余吾井田南五采區陷落柱成因分析

韓瑞達

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 地質勘查大隊,山西 長治 046204)

長期以來,煤炭都是我國能源結構的主體,并在未來相當長一段時間內仍將處于重要地位[1-4]。煤礦開采的安全問題一直是大家關注的重點。陷落柱不僅會造成煤層缺失,而且會導通地下水和巖溶水,是煤礦開采的重大安全隱患[5-6]。巖溶陷落柱是中國華北地區特有的巖溶地質現象,據2005年統計,華北陷落柱已超過3 650個[7],據2010年統計,僅山西省內陷落柱就揭露了3 571個[8]。因此,研究井田內陷落柱的發育過程及形成原因意義重大。

1 地質概況

余吾井田地處山西省長治市屯留縣及襄垣縣境內,潞安礦區西部。南五采區位于井田西南部,主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組,含煤地層平均厚度為167.84 m,含煤1—16層,自上而下依次編號為:1、2、3、5、6、7、8-1、8-2、9上、9、11、12、12-1、12-2、13、14、15-1、15-2、15-3號煤層,單孔煤層平均厚度為12.50 m,含煤系數為7.45%。可采煤層為3、15-3號煤層。采區構造總體以NNE、SN向寬緩褶曲為主,斷距大于20 m的斷層2條,小于20 m的斷層20條,逆斷層走向近SN,正斷層走向NE(圖1)。

圖1 南五采區構造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Southern 5th mining area

2 南五采區陷落柱特征

南五采區內目前發現陷落柱共42個,主要分布在褶皺軸部附近,其中鉆探發現3個,三維地震解釋39個。其中控制可靠陷落柱為15個,控制較可靠陷落柱為11個,控制程度較差陷落柱16個。平面上陷落柱形狀為圓形、橢圓形和不規則形三種形態(圖2),長軸長度范圍40 m～339 m,短軸長度范圍10 m～190 m,陷落柱長軸走向以NW和SN為主,NE向次之(圖3)。

3 構造演化背景

區內自奧陶紀灰巖沉積以來,經歷了加里東期、印支期、燕山期以及喜馬拉雅期四次影響深遠的構造運動[9],形成了現今的構造組合形式。加里東運動近S-N向擠壓,使整個華北地塊處于隆升狀態,中石炭統地層假整合于中奧陶統地層;三疊中后期的印支運動,使區內遭受S-N向擠壓應力控制,主要剝蝕了三疊系中上統地層;受太平洋板塊向亞洲大陸的俯沖作用,侏羅紀末期的燕山運動主要表現為近NWW-SEE向擠壓,并在區內形成一系列近NE-SW、S-N向的褶皺,在區域上并伴隨有巖漿活動;中新世的喜山期運動,受印度板塊與亞歐板塊的匯聚,山西地區發生應力反轉,形成NNW-SSE向的張應力。

圖2 南五采區陷落柱平面圖Fig.2 Collapse columns plan in Southern 5th mining area

圖3 陷落柱長軸走向玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of major axis direction of collapse columns

4 成因分析

陷落柱的形成通常是一個復雜的過程,在構造活動復雜以及地下水發育的地方容易形成陷落柱。余吾井田位于華北構造復雜區,在多期構造活動改造下,區內奧陶灰巖受改造作用顯著。區域上,構造活動存在兩次強烈的抬升以及兩次構造應力反轉。第一期抬升為加里東晚期,導致整個華北地區處于隆升過程,使奧陶紀灰巖長期暴露于地表,遭受風化剝蝕且隆升過程使奧陶灰巖發生破碎,這一期抬升過程并未形成規模的巖溶洞穴,僅是形成溶洞雛形;第二期抬升是燕山運動中期,這一期構造運動在整個山西地塊伴隨有巖漿活動,導致地下水溫度升高,使地下水溶蝕沖刷能力增強,前期形成的溶洞雛形在這一時期進一步發展擴大,為后期陷落柱發育以及上覆巖層坍塌奠定了基礎。兩期應力反轉進一步加強了陷落柱的發展,第一期反轉是燕山早期,構造應力由近E-W向擠壓轉變為NE-SW向拉張,導致巖石進一步破碎,裂隙發育程度增強,增強了地下水溝通能力,并使前期形成的一定規模的陷落柱上覆地層發生坍塌,但陷落柱在這一時期并未發育完整;第二期應力反轉是在喜山期,區域應力由NW-SE向擠壓轉換為NNW-SSE拉張應力,這一期反轉增強了前期因應力反轉形成的陷落柱規模,巖體進一步破碎,這一時期山西境內的汾河和桑干河也已發育完成,加強了對灰巖溶洞的溶蝕作用,這一時期也是區域上陷落柱大規模形成的主要時期。

因此,余吾井田南五采區陷落柱成因與區域上陷落柱一致,主要經歷了四個時期的發展,分別是加里東晚期擠壓抬升溶蝕,燕山早期構造反轉、巖體破碎、溶蝕作用增強,燕山晚期擠壓并伴隨巖漿活動、地下水溶蝕作用增強,以及喜山期構造反轉、陷落柱大量發育。

5 結論

1)南五采區內陷落柱平面特征為圓形、橢圓形和不規則形,陷落柱長軸走向以NW和SN為主,NE向次之。

2)加里東運動、印支運動、燕山運動以及喜馬拉雅運動四次構造運動對區域上陷落柱的形成影響深遠。

3)余吾井田南五采區陷落柱成因與區域上一致,經歷了加里東期抬升溶蝕、燕山早期反轉擴展、燕山晚期地下水溶蝕增強以及喜山期反轉大量形成四個階段。