陷落柱的成因淺析

閻璐

摘 要：在煤礦和相關的建筑工程中，陷落柱的成因和規模邊界的確定一直是對地質手段的考驗。準確探測陷落柱的位置，對探測煤層儲量、采區安全柱預留和地下水的防治等有重要的指導意義。

關鍵詞：陷落柱；可溶性；潛蝕；徑流

中圖分類號：P618.11 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.110

1 陷落柱的成因和條件

由書本理論知識和地質勘探工作的實踐經驗表明，陷落柱（喀斯特溶洞）構造形成的主要原因有：①必須具備可溶性的礦床（石灰巖、石膏等），存在一定的潛蝕和搬運；②存在地表徑流；③有重力的作用。其中，地下水對可溶性礦床的潛蝕和搬運是主要原因，而地表徑流、地表水或大氣降水回灌是次要原因。

由于巖溶塌陷發生在巖溶充水礦床地帶，即碳酸鹽發育的奧陶系地層，可溶性巖層淺部一般巖溶比較發育，因此，灰巖含水層的地下水支撐著巖溶洞隙中的充填物和上覆松軟巖層。這時，地下水對松軟巖層底部、溶洞充填物、溶蝕和搬運至異地的影響比較弱。但是，如果周邊存在大量的排泄物，就會大幅降低灰巖含水層的水位，形成一個降落漏斗。當水位降到灰巖頂板之下，此時，溶洞充填物和上覆松軟巖層失去灰巖水的浮托，地層原有的平衡狀態就會被打破，通過裂隙使上部含水層、地表水倒灌和倒滲，那么，可溶性的碳酸鹽類就會通過地下水徑流搬運被帶走，開始在松軟地層底部（可溶性碳酸鹽類的頂界）形成拱形洞。隨著第四系孔隙水、地表水的繼續下滲、搬運、潛蝕，可溶性碳酸鹽類的頂界地層在自重和測壓作用下向下垮塌，向四周擴散，巖溶水位逐漸下降，溶洞里的地下水被疏干，形成了真空的狀態。溶洞的上覆巖層在重力作用下不斷向下崩塌，從而促進了喀斯特溶洞的擴大，形成了大面積的陷落。隨著時間的推移，受自然活動和人類活動的影響，陷落柱被推進到了其他時代的地層或地面。根據資料和文獻記載，陷落柱范圍可達幾百幾千平方米，輪廓形成漏斗狀或倒漏斗狀，直徑通常為1～5 m，最大深度可從非煤系地層至奧陶系深部，在勘探施工的西山煤田古交礦區、霍州煤田和寧武煤田均有發現。下面依據2006年勘查施工的西山煤田古交礦區陳家社井田勘探實例，分析、說明陷落柱的現場確認情況。

2 古交礦區陳家社勘查區地層

古交陳家社勘查區屬于西山煤田范圍內，該地區奧陶系地層為巨厚石石灰巖沉積，地層中多有石膏和角礫狀石膏；奧陶系上段的峰峰組地層巖性為石灰巖和泥灰巖，厚度為50～65 m，下段地層為石灰巖和角礫狀泥灰巖、石膏帶，巖溶裂隙等發育；峰峰組之下的馬家溝組地層中的巖性一般以石灰巖為主，含有少量的泥灰巖，厚度約為200 m，裂隙溶洞發育；下馬家溝組一般為泥質灰巖、白云巖互層，厚度為110～120 m，下段為石膏，厚度為10～15 m。奧陶系地層中的可溶性碳酸鹽類為地下水的巖溶活動的溶蝕作用奠定了基礎，而地下水不停息的徑流作用為搬運可溶性礦物質提供了必要的保障。

3 可溶性礦床被地下水溶蝕和搬運

碳酸鹽類礦物包括石灰巖、石膏等，它不溶于水，但是，與空氣和水中的CO2發生緩慢的水解反應，使碳酸鹽類礦物生成可溶性的碳酸氫鹽礦物。在常溫狀態下，碳酸氫鹽在水中的溶解度比較大，隨著地下水的潛流被搬運帶走，使得原來完整的地層形成各種洞穴、溶孔、落水洞和漏斗等。

碳酸鹽類礦物在水中發生的主要化學反應有：

CaCO3+CO2+H++OH-=Ca（HCO3）2

Ca（HCO3）2=Ca2++2HCO3-

H2S+H2O=H2SO4

H2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2

CaSO4=Ca2++SO42-

4 西山煤田陳家社井田9#孔陷落柱

陳家社井田9號鉆孔設計深度為650 m，設計取芯巖位為K4砂巖（即下石盒子底部）512 m開始取芯，在實際鉆進過程中，從290 m開始出現鉆進異常。因此，決定從278 m開始取芯鉆進，查明鉆進異常的原因，以實現對各目的煤層的準確控制。取芯情況的采取率偏低，巖芯雜亂無章，在太原組煤層位置，巖性溶蝕現象特別明顯，泥漿消耗量大，測不到水位，附近距鉆孔約250 m的低洼地帶有常年流水的泉水排泄。由此說明，地下水位降低導致地下水對上覆巖層的依托浮托力減弱，溶蝕力加強，從而在自重作用下發生地層降陷，使得周圍巖石破裂形成陷落。對于9號鉆孔的出現，現場初步斷定為陷落柱構造，為了驗證鉆探結論，物探分隊在9號孔周邊進行了物探工作。

5 地面物探的驗證

目的：利用物探手段確定該異常地段是否為陷落柱，如果是，查明它的充水性和富水性，并確定陷落范圍。采用瞬變電磁法，在鉆孔南北方向22 m處開始布置了3條剖面，基本點距為5 m，共計測量了60個物理點，測線長300 m。

資料解釋：在瞬變電磁多測道剖面上，主要表現為底部的低電位異常，當進入水位后，則表現為高電位異常。在1～27號樁，二次電位幅度相對比較高，并且雜亂，這說明27號樁以后的地層完整。由此可認為，陷落柱范圍大致是20 m+5 m×26=150 m。

6 測井曲線上陷落的特征

異常地段井徑曲線和密度曲線均表現出了明顯的異常，初步判斷，290 m以上層段為正常地層，290 m以下為陷落地層，推斷為隱伏陷落。

鉆探、物探、測井資料相互支撐，對9號鉆孔的異常現象進行了準確的定性解釋，證明確有陷落柱存在。

7 結論

鉆探取芯、測井曲線和地面物探等地質勘查手段說明，陷落柱成因與巖溶礦床的溶蝕、搬運伴生的重力作用和滲入倒灌的情況有關，可以驗證陷落柱的巖溶發育情況、充水情況和富水情況。

參考文獻

[1]肖長來.水文地質學[M].北京：清華大學出版社，2015.

〔編輯：白潔〕