開灤地區井田巖溶陷落柱成因分析

李 廣

（同煤集團同生宏達煤業公司，山西 大同 037003）

引言

我國煤礦水文地質條件十分復雜，受水害威脅的煤炭儲量約占探明儲量的27%，僅華北地區受底板承壓水威脅的煤炭儲量約160億t。在礦井建設和生產過程中，存在著諸多影響安全生產的地質因素，如煤巖體中的斷層構造、巖溶陷落柱、采空區、含水體等［1］。

本文以開灤地區范各莊礦為例，據近幾十年的勘探與生產資料揭露，該礦井田內巖溶陷落柱較為發育，且集中分布于北部的塔坨向斜區。已揭露了14個巖溶陷落柱，曾造成過淹井和淹水平等地質災害，給國家財產造成巨大損失，困擾礦井的均衡、可持續穩定發展。尤其是發育在煤系地層中的巖溶陷落柱，不僅使井田水文地質條件復雜化，同時導致大量的煤炭儲量損失［2］。因此，對范各莊礦井田巖溶陷落柱成因進行分析具有十分重要的意義。

1 井田區域概述

開灤地區范各莊礦位于河北省唐山市古冶區境內，隸屬于開平煤田，井田南北走向長12.25km，東西最大傾斜長3.92km，總面積為32.33km2。井田位于開平向斜的南東翼，北部是塔坨向斜，中部是單斜構造，南部為畢各莊向斜。區域范圍主要地層有：太古界（A）；上元古界震旦系（Z）；古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和新生界第四系等地層，其中含煤地層為石炭系、二疊系，區內發育有5個主要含水層，自上而下依次為：第四系底部卵礫石孔隙含水層，煤5頂板砂巖、煤12～煤14及煤14－K3間砂巖裂隙承壓含水層，奧灰巖溶承壓含水層。井田主要水文地質特征表現為垂直張裂隙和點狀垂直導水奧灰巖溶陷落柱的發育。

2 巖溶陷落柱成因分析

巖溶陷落柱的形成與發育必需具備三個基本條件［3－4］：一是具備形成奧灰巖溶空洞的物質基礎，主要是位于地層基底的可溶性巖層，在地下水作用下易于溶蝕并形成溶隙或溶洞，并能夠進一步擴大，這種地層主要指華北地區廣泛穩定沉積的奧陶系灰巖；二是具備充足的地下水及為地下水流動提供的導水裂隙與通道，在地下水具備溶蝕性的情況下不斷與圍巖發生水巖反應，逐步侵蝕可溶性巖層；三是具備巖溶發育的地質條件，斷層產生的裂隙可以成為地下水徑流通道或地下水排泄口，褶皺產生的地應力作用使得下伏地層受拉張作用形成高角度節理或劈裂，使巖層失穩破壞，上覆地層垮落。

2.1 奧灰巖溶空洞形成時期

通過對研究區地層及巖溶陷落柱形成的物質基礎可知，影響巖溶形成的地層主要有上馬家溝組中統、下馬家溝組中統亮甲山組下統及冶里組下統的厚層灰巖及白云巖。

由于中奧陶世以后加里東運動的影響，華北地臺上升成為陸地，使研究區缺失早奧陶世沉積，歷經志留紀、泥盆紀及早石炭紀，受風化剝蝕作用，使得奧陶系灰巖厚度減薄，與上覆地層呈不整合接觸。在接受風化剝蝕作用長達1.5億年的歷史時期內，奧陶系頂部的碳酸鹽巖長期裸露于地表，接受了強烈的物理風化作用，高度發育風化裂隙，從研究區地層勘探結果來看，在石炭系下統唐山組底部發育大量厚度不均的G層鋁礬土，表征著在大氣淡水長期的淋蝕作用下奧灰頂部形成了大小不均的巖溶洞穴，奧灰頂部凹凸不平，這些巖溶發育帶為后期形成巖溶陷落柱的原始坍塌空間提供了基本條件。

奧陶紀灰巖沉積并接受剝蝕以后，研究區進入到穩定了碎屑巖沉積階段，形成石炭－二疊紀煤系地層，印支運動末期至燕山期，強烈的構造運動形成了影響巖溶陷落柱發育的褶皺構造，同時形成的斷裂構造成為了地下水的徑流與排泄通道。此時的褶皺與斷裂構造也奠定了研究區的基本構造形態。燕山運動末期至喜山早期，研究區地殼抬升，地下水對原始的巖溶空洞進一步作用。

2.2 上覆圍巖坍塌過程

巖溶陷落柱的形成是在奧灰巖溶空洞形成的基礎上，上覆圍巖不斷的坍塌溶蝕形成的地質現象。在圍巖坍塌的過程中，主要受地下水溶蝕、構造作用和真空吸蝕力等因素影響。

2.2.1 地下水對上覆圍巖失穩的影響

地下水對巖溶陷落柱的形成主要有兩種促進方式［5］。首先，地下水以自身滲流和水巖反應影響地應力的改變，其次是地下水通過物理及化學溶蝕帶走已垮落的陷落物。

1）地下水影響圍巖附近的應力重分布。

地下水活動的作用，使奧灰巖溶空洞不斷擴大的同時，破壞了原始的巖層應力平衡狀態，引起上覆巖層失穩并遭受破壞。地下水使上覆巖層失穩作用的影響，包括降低圍巖強度以及地應力的集中作用。

在奧灰巖溶空洞形成以后，會形成上覆巖層壓力釋放的卸壓帶并形成破碎帶。在破碎帶內，地下水處于未飽和狀態時，會導致巖層軟弱帶的結合力與內摩擦角的突然降低，根據巖石抗剪強度的莫爾－庫倫準則：

式中：τ為巖石層面抗剪強度，C為軟弱帶的結合力，σ為水平應力，φ為軟弱帶內摩擦力。可知C與φ減小時，巖層抗剪強度τ降低。

當破碎帶內空隙完全飽和時，根據有效應力原理：

式中：δ為巖層面法向總應力，δ′為巖層面法向有效應力，μ為空隙水壓力。

可知，在巖溶空洞形成的破碎帶內應力的傳遞方式將由顆粒傳遞變為孔隙水的傳遞，此時柱體內將出現很高的孔隙水壓力抵消柱面上由于上覆巖層自重產生的壓力，引起很強的浮力效應，使柱面有效應力降低。

2）地下水的物理化學溶蝕作用。

地下水以自身滲流的機械搬運和水巖作用兩種方式促進上覆巖層的垮落與陷落柱的形成。巖溶塌陷形成的柱體會嚴重干擾地下水的流動，改變地下水流動方向及垂向滲透動水壓力，使巖溶空洞上覆坍塌的巖塊伴隨水流向下部巖溶裂隙通道或空洞內運移。

在對巖層進行物理溶蝕作用的同時，地下水與巖石間的化學溶蝕作用對奧灰巖溶的擴大及上覆巖層的坍塌也起到顯著的促進作用。不僅奧陶系碳酸鹽巖在H2O、CO2作用下發生反應，地層中的石膏層等也會與水作用發生反應生成具有膨脹性和潤滑性的黏土礦物。水化學作用及其流動性使裂隙間黏土礦物逐漸增多，使公式（1）中的C值和φ值降低，在物理、化學溶蝕的基礎上降低巖層抗剪強度，使得上覆巖層在溶蝕的同時不斷垮落。

2.2.2 真空吸蝕導致上覆巖層的坍塌

煤系地層形成時，地殼處于下沉期，在形成褶皺，尤其是向斜構造的情況下，上部煤系地層因柔性受壓塑性形變使奧灰巖上覆煤系地層致密屏蔽，下部奧灰巖受拉破碎，下部奧灰巖溶空洞腔內形成真空。隨著溶洞附近的圍巖被地下水逐漸沖蝕，以及地下水的變動，巖溶溶洞腔內有壓水面轉為無壓，水面以上空間出現低氣壓或真空負壓。隨著溶洞的不斷溶蝕擴大或地下水水位的突降，都會導致真空吸蝕力的增加，對上覆巖層內部結構產生強烈而迅速的破壞作用。

2.2.3 構造作用影響巖溶陷落柱的發育

晚二疊世以前，構造運動相對較為簡單。二疊紀后，本區結束海侵歷史，進入了與以前各地質時期迥然不同的發展階段。特別是自晚三疊世以來，本區地殼活動的動力機制發生了根本的改變。

印支期：該期古地理基本繼承了晚二疊世的輪廓，與晚二疊世之間為連續沉積；早－中三疊世，區內未發現較強的構造運動形跡。印支期意味著該區開始進入強烈活動階段

燕山期：侏羅－白堊紀期間，本區地殼經歷了翻天覆地的劇烈變化，地殼活動時間連續，具有明顯的階段性和節奏性。地殼變動的基本動力為太平洋板塊俯沖產生的北西向擠壓力。

早侏羅世：此期形成的盆地均發育在燕山海槽的范圍內，受北部原東西向古陸及西部太行山的限制，在特定的構造應力場作用下，本期產生兩種不同的構造線方向，即北東東向和近東西向。中侏羅世以來，區域內斷裂活動加劇，在中侏羅世末構造運動更加強烈，主要表現為褶皺變形，中等規模為主，并伴隨有同生斷層，在這種構造運動影響下，研究區形成了連續的復式向斜。進入晚侏羅世后，本區發生了劇烈的構造變形，即燕山運動的激化期。構造變形以斷塊活動為主，褶皺作用相對較弱。斷裂構造以北北東向為主，幅度較大，數量較多。斷裂的形成或為繼承斷層或為新生斷層，同期派生的北北西和北東東向兩組斷層，多發育于構造穩定的脆性巖石分布區，交互組成網狀構造，也成為地下水流的良好通道。

中侏羅世及其以前，中生代的沉積主要受東西向和北東東向基底構造控制，至晚侏羅世，由于太平洋板塊向北西方向的擠壓力加劇，使本區的北東－北北東向斷裂大規模活動，并控制了中生代的沉積作用。晚侏羅世的構造活動，奠定了本區現今構造格局的基本輪廓。

2.3 范各莊礦巖溶陷落柱形成時間

從范各莊礦已揭露的巖溶陷落柱特征來看，區內巖溶陷落柱剖面形態粗細或凸凹不均，從母巖產狀及與巖溶陷落柱的相對關系可以看出，巖溶陷落柱形成后地層整體由下到上向NW向傾斜了一定角度，且層序正常，與燕山運動形成的構造相吻合。巖溶陷落柱中心軸彎曲發育，并產生局部變形，可以推斷巖溶陷落柱在形成之后受喜山期構造作用明顯，說明范各莊井田內巖溶陷落柱在燕山運動后期形成并發育，并受喜山運動改造形成巖溶陷落柱現在的形態。

根據研究區勘探和治理情況可以看出，區內部分地區仍存在奧灰巖溶的發育帶，且已形成的巖溶陷落柱內充填物規律性較差，多數巖溶陷落柱充填物較嚴密，壓實性較好，這些巖溶陷落柱可能已經停止發育。但也存在新的巖溶陷落柱的發育，如9號巖溶陷落柱在奧灰露頭區出現巖溶塌陷坑，鉆探資料發現巖溶陷落柱基底奧灰巖層內仍有巖溶發育，陷落柱體內充填物不均，部分柱體未有充填，可以判斷該巖溶陷落柱仍在發育。

3 結語

煤礦水害是華北地區煤礦安全生產方面面臨的主要問題，而巖溶陷落柱為其主要構成因素之一，本文以開灤地區范各莊礦井為例，對其井田區域進行了地質和水文方面的概述。從奧灰巖溶空洞形成時期、上覆圍巖坍塌過程和巖溶陷落柱形成時間三個方面對范各莊礦巖溶陷落柱進行了系統性分析，對進一步均衡、可持續發展，以及對其他礦井具有重要的借鑒意義。

［1］ 尹尚先，吳文金，李永軍，等.華北煤田巖溶陷落柱及其突水研究［M］.北京：煤炭工業出版社，2008.

［2］ 楊高峰.馬蘭礦松散巖溶陷落柱特征及對生產危害性分析［J］.山西焦煤科技，2007，30（1）：26－28.

［3］ 尹萬才，施龍青，卜昌森.華北煤田巖溶陷落柱發育的幾何特征［J］.山東科技大學學報，2004，23（2）：23－25.

［4］ 劉滿才，張愛華.謝橋井田2＃巖溶陷落柱導水可能性分析［J］.安徽科技，2007，19（6）：42－43.

［5］ 張勝利.太原市南峪煤礦巖溶陷落柱導水問題探討［J］.煤，2006，15（3）：58－59.