華北地區(qū)陷落柱發(fā)育規(guī)律研究

一、緒言

我國(guó)華北地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，隨著煤礦生產(chǎn)不斷向深部進(jìn)行，越來(lái)越多的陷落柱被揭露。巖溶陷落柱是一種特殊類型的巖溶塌陷，是一種隱伏垂向構(gòu)造，在我國(guó)華北石炭二疊紀(jì)煤系地層中廣為分布。陷落柱的存在不僅造成煤炭損失、影響采掘生產(chǎn)，而且極易成為溝通地下巖溶水和巷道、采場(chǎng)的通道。長(zhǎng)期以來(lái)，陷落柱問題是礦井地質(zhì)工作中的難點(diǎn)。由于陷落柱柱尤其是埋藏型陷落柱特殊的分布形態(tài)，難以在煤田勘探過(guò)程中查明，更難做到采掘工程布置前把握其存在的位置和規(guī)模，陷落柱已經(jīng)成為煤田開采中的一種地質(zhì)災(zāi)害。因此分析研究華北地區(qū)陷落柱的成因及其發(fā)育規(guī)律，以找到合適的解決方法，具有重要的意義。

二、華北地區(qū)陷落柱的成因

華北地區(qū)陷落柱的成因比較復(fù)雜，但主要是由于以下的原因形成的：

華北地區(qū)石炭、二疊系煤系地層基底巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r，這是一種可溶性巖層，在這層灰?guī)r之下有一個(gè)很好的含水層，這個(gè)含水層在大部分地段屬于承壓含水層，在較長(zhǎng)的地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，灰?guī)r不斷受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，不同程度地發(fā)育著構(gòu)造裂隙，地下水沿裂隙形成地下水徑流，這就為地下水的溶蝕作用創(chuàng)造了有利條件，由于地下水不斷的溶蝕，溶洞愈來(lái)愈大，在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖層重力長(zhǎng)期作用下，有些溶洞發(fā)生塌陷，覆蓋在上面的煤系地層也隨之陷落，因而破壞了煤層的完整性，形成了現(xiàn)在的陷落柱。

三、陷落柱的發(fā)育規(guī)律

1、陷落柱的發(fā)育特征規(guī)律 (1)：地貌上陷落區(qū)的形狀一般為近圓形或者橢圓形陷落盆地。外圍的巖層產(chǎn)狀正常而連續(xù)，盆地中常常被不同地層的巖煤的碎塊埴充，無(wú)層序，混亂堆積。（2）陷落柱的總體形態(tài)一般是上小下大的不規(guī)則椎形，個(gè)別地方也有上下一樣的圓柱狀．它們?cè)谒角忻嫔隙喑蕶E圓和近圓形，直徑大小不一。（3）陷落柱的巖石棱角分明，形狀不規(guī)則，排列紊亂，大小混雜，為粘土充填粘結(jié)。如在某一層位觀察陷落柱的巖塊特征，可以發(fā)現(xiàn)它們都是來(lái)自同一層位上的各個(gè)巖層和煤層。（4）陷落柱與圍巖的接觸界面多呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀，界線明顯，接觸面的角度是上大下小，一般在50—85度之間，75度最常見，接觸處的圍巖產(chǎn)狀基本正常，接觸帶的煤層以及頂?shù)装逡话銦o(wú)牽連現(xiàn)象，接近陷落柱3—5米時(shí)，巖層裂隙發(fā)育，煤層十分破碎，有時(shí)可以見到落差不大的小正斷層，斷層的走向與柱體相切，傾向柱體。在陷落區(qū)的邊緣地帶有的柱內(nèi)千燥無(wú)水，有的有水，因不同地區(qū)而異。（5）陷落柱錐形體的中心軸與巖層層面近似垂直。因此，在傾斜巖層里陷落柱也發(fā)生歪斜，在水平的投影圖上，各煤層的陷落柱范圍并不是完全重疊。

2、陷落柱的空間分布規(guī)律 （1）華北地區(qū)陷落柱是在特定的地質(zhì)背景下、多種因素和條件綜合作用的產(chǎn)物，往往經(jīng)歷一個(gè)孕育、發(fā)生、發(fā)展的復(fù)雜過(guò)程。煤系基底奧陶系碳酸鹽巖的發(fā)育程度是陷落柱形成的前提，奧灰頂部古風(fēng)化剝蝕巖溶發(fā)育帶是陷落柱形成的基礎(chǔ)，地下水徑流條件是不可缺少的水動(dòng)力因素，以重力為主的動(dòng)力作用是陷落柱形成的動(dòng)力條件，地質(zhì)構(gòu)造是陷落柱發(fā)育的主導(dǎo)性控制因素，層滑構(gòu)造對(duì)陷落柱形成有著重要的影響。上述因素和條件制約著華北煤礦區(qū)陷落柱的空間分布，并與區(qū)域構(gòu)造演化息息相關(guān)。華北型煤田陷落柱的區(qū)域分布受大型構(gòu)造體系的控制，多分布在水平伸展作用形成的箕狀斷陷盆地或地塹式盆地內(nèi)；盆地內(nèi)的中小型次級(jí)構(gòu)造控制陷落柱的具體發(fā)育部位。（2）陷落柱的空間分布與層滑構(gòu)造的發(fā)育具有一致性。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，華北煤田普遍存在以石炭二疊紀(jì)煤系與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r之間的假整合面為主滑面以及煤系中若干次級(jí)滑面共同組成的多級(jí)滑動(dòng)構(gòu)造系。主滑面滑動(dòng)強(qiáng)度大，它一方面造成本溪組徐家莊灰?guī)r（徐灰）以下的隔水層嚴(yán)重破壞和滑失，徐灰和奧灰實(shí)際上成為一個(gè)聯(lián)合水體；另一方面，主滑面對(duì)奧灰頂部充填帶破壞改造也比較徹底，從而為奧灰頂部巖溶洞穴的發(fā)育及初始陷落柱的形成創(chuàng)造了良好的條件。同時(shí)，煤系中次級(jí)滑面數(shù)量比較多，并派生一系列順層和垂直巖層的節(jié)理，使煤系巖層穩(wěn)定性受到破壞，為巖溶塌陷和陷落柱向上發(fā)展提供了有利條件。因此，陷落柱多分布在滑動(dòng)構(gòu)造比較發(fā)育的井田，特別是滑動(dòng)強(qiáng)度較大的淺部。這是前人研究中忽視的一個(gè)比較重要的方面。（3）華北型煤田陷落柱常成群出現(xiàn)，單個(gè)出現(xiàn)的情況比較少，并且有分區(qū)、分片、成帶分布的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)除了與構(gòu)造、徑流條件等因素有關(guān)外，有人提出“共振論”，即在陷落柱形成過(guò)程中，巖溶地下水的波動(dòng)變化頻率與上覆巖層的固有頻率相同時(shí)，地下水與蓋層產(chǎn)生共振，引起巖溶塌陷的連鎖反應(yīng)。此外，陷落柱分布具有明顯的不均勻性，反映了華北埋藏型巖溶發(fā)育的極不均勻性以及地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的復(fù)雜多變和差異性。

四、結(jié)束語(yǔ)

華北地區(qū)巖溶陷落柱已成為礦井開采中最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，分析研究并進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其發(fā)育特征、規(guī)律，對(duì)于防治陷落柱形成的危害具有重要的意義。