂 ０ 质 泥岩互层段为要注浆堵水段加 固层位 。
该矿 ７２ ２首采工作 面在 回采过程 中遭遇隐伏 导水陷 落柱 而 发生特大突水灾 害 ，最 大 瞬 间突水 量可 达 ３５ ０ ｈ ４ ７ ｍ ／ ，导 致整个矿井被淹。１９ ９ ９年在 ７１ ：８机巷掘进过程 中，又遇 隐 伏导水陷落柱 ，因发 现及时 和超前治 理 ，才未发生 突水 事 故 。可见 ，隐伏 导水 陷落 柱 的存 在 ，严重影 响着矿 井 的安
最后运用人工受控注浆和劈裂注浆技术 进行注浆封堵 。 同时在整个治理 过程 中建立 、完 整 了地 下水 动态监控 、钻
陷落柱演示
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
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 高的趋势。
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。
岩溶陷落柱
第四章岩溶陷落柱陷落柱：由于下伏易溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成大量空洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落，塌陷所形成的筒状柱体，简称陷落柱第一节岩溶陷落柱的特征一、地表特征1、盆状塌陷2、丘状凸起3、柱状破碎带山西西山和汾西矿区的沟谷两侧或道路两旁的天然或人工剖面上，常可见到一些柱状破碎锻，这即是陷落住的剖面形态。
4、特殊地貌形态在黄土覆盖区，基岩个的陷落柱可导致表层黄土产生圆形陷坑或弧形阶梯状裂缝。
裂缝窄的仅几厘米，宽的可掉进耕牛，在山西汾西矿区有“跌牛缝”之称。
此外，陷落柱还可引起黄土滑坡。
二、陷落柱井下特征1、陷落柱的形态特征它是指陷落住柱的三度空间形状。
现从它的平面和刻而形态、高度和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。
(1)陷落柱的平面形态它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。
一般呈椭圆形，也可呈圆形、鞋底形或长条形等。
根据山西阳泉三矿已揭露的133个陷落柱的平面形态统计资料，椭圆形的92个，占69％；圆形的13个，占10％；其它形状的28个，占31％。
为了描述陷落柱的平面形态，应标出长轴和短轴，计算出长短轴的比值。
一个矿区，陷落住长轴往往具有一定的方向性。
是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落拄形态。
如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层(如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层)，则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层(如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层)，则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水乎面的交角为60- 80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍里，锥形柱状。
( 3)陷落柱的高度 它是指从溶洞底到塌陷顶的垂宜距离。
它与溶洞的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有密切关系．一般高度由几十米到l 00-200m ，但也有高达几百米的巨型陷落和仅数米的小型坍塌。
(4)陷落柱的中心轴 它是指陷落柱各平面形态的中心点的联线。
浅析岩溶陷落柱的形成机理
４个 条件无疑是形成岩溶发育必备的物质条件 ， 但由于岩 溶 洞穴仅是局部 地层 中形成 的构造 体 ， 冈此 ， Ｌ述 物质 对 条件都具备的一个煤 田或一个矿区来讲 ， 其关键 只涉及导 致 下部 岩溶 洞穴发育 局部 区域 范 ｌ内地质 和条件的分析 韦 １ 研 究， 对揭露和正确反映岩溶洞穴形成的本质特征才具有
并不 是 一 点 也 不 向上 扩 展 ， 只是 时 间进 行 的 很 缓 慢 。
岩溶是形成陷落柱的先决条件 ， 此溶洞的彤成机理 是岩溶陷落柱形成过程中的核心问题 ：一般认 为， 溶发 岩 ｌ 育必须具备 ４个 条件 ： 一是 有可溶液性岩层 ； 二是具 有 良 好 的地下水通道 ； 是有 丰富饱 和的侵触性水 质 ； 四是有
文章编 号 ：
摘要 ： 通过对矿井生产中所暴露 的褶皱 、 断裂 、 节理等地质 构造现象的观察分析 ，论述 了岩溶陷落柱的彤成机理 ， 初 步摸清 了陷落柱 的一般规律 ， 为正确指导生产提供 了科学
依据 ：
关键词 ： 煤岩地层 ； 岩溶陷落柱 ； 安全生产
中 图分 类 号 ： Ｄ １ Ｔ ３３ 文献标 识 码 ： Ａ
和探测 。 均离不 开基础地质理论的指导 由于陷落柱在形
成过程 中发育 的复 杂性 ，陷落柱 的成 因理论亦在不断发 展， 以便正确指导生产 ， 为高产高效集约化生产创造 条件
二 、 溶 陷 落柱 的 形 成机 理 岩
（ ） 一 岩溶 洞 穴的 形 成机 理
的上覆地层在重 力作用下 继续 垮落 ， 往剖而上形 成柱状形
上 覆 岩层 受重 力 作 用 而 塌 陷 ， 因塌 陷 体 的 剖 面 形 态 似一 锥
岩溶陷落柱
钻孔圈定采面内陷落柱示意图
2、巷探：
为了查明陷落柱的确切位置、大小、形状以及其
对煤层的破坏程度，对没有突水危险的陷落柱，
可利用小断面的巷道进行探测。
3、物探： 微重力勘探 无限电波透视 瑞雷波勘探 电法 地质雷达（电磁波）
地震波CT
槽波勘探
岩溶陷落柱
主讲：宋达达 回答：马一开
岩溶陷落柱
一、陷落柱特征
二、陷落柱成因 三、陷落柱对煤矿生产的影响 四、陷落柱的探测
五、煤矿生产中对陷落柱的处理
一、陷落柱特征
岩溶陷落柱是岩溶空洞塌陷的产物，它是由于下伏易 溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成大的溶洞，从而引 起上覆岩层失稳，向溶洞中冒落、塌陷所形成的筒状 柱体，简称陷落柱。 陷落柱是影响煤矿生产的特殊地质条件之一，在我国 华北石炭二叠纪煤田中普遍分布，目前全国矿井已揭 露岩溶陷落柱7000～8000个，主要分布在山西、河北、 河南、山东、安徽、四川等地，其中以山西、河北最 为发育。
Thanks
主讲：宋达达 回答：马一开
C.洞穴的顶部逐渐坍陷；
D.最后的拱顶坍陷
三、陷落柱对煤矿生产的影响
（1）破坏可采煤层，减少煤炭储量 （2）影响正规采煤，制约机械化作业 （3）提高掘进率，降低矿井效益 （4）陷落柱对煤矿安全生产造成影响
四、陷落柱的探测
1、钻探：
在探查巷道掘进前方陷落柱时，应根据巷道施工
方向，平行布置或扇形布置钻孔；在探查回采工
齿状。界限明显。
牵引不明显，但有时可见接触带的煤层受较大影
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岩溶陷落柱：在石灰岩等可溶性岩层地区，由于地 下水的溶蚀作用而产生洞穴，上覆岩层受重力作 用而塌陷，塌陷体为环形柱状，俗称陷落柱。
一、岩溶陷落柱的成因及特征 （一）、成因：
1、地质条件：岩溶发育必须具备的四个条件： （1）有可溶性岩层存在； （2）可溶性岩层透水（煤系中断裂构造发育）； （3）水具侵蚀性（含酸根）； （4）水要流动（地下水动力条件好，排泄口畅）。
1、井下遇陷落柱前的预兆 （1）产状变化：塌陷牵引作用所致；向中心倾斜。 （2）小断层增多：多为向陷落柱中心倾斜的正断层。
（ 3）裂隙增多：裂隙走向平行柱面切线方向，裂隙 面向陷落柱中心倾斜。
（4）煤质氧化：光泽变暗，水分增多，强度降低。
（5）涌水量增大：陷落柱穿过含水层起了通道作用。
（6）瓦斯增加。
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2、岩溶洞穴塌陷机理 ： （1）重力塌陷——上覆岩层重力所致 。
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（2）真空吸蚀塌陷：
密封的溶洞因地下水排泄及局部地壳升降等 原因，使其 底部由承压转为无压或负压，因此不 断下降的水产生强烈的 抽吸作用，使盖层反复陷 落，同时溶洞内外的压差效应，也 使外部大气压 对盖层产生冲压作用。 （3）物理化学综合作用： 岩层内出现物质重结晶作用； 地下水冲蚀和溶蚀作用； 成煤过程中的有机质分解产物（H2O,CO2,CH4） 与岩层内物质的化学作用。
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四、陷落柱对生产的影响及处理
1、陷落柱对生产的影响 1）破坏可采煤层，减少煤层可采储量； 2）影响正规开采，使工作面无法布置； 3）增加巷道掘进率，降低回采率； 4）影响安全（矿井水、瓦斯的通道）。
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2、陷落柱的处理方法
1）设计时将陷落柱留在煤柱中。 2）主要巷道掘进时： 运输巷遇陷落柱：在保证安全的前提下，一般 直接穿过陷落柱。 回风巷则应绕行。
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2、陷落柱出露 1）地表出露特征 （1）盆状凹陷：被第四系覆盖； （2）丘状凸起：上覆地层呈碎块状隆起堆积； （3）柱状破碎带：出露于沟谷、公路两侧； （4）特殊地貌上的形态（黄土覆盖区）：蜂窝状、 圆形陷坑、弧形裂缝、滑坡等。
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2）陷落柱井下特征
（1）柱面特征：柱面的
垂直剖面为两条折线。
不规则状，例如坚硬岩 石呈突出状、松软岩石 呈凹陷状。 平面形状为一封闭曲线。
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（2）柱体特征： 多为较新地层碎块或第四系松散沉积物充填；
柱内岩块岩性混杂，分选差、棱角分明，若被 胶结，则为地史时期陷落柱；若松散，则为现代 所形成。
红色铁质、白色钙质、高岭土沉淀物、泥质沉 积物等。
（3）陷落柱内沉淀物：
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2、岩溶塌陷误判的原因和判别标志
1）误判原因 岩溶塌陷与构造变动相似的现象： （1）岩层不连续； （2）裂隙发育； （3）煤层破碎； （4）淋水； （5）遇大块岩层填入巷道。
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2）判别标志
陷落柱的判别标志： （1）岩性标志{岩性复杂，杂乱无章，见碎块煤}。 （2）接触面不平整，无擦痕，“柱壁”很陡。 （3）顶、底板产状无大变化。 （4）地表出现，井下必然出现。
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3、喀斯特陷落柱分布特点
平面分布上具有明显的分区性和分带性： （1）分区性：与地下水活动程度密切相关。矿区各 井田水文地质条件不同，因此，在时空上表现出 明显的分区性。 （2）分带性：与构造断裂带密切相关。因此，常沿 断裂带、褶曲轴、断层交汇处分布，表现出明显 分带性。
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二、陷落柱的观测和研究
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3、陷落柱的观测
1）煤岩层特征： （1）观测内容： 围岩的岩性、产状，断裂构造的发育情况； 煤层及顶底板特征； （2）主要特征： 倾角增大，裂隙呈弧形； 煤质松软，光泽变暗； 出现水锈。
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2）柱面特征
（1）观测内容： 柱面的平坦、倾斜情况； 柱面的倾向、倾角； 面上特征。 （2）主要特征： 高角度凹凸不平的倾斜面， 面上有煤粉、水锈、岩屑、软泥， 柱面与巷底交线呈弧形。
3Hale Waihona Puke （二）、特征 1、基本形态 （1）平面形态 以圆形、椭圆形、长条或不规则形
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（2）剖面形态 坚硬岩石的地层：柱体上小下大，夹角60～ 80° 松散或松软岩层：柱体上大下小，夹角40～ 50°
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（3）陷落柱高度 根据地质条件不同，一般为几十米～二百米， 也有高达数百米，直至地表。 （4）陷落柱中心轴 柱体各平面中心点的连线——中心轴线； 中心轴线多数不是直立的； 中心轴线——可预测下部煤层中陷落柱的位置。
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3）柱体内特征 ： 观测岩性、形状、大小、堆积方式。 4）其他特征 ：水、瓦斯等。 生产矿井对陷落柱观测的要求，可归纳为五查、五看、 五定。
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三、陷落柱的探测：
1、钻探：回采工作面内探测，目前生产矿井常用的 手段之一。
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2、巷探：小断面的巷道。 3、物探：1）仪器：无线电波坑道透视仪——坑透仪。 2）原理：陷落柱对无线电波吸收强烈。 3）观测方法： （1）同步法：发射机与接收机同步移动。 （2）定点法：发射机相对固定，接收机逐点记录。
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3）回采工作面遇上陷落柱，可视具体情况（陷 落柱大 小、位置等）而定。 处理原则：查清其范围，缩短工作面回采或另开切眼。
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六、陷落柱的预测
1、成因预测： 分析区内的地质及水文地质条件，据形成陷落柱 的基本要素，推测区内陷落柱的发育情况。 2、据已知资料预测： 用地表或井下揭露的资料，推断陷落柱在下水 平或下煤层的出现情况。