周起謀 李小明 史桃桃 許海濤

(1.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601;2.北京華安奧特科技有限公司，北京 100085)

晉城礦區(qū)煤礦地處華北板塊的中部，井田內地層沉積比較穩(wěn)定，經歷多次地殼升降，地層差異升降顯著，部分陷落柱陷落高度達數(shù)百米。由于中奧陶系灰?guī)r是華北煤田主要含水層，具有較高的承壓水頭，若柱體充填物的壓實、膠結程度較差并受采動等外部因素影響，陷落柱很可能成為奧陶系灰?guī)r強含水層和含煤地層之間的聯(lián)系通道，存在嚴重的安全隱患，對煤礦安全生產危害極大［1］。

趙莊二號井所在礦區(qū)位于華北斷塊中的呂梁—太行斷塊沁水塊坳東部。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度大富水性好，且主采煤層3#和15#煤層均位于奧灰水位之下，處于帶水壓開采狀態(tài)。在斷層、陷落柱等發(fā)育地段，奧灰水有可能通過隱伏導水陷落柱、斷層和裂隙密集帶等地質異常體突入礦井，造成礦井水害［2］。因此，探究分析陷落柱形成原因，有利于在工作面回采前采取相應防護措施，防止陷落柱引發(fā)導水事故，保障礦井安全生產。

1 巖溶陷落柱形成的基本條件

1.1 可溶性巖層

趙莊二號井鉆探達到奧灰馬家溝組的G#1水文孔，揭露的奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)巖性下部為泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r和石灰?guī)r互層及石灰?guī)r夾薄層泥質灰?guī)r及角礫狀泥質灰?guī)r，即奧陶系中統(tǒng)三段，厚度143.49m，裂隙發(fā)育，巖芯破碎，裂隙面多呈鐵銹色，巖芯多呈塊狀短柱狀，局部有溶蝕現(xiàn)象;上部主要為石灰?guī)r地層，夾薄層泥質灰?guī)r，即奧陶系中統(tǒng)四段，厚度89.10m，裂隙發(fā)育，巖芯破碎，局部有溶孔發(fā)育，巖芯多呈塊狀及短柱狀，其間有一層厚3.58m的裂隙發(fā)育帶，泥質膠結灰?guī)r碎石，碎石大小2～8cm，易碎，為裂隙巖溶發(fā)育地段。

奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)為含煤地層基底，井田內的4602孔最大揭露厚度143.97 m，屬海相沉積。頂部為灰色石灰?guī)r，富含黃鐵礦;上部為灰色石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r及泥質灰?guī)r，夾灰白色白云巖和泥質白云巖，局部溶洞發(fā)育，裂隙內充填有方解石脈;下部為淺灰色白云質灰?guī)r，灰色－淺灰色中厚層狀石灰?guī)r、含泥灰?guī)r，局部溶洞發(fā)育。

中奧陶統(tǒng)(峰峰組及馬家溝組)存在著大量的可溶性石灰?guī)r、白云巖。石灰?guī)r的主要成分是CaCO3，白云巖的主要成分是CaMg(CO3)2。在一定的環(huán)境中，CaCO3、CaMg(CO3)2被 CO2溶解，其化學式如下:

在水動力作用下，溶于水的Ca2+、Mg2+、HCO－3被帶走，石灰?guī)r、白云巖被逐漸溶解而形成溶洞。當發(fā)育到一定程度時，受地殼運動及上覆巖層的重力影響，導致上部巖層垮塌而形成陷落柱?？梢?，可溶性巖層是巖溶陷落柱形成的前提條件。

1.2 本井田的斷層及裂隙(導水)的情況

1.2.1 井田斷層及裂隙概述

本井田位于晉(城)—獲(鹿)褶斷帶南段的韓店至高平間褶斷帶西側，武(鄉(xiāng))—陽(城)凹褶帶東側。區(qū)內構造主要受新華夏構造體系的控制，全井田總的為一走向北東，傾向北西，傾角5°左右的單斜構造，在此基礎上伴有次一級寬緩褶曲和小型斷裂，斷層附近地層傾角達15°以上。區(qū)內主要斷層的走向多為北北東向;西北部褶曲因受后期構造運動的影響向西偏轉成北東東向。

目前趙莊二號井經三維地震勘探，共發(fā)現(xiàn)72條大中型斷層。斷層大都為正斷層，延伸長度不大，從幾十米到數(shù)百米不等，落差3～290 m，一般只有幾米。其中對安全影響較大的斷距大于30m的斷層共五條，即東南部的莊頭正斷層、DF31、DF32和DF55等正斷層，西部的興旺莊南正斷層。上述斷層均屬于張性斷層，由于張性斷層破壞了巖石的完整性，增加了巖石的滲透性能，擴大了水與巖石的接觸可溶機會，使水流具有了良好的通道，加強了巖溶發(fā)育程度，為陷落柱的形成創(chuàng)造了條件。這也是為什么趙莊二號井巖溶陷落柱主要是沿著莊頭正斷層和興旺莊南正斷層、DF40正斷層及其次生斷層的走向分布的原因。

“咦？”霍鐵和小達忍不住叫了出來。小達仔細端詳著小姑娘，然后哈哈大笑起來。她扭頭扯了扯霍鐵的胳膊：“哥哥，你忘了？幾個月前的那次體操表演賽，我還采訪過她呢！”

1.2.2 斷裂構造控制陷落柱的發(fā)育

從礦區(qū)宏觀地質尺度看，區(qū)域斷裂構造特別是張性斷裂構造不僅是堅硬巖石的水流通道，也是地下水系統(tǒng)的逕流與排泄帶，起到陷落柱發(fā)育的控制作用。針對本井田，將陷落柱的長軸走向和本區(qū)113條斷層走向和傾向整理成表格如下:

表1 3#煤層、15#煤層陷落柱長軸走向和斷層傾向、走向綜合統(tǒng)計表

由上表可以知道，陷落柱與斷層走向和傾向在相同的方位間隔段內平均走向值相差很少。如在方位間隔為20°～29°內，3#煤層內陷落柱的長軸走向平均值是24.4°，15#煤層內陷落柱的長軸走向平均值是22.25°，而它們這片區(qū)域斷層的走向是24.2°。說明陷落柱的群體長軸方向與區(qū)域斷層的走向有明顯的一致性。這些地質構造不僅控制巖溶的發(fā)育強度和深度，而且控制巖溶發(fā)育的方向和部位［3］。

1.3 巖溶地下水

1.3.1 區(qū)域水文地質單元

趙莊二號井位于辛安泉水文地質單元內。辛安泉巖溶水系統(tǒng)面積約12750 m2。中、上寒武系和中、下奧陶系廣泛出露于系統(tǒng)的東部。區(qū)內主要巖溶含水層組為:(1)、中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層組，主要由灰?guī)r及白云巖組成，厚310～711 m，巖溶發(fā)育，儲水性好，單位涌水量7.8～85.1 L/s·m;(2)、下奧陶統(tǒng)和中、上寒武統(tǒng)巖溶裂隙含水層組，主要為白云巖，灰質白云巖，鮞狀灰?guī)r和泥質灰?guī)r等，厚度為230～720 m。巖溶不甚發(fā)育，儲水性中等，單位涌水量0.21～0.95L/s·m。

辛安泉巖溶水系統(tǒng)為一巨大的、獨立的巖溶水系統(tǒng)。根據(jù)趙莊二號井田地理坐標為:東經112°54'15″－112°58'00″，北緯 35°59'39″－ 36°01'00″，推斷出趙莊二號井處于辛安巖泉域巖溶地下水的長治子系統(tǒng)內。由圖1可見，趙莊二號井在長治—潞城強徑流帶的南端附近。

圖1 辛安泉域巖溶地下水子系統(tǒng)特征圖

1.3.2 井田水文地質單元

趙莊二號井屬于長治子系統(tǒng)。長治子系統(tǒng)位于長治新裂陷盆地的東部，其東邊隔晉獲褶斷帶與壺關子系統(tǒng)為鄰;西邊與徑流滯緩區(qū)相連;南邊以地下水分水嶺與延河泉域分界，子系統(tǒng)總面積為980km2，大氣降水是地下水的主要補給來源，其次老頂山背斜在賈掌以南向下傾伏，陶清河水庫一帶，巖溶地下水穿越晉獲褶斷帶側向補給該子系統(tǒng)。再者沿長治大斷層及二崗山壘可溶巖天窗，其上覆含水層的側向或越流補給，其天然總補量為0.76 m3/s。該子系統(tǒng)主要含水層為、石灰?guī)r和泥質灰?guī)r，地下水從南向北沿長治斷層破碎帶經潞城市區(qū)南部向排泄區(qū)徑流，南流泉是該子系統(tǒng)的代表性排泄點。HCO3·SO4－Ca·Mg型水是區(qū)別于其他子系統(tǒng)的重要標志。子系統(tǒng)向西礦化度、硬度增大，水質類型逐漸復雜化。

1.3.3 巖溶地下水動力條件控制巖溶陷落柱發(fā)育

巖溶發(fā)育必須具備兩個條件，即可溶性巖層和良好的地下水動力條件，其中地下水流通道和排泄口的暢通與否對巖溶和陷落柱的形成更具有特別重要的意義［4］。從已經發(fā)現(xiàn)的陷落柱分布特點看，華北煤礦區(qū)陷落柱與巖溶泉域發(fā)育、巖溶地下水集中逕流、排泄帶關系密切，在這些區(qū)域內陷落柱分布密度最大:①如峰峰礦區(qū)，陷落柱主要集中分布在黑龍洞泉群系統(tǒng)的四礦、通二礦、一礦;②如陽泉煤田煤系基底的中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖大面積出露地表，形成較大的娘子關泉群，從而產生眾多巖溶陷落柱，使之成為華北型煤田陷落柱最發(fā)育的礦區(qū)之一［5］。

趙莊二號井所屬的長治子系統(tǒng)以大氣降水為地下水的主要補給來源，其次還接受壺關子系統(tǒng)沿東西向斷層和陶清河水庫一帶巖溶地下水的側向補給。地下水從南向北沿長治斷層破碎帶經潞城市區(qū)南部，向南流泉為代表的排泄點排泄，形成了排泄區(qū)徑流。為趙莊二號井陷落柱的形成提供了地下水交替循環(huán)，成為了陷落柱形成的良好的地下水動力條件。

正因為巖溶地下徑流為陷落柱的形成提供了動力條件，所以在趙莊二號井井田內走向與與巖溶徑流方向一致的興旺莊正斷層、DF40和莊頭正斷層附近陷落柱發(fā)育密集，形成了陷落柱密集帶。

2 礦區(qū)巖溶陷落柱成因

印支運動前期，石炭－二疊紀煤系在成巖壓實過程中不斷沉積釋水，而這種沉積釋水主要是以垂直方向運移為主，奧陶系灰?guī)r頂部的良好滲透性為這種釋水的進入提供了方便之門，沉積釋水的進入，一方面與奧陶系灰?guī)r水混合后產生混合溶蝕作用;另一方面隨煤系中的有機質增溫成熟，在成烴熱解過程中因脫羧基作用而分解出大量的CO2，在水的作用下不斷溶蝕灰?guī)r巖層，流動的水不斷帶走 Ca2+、Mg2+，CaCO3和［CaMg(CO3)2］就會不斷地溶解，巖石不斷被溶蝕，使灰?guī)r下部空隙發(fā)育。由此可知在長時間酸性水和溶蝕性水的作用下，易遭穿透，并不斷發(fā)展，逐漸溶蝕巖層中的灰?guī)r。

印支－燕山運動時期，沁水盆地產生褶皺、斷層，并且整體處于抬升階段，地下水水平基準面不斷下降，灰?guī)r更容易沿張性破裂面發(fā)育。為陷落柱提供了良好的導水通道。在喜馬拉雅運動時期，沁水盆地西側的晉中斷陷為斷陷沉降區(qū)，地下水不斷向晉中斷陷匯集，對巖溶進一步的侵蝕。

在古巖溶發(fā)育的基礎上，地下巖溶水以大氣降水為地下水的主要補給來源，從南向北沿長治斷層破碎帶經潞城市區(qū)南部，向南流泉為代表的排泄點排泄。途徑趙莊二號井，沿張性斷層徑流，不斷溶蝕灰?guī)r地層，并使地下巖溶裂隙融會貫通，地下溶洞系統(tǒng)不斷發(fā)展壯大，最終形成初期的地下洞穴系統(tǒng)。當巖溶洞穴發(fā)展到一定規(guī)模時，溶洞所形成的自然拱不能承受上部巖體的自重力時，溶洞塌陷，陷落柱形成。

3 結論

1)巖溶形成的三要素是:可溶巖、構造和地下水活動，巖溶陷落柱是巖溶空洞上覆巖層坍塌的產物，形成陷落柱必須具備以下三個條件:一是必須具備可溶巖(如在煤系地層下伏有可溶性巖層，如奧陶系地層中的石灰?guī)r、白云巖、石膏等);二是有發(fā)育在可溶性巖層的斷層及裂隙(導水)的存在;三是具有活躍的水動力條件。

2)趙莊二號井所處的奧陶統(tǒng)(峰峰組及馬家溝組)因有大量的可溶性的石灰?guī)r、白云巖存在，而成為煤系地層形成陷落柱的主要巖層。在一定的環(huán)境中，石灰?guī)r的主要成分CaCO3、白云巖的主要成分CaMg(CO3)2被CO2溶解，在水動力作用下，溶于水的Ca2+、Mg2+、HCO－3被帶走，石灰?guī)r、白云巖被逐漸溶解而形成溶洞。

3)趙莊二號井井田內陷落柱的形成不僅受巖溶地層的影響，同時也受地質構造的影響。地質構造不僅控制巖溶的發(fā)育強度和深度，而且控制巖溶發(fā)育的方向和部位。所以井田內陷落柱的群體主要的長軸方向與區(qū)域斷層的主要的走向有明顯的一致性。

4)趙莊二號井所處的水文地質單元是辛安泉水文地質單元。正因為辛安泉為陷落柱的形成提供了水動力條件，所以在趙莊二號井井田內走向與與巖溶徑流方向一致的興旺莊正斷層、DF40和莊頭正斷層附近陷落柱發(fā)育密集，形成了陷落柱密集帶。

［1］ 尹尚先，武 強，王尚旭.華北巖溶陷落柱突水的水文地質及力學基礎［J］.煤炭學報，2004，29(2):182－185

［2］ 礦井中長期防治水規(guī)劃(2012—2017年).煤礦安全網(wǎng)

［3］ 王則才，武強，巖溶陷落柱與礦井防治水策略研究［J］. 工程勘察，2002，1:29－30

［4］ 張茂林，尹尚先.華北型煤田陷落柱形成過程研究［J］.煤田地質與勘探，2007，6(35):27－29

［5］ 張寶柱，陳振東.華北型煤田巖溶陷落柱分布規(guī)律及其水文地質意義［J］.1996，3(15):295－298