范各莊井田巖溶陷落柱特征及成因機理研究

王義海

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司勘測分院，安徽 蚌埠233300）

1 概述

我國煤炭儲量豐富，但煤礦水文地質條件十分復雜，已探明的煤炭儲量中，受水害威脅的約占27%。隨著礦井的深入開采，礦井的地質、水文地質條件變的愈發復雜[1]。

煤系巖溶陷落柱被地質學家確認最早出現在20 世紀30年代末，小貫義男在河北井陘煤礦井下發現“圓形斷層”，1942 年松澤勛首次將其命名為“巖溶陷落柱”[2]，并首次提出了“長徑”和“短徑”的概念等。1990 年后研究內容及結構包括巖溶陷落柱的導水機理[3][4]、巖溶陷落柱的探測方法和突水巖溶陷落柱的治理、巖溶陷落柱形態特征[5][6][7]及巖溶陷落柱的形成機制[8][9][10]幾個方面。進入21 世紀，計算機和數值模擬方法亦得到廣泛應用[11]。AutoCAD 和ArcView 等 計 算 機輔助工具開始廣泛運用，尹尚先等[12]人開始用數值方法模擬巖溶陷落柱突水機理，分析了巖溶陷落柱空間分布形態和規律，并對巖溶陷落柱的形成時間做了較為全面的探究。

2 研究區地質背景

2.1 地層巖性

范各莊井田隸屬開平煤田，位于開平向斜南東翼。開平向斜是華北地臺上的一個小規模的古生代含煤斷陷盆地。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。研究區地層對巖溶陷落柱影響最大的為奧陶系可溶性灰巖。

2.2 地質構造

開平煤田在大地構造分區上屬IV 級構造單元，是由燕山旋回造成的蓋層構造-- 唐山、薊縣陷褶束(III 級構造單元)中的一個復式含煤向斜。位于中朝準地臺(I 級構造單元)之上，燕山沉降帶(II 級構造單元)內。

圖1 開平向斜南東翼及范各莊礦巖溶陷落柱發育規律圖

根據本井田所揭露的地質構造，可以將范各莊井田劃分為三個構造區，即井田北部巖溶陷落柱發育的塔坨向斜區，中部單斜構造區和南部的畢各莊向斜區。

巖溶陷落柱作為地質異常體，具有隱伏、孤立、隨機分布的特點，這一特點決定了常用的勘探技術手段均難以探明。

2.3 水文地質概況

在煤系地層中，與礦井直接溝通的含水層是5 煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層、5～12 煤層間砂巖裂隙承壓含水層和12～14 煤層間砂巖裂隙承壓含水層。奧陶系灰巖巖溶含水層則是通過導水斷裂和巖溶陷落柱成為礦井的直接突水水源。

3 巖溶陷落柱發育特征

3.1 分布特征

開灤礦區巖溶陷落柱分布情況見圖1。

在開灤礦區，目前只有位于開平向斜東部轉折端的唐家莊徐家樓區和開平向斜南東翼的范各莊礦井口區發現巖溶陷落柱。巖溶陷落柱呈NE-SW 向的帶狀分布，與NNE 向大斷裂構造相一致。

3.2 形態特征

范各莊井田巖溶陷落柱平面形狀主要為橢圓形。同一巖溶陷落柱形狀多呈上小下大的圓錐狀，塌陷角一般在60?～80?之間。受巖石物理力學性質及裂隙發育等因素影響，巖溶陷落柱的中心軸常有變化，同時受燕山期構造作用影響，巖溶陷落柱中心軸形態多呈歪斜狀。

3.3 水文地質特征

從已揭露的情況來看，各巖溶陷落柱充水和導水的情況不同，一般為3 種類型。

強充水型：柱內水力聯系好，直接導通奧灰高壓水。如范各莊礦的2#、9#及10#巖溶陷落柱。

邊緣充水型：柱內水力聯系一般，只是柱邊發育的次生裂隙充水，對奧灰水的導通性不好，如1#、3#、5#、6#、8#、12#巖溶陷落柱。

疏干型：邊緣裂隙水已被疏降，工程揭露時無水或有少量滴水。范各莊礦的4#、7#、11#巖溶陷落柱均屬于這種類型。

4 巖溶陷落柱發育的控制因素

4.1 物質基礎

奧灰巖溶陷落柱是碳酸鹽巖分布區巖溶發育引起的地質現象，所以巖溶陷落柱形成的物質基礎是奧灰巖溶的發育。

寒武紀和奧陶紀的地殼運動主要發生在海盆內部，海進海退交替頻繁，陸源區則相對穩定，而且隨著時間的推移，抬升速度降低，剝蝕作用削弱，分化分異作用逐漸成熟，陸源物質供給量逐漸減少。寒武紀主要形成了紅色單陸屑建造；奧陶紀主要形成了白云巖型蒸發巖建造、膏鹽型蒸發巖建造和異地碳酸鹽建造。各沉積建造多成席狀展布，連續沉積，地層穩定，區內此期沉積厚度最大約1500m，屬海相建造型。

4.2 地下水控制

為研究礦區地下水對灰巖溶蝕的影響，采用室內試驗的方法模擬其溶蝕過程。為了逼近實際條件和環境，溶蝕實驗過程在封閉容器內選擇靜水條件下進行。而由于當時地下水所承受的壓力未知，故實驗模擬多個氣壓下巖石的溶解性。本次實驗采用的方法是測量溶液中各離子濃度的大小來表示灰巖的溶速率。首先向杯內加入250 mL 蒸餾水，然后把巖樣立放于杯內，置入封閉容器中，抽真空至0.5 個大氣壓，注入CO2氣體，使容器內氣壓恢復至四個不同值，即可開始試驗。實驗結果如表1所示。

結合參考資料及其他實驗結果表明，不同的碳酸鹽巖組分及結構類型對碳酸鹽巖的溶速率有很大影響：整體來看，溶速率呈現的關系為白云質灰巖> 灰巖> 灰質白云巖> 白云巖。通過野外觀測可以發現，研究區內上馬家溝組碳酸鹽巖主要為灰巖，而下馬家溝組則多為灰質白云巖，其溶解性較好。

表1 灰巖在不同壓力下與水和CO2 的反應情況

4.3 構造控制

4.3.1 構造對地下水的控制

地下水的徑流和排泄是受地質構造條件控制的，特別是受斷裂構造發育條件所制約。斷裂構造，特別是張性斷裂構造是堅硬巖石的水流通道。開平向斜南東翼的邊幕狀近東西向的小型背向斜，受到了近南北向的大斷裂所切割。由于區域地層巖性組合的關系，在上部煤系地層為塑性形變的向斜褶曲部位，在下部煤系基底的奧灰巖中則往往由于脆性巖石形變而發育張性斷裂構造。與近南北向大斷裂構造形成斷裂構造網，為奧灰水的徑流和排泄創造了條件。

4.3.2 構造對地應力的控制

當奧灰巖溶位于向斜軸部時，從地應力的角度分析，上覆巖層上部受壓，下部奧灰巖受拉，導致上部巖層塑性形變，巖石內部致密；下部奧灰巖受拉，發生脆性變形而發育張性的高角度節理，形成倒楔形結構，受到向下的地應力及自身重力作用；同時由于上覆巖層的致密性，隨著溶洞體積的擴大，原奧灰巖溶空洞內形成真空腔，為真空吸蝕作用創造了條件，在多重作用力的影響下，溶洞上覆巖層極易于坍塌垮落。

5 成因機理

5.1 范各莊井田奧灰巖溶空洞形成期

通過前文分析，影響巖溶形成的主要地層為上馬家溝組中統、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。

受加里東運動的影響，范各莊井田所處華北地臺上升成為陸地，礦區缺失早奧陶世沉積，歷經志留紀、泥盆紀及早石炭紀，由于風化剝蝕作用，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，高度發育風化裂隙，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。

5.2 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。

5.2.1 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。首先，地下水以自身滲流和水巖反應影響地應力的改變，其次地下水通過物理及化學溶蝕帶走已垮落的陷落物。

5.2.2 真空吸蝕導致上覆巖層坍塌

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，形成巖溶空洞及陷落柱[13]。

6 結論

陷落柱的形成是多種地質條件綜合作用的結果，其在分布發育上與諸多地質因素存在內在的聯系，需綜合分析其沉積特征、地下水特征、地質構造特征等因素，并綜合分析構造演化過程對其形成、發育的影響，方可揭示不同尺度構造對巖溶陷落柱形成的控制作用。