曹陽勃

(西北大學地質學系/國家大陸動力學重點實驗室，陜西 西安 710069)

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巖溶陷落柱的形成條件
——以范各莊礦為例

曹陽勃

(西北大學地質學系/國家大陸動力學重點實驗室，陜西 西安 710069)

巖溶陷落柱是華北石炭二疊煤系中發(fā)育的一種特殊地質構造，以其隱蔽性和突發(fā)性對煤礦安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。長期以來，開灤范各莊礦深受陷落柱水害威脅，其中1984年范各莊煤礦陷落柱出水淹井造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。通過范各莊礦井地質資料、水文地質類型劃分報告，以及對已發(fā)現(xiàn)的陷落柱資料進行分析，在前人理論基礎上對范各莊礦陷落柱形成條件總結，認為該區(qū)在總體走向為北東向的開平復式向斜構造背景控制下，在奧灰?guī)r溶發(fā)育，地下水不斷交替，巖體自重應力和真空負壓動力及地質構造條件下形成陷落柱。

地質構造；奧陶灰?guī)r；地下水；巖溶陷落柱

我國擁有極其豐富的煤炭資源，隨著現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)不斷向更深處發(fā)掘，越來越多的巖溶陷落柱被探測出與發(fā)掘。巖溶陷落柱是一種特殊類型的巖溶塌陷，是一種隱伏垂向構造，在我國華北石炭二疊紀煤系地層中極其發(fā)育。這種隱伏巖溶塌陷不僅使煤層在所影響到的范圍內失去開采價值，減少煤炭可采儲量，縮短了礦井服務年限，并且對井下大巷與開采布置和施工、采煤方式和采掘機械的選擇增加了困難，更為嚴重的是它容易溝通含水層，把奧陶系灰?guī)r水引入礦井，威脅到礦井的安全生產(chǎn)，其中1984年開灤范各莊煤礦陷落柱出水淹井造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟損失。因此，深入研究陷落柱的形成條件，弄清陷落柱與斷裂構造之間的內在聯(lián)系，總結探討陷落柱的形成原因、條件對于在礦井生產(chǎn)中進行早期的預測預報，及時采取有效的防治措施，確保礦井的安全生產(chǎn)，是十分必要的。

1　巖溶陷落柱的形成條件

目前采礦界、地質界的學者對巖溶陷落柱成因的研究十分重視，對其形成機理主要有4種基本觀點：膏溶塌陷說、重力塌陷說、循環(huán)塌陷說以及真空吸蝕塌陷說[1]。從陷落柱的特分布規(guī)律和特征以及形成條件所需的特定巖溶地質水文地質條件角度可以看出：巖溶陷落柱是在下伏巖溶洞穴形成和發(fā)育的過程中，上覆巖層不斷冒落、塌陷而形成的，而且形成的過程所受多種因素條件影響。

1.1以奧灰中巖溶發(fā)育程度作為前提

溶洞是陷落柱形成初期所塌陷的巖體保存的空間，如果沒有極其發(fā)育的灰?guī)r層溶洞或者有大裂縫的存在，溶洞上部的陷落物就無法形成，也就不會最終發(fā)育和形成陷落柱。一般，巖溶越是發(fā)育，越有利于形成陷落柱。

早中奧陶世，廣闊的華北地區(qū)為淺海相沉積地區(qū)。華北大陸沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，沉積了相當厚度灰?guī)r、白云巖，從而為溶洞的形成奠定了物質基礎。

范各莊礦下伏的奧陶紀灰?guī)r巖性具有華北型煤田的典型特征，其灰?guī)r具有厚度大、分布廣、而且在整個層位發(fā)育穩(wěn)定的特點，中部和上部的硫酸鹽巖與灰?guī)r互層發(fā)育，由于硫酸鹽巖在區(qū)內廣泛發(fā)育而且是種特殊的易溶物質，這就為后面的巖溶形成提供了可靠的物質基礎。

范各莊礦奧陶紀灰?guī)r在井田外部發(fā)育的隱伏露頭直接與第四系沖擊層接觸；位于井田西部和南部的灰?guī)r埋藏相對較深；在井田東部和北部埋藏較淺。構造裂縫和巖溶在整個井田的奧陶系灰?guī)r中普遍發(fā)育，但其發(fā)育程度在不同的區(qū)域還是存在很大的差異。

1.2不斷交替運動的地下水為水動力因素

地下水徑流條件，影響與約束著奧陶系石灰?guī)r風化殼巖體巖溶發(fā)育帶中溶洞的溶蝕程度與發(fā)育規(guī)模，影響和約束著巖溶陷落柱的形成、形態(tài)與最終發(fā)育特征，控制著巖溶陷落柱的導水能力的大小和巖溶陷落柱空間展布特征，是巖溶陷落柱最終的形成和發(fā)育不可或缺的水動力因素[2]。

根據(jù)以往所發(fā)現(xiàn)的陷落柱分布規(guī)律來看，華北石炭二疊紀煤田巖溶陷落柱受地下水徑流條件的強烈控制，幾乎所有的巖溶陷落柱都是分布在地下水徑流帶上，而且所有發(fā)生突水的巖溶陷落柱都是分布在地下水強徑流帶上，只是這些巖溶陷落柱有的分布在古代某個地質歷史時期的地下水強徑流帶上，而有的是則是分布在現(xiàn)代的地下水強徑流帶上。

在范各莊礦井，煤系地層奧灰含水層、沖積層含水層、砂巖裂隙承壓含水層為主要含水層，各含水層含水量豐富，并且各含水層之間水力聯(lián)系緊密，加之地下水排泄通暢，水流快速流動，對溶洞內的巖石巖體進行破壞與搬運，這些條件對于陷落柱的形成都是極其有利的(圖1所示)。奧灰?guī)r在不同區(qū)域的含水情況也是不一樣的，井田北部得鉆孔探測情況顯示涌水量和滲透能力都是很高的，分別可達6.593 L/s·m和31.87 m·d，而井田南部鉆孔數(shù)據(jù)顯示卻異常低；含水層水位也受季節(jié)變化影響，年變化范圍在2 m左右。奧灰水水質類型為HCO3-CaMg型，屬軟水。14煤層底板由砂巖和唐山灰?guī)r組成，厚度為40 m，該層有大量的節(jié)理與裂隙發(fā)育，在北部唐山灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)有溶洞存在。該含水層在隱伏露頭區(qū)接受沖積層含水層滲透補給，在井田北部接受下伏奧灰含水層越流補給。

圖1　范各莊礦井北1水文剖面圖

1.3真空負壓和重力作用為主要動力

溶洞的形成是陷落柱發(fā)育的基礎條件，而并不是在自然界中存在的所有溶洞最終都會發(fā)展形成陷落柱，陷落柱的形成也需要各種動力條件。目前被人們所公認的動力因素也有好幾種，其中華北型煤田陷落柱形成的主要動力是溶洞內密閉的真空負壓及自然界廣泛存在的重力作用。

雖然目前對于溶洞塌陷的原因和過程，很多學者的意見還不統(tǒng)一。但多數(shù)人認為是由于重力作用導致巖溶洞穴上覆巖層的平衡狀態(tài)和穩(wěn)定性遭到破壞，從而使溶洞頂部或者洞壁上的巖體在自身重力的作用下發(fā)生破裂而冒落。也有一部分人認為，由于地下水位大幅度下降，開始形成的封閉性溶洞上覆巖體與溶洞中水體之間形成一個近似真空狀態(tài)的無水空腔，形成的負壓效應對上覆巖層具有強大的吸引能力，最終上覆巖體中出現(xiàn)結構性的裂縫知識其坍塌，這就是所謂真空吸蝕塌陷的觀點[3]。

應該指出，引起塌陷的因素是多方面的，其中必有一種因素或一種效應起主導作用。導致范各莊煤礦煤田陷落柱塌陷的主導作用是重力作用和溶洞內形成的真空負壓。

1.4地質構造作為主導性控制因素

地質構造始終控制著奧灰頂部古風化剝蝕巖溶發(fā)育帶的深度，即控制巖溶陷落柱形成的地質構造背景[4]。地質構造控制著巖溶的發(fā)育程度，從而控制了巖溶陷落柱的形成；地質構造的活動會對上覆煤系地層的穩(wěn)定性造成影響，破壞煤系地層使其塌陷；地質構造控制著地下水的流動方向以及地下水徑流的強度大小，從而制約著巖溶陷落柱的形成；地質構造對巖溶陷落柱的空間分布進行直接改造。

范各莊煤礦的主體構造是位于塔坨向斜區(qū)域的塔坨向斜，由于北部受東西構造帶的影響，開平向斜軸在古冶發(fā)生偏轉產(chǎn)生次一級構造，向斜軸面向北發(fā)生傾斜，在井田南部受到塔坨向斜影響，發(fā)育了井口向斜和北二向斜。

根據(jù)鉆孔資料顯示，塔坨向斜區(qū)的奧灰?guī)r溶發(fā)育，而背斜區(qū)和單斜地區(qū)則不甚發(fā)育。由于不同地質構造部位奧陶灰?guī)r的發(fā)育程度也是不一樣的，這就導致陷落柱的長軸指向多個方向。在范各莊礦井，長軸指向有北西、北及北東向，這些特征與陷落柱的空間分布位置所需要的構造組合有非常緊密的聯(lián)系，可以看出斷層與褶皺交匯處形成的陷落柱與礦井所發(fā)現(xiàn)的陷落柱的總體指向還有較大的差異。

區(qū)內的斷裂構造集中發(fā)育在向斜和背斜的軸部，這與塔坨向斜的發(fā)育過程有關。從揭露的斷裂構造來看，主要發(fā)育4組斷裂構造，其中以北西和北東向兩組斷層最為發(fā)育，多數(shù)為正斷層。區(qū)內東西向的斷層和褶皺軸部被近南北向的斷層所切割，在整個區(qū)內形成多個斷裂構造網(wǎng)，這就為奧灰水的流通與排泄以及巖溶的發(fā)育創(chuàng)造了條件。

在整個開灤礦區(qū)，除了在范各莊礦區(qū)內發(fā)現(xiàn)大量的陷落柱，其他礦區(qū)只有零星的陷落柱出現(xiàn)，這與整個大的地質區(qū)域構造背景有關。受燕山晚期北西和南東向的拉張應力作用，位于開平向斜東南部的范各莊礦受到劇烈拉張，地層發(fā)生了強烈的變形，從而為陷落柱的形成創(chuàng)造了條件。

2　陷落柱分布規(guī)律

研究區(qū)所揭露的14處陷落柱分布具有以下規(guī)律：

目前在范各莊礦已經(jīng)揭露出14處陷落柱，它們的分布具有以下規(guī)律：

(1)分布不均勻。在已經(jīng)揭露出的14處陷落柱主要集中發(fā)育在塔坨向斜區(qū)，而且都在井口向斜附近。

(2)密集成群性[5]。在礦區(qū)內發(fā)現(xiàn)的陷落柱中，沒有單個陷落柱發(fā)育，它們都是成群集中出現(xiàn)。

(3)在已經(jīng)揭露的陷落柱主要成北西、北東和北向三個方向帶狀分布，說明地下水強徑流帶受到構造運動的控制，表現(xiàn)為北西、北東和北向三個方向的裂縫控制。

(4)陷落柱的形成與發(fā)育嚴格受到地質構造的控制，即受到強應力作用的區(qū)域更加容易形成陷落柱。在其他條件相同的情況下，構造活動越是強烈就更加容易形成陷落柱。

(5)從分布空間來看，幾乎所有的巖溶陷落柱都是分布在現(xiàn)代或是古代某個地質歷史時期的地下水強徑流帶上，說明巖溶陷落柱的形成受地下水強徑流帶的控制。

3　結語

縱觀整個區(qū)域，陷落柱的分布與其形成條件密切相關，尤其在構造發(fā)育帶和地下水徑流流通條件非常好的地區(qū)，陷落柱出現(xiàn)的可能性極大，所有這些也為礦井安全生產(chǎn)提供重要參考價值，在向斜褶皺轉折端和斷層出現(xiàn)的地方要嚴格遵循《煤礦安全規(guī)程》和《礦井防治水規(guī)定》，必須做到“預測預報、有疑必探、先探后掘、先探后采”的防治水原則，保證礦井的安全生產(chǎn)。

[1]呂飛飛，吳德鑫，王雅敬.華北煤礦區(qū)巖溶陷落柱發(fā)育分布規(guī)律與成因探討[J].企業(yè)技術開發(fā).2011，30(15):67-68.

[2]侯中帥，孫成才，龐博文.華北地區(qū)巖溶陷落柱形成原因與預測[J].科技向導.2011，(17):53.

[3]蘇昶，韓樸.淺析“真空吸蝕致塌”理論的缺陷[J].西山科技.1997，(3):5-7.

[4]蔡圖，朱炎銘，鐘和清.開灤范各莊煤礦陷落柱發(fā)育特征分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保.2011，38(4):61-63.

[5]司淑平，馬建民，胡德西．煤系地層陷落柱成因機理與分布規(guī)律研究[J].斷塊油氣田.2001，8(2):15-18．

Formation Conditions of Paleo-sinkholes——Take the Mine of Fangezhuang for an Example

CAO Yang-bo

(State Key Laboratory of Continental Dynamics ,Department of Geology ,Northwest University ,Xi’an 710069,Shaanxi)

Paleo-sinkholes is a special geological structure in north of China in period of Carboniferous and Permian,its hidden and unexpected characteristics was seriously threaten to the coal mine production safety.For a long time,the mine of Fangezhuang threatened by the collapse columns water,Fangezhuang flooded coal mine collapse column out well cause significant economic losses and casualties in 1984 among these cases.That Fangezhuang mine geological data,hydrogeological report by type,as well as information on Paleo-sinkholes has been found,concluding theoretical Fangezhuang mine collapse in eastern pillar formation conditions on the basis of previous summary,think that under control the overall trend for the area north-east of Kaiping syncline duplex structure,in Ordovician limestone karst groundwater constantly alternating rock gravity stress and under vacuum conditions to form dynamic and tectonic Paleo-sinkholes.

Regional structure；ordovician limestone；groundwater and Paleo-sinkholes

2016-03-14

曹陽勃(1991-)，男，陜西寶雞人，在讀碩士研究生，主攻方向：石油與天然氣工程。

P641.25

B

1004-1184(2016)05-0171-02