陷落柱的形成機(jī)理及規(guī)律研究應(yīng)用

引言

2013年，金剛煤礦3116綜采工作面在開(kāi)采過(guò)程中突然遇見(jiàn)陷落柱，安全生產(chǎn)工作陷入被動(dòng)局面。因此，地質(zhì)工作必須更加周密，尤其對(duì)影響煤礦生產(chǎn)的地質(zhì)構(gòu)造需要更清楚的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確的判斷預(yù)測(cè)，保障安全生產(chǎn)。

一、金剛井田地質(zhì)構(gòu)造概況

井田所處構(gòu)造屬新華夏系四川（第三）沉降帶川東褶皺束中山背斜北段。新華夏系川東褶皺帶中，背斜褶皺緊密，向斜褶皺寬緩，為一典型的隔檔式褶皺分布區(qū)。褶皺的形成主要受北西西～南東東向壓應(yīng)力作用的結(jié)果。井田內(nèi)發(fā)育有大量新北西向構(gòu)造。因此也是區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造之一。

主體構(gòu)造為一狹長(zhǎng)的斜歪傾伏背斜，背斜軸略呈舒緩的S狀展布。背斜兩翼不對(duì)稱(chēng)，地層傾角在北部是東緩西陡；南部是西緩東陡，緩翼出現(xiàn)在S狀的凹側(cè)。背斜走向?yàn)楸睎|15°～24°。由須家河組、自流井組、沙溪廟組地層組成，由于背斜軸由南向北傾沒(méi)，故南部地層較老，北部較新，沙溪廟組地層主要分布在背斜的兩翼。圖1-1為川東衛(wèi)星地形圖（示意）

圖1-1

二、金剛井田陷落柱的形成機(jī)理及基本特征

巖溶陷落柱是巖溶洞穴塌陷的產(chǎn)物，它是煤系下伏可溶性巖層經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕后，形成較大的溶洞，在各種因素作用下（重力、真空吸蝕、地殼運(yùn)動(dòng)和物理化學(xué)作用），引起上覆巖層的失穩(wěn)、塌陷，形成錐狀柱體，簡(jiǎn)稱(chēng)陷落柱。所以陷落柱的生成不應(yīng)受地質(zhì)時(shí)代制約，只要具備形成條件，任何地區(qū)、任何時(shí)代都可生成，形成過(guò)程如圖1-2。

圖1-2 陷落柱形成過(guò)程示意圖

（a）可溶性巖中發(fā)育溶洞；（b）溶洞不斷擴(kuò)大；（c）陷落柱形成

自建井以來(lái)，在金剛井田開(kāi)采范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱31個(gè)。金剛煤礦的巖溶陷落柱是由于基底中三疊統(tǒng)雷口坡組和嘉陵江組的灰?guī)r巖溶十分發(fā)育，以致形成影響較大的地下暗河和溶洞，造成上覆地層包括煤系地層的坍塌而形成的。據(jù)雷一井鉆孔資料，中三疊統(tǒng)雷口坡組厚535.61m，全部為深灰～褐灰色白云巖與灰白色石膏不等厚互層；嘉陵江組已揭露318.81m，亦為白云巖、石膏及質(zhì)純石灰?guī)r。為巖溶洞穴的發(fā)育提供了基礎(chǔ)的地質(zhì)條件；其上部為上三疊統(tǒng)須家河組砂巖，為井田含水層且透水性強(qiáng)，為巖溶補(bǔ)給一定的水源；本區(qū)屬于亞熱帶氣候，降水量較大，植物茂盛，死亡的植物和土壤中微生物給地下水增添了更多的CO2及各種有機(jī)酸。加強(qiáng)了溶蝕的化學(xué)動(dòng)力；地下水溫較高（陷25號(hào)水溫27.5℃，+120m西翼穿東翼石門(mén)于2000年12月揭穿T3xj2砂巖突水6145m3/d，水溫28℃）將生石膏變成熟石膏；除此，在中生代三疊紀(jì)末發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為印支運(yùn)動(dòng)（Indosinian movement），使三疊紀(jì)地層變質(zhì)。形成了不少的構(gòu)造斷裂（斷層和節(jié)理裂隙），為地下水運(yùn)動(dòng)及深入巖體內(nèi)部提供了原始通道。同時(shí)潛水位也發(fā)生了變化。因此在雷口坡組和嘉陵江組擁有形成巖溶洞穴地質(zhì)條件。

雷一井鉆孔在雷口坡組上段及下段，鉆孔沖洗液大量漏失，有進(jìn)無(wú)出，并有“放空”現(xiàn)象，漏失速度達(dá)72～97.2m3/h，漏失量11825.5m3；漏失段平均每鉆進(jìn)一米，漏失量為46.93m3和20.73m3。在嘉陵江灰?guī)r段清水有進(jìn)無(wú)出現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)，漏失量為139.9m3。這些現(xiàn)象也充分證明了下部的碳酸巖類(lèi)被溶蝕十分嚴(yán)重。

陷落柱充填物多為煤系地層上部陷落巖石，常見(jiàn)有J1-2Z1、J1-2Z2等地層。珍珠沖或馬安山段的紫紅色泥巖、細(xì)粒砂巖或J1-2Z1頂部的介殼灰?guī)r等巖塊。在1號(hào)陷落柱充填物中，發(fā)現(xiàn)有由地表塌落下來(lái)的碳化木2根，碳化木年輪結(jié)構(gòu)清楚，顏色黑褐，半炭化程度，變質(zhì)階段為零；3號(hào)陷落柱充填物中泥巖氧化面有紅色薄膜；5號(hào)、7號(hào)、11號(hào)、12號(hào)陷落柱充填物的縫隙中有滴淋水，其沉淀物呈褐紅色；5號(hào)陷落柱充填巖體多空洞及裂縫，沼氣積聚其中，最高達(dá)3.4%，比正常含量高3～4倍；且伴隨涌出大量硫化氫氣體。22號(hào)～28號(hào)陷落柱充填物中含大量淋水。

三、金剛井田陷落柱形成時(shí)代和其發(fā)育范圍的關(guān)系

金剛井田陷落柱的形成時(shí)期，與金剛井田主采煤系地層下可溶性基巖的溶蝕情況和主構(gòu)造有密切聯(lián)系。早、中三疊紀(jì)的灰?guī)r距今已有2.13億年，在滿足其形成巖溶的基本地質(zhì)條件下，它有充足的時(shí)間發(fā)育成規(guī)模較大的溶洞和地下暗河。

首先，從5號(hào)陷落柱分析：曾經(jīng)在+370m揭露此陷落柱，而在施工+120m東翼石門(mén)至5號(hào)陷落柱同平面位置時(shí)未發(fā)現(xiàn)此陷落柱。由此進(jìn)行了雷達(dá)超前探測(cè)。結(jié)果顯示，在+120m水平5號(hào)陷落柱沿巖層反傾方向平移了70m。因此說(shuō)明了5號(hào)陷落柱形成于中山背斜之前。而其充填物又包括J1-2z1中下部的泥、泥質(zhì)砂巖。所以它形成于J1-2z1～E1時(shí)期。雖然不能說(shuō)明其它陷落柱與此同期，但能肯定的是在未形成中山背斜及新華夏系晚近期之前，下伏可溶性基巖已發(fā)育成較大的地下溶穴和暗河。

金剛井田巖溶陷落柱只要是沿中山背斜軸及以西成帶狀分布。這表明金剛井田陷落柱的發(fā)育與中山背斜主體構(gòu)造有重要的因果關(guān)系。從分布圖看，區(qū)一陷落柱較大且十分密集，下伏的巖溶洞穴肯定被機(jī)械搬運(yùn)較強(qiáng)的地下暗河導(dǎo)通。5號(hào)陷落柱能垮塌至J1-2z1，說(shuō)明下伏也有一定水動(dòng)力的暗河，而離區(qū)一只有180m。所以區(qū)一為地下河交匯處（不能排除其他任意區(qū)域比這侵蝕更強(qiáng)烈），5號(hào)陷落柱的地下河處于區(qū)一上游。再擁有大規(guī)模溶穴后，當(dāng)其跨度達(dá)到一定值后，就會(huì)被上覆巖層重力剪切（加上下面的真空吸蝕）。若是有較多的裂隙和斷裂就更容易垮落。中山背斜由西北反向的構(gòu)造壓應(yīng)力而形成，其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)給陷落柱的形成提供了動(dòng)力條件。在背斜軸部張節(jié)理、斷裂構(gòu)造發(fā)育十分強(qiáng)烈，在作為地下水補(bǔ)給通道的同時(shí)減小了溶穴上覆巖層所需要的剪切力。所以，成帶狀分布于中山背斜軸的陷落柱垮塌于中山背斜形成時(shí)期及其以后。在形成中山背斜之后至今，地下暗河便向背斜軸向或翼部巖層走向延伸發(fā)育。

金剛井田陷落柱分布于中山背斜西翼+250m以上。從煤層底板等高線可以看出，西翼比東翼緩，西翼+250m以下巖層傾角變大。因此，陷落柱的形成也受到巖層傾角大小的影響。這里用工程力學(xué)來(lái)分析：從兩種情況進(jìn)行討論（如圖1-3a、b），沿巖層傾向切取1m寬的巖層為研究對(duì)象。從而簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁，假設(shè)上覆巖層的重力為一均布載荷q，則巖層傾斜重力為一均布載荷q傾斜為q cosα，這樣就成在同一均布載荷作用兩種情況下簡(jiǎn)支梁軸向剪力的比較。其剪力圖如圖1-3，α為巖層傾角，L為溶穴跨度。

則：巖層傾斜時(shí)最大剪力為：Q傾斜=qL cosα/2

圖1-3 剪力圖

巖層水平時(shí)最大剪力為：Q水平=qL/2

由公式得知，Q傾斜

當(dāng)L、q一定時(shí)，α越大，軸向剪力就越小，反之α為0°時(shí)就最大。也就是說(shuō)要在巖層傾角較大的區(qū)域形成陷落柱就要有相對(duì)更大的地下溶穴。反之，在同樣大小的溶穴，巖層傾角較小的剛好致上覆巖層垮塌，但巖層傾角較大的不會(huì)垮落（無(wú)大的裂隙）。從這個(gè)方面解釋了井田背斜東翼為什么無(wú)較多的陷落柱，而西翼又只有+250m以上才十分發(fā)育。

四、結(jié)語(yǔ)

（一）金剛井田陷落柱沿中山背斜軸及以西+250m以上成帶狀分布，其分布受中山背斜構(gòu)造應(yīng)力和巖層傾角的影響。井田越向下延伸巖層傾角逐漸變大，巖溶陷落柱的發(fā)育率將會(huì)減少。

（二）從25號(hào)陷落柱看，涌水一直保持至今。應(yīng)有大量的水源補(bǔ)給，以致能充分供提CO2的消耗量。且涌水中Ca2+離子的濃度很大。因此，下伏可溶基巖仍處于被溶蝕的環(huán)境。

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