淺論陷落柱的基本特征

王衛光

【摘要】文章主要從陷落柱區域分布及形態特征、陷落柱地面地貌特征、陷落柱巖體特征三個方面闡述了陷落柱的基本特征。

【關鍵詞】陷落柱；形態特征；地貌特征；巖體特征。

一、陷落柱區域分布及形態特征

巖溶陷落柱的形成，由于受地質構造運動、水文地質條件、地下水侵蝕作用等因素的控制，反映出巖溶陷落柱平面展布具有不均衡特征。從生產礦區巖溶陷落柱平面展布情況來看，巖溶陷落柱呈群分片出現。從井下揭露情況來看，陷落柱比較集中分布于井田的中部區域，自南往北陷落柱數量增多、密度變大。但每個陷落柱的具體位置分布沒有明顯的規律性，從煤層底板上看，陷落柱群的大致方向為NW-SE向，且在巨溝村背斜、煙咀-高家溝-常家溝向斜和楊家峪-紅簡溝-周家山背斜有大量陷落柱發育，占總數80%以上。

陷落柱的形態特征是指陷落柱的三度空間形狀。現以3#煤層揭露的陷落柱為例，從陷落柱的平面和剖面形態、高度和中心軸等方面揭示整個陷落柱的形態特征。

（1）平面形態

它是指陷落柱與地面、水平切面或煤層面的交線形態。一般呈橢圓形，也可呈圓形、蠶豆形或長條形等。本礦井田內的陷落柱在煤層底板上的平面投影形狀大多呈橢圓形，極少數為不規則形或似圓形。陷落柱的直徑大小相差懸殊，最大的直徑為385m，最小的僅為10m。陷落柱長軸方向性不太明顯，但大體上可以看出有三組方向較為發育。即320°～330°一組較為發育，以10°～20°、80°～90°兩組次之。

通過對3#煤層揭露的陷落柱長軸方向進行統計，可以得出：陷落柱長軸方向以北西方向為主，占總數的47%。

（2）剖面形態

它是指沿陷落柱中心軸切剖面的陷落柱形態。剖面形態與所穿透的各巖層的巖石性質有關，如果陷落柱穿過極易塌陷的含水松軟巖層（如第四紀沖積層或裂隙發育的泥質巖層），則剖面形態多至上大下小的漏斗狀；如果穿過不易塌陷的、巖性均一的堅硬巖層（如砂巖、砂礫巖、礫巖和石灰巖層），則剖面形態多至上小下大的錐形，錐面與水平面的交角為60-80°；如果穿過巖性不均一的巖層，則剖面形態很不規則，但總體仍是錐形柱狀。

陷落柱的柱體形態并不很規則，根據揭露的情況來看，陷落柱在剖面上呈切頂錐體形態出現，陷落角一般為78°～80°，一般下部比上部大。且柱體多傾斜，傾斜方向不一。

（3）陷落柱的高度

陷落柱的高度是指從溶洞底到塌陷頂的垂直距離。它與溶洞的大小，地下水的排泄條件，巖層的物理力學性質，以及裂隙的發育程度有密切關系。陷落柱高度有幾十米到幾百米不等，有的一直塌陷到地面，稱之為通天陷落柱。這種陷落柱的規模較大，數量不多。大多數的陷落柱只塌陷到巖層的某一層位，稱之為隱伏陷落柱。在煤系地層中，上部巖層揭露的陷落柱，下部地層一定有；反之下部巖層揭露的陷落柱，上部地層不一定有。這種陷落柱的探測預報和對生產布置和開采的影響難度最大。有的陷落柱只塌陷到煤系地層的底部，稱之為下伏陷落柱。

（4）陷落柱的中心軸

陷落柱的中心軸是指陷落柱各平面形態的中心點的連線。通常，中心軸垂直于所穿過的巖層層面。由于陷落柱穿過的各巖層的產狀、巖石性質和裂隙發育程度常有變化，因此，中心軸大多不是垂直的，而是歪斜的，甚至呈扭轉狀態。究其原因有二：一是受后期構造運動（層滑構造）的影響，柱體部分層段產生了水平方向的位移。尤其是在煤系地層較軟弱或裂隙較發育的巖層段，如煤層中，陷落柱常沿煤層頂底板及夾石層產生水平方向的位移。二是由于陷落時，上覆巖層的物理力學性質在豎向上的不均性和力學結構面（節理、裂隙、層理、斷層等）在不同方向上的切割，造成陷落柱向巖層相對軟弱或裂隙相對發育的一側偏移。因此柱體中心軸形態表現為歪斜、彎曲、扭轉形態。從剖面上幾個煤層揭露同一個陷落柱的情況分析，大多數中軸線位置都有不同程度的偏移，3號～12號煤層（層間距90米）的偏移距離最大為30～40米，12號～15號煤層（層間距40米）的偏移距離最大為20米。

掌握中心軸的傾伏向、傾伏角及其變化規律，對于準確預測下部煤層、下部水平陷落的平面位置非常重要。

二、陷落柱地面地貌特征

陷落柱在地表出露時，表現為各種地貌異常現象，主要有盆狀凹陷、柱狀破碎帶和丘狀突起等。有時在地表形成大小不等的裂隙，呈圓弧狀分布。另外，陷落柱出露在溝谷側面時，遭受風化剝蝕，結構更為松散，容易再次崩塌，形成類似倒石堆地貌。

（1）盆狀凹陷

陷落柱在基巖裸露區常呈盆狀凹陷，區內巖層遭受破壞，其周圍的巖層層位正常，裂隙比較發育，巖層產狀稍有變化，向凹陷中心傾斜。凹陷坑內常被黃土覆蓋，在坑的周圍有基巖出露。陷落柱頂部覆蓋的黃土層植物茂密，這是由于陷落柱內部巖石結構比較疏松，含水性較好，有利于植物生長。

（2）丘狀突起

在地表出露的由粉砂巖和泥質巖組成的山西組地層中，有時能見到局部隆起的石盒子組和石千峰組的砂巖碎塊的堆積。這些砂巖體的層序己遭破壞，塊體大小不一，巖性雜亂摻和，而其周圍的巖層則正常。這是一種風化地貌。巖性是影響風化作用的內在因素，由于砂巖較泥質巖堅硬，抗風化能力強，所以在后期的風化剝蝕過程中，陷落柱周圍的山西組的地層破壞嚴重，致使柱體內的石盒子組或石千峰組的砂巖體猶似鑲嵌在山西組地層中，呈現出隆起的丘狀地貌。

（3）柱狀破碎帶

在研究區東部，由于地表黃土覆蓋和植被的影響，目前地表所能見到的陷落柱較少。在溝谷兩側或者公路兩側的人工剖面上，能夠看到一些柱狀破碎帶，這是陷落柱在地表出露的剖面形態。

三、陷落柱巖體特征

陷落柱由塌落巖塊堆積組合而成。與周圍正常巖層相比，塌落巖塊層位較新，并具有雜亂無章、形狀極不規則、大小懸殊、棱角明顯、混雜堆積，常為松軟巖屑、煤屑和粉粒充填粘結等特點。巖性均為上覆地層的砂巖、砂質泥巖、泥巖等，呈灰色或黃綠色。孔隙多被碎巖石充填，含黃鐵礦晶體，但在柱體內從未發現有黃土成分。陷落柱中塌落巖塊膠結的好壞，與陷落柱形成的早晚，地下水的活動情況，以及塌落巖層的巖石性質有關。早期陷落柱一般均已膠結，晚期的則混雜粘合，膠結較差，比較松散；有地下水長期活動的陷落柱，塌落巖塊表面及其間隙常有鐵質、碳酸鈣質或高嶺土等礦物質沉淀，連同煤粉和巖屑組成的軟泥，把巖塊粘結起來。