廣旺礦區大傾角地層中隱伏古巖溶陷落柱的形成機理及時間

黃祥寬

廣旺礦區大傾角地層中隱伏古巖溶陷落柱的形成機理及時間

黃祥寬

（四川川煤華榮能源有限責任公司廣元分部，四川 廣元 628017）

大傾角地層中的古巖溶陷落柱，是一種特殊的地質現象，如果不作綜合地細致研究，容易產生誤判為斷層的可能。從廣旺煤礦區的基本地質情況入手，立足于地殼升降運動是陷落柱形成的主要動力來源，通過對區域地質構造的演化與區域地層的對應關系，分析闡明了大傾角地層中古巖溶陷落柱的形成機理，以及對形成和定型時間的厘定。分析認為廣旺煤礦區大傾角地層中的古巖溶陷落柱形成的基本條件和形成的初期機理，與一般地層中發育的陷落柱是一致的。其最終成型，相較于水平或緩傾斜地層中的陷落柱，是在地質構造運動的疊加作用下，增加掀斜過程。其起始發育于中侏羅世和早白堊世早期，于始新世晚期完全停止發育，直至定型。

大傾角地層；陷落柱；形成機理；廣旺礦區

廣旺煤礦區位于川北廣元、旺蒼、南江一帶，含煤巖系主要為上三疊統須家河組、中下侏羅統白田壩組，煤層露頭線自西向東在平面上呈反寫的緩S型展布（圖1）。在區域構造位置上處于上揚子古陸塊米倉山-大巴山逆沖帶（三級構造單元）西段的米倉山基底逆沖帶，西端跨北東向的龍門前山蓋層逆沖帶北段。含煤地層賦存于東西向秦嶺褶皺系南緣及北東向龍門山褶皺帶前緣。礦區主體構造西為鹽井背斜、東為大兩會背斜，各井田構造以單斜為主，總體上自西向東傾角逐漸增大，最大近60°，一般30°～45°，屬于大傾角地層（黃祥寬，2010）。礦區出露地層以三疊系、侏羅系為主，含煤地層為三疊系上統須家河組和侏羅系下統白田壩組（表1）。

圖1 廣旺礦區主要構造及井田分布簡圖

表1 廣旺礦區含煤地層與灰巖地層簡表

在多年的開采過程中，廣旺礦區劃分為近二十個井田或礦段。處于礦區中、東部的唐家河、趙家壩、代池壩及石洞溝煤礦，在實施巷道掘進過程中，相繼在含煤地層段揭露出陷落柱。陷落柱內充填物緊實，似膠結狀，不含水。陷落柱周邊裂隙發育，在砂巖段有裂隙水涌出。經研究判斷，均為停止發育的古巖溶陷落柱。大傾角地層中的巖溶陷落柱的形成機理及出露形態，有一定的特殊性，如不作細致研究和討論，讓人難以理解和接受。

1 典型實例

在礦井生產時期，在含煤地層底板砂巖中掘進+555m水平運輸大巷（標高+570m）時，于14號勘探線以東附近兩次穿過數十米寬的巖層破碎帶。在掘進+620m水平運輸大巷時，在傾向上相對應于+555m水平運輸大巷破碎帶的位置上僅見3m左右的破碎帶。在+660m水平底板大巷相應位置根本見不到破碎帶，但從含煤地層底板往頂板方向作穿層石門時，揭穿底部的12號煤層后，突然沿傾向方向遇到42m的破碎帶，12號煤層之上的11號、10號、9號等 3層煤層缺失，被大小不一的礫石（塊徑0.03～0.80m）和砂質、泥質混合物替代，繼而揭穿8號煤層（黃祥寬，2006）。根據各生產工程揭露點情況，繪制成剖面圖（圖3左），其形態與勘探線剖面圖上形態類似。

圖2 根據鉆孔揭露的地層情況制作的勘探線剖面圖

圖3 生產工程揭露剖面示意圖（右為充填物照片）

在對破碎帶的充填物、巖層斷面產狀、破碎帶展布狀況以及下部地層巖溶發育等情況進行綜合分析后認為，上述巖層破碎帶在空間上看似錯亂的展布特征，實為存在于大傾角地層中的古巖溶陷落柱特有的展布形態。在此認識的基礎上,趙家壩煤礦組織實施了沿煤層走向布置的探巷工程，分別在+555m水平和+620m水平沿8號和9號煤層掘進了58162、59162、58164、59164四條煤層平巷。除59164煤巷尾部遇上破碎帶外，其余3條煤巷均未遇上破碎帶。4條煤巷加兩條沿8號、9號煤層傾向掘進的開切眼, 形成8號煤層的58162采煤工作面、9號煤層的59162采煤工作面,實現了安全正常回采。無斷層展布痕跡，且破碎帶未對附近的煤層沿傾向或走向方向形成大面積的破壞，反證了前述破碎帶屬古巖溶陷落柱而非斷層所致。

圖4 代池壩煤礦320西大巷陷落柱井下鉆探驗證圖

2 其它揭露點情況

2.1 現場實錄

代池壩煤礦+320m西大巷遇陷落柱前，圍巖破碎，發育張性裂隙，裂隙大部分斜交與巖層，左幫出現明顯的涌水現象，涌水順錨桿眼涌出，逐漸減少至無水。陷落柱內無水，充填較緊實，陷落柱內巖石碎塊棱角明顯，形狀不規則，排列混亂，大小不一，巖塊間為泥沙膠結物（圖3右）。該陷落柱與周邊圍巖的接觸面呈現不整合接觸，個別巖層近于直立。

石洞煤礦+300m水平31325運輸巷施工至K237m時揭露陷落柱。揭露遇陷落柱前，周圍煤層光澤變暗、強度降低、煤層破碎，周邊張性裂隙大部分與巖層斜交。陷落柱內部不含水，內部砂巖塊呈棱角狀充填緊湊，充填物為頂板方向垮落的零亂巖塊及沙泥物質。底板砂巖裂隙有少量水滲透。

唐家河煤礦在掘進3864巷道時，也揭露一小型陷落柱。其狀態與前述類似。

2.2 井下鉆探驗證

在通過物探手段，確認所揭露陷落柱內無水威脅的情況下，為更加確定陷落柱的規模，實施了鉆探驗證。經綜合各鉆孔探測情況，其平面上形狀為不規則近橢圓，規模較小。對周邊安全無威脅（圖4，圖5）。

圖5 石洞溝煤礦31325運輸巷陷落柱井下鉆探驗證圖

3 形成機理

位于含煤地層底部的三疊系中統雷口坡組及其下的嘉陵江組、飛仙關組、吳家坪組、茅口組、棲霞組，沉積形成了厚度1000m以上的灰巖地層，是巖溶發育的物質基礎。廣旺礦區含煤地層以須家河組為主，次為白田壩組，屬濱海河流沼澤相。須家河組與其下的雷口坡組呈角度不整合接觸。陸相沉積的含煤地層與下部巨厚的海相灰巖地層，這樣的地層組合，其形成巖溶陷落機理與一般的水平或緩傾斜地層中巖溶陷落機理是相同的，在此就不贅述。根據現有地質資料分析認為，大傾角地層中的古巖溶陷落柱，只是在水平或緩傾斜狀態下形成陷落柱后，經歷了一個“掀斜”的過程（圖6）。這個“掀斜”過程，是區域地層的一個總趨勢過程，理論上稱為“掀斜運動”或者“翹起運動”，是區域地層相對于某一水平面，一端相對上升而另一端相對下降的運動，是地質構造運動中垂直運動方式之一。在須家河組、白田壩組含煤地層形成過程及以后，廣旺礦區經歷了三疊紀中、晚期至侏羅紀前的印支運動, 侏羅紀中、晚期開始的燕山運動，第三紀中期發生的喜馬拉雅運動。數次地質構造運動的疊加，主要表現為地層的抬升、下降、抬升、加劇抬升，在龍門山—大巴山臺褶帶形成線型及過渡型褶皺，廣旺煤礦區的主體控制構造大兩會背斜就在此褶皺帶中。如此，須家河含煤地層及其中的巖溶陷落柱，逐步被抬升“掀斜”。

圖6 巖溶陷落柱“掀斜”前后示意圖

基于上述認識，我們不妨運用赤平投影的原理，將勘探線剖面圖旋轉，讓地層處于大致水平狀態，不難看出所謂的斷層更類似于一個陷落柱在剖面上的形態（圖7），反證了該陷落柱經過了一個“掀斜”過程。另外，根據趙家壩煤礦、唐家河煤礦、代池壩煤礦、石洞溝煤礦所揭露陷落柱在剖面上展布特征來看，均體現出下部采掘工程揭露有陷落柱，其上部垂向一定范圍內，無陷落柱的存在，而是沿地層傾向上延展一定距離，才會揭露出陷落柱體。說明這些陷落柱呈現出的是一種沿地層傾向方向大角度傾斜的立體狀態。根據重力作用原理，這種特殊形態也只有地層在近水平或緩傾斜狀態下形成陷落柱后，通過構造運動的“掀斜”才能產生。

4 形成時間

地殼升降運動是陷落柱形成的主要動力來源（尹尚先等，2019），廣旺煤礦區大傾角地層中的陷落柱，較水平或緩傾角地層中的陷落柱的差別在于，多了一個地層掀斜的過程。那這個掀斜的時間和動力源，實際上是與廣旺礦區所在的川東北區域地質構造演化息息相關的。因此，厘清廣旺煤礦區含煤地層形成以來的歷次地質構造運動，可以基本確定該區域大傾角煤系地層中古巖溶陷落柱的發育及形成時間。

圖7 運用赤平投影原理恢復的古地層剖面

4.1 發育時間

總體上講，四川盆地及相鄰地區如龍門山以西的川西高原、川北大巴山弧形褶皺束與秦嶺—大別山山地、四川盆地東部的鄂西—湘西山地、云貴高原等構造地貌的形成除了燕山運動、四川運動的影響以外，還有喜山運動晚期青藏高原末次快速隆升的影響（葛肖虹等，2010）。α石英熱活化ESR定年法結果顯示，北大巴山經歷了三個主要構造演化階段，分別為 243.7～201.5Ma（晚印支期）、165.6～91.2Ma（中晚燕山期）、68.6Ma至今（喜山期）（程萬強等，2009）。川東北地區自白堊紀以來的抬升剝蝕歷史又分：沉積埋藏階段（92Ma以前）、快速的隆升剝露階段（92～67Ma）、緩慢隆升的階段（67～15Ma）、次快速剝蝕階段（15Ma以來），說明川東北地區可能分別在晚白堊世和中新世受兩次大的構造作用的影響（胡迪等，2016）。

米倉山構造帶中-新生代構造演化史可以概括為：晚三疊世之前的前碰撞期、晚三疊世至早侏羅世的同碰撞期、中侏羅-早白堊世早期的構造平靜期、白堊紀期間的陸內變形期、古新世至始新世早期的疊加構造變形期、新世晚期以來的整體隆升期，等6個主要階段（孫東，2011）。據此，處于米倉山南麓的廣旺煤礦區構造背景演化大致可以體現為：成煤期前的特提斯南秦嶺洋南側的揚子板塊北部的被動大陸邊緣→成煤期的微水下隆起同生沉積→成煤期末的由北向南的輕微掀斜→成煤期后的強烈掀斜褶皺系的陸內變形→復合疊加構造變形沉積→整體隆升遭受剝蝕。在志留紀至晚三疊早期，上揚子地臺為張性構造環境，至印支運動晚期轉變為擠壓構造環境（周文等，1994）。志留系、下泥盆統、中三疊統雷口坡組、上侏羅統蓬萊鎮組等各地層中發育多套滑脫層（金文正等，2018）。喜山期印度板塊與歐亞板塊的強烈碰撞，引起"三江"造山帶與揚子陸塊西緣抬升和地殼加厚（劉軍等，2019）。

廣旺煤礦區形成于晚三疊世、早侏羅世的含煤地層，在中侏羅世和早白堊世早期，處于一個構造平靜期，地層受到輕微掀斜，其下地層中經過多次張拉、擠壓構造作用后裂隙廣泛發育的巨厚灰巖，溶蝕積極發育，覆巖垮落，陷落柱相繼形成。其后白堊紀期間，揚子板塊向秦嶺造山帶的楔入作用，導致米倉山構造帶發生強烈的陸內變形，形成由北而南沖斷構造級的東西向褶皺構造，米倉山主體構造基本定型，廣旺煤礦區中、東段的主體構造大兩會背斜，也在此時段基本定型。含煤巖系地層與灰巖地層，從上下位置關系變為南北位置關系，巖溶及陷落柱的發育進入遲滯狀態。

4.2 定型時間

川東北地區缺失第三系和中、上白堊統，第四紀砂礫層與下白堊統、下白堊統與侏羅系地層呈超覆不整合接觸。龍門山和米倉山，經歷了燕山期和喜山期的一系列改造后，須家河組已經被掀斜、褶皺（孫衍鵬等，2013）。始新世晚期以來，受青藏高原隆升的影響，米倉山構造帶及毗鄰盆地整體性由西向東隆升，整個區域構造格局幾乎完全定格。廣旺煤礦區的含煤地層，以及更老的地層，均遭受剝蝕。空間關系從未抬升前的上下關系，呈現為前后關系或南北關系。盡管灰巖地層出露區依然會存在巖溶發育現象，但含煤地層內的古巖溶陷落柱，已失去進一步發育的條件。廣旺煤礦區含煤地層中的巖溶陷落柱，于始新世晚期完全停止發育，直至定型。

5 結論

（1）大傾角地層中的古巖溶陷落柱，其形成的基本條件和形成的初期機理，與一般地層中發育的陷落柱是一致的。

（2）大傾角地層中的古巖溶陷落柱，其最終成型，相較于水平或緩傾斜地層中的陷落柱，是在形成末期及形成后，在地質構造運動的疊加作用下，伴隨地層的抬升、擠壓，增加了一個掀斜的過程。

（3）作為一種特殊的地質現象，對大傾角地層中的古巖溶陷落柱，必須結合區域地層分布及區域地質構造演化，以及現場破碎帶與周邊地層的接觸關系，進行綜合研究分析，方能作出正確判斷。

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Formation Mechanism and Time of Buried Paleokarst Collapse Column in Steeply Dipping Strata in Guangwang Coal Mine Area

HUANG Xiang-kuan

(Guangyuan Branch of Sichuan Chuanmei Huarong Energy Co. Ltd., Guangyuan 628017)

Paleokarst collapse column in steeply dipping stratum is a special geological phenomenon, which may be misjudged as fault if it is not studied comprehensively and carefully. Starting with the basic geological characteristics of Guangwang coal mine area, based on the fact that the crustal movement is the main power source for the formation of collapse columns, through the evolution of regional geological structure and regional strata, this paper analyzes the formation mechanism of paleokarst collapse columns in steeply dipping strata and the determination of formation and finalization time. The analysis shows that the basic conditions and initial mechanism of the formation of paleokarst collapse columns in steeply dipping strata in Guangwang coal mine area are consistent with the collapse columns developed in general strata. Compared with the collapse column in horizontal or gently inclined strata, its final formation is an increasing tilting process under the superposition of geological tectonic movement. It developed in the Middle Jurassic and early Early Cretaceous, and completely stopped in the late Eocene until it was finalized.

steeply dipping strata; paleokarst collapse columns; formation mechanism; Guangwang coal mine area

P542

A

1006-0995（2022）04-0547-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.001

2021-11-15

黃祥寬(1966— ），男，四川瀘縣人，教授級高級工程師，碩士，研究方向：煤礦地質