太原西山煤田陷落柱空間形態特征及其成因分析

付君華

(西山義城煤業有限責任公司,山西 古交 030200)

1 研究區概況

華北西煤田巖溶陷落柱主要發生于上古生代至中生代地質時期,新生代亦有延續發展歷史。其縱剖面中心線近乎垂直,有些是折線，與基底奧灰的產狀以及陷落柱發育過程中經受的構造變動歷史有關。柱體下部與巖層層面垂直,柱體上部可能與水平面垂直。如果柱體中心線折線,反映該陷落柱在燕山運動以后仍繼續發育。陷落柱高度對于井下煤層層位來講,可以是隱伏的也可以是直穿頂板的[1]。

西山煤田位于山西省中部太原地塹盆地西面,呂梁山東面,主控構造位于西部古交、呈南北走向的馬蘭復向斜系,由北東向及南北向若干地壘式斷裂帶構成的石炭—二疊系含煤建造;面積541 km2、含2號、3號、6號、8號和9號等可采煤層,煤層總14 m～18 m,儲量達70億t;其西部的古交礦區為重要的主焦煤基地,大部分為帶壓開采;其東部的前山礦區為動力煤基地,大部分不帶壓;其與下伏奧陶系呈平行不整合,其上在石千峰地區有三疊系,其他大部區域為新生界地層角度不整合所覆蓋。

2 研究區陷落柱的空間分布特征

巖溶陷落柱也稱喀斯特,是巖溶塌陷的一種類型。它是由煤層下伏碳酸鹽巖等可溶巖層、經地下水強烈溶蝕形成空洞,從而起上覆巖層失穩,向溶蝕空間冒落、塌陷,形成簡狀或似錐狀柱體,以它的成因和形狀取名為巖溶陷落柱,簡稱陷落柱,俗稱“無炭柱”或“矸子窩”，在華北礦區發育較多。

1)壁角：據各礦生產地質報告反映,柱壁角在80°以上多近直立,據井下已采煤層上下對照,其垂直投影位移無幾,其破壞范圍有所增大但亦變化不大。

2)柱高(冒落高度):對煤礦有實際意義的主要是2號煤與8號煤,其最小柱高為O2f2至8號煤,為100 m左右;最大柱高為O2s2至地表,可達800 m～1 000 m以上。

3)柱冠:西山煤田各礦均不同程度存在陷落柱頂部空間,出現冒落空隙、膠結充填差,有時含水或曾含水,為自由空間,下組煤中常見黃鐵礦與方解石礦物晶體。通過鈾系定年方法的實際測定,確定太原西山巖溶陷落柱發育時間為30～40萬年以前[2]。

4)斜歪與分叉:陷落柱受后期煤巖層圍巖的褶皺傾斜,發生立軸線的斜倒或斜歪,上下組煤層柱芯位置不同,產生移位見圖1。

圖1 傾斜陷落柱平剖面對應圖

白家莊井田井下揭露的斜歪陷落柱有29個,占總數的30%,明顯受傾斜構造控制產生柱心位移,見圖2。

圖2 白家莊礦傾斜陷落柱分布圖

在煤層傾角較明顯的馬蘭井田也存在這種現象。多個相鄰柱體,向下部合并、向上部分叉,呈樹杈狀空間生長,表現為上下組煤層柱切片范圍大小不同;這種情形在白家莊、杜兒坪等井田較常見,見圖3。

圖3 杜兒坪礦揭露向下合并的陷落柱

3 陷落柱形成機理分析

3.1 與下伏溶洞的關系分析

巖石力學研究證明,對于部分開裂的空隙率高的巖石,側向壓力(側應力)的影響可使巖體的彈性模量降低許多。由于巖石在某一方向的節理特別發育,彈性模量和泊松比隨之改變,尤其在沉積巖中變形破壞呈各向異性。由于巖溶與陷落的交替發展,使溶洞的高度不斷大于其寬度,這樣的斷面其側應力對圍巖穩定性亦十分重要。當側應力很小時,洞頂拉應力利于巖石冒落，直到側應力與垂向應力相當時又開始穩定,成為不易受破壞的壓力圈。在中新生代多期構造應力的作用下，側應力為零。溶洞在侵蝕、剝落與冒落作用下,從量變到質變的過程中產生“失穩冒落又趨于穩定”如此反復多次,使地下陷落柱不斷成長、尤其是在構造應力較強的前山礦區東部地段。松散陷落柱的產生是由于頂部穹窿型自然平衡拱或厚層砂巖的頂量平衡作用，使巖溶塌陷冒落至一定層位, 再不向上發展,形成類似采空區直接頂冒落后老頂沒有垮落而形成的空間[3]。

3.2 構造地質學對陷落柱長軸方向的分析

斷裂及其交匯部位導致水和巖石接觸面增大,透水能力增強,不僅有利于溶蝕作用進行,也有利于沖刷、崩塌擴大其空間,因而許多巖溶通道和暗河往往沿著褶曲軸部和翼部的張性斷層帶發育,在斷裂交匯部位,巖石更加在破碎,加之混合溶蝕作用,多形成廳式大溶洞或豎井[4]。山東科技大學許進鵬等在《陷落柱及其周邊地應力分布研究》中的結論:通過分析陷落柱柱與周邊巖層的相互作用關系,運用彈塑性理論,分析了陷落柱柱體及其周邊的應力分布;并采用大型有限元軟件ANSYS對陷落柱及其周邊的應力分布進行了模擬計算。兩者結果吻合,表明陷落柱及其周邊存在應力異常。

結合地質構造發展史與破壞層位分析,陷落柱受控構造裂隙形成于燕山期早期褶皺運動之前的侏羅紀,之后在燕山期晚期白堊紀、陷落柱與煤系地層圍巖共同經受了燕山期褶皺運動,在喜山期又經歷華北地區普遍的拉伸運動、地臺發生塊斷式升降運動。尤其是中新世擠壓應力轉換為拉張應力,為陷落柱巖體塌陷和繼續發展提供了動力保障[5]。燕山期的石灰巖體在山字型構造山西地塊左扭應力的作用下,石灰巖在北西向的水平構造應力增大、超過原巖應力,在背斜或向斜處有利于北西向張性構造裂隙的發育,同時其北東向一組剪節理被后來喜山期右扭應力的作用改造、向扭張性構造裂隙的發育提供了基礎。尤其前山礦區離汾河地塹近,受構造破壞強,扭張斷裂及褶曲、張性節理相對較多、導水性強,利于巖溶陷落柱發育[6]。

峰峰集團王鐵記等《峰峰礦區陷落柱的內循環形成機理》中結論:分析了峰峰礦區陷落柱主要分布于“工”字型水系兩端的現象,提出了相對封閉地段陷落柱形成的地下水內部循環機理，認為火成巖體產生的地熱異常使得奧灰水產生了內部對流循環,導致巖溶發育;論證了地熱對CaCO3溶解的加速作用,封閉環境對CO2分壓的升高作用,及其對CaCO3的溶解度和飽和度的效應。燕山期早期煤田西部狐堰山一帶及東部清交大斷層附近發生的巖漿侵入,圍巖煤系及基底奧灰地層在同期順輻射狀斷裂與地熱水綜合作用易于巖溶滲流侵蝕作用的進行。

喜山期北東向右扭應力的作用利于北東向張性構造裂隙的發育;而同時期又疊加了由汾河地塹擴張產生的東西向側向應力的聯合作用,使最大主應力方向與裂隙與洞穴的長軸方向(北東至北東東向)垂直時,硐體圍巖的水平應力僅僅約為其垂向應力的0～0.1倍、甚至是負的即拉應力作用,從而利于洞壁圍巖的層層剝落與頂部冒落(自上隅角)以及底鼓擠出,同時地下水侵蝕浸潤作用起到加速破壞的效果。溶洞圍巖在無水平應力尤其是在負的即拉應力作用的條件下,左右兩個上隅角部位的切向應力與徑向應力之差最大,局部達到垂向應力的3倍,由此衍生的剪切應力很大,破壞與冒落由此處開始,逐漸向上發展、最終導致陷落柱形成。在靠近地塹處地段北東向裂隙較明顯,而遠離地塹的地段北西向裂隙較明顯,這就決定了不同地段陷落柱長軸發育的優勢方向有所區別。通過對陷落柱特征的分析,可初步認為奧灰強逕流帶和節理裂隙發育區的疊和部分,就是陷落柱可能發育的重點區域[8]。如西曲井田陷落柱在北東向壓扭性正斷裂派生的北北東向張扭性裂隙構造的基礎上,區內陷落柱亦呈北北東向帶狀分布,即從南四到北五采區條帶、南二西到北二采區條帶。在馬蘭礦區內直接觀察到陷落柱邊緣的犬齒狀形態,也受兩套裂隙面的控制,陷落柱的塌陷可能與裂隙的分布有很大關系,其長軸的走向與裂隙發育程度有關[9]。

構造破碎帶和裂隙系成為煤系地層與奧陶系碳酸巖勾通的地下水通道,煤系中的含碳、硫的氣體下滲起到溶蝕作用。

本煤田陷落柱形成的構造裂隙主要是在燕山期。首先在印支期(T)受南北應力擠壓,形成a、d兩組剪節理和b、c兩組張節理;到燕山期早期(J)受東西向應力擠壓形成a、d兩組剪節理和e組張節理;最后在燕山期晚(K-E1)新華夏系繼承祁呂賀山字形東翼北東向的斷裂與節理(見圖4),在左型力偶構造應力場伴生的北西-南東向擠壓應力作用下產生a組張扭節理和其余四組剪節理;在上述多期應力場綜合作用下,產生了如下圖所列五組不同方向的陷落柱,按照發育程度由強到弱依次為a、e、b、d、c,這五組不同方向的陷落柱總計占所有陷落柱的88.6%,其余方位發育的陷落柱僅占總數的11.4%。最發育的兩組陷落柱e、a即分別代表燕山期運動中、晚期的最大水平主應力方向95°、145°。見圖5。

圖4 大中型斷層傾向玫瑰花圖

晚第三紀以后山西地臺內系列坳陷盆地(包括汾河斷陷盆地)繼續下陷、斷裂,尤其是呈階梯狀的縱向斷層在盆緣向內相當發育。奧灰巖較之上伏海陸交互相與陸相地層受改造形成小構造更多,脆性破壞更明顯,尤其是厚層、巨厚層的純灰巖。

再如馬蘭礦區的四組兩套“X”剪切裂隙在構造轉折處附近呈銳角交叉,表現為明顯的扭動旋轉的形跡[9]。

圖5 陷落柱長軸走向玫瑰花圖

3.3 與上覆巖性組合及地層形態的關系分析

石炭—二疊系地層位海陸過渡相到陸相三角洲沉積建造,主要地層由砂巖、灰巖、泥巖與上下煤組煤層呈海退式成煤構造旋回形成。其中灰巖均分布于石炭系太原組地層。各種結構的巖性累計層厚由于沉積部位不同,在不同井田區域有所差別。巖性不同其巖層內摩擦角σ等力學強度相應的有差別。對于破碎性較大的巖石,適用壓力拱理論,在洞體圍巖的水平應力很小甚至是負的即拉應力作用與地下水侵蝕浸潤加速破壞作用聯合影響下,從而易于超過巖體的抗拉強度而產生洞壁圍巖的層層剝落與冒落(自頂部上隅角)以及底鼓擠出。在主要是受節理裂隙及層理等立方體交錯的軟弱面將巖體割裂成各種大小的塊體(與整個地層相比尺寸較小),這就破壞了巖石的整體性、造成松動性;因此把洞室周圍的巖石看作是沒有凝聚力的大塊散粒體(但實際上巖石是有凝聚力c的);因此就用增大內摩擦系數tgσ+c/σ=tgσk(σ稱作巖石的堅固性系數或為fk)的方法來補償這一因素;σk表示通過σ換算得來的內摩擦角,稱作“換算內摩擦角”[7]。在少數次冒落成因的假設基礎上,利用巖石力學中松動壓力(坍落拱)理論:如果這些洞頂拉應力超過巖體的抗拉強度,則頂部巖體破壞,一部分巖塊失去平衡而隨著時間向下逐漸坍落,巖體又進入新的平衡狀態。以下用兩個礦的2號煤底板至8號煤底板的鉆孔巖性資料,分別用不同巖性巖層的內摩擦角或換算內摩擦角與該種巖性“巖層累加厚度”加權計算可求得近似柱壁角,如表1所示。

表1 柱壁角計算法

杜礦σ=(∑DiZi)/(∑Di)=76.87°

杜礦σk=(∑DiZKi)/(∑Di)=87.1°,

后者較接近實際統計值,尤其是在下部巖層。

屯礦σ=(∑TiZi)/(∑Ti)=72.27°

屯礦σk=(∑TiZKi)/(∑Ti)=85.6°,

后者較接近實際統計值,尤其是在下部巖層。這兩個數值與趙金貴對西銘礦陷落柱統計近似值84.7°佷接近。

需要指出的是,煤層、碳質泥巖的柱壁角選擇得大是因為井下實見其中的柱壁角是傾向陷落柱內的:90°+45°-σki/2。上述巖層的內摩擦角是一般的經驗數值。由于多次冒落,柱頂上隅角應力集中破壞程度不同,另外個別陷落柱由于對上覆圍巖中已有的構造面(節理面、斷裂面)沿襲破壞程度不同,所以加權計算求得的近似柱壁角與實際上的陷落柱柱壁角有一些出入甚至個別陷落柱會出現更多的變化。總之“欺軟怕硬”特性使柱體上細下粗的同時見煤層或軟弱層位腫大,總體呈葫蘆狀。

3.4 與水動力條件的關系分析

西山煤田總體上西北高、屬奧灰水補給區,東南低為其排泄區;淺埋區奧灰水徑流強、深埋區徑流弱;煤田北東部逕流總體強于南西部。奧灰出露區水力交替快,水質好;奧灰深埋區,水力交替慢、水質越來越差。

巖溶水補徑排條件:作為一個相對獨立的地下巖溶水系統,具備完善的“降水(輸入)→產流→調蓄→排泄(輸出)”三水轉化功能;且越往下游強逕流帶其喀斯特化越強,即管流水較散流水的比例越明顯。

各類水在有下滲條件地段補給地下巖溶水,主要是在構造破碎帶、灰巖淺埋區補給巖溶水。地表水、孔隙水入滲補給以汾河為主,次為天池河、屯蘭河切奧灰處,經水同位素與水位分析:在汾河鎮城底至小塔村段、屯蘭河營立至武家莊段、天池河白家灘至順道村段滲漏補給。 1985年實測汾河二庫至寨上至掃石的滲漏量為2.69 m3/s。據氚數據、C14同位素數據測定證明,蘭村泉主要為遠源補給;而晉祠泉主要為近源補給。

汾河以北灰巖裸露及淺埋區無集中徑流帶,以散流由北向東南補給。汾河以南以散射向邊山斷裂帶排泄運移,強徑流帶位于古交河口、王封地壘以南圪僚溝一帶;由于北東向斷裂影響,其中一部分自西向東補給盆地,另一部分迂回南流。中深循環帶,沿邊山斷裂帶以泉的形式排泄。深循環帶,側排補給沖積層與深部巖溶水;北部在三給村至蘭村段,圪僚溝至小井峪;南部在冶峪溝至風峪溝、晉祠至平泉、東西梁和覃村，主要向汾河地塹盆地排泄。活動斷層促進深部地下水運動,如太原汾河斷層存在低溫異常帶,徑流深度達600 m～800 m。據大量鉆孔資料,太原地下水系普遍存在奧灰水深部徑流,故其深部必有一低泄基準面起控制作用。而汾河深斷裂有徑流帶正起這一作用，即新華夏構造溝通太原凹陷內部水力聯系，此乃新構造隆起區一大重要特點[8]。

3.4.1陷落柱柱高與冒落高度與水動力條件的關系分析

阜新礦院張寶柱在《華北型煤田巖溶陷落柱分布規律及其水文地質意義》提到:陷落柱分布于碳酸鹽巖—硫酸鹽巖混和建造中奧陶統古—現代巖溶水強逕流—排泄帶,強含水陷落柱屬晚近期或現代活化的古陷落柱、與現代地下水系統有關。

下伏奧灰古溶洞越大,形成陷落柱柱體高度就越大,甚至見地表的塌陷坑或隆起。井下實見對于柱內充填物從外向內可分三帶:邊緣帶、過渡帶和中心帶,對于正常層序地層而言其層位由依次為由老向新過渡。其中心帶巖性(最新即最上部的層位)、充填物孔隙率與含水性的鑒別,有助于分別確定柱內充填物的冒落沉降量、揭露部位距柱頂空洞的垂距。距馬蘭礦井下8號煤巷道實見一長軸為20 m的陷落柱,其中心帶巖性為老頂K2灰巖,冒落高度為9 m。在《杜兒坪礦生產地質報告》敘述到:“井下所見皆為煤層上覆巖巖,最新地層可見石千峰磚紅色巖石。” 這樣計算其冒落高度可達500 m以上。由此可見,柱高從奧灰頂面算起50 m～1 000 m、一般為100 m～300 m、平均值為175 m;占統計的69.3%[9]。冒落高度為9 m～500 m不等,常見幾十米，體現了西山巖溶陷落柱發育的不均衡性與普遍性。

值的關注的還有隨著構造擠壓與巖漿巖侵入,狐堰山與廟前山隆起,原相斷層、杜兒坪斷層與伴生褶皺構造綜合作用,上馬家溝組上段巨厚層灰巖抬升或受破碎更顯著,下伏奧灰古溶洞更大,因此西部馬蘭礦、東部官地礦井田更易形成粗大的陷落柱體;通過井下工程揭露、地表調查與鉆探、地震勘探解釋已證實,下組8號煤層分布有長軸100 m～400 m的超大型陷落柱體。

3.4.2陷落柱下伏溶洞塌落臨界值的分析

自然平衡拱跨度b的確定,b=2hfk(h為拱高度、fk為巖石堅固性系數),在煤層中b一般為10 m左右、h為3 m～5 m、fk為1.5～0.8;在灰巖中h為3(在隆升區且構造裂隙發育地段h很容易滿足此條件)、fk為4(主要考慮厚層狀灰巖在水平構造應力作用下以脆性破壞剝落為主,且北方巖溶曾經在上新世早期以溶蝕作用占優、地下水溶蝕作用較強烈使圍巖堅固性系數降低),求得b為24 m。由于北方巖溶與南方強烈的喀斯特不能相比;僅僅在強逕流帶中深部有脈管型甚至管道型喀斯特水出現,應為區域大節理控制的多層網絡結構的三維結點形態系統,在平面上呈棋盤狀或枝狀。按煤系地層與下伏地層(包括奧灰巖及本溪組)的柱壁角分別采用87°、90°計算出,能冒至2號煤與8號煤的灰巖溶洞塌落的臨界大小分別為26 m、18 m。奧灰頂面上揭露陷落柱等效直徑在30 m～150 m占總揭露個數的73.5%。其中等效直徑在60 m～70 m之間的個數最多[10]不少礦均見直徑達200 m以上的超大型陷落柱,除了處在強徑流的原因、還有受水平構造應力作用的原因,才能夠連續塌陷與搬運。

3.4.3陷落柱發育集群與水動力條件的關系分析

陷落柱在分布上具有東部多于西部的分區性、在古地下水流動帶的分帶性、長軸與地下水的古流向一致性等方面。如官地礦區地南二、中一至北二等采區的陷落柱處于一“北西-南東”方向的密集系帶上。由于地勢西高東低,地下水由西北向東南方向流動, 形成一些由西北向東南方向的地下水徑流帶。馬蘭礦南四采區正位于此徑流帶上,在徑逕流帶上,隨著地下水侵蝕加劇形成了巖溶,進而形成陷落柱[11]。

后期的活化使其成為隱蔽致災的含水或導水通道。通過三維地震探測出,三采區有一陷落柱,在煤層底板平面圖上呈橢圓形,時間剖面上為反漏斗狀,陷落柱空間形態為不規則倒梯形[12]。由于陷落柱與圍巖密度差,反射系數不同,能通過井上下震波勘探進行超前探查。

4 結束語

本文結合地質構造史與井下實見資料,總結出了西山煤田陷落柱與斷層、褶皺的相關的構造裂隙之間的關系,對西山礦區發育的陷落柱的空間形態分布特征,從柱壁角、柱高(冒落高度)、柱冠、斜歪與分叉等多個角度進行總結,利用巖石力學中松動壓力(坍落拱)理論,剖析了其與下伏溶洞、上覆巖性組合及地層形態、水動力條件等因素的關系;對研究陷落柱的垂向與水平面特征與成因,并開展分布規律研究及預測具有重要的理論指導意義。