以和順礦區陷落柱為例研究陷落柱形成機理

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以和順礦區陷落柱為例研究陷落柱形成機理

程建，陳業斗，張振華，邵玉寶

(山東泰山地質勘查公司,山東泰安271000)

摘要探討了和順礦區上部煤系含煤地層主要由太原組和山西組的泥巖、砂巖和煤層等軟弱巖層組成，這些巖層受壓或者受張力會發生塑性形變，這些形變對下覆的奧陶紀峰峰組灰巖形成致密的屏蔽，為和順礦區陷落柱形成的“真空吸蝕”創造了條件。多期構造應力的作用，使巖層中構造裂隙發育，下部奧陶系中統峰峰組(O2f)灰巖受拉張，由于灰巖本身的脆性，使得灰巖面發生張性的裂性構造，從而有利于巖溶的發育。地下水則不斷對奧陶灰巖和上覆塌落的巖石進行溶蝕、機械搬運，使巖溶洞進一步擴大，處于暫時穩定狀態的上覆巖層再次失去平衡而繼續塌落，此種作用迅速而間歇地重復進行，使陷落柱不斷向上發展。

關鍵詞和順礦井；陷落柱；軟弱巖層；真空吸蝕

收稿日期：2014-01-10

作者簡介：程建(1987—)，男，山東泰安人，2012年畢業于中國礦業大學，碩士研究生，助理工程師，主要從事礦產勘查工作

中圖分類號：TD163

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0039-03

AbstractHeshun mining areas upper coal measures coal bearing strata is mainly composed of weak rock of mudstone, sandstone and coal beds in Taiyuan group and Shanxi group. These rock beds under pressure or tension will turn up plastic deformation. The deformation can result in dense shield under cover Ordovician Fengfeng group limestone, which creates conditions for collapse column formed "vacuum suction erosion" in Heshun mining area. Multi periods tectonic stress effect, makes the development of structural fissure in rock, lower Ordovician middle Fengfeng group (O2f) limestone by tension. Because the limestone itself is brittle, makes the limestone surface come into being tension fissure structure, thus is beneficial to the development of karst. Groundwater is constantly on the Ordovician limestone and the overlying caving rock erosion, mechanical handling, the rock cave expands further, overlying strata in a temporary steady state again lose balance and continue to collapse. The action fastly and intermittently repeat, makes the collapse column continuously upward develop.

陷落柱的存在會對井下安全產生一定的負面影響。此外，由于陷落柱的存在需要設置保護煤柱，產生資源的浪費。因為陷落柱通常會連接煤系下伏的奧陶紀灰巖含水層與上部煤系甚至地表，使得含水層和煤系地層聯通，發生水害的可能性大幅度增加，對于井下安全有致命的影響。陷落柱的存在會對煤層的連續性產生破壞性的影響，使生產更加困難，加大開采成本。所以,研究陷落柱形成的原因與條件對于防治陷落柱的危害有著極其重要的影響。

1地質概況

和順礦區地理位置是位于沁水盆地的東北邊部，地層上屬于塔里木-華北大區的華北地層，在區域構造上面，位于壽陽-陽泉單斜帶的東南部，與榆社-武鄉構造帶相靠近。

和順井田范圍內賦存的地層包括奧陶系中統峰峰組、石炭系上統本溪組、石炭系上統-二疊系下統太原組、二疊系下統山西組、二疊系中統下石盒子組、上石盒子組和第四系。

2構造特征

和順礦區總體為一單斜構造，走向NE、傾向NW，單斜地層傾角比較小，一般在10°～15°.和順礦區內發育比較多的成規模的寬緩褶曲和次一級的小型褶曲，伴隨著這些褶曲形成大量陷落柱和少量斷層 (圖1).

3陷落柱發育特征

根據以往的地質勘查、補充勘查和井巷對井田的揭露成果，礦區內共發現陷落柱58個，其中，X1-1、XJ-3、X17、XJ-2、XG-1、XG-4為井下開拓所揭露。這58個陷落柱都破壞了第15#煤層，其中的37個陷落柱在破壞15#煤層的同時破壞了3#煤層，對主要陷落柱的描述見表1.

3.1陷落柱形態特征

在地形地質圖面上，陷落柱呈現一種長軸狀，不太規則，有比較少的陷落柱呈現橢圓狀，走向為NWW、NNE，沒有太明顯規律。很多陷落柱的長軸和短軸的長度差別非常大，長軸長度一般在20～215 m，短軸長度一般在15～140 m. 而在剖面上，陷落柱

圖1　井田構造綱要圖

陷落柱名稱長軸長度/m短軸長度/m塌落地層控制程度X1-112070太原組、山西組可靠XG-513090太原組、山西組可靠X1-3200170太原組、山西組可靠X24220175太原組、山西組可靠X21、X22320200太原組、山西組可靠X13160120太原組、山西組可靠XZ-1145140太原組、山西組可靠X213677太原組、山西組可靠DX1200100太原組、山西組可靠DX2110110太原組、山西組可靠DX317080太原組可靠DX4150120太原組、山西組可靠DX512070太原組較可靠DX7270160太原組、山西組可靠DX8140100太原組、山西組可靠DX9225130太原組、山西組可靠DX10175125太原組、山西組可靠

部分對稱，有的也不對稱，沒有明顯對稱規律。陷落柱在剖面上的深度與其在地形地質圖平面上的形狀大小成正比例關系，即陷落柱深度越大，它的影響層位就越靠上。根據各個陷落柱資料顯示，長軸在地形地質圖上超過100 m的，大都影響到3#煤層，深度一般能達到K3灰巖，而長軸在地形地質圖上小于100 m者，一般也只會破壞15#煤層，個別能達到K2灰巖。

3.2陷落柱分布規律

在和順礦區內，地形地質圖上陷落柱的分布雖然較為雜亂，但仍有一定規律可以進行分析：1) 礦區的陷落柱以成群的方式出現，比如在礦區內的西南部，補10孔與406孔之間，DF10斷層到補3孔一線，補7孔至312孔之間，412孔至406孔之間的區域內，陷落柱以成群的方式出現。2) 礦區內陷落柱與褶曲存在一定的關聯，上面提到的補10孔與406孔之間，陷落柱在天池寺背斜和天池寺的西向斜的軸部(DX3、DX1)，而在北狗蹄的凹背斜東北部，分布著有DX13和DX14等陷落柱。這對于下面進行探討陷落柱成因有重要意義。

4陷落柱形成機理分析

根據陷落柱的性質，和順礦區的陷落柱是一種巖溶陷落柱，而巖溶陷落柱發育必須具備4個關鍵的要素：1) 具備巖溶陷落柱發育的物質條件，也就是有可溶性的巖層，例如奧灰巖或者白云巖，這些巖層容易被地下水溶蝕產生溶洞，是陷落柱發育的重要基礎條件。2) 具備巖溶陷落柱發育的構造條件。在構造運動作用下，有些可溶性巖層發生斷裂和節理等脆性破裂構造，使可溶性巖層裂隙發育，這些裂隙一方面給地下水的流動創造條件，使得溶蝕作用加快，形成的溶洞越來越大；另一方面這些構造運動能為“真空吸蝕”作用的發生創造條件。3) 巖層中有豐富的地下水，水中要含有酸根，這樣才能與奧灰巖接觸的時候才能形成溶蝕作用。4) 重力作用是巖溶陷落柱向上不斷發育的主要力學條件。

和順礦區上部煤系含煤地層主要由太原組和山西組的泥巖、砂巖和煤層等軟弱巖層組成，這些巖層受壓或者受張力會發生塑性形變，這些形變對下覆的奧陶紀峰峰組灰巖形成致密的屏蔽，為和順礦區陷落柱形成的“真空吸蝕”創造了條件。多期構造應力的作用，使巖層中構造裂隙發育。以DX1陷落柱為例，在剖面上，陷落柱呈反漏斗狀，下部奧陶系中統峰峰組(O2f)灰巖受拉張，由于灰巖本身的脆性，使得灰巖面發生張性的裂性構造，從而有利于巖溶的發育。而在多發陷落柱的向斜軸部位置或者正斷層的下面，奧灰上部的巖層面，拉張性的斷裂容易使巖層破碎為“反漏斗形”(圖2)，為巖層的下移創造了條件。而位于破碎巖層下部的奧灰，由于有裂隙和地下水循環，巖溶洞腔不斷發展擴大，破壞了原本處于平衡的地應力場，引起地應力集中，應力釋放使灰巖發生形變，其中應力場失去平衡的原因既有地應力集中的作用，同時伴隨著灰巖的強度降低。

圖2　和順礦區向斜軸部陷落柱成因分析示意圖

在各期構造運動的作用下，地層會發生升降，與其同時會對地下水的流動產生影響，尤其是和順礦區內奧陶紀灰巖層的地下水的潛水面會出現一定變化，使得原來充滿巖溶洞的潛水面會有一定降低，這樣就造成了巖溶洞內出現真空情況。假設這個過程發生時間很快，也就是說潛水面下降劇烈，那么由于真空而產生的真空負壓就會在瞬間內產生很強大的破壞能量，對該巖層上覆的奧陶紀灰巖內部的結構產生改造作用，包括液化、掏空和搬運等。

和順礦區上覆地層中的含水層包括太原組的石灰巖和二疊系砂巖、第四系以及石盒子組風化帶含水層，奧陶紀灰巖的巖溶塌陷使得上覆含水層包括太原組、二疊系等巖層的地下水流動方向產生比較大的變化，含水層的滲流方向的變化以及由于下伏奧灰塌陷產生垂直方向滲透壓力的急速的增加，使和順礦區上覆含水層的巖塊隨水流向下部奧灰的巖溶洞中。陷落柱上覆的太原組(C2t)和二疊系下統山西組(P1s)的軟弱巖層包括煤層這些關鍵層位因受重力作用、地應力作用以及下覆奧灰的洞腔內的真空負壓作用而逐漸下陷。一旦和順礦區內這些上覆的關鍵層下陷，而在和順褶曲軸部的由于構造擠壓而破碎的灰巖等就不斷向下塌落，部分陷落的灰巖碎屑被地下水帶走，又形成了空洞，則上述過程繼續向上發展，直到巖石破碎膨脹充填了整個陷落空間，并形成自然平衡拱后，坍塌陷落才停止，于是上覆巖層得到暫時穩定。

由于和順礦區的地質和上覆地層水文地質條件并沒有發生大的改變，地下水則不斷對奧陶灰巖和上覆塌落的巖石進行溶蝕、機械搬運，使巖溶洞進一步擴大，處于暫時穩定狀態的上覆巖層再次失去平衡而繼續塌落，此種作用迅速而間歇地重復進行，使陷落柱不斷向上發展。

5 結論

1) 礦區內陷落柱與褶曲存在一定的關聯，上面提到的補10孔與406孔之間，陷落柱在天池寺背斜和天池寺的西向斜的軸部(DX3、DX1)，而在北狗蹄的凹背斜東北部，分布有DX13和DX14等陷落柱。

2) 和順礦區上部煤系含煤地層發生塑性形變，這些形變對下覆的奧陶紀峰峰組灰巖形成致密的屏蔽，為和順礦區陷落柱形成的“真空吸蝕”創造了條件。下部奧陶系中統峰峰組(O2f)灰巖受拉張，由于灰巖本身的脆性，使得灰巖面發生張性的裂性構造，從而有利于巖溶的發育，拉張性的斷裂容易使巖層破碎為“反漏斗形”，為巖層的下移創造了條件，而位于破碎巖層下部的奧灰，由于有裂隙和地下水循環，巖溶洞腔不斷發展擴大，從而形成陷落柱。

參考文獻

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Study on Formation Mechanism of Collapse Column Taking Heshun

Mining Areas Subsided Column as an Example

CHENG Jian, CHEN Yedou, ZHANG Zhenhua, SHAO Yubao

Key wordsHeshun mine; The collapse column; Soft rock; Vacuum suction erosion