以和順礦區(qū)陷落柱為例研究陷落柱形成機(jī)理

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以和順礦區(qū)陷落柱為例研究陷落柱形成機(jī)理

程建，陳業(yè)斗，張振華，邵玉寶

(山東泰山地質(zhì)勘查公司,山東泰安271000)

摘要探討了和順礦區(qū)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(huì)發(fā)生塑性形變，這些形變對(duì)下覆的奧陶紀(jì)峰峰組灰?guī)r形成致密的屏蔽，為和順礦區(qū)陷落柱形成的“真空吸蝕”創(chuàng)造了條件。多期構(gòu)造應(yīng)力的作用，使巖層中構(gòu)造裂隙發(fā)育，下部奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r受拉張，由于灰?guī)r本身的脆性，使得灰?guī)r面發(fā)生張性的裂性構(gòu)造，從而有利于巖溶的發(fā)育。地下水則不斷對(duì)奧陶灰?guī)r和上覆塌落的巖石進(jìn)行溶蝕、機(jī)械搬運(yùn)，使巖溶洞進(jìn)一步擴(kuò)大，處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)的上覆巖層再次失去平衡而繼續(xù)塌落，此種作用迅速而間歇地重復(fù)進(jìn)行，使陷落柱不斷向上發(fā)展。

關(guān)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(jiǎn)介：程建(1987—)，男，山東泰安人，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，助理工程師，主要從事礦產(chǎn)勘查工作

中圖分類號(hào)：TD163

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(huì)對(duì)井下安全產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。此外，由于陷落柱的存在需要設(shè)置保護(hù)煤柱，產(chǎn)生資源的浪費(fèi)。因?yàn)橄萋渲ǔ?huì)連接煤系下伏的奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層與上部煤系甚至地表，使得含水層和煤系地層聯(lián)通，發(fā)生水害的可能性大幅度增加，對(duì)于井下安全有致命的影響。陷落柱的存在會(huì)對(duì)煤層的連續(xù)性產(chǎn)生破壞性的影響，使生產(chǎn)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(duì)于防治陷落柱的危害有著極其重要的影響。

1地質(zhì)概況

和順礦區(qū)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(qū)的華北地層，在區(qū)域構(gòu)造上面，位于壽陽-陽泉單斜帶的東南部，與榆社-武鄉(xiāng)構(gòu)造帶相靠近。

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

2構(gòu)造特征

和順礦區(qū)總體為一單斜構(gòu)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(qū)內(nèi)發(fā)育比較多的成規(guī)模的寬緩褶曲和次一級(jí)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(fā)育特征

根據(jù)以往的地質(zhì)勘查、補(bǔ)充勘查和井巷對(duì)井田的揭露成果，礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)陷落柱58個(gè)，其中，X1-1、XJ-3、X17、XJ-2、XG-1、XG-4為井下開拓所揭露。這58個(gè)陷落柱都破壞了第15#煤層，其中的37個(gè)陷落柱在破壞15#煤層的同時(shí)破壞了3#煤層，對(duì)主要陷落柱的描述見表1.

3.1陷落柱形態(tài)特征

在地形地質(zhì)圖面上，陷落柱呈現(xiàn)一種長(zhǎng)軸狀，不太規(guī)則，有比較少的陷落柱呈現(xiàn)橢圓狀，走向?yàn)镹WW、NNE，沒有太明顯規(guī)律。很多陷落柱的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度差別非常大，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度一般在20～215 m，短軸長(zhǎng)度一般在15～140 m. 而在剖面上，陷落柱

圖1　井田構(gòu)造綱要圖

陷落柱名稱長(zhǎng)軸長(zhǎng)度/m短軸長(zhǎng)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(duì)稱，有的也不對(duì)稱，沒有明顯對(duì)稱規(guī)律。陷落柱在剖面上的深度與其在地形地質(zhì)圖平面上的形狀大小成正比例關(guān)系，即陷落柱深度越大，它的影響層位就越靠上。根據(jù)各個(gè)陷落柱資料顯示，長(zhǎng)軸在地形地質(zhì)圖上超過100 m的，大都影響到3#煤層，深度一般能達(dá)到K3灰?guī)r，而長(zhǎng)軸在地形地質(zhì)圖上小于100 m者，一般也只會(huì)破壞15#煤層，個(gè)別能達(dá)到K2灰?guī)r。

3.2陷落柱分布規(guī)律

在和順礦區(qū)內(nèi)，地形地質(zhì)圖上陷落柱的分布雖然較為雜亂，但仍有一定規(guī)律可以進(jìn)行分析：1) 礦區(qū)的陷落柱以成群的方式出現(xiàn)，比如在礦區(qū)內(nèi)的西南部，補(bǔ)10孔與406孔之間，DF10斷層到補(bǔ)3孔一線，補(bǔ)7孔至312孔之間，412孔至406孔之間的區(qū)域內(nèi)，陷落柱以成群的方式出現(xiàn)。2) 礦區(qū)內(nèi)陷落柱與褶曲存在一定的關(guān)聯(lián)，上面提到的補(bǔ)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(duì)于下面進(jìn)行探討陷落柱成因有重要意義。

4陷落柱形成機(jī)理分析

根據(jù)陷落柱的性質(zhì)，和順礦區(qū)的陷落柱是一種巖溶陷落柱，而巖溶陷落柱發(fā)育必須具備4個(gè)關(guān)鍵的要素：1) 具備巖溶陷落柱發(fā)育的物質(zhì)條件，也就是有可溶性的巖層，例如奧灰?guī)r或者白云巖，這些巖層容易被地下水溶蝕產(chǎn)生溶洞，是陷落柱發(fā)育的重要基礎(chǔ)條件。2) 具備巖溶陷落柱發(fā)育的構(gòu)造條件。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，有些可溶性巖層發(fā)生斷裂和節(jié)理等脆性破裂構(gòu)造，使可溶性巖層裂隙發(fā)育，這些裂隙一方面給地下水的流動(dòng)創(chuàng)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)能為“真空吸蝕”作用的發(fā)生創(chuàng)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?guī)r接觸的時(shí)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(fā)育的主要力學(xué)條件。

和順礦區(qū)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(huì)發(fā)生塑性形變，這些形變對(duì)下覆的奧陶紀(jì)峰峰組灰?guī)r形成致密的屏蔽，為和順礦區(qū)陷落柱形成的“真空吸蝕”創(chuàng)造了條件。多期構(gòu)造應(yīng)力的作用，使巖層中構(gòu)造裂隙發(fā)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(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r受拉張，由于灰?guī)r本身的脆性，使得灰?guī)r面發(fā)生張性的裂性構(gòu)造，從而有利于巖溶的發(fā)育。而在多發(fā)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(chuàng)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(huán)，巖溶洞腔不斷發(fā)展擴(kuò)大，破壞了原本處于平衡的地應(yīng)力場(chǎng)，引起地應(yīng)力集中，應(yīng)力釋放使灰?guī)r發(fā)生形變，其中應(yīng)力場(chǎng)失去平衡的原因既有地應(yīng)力集中的作用，同時(shí)伴隨著灰?guī)r的強(qiáng)度降低。

圖2　和順礦區(qū)向斜軸部陷落柱成因分析示意圖

在各期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，地層會(huì)發(fā)生升降，與其同時(shí)會(huì)對(duì)地下水的流動(dòng)產(chǎn)生影響，尤其是和順礦區(qū)內(nèi)奧陶紀(jì)灰?guī)r層的地下水的潛水面會(huì)出現(xiàn)一定變化，使得原來充滿巖溶洞的潛水面會(huì)有一定降低，這樣就造成了巖溶洞內(nèi)出現(xiàn)真空情況。假設(shè)這個(gè)過程發(fā)生時(shí)間很快，也就是說潛水面下降劇烈，那么由于真空而產(chǎn)生的真空負(fù)壓就會(huì)在瞬間內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)大的破壞能量，對(duì)該巖層上覆的奧陶紀(jì)灰?guī)r內(nèi)部的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改造作用，包括液化、掏空和搬運(yùn)等。

和順礦區(qū)上覆地層中的含水層包括太原組的石灰?guī)r和二疊系砂巖、第四系以及石盒子組風(fēng)化帶含水層，奧陶紀(jì)灰?guī)r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(dòng)方向產(chǎn)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(chǎn)生垂直方向滲透壓力的急速的增加，使和順礦區(qū)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(tǒng)山西組(P1s)的軟弱巖層包括煤層這些關(guān)鍵層位因受重力作用、地應(yīng)力作用以及下覆奧灰的洞腔內(nèi)的真空負(fù)壓作用而逐漸下陷。一旦和順礦區(qū)內(nèi)這些上覆的關(guān)鍵層下陷，而在和順褶曲軸部的由于構(gòu)造擠壓而破碎的灰?guī)r等就不斷向下塌落，部分陷落的灰?guī)r碎屑被地下水帶走，又形成了空洞，則上述過程繼續(xù)向上發(fā)展，直到巖石破碎膨脹充填了整個(gè)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(shí)穩(wěn)定。

由于和順礦區(qū)的地質(zhì)和上覆地層水文地質(zhì)條件并沒有發(fā)生大的改變，地下水則不斷對(duì)奧陶灰?guī)r和上覆塌落的巖石進(jìn)行溶蝕、機(jī)械搬運(yùn)，使巖溶洞進(jìn)一步擴(kuò)大，處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)的上覆巖層再次失去平衡而繼續(xù)塌落，此種作用迅速而間歇地重復(fù)進(jìn)行，使陷落柱不斷向上發(fā)展。

5 結(jié)論

1) 礦區(qū)內(nèi)陷落柱與褶曲存在一定的關(guān)聯(lián)，上面提到的補(bǔ)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(qū)上部煤系含煤地層發(fā)生塑性形變，這些形變對(duì)下覆的奧陶紀(jì)峰峰組灰?guī)r形成致密的屏蔽，為和順礦區(qū)陷落柱形成的“真空吸蝕”創(chuàng)造了條件。下部奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)灰?guī)r受拉張，由于灰?guī)r本身的脆性，使得灰?guī)r面發(fā)生張性的裂性構(gòu)造，從而有利于巖溶的發(fā)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(chuàng)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(huán)，巖溶洞腔不斷發(fā)展擴(kuò)大，從而形成陷落柱。

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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