岩溶陷落柱的形成条件——以范各庄矿为例

曹阳勃

(西北大学地质学系/国家大陆动力学重点实验室，陕西 西安 710069)



岩溶陷落柱的形成条件
——以范各庄矿为例

曹阳勃

(西北大学地质学系/国家大陆动力学重点实验室，陕西 西安 710069)

岩溶陷落柱是华北石炭二叠煤系中发育的一种特殊地质构造，以其隐蔽性和突发性对煤矿安全生产造成严重威胁。长期以来，开滦范各庄矿深受陷落柱水害威胁，其中1984年范各庄煤矿陷落柱出水淹井造成重大经济损失和人员伤亡。通过范各庄矿井地质资料、水文地质类型划分报告，以及对已发现的陷落柱资料进行分析，在前人理论基础上对范各庄矿陷落柱形成条件总结，认为该区在总体走向为北东向的开平复式向斜构造背景控制下，在奥灰岩溶发育，地下水不断交替，岩体自重应力和真空负压动力及地质构造条件下形成陷落柱。

地质构造；奥陶灰岩；地下水；岩溶陷落柱

我国拥有极其丰富的煤炭资源，随着现代煤矿生产不断向更深处发掘，越来越多的岩溶陷落柱被探测出与发掘。岩溶陷落柱是一种特殊类型的岩溶塌陷，是一种隐伏垂向构造，在我国华北石炭二叠纪煤系地层中极其发育。这种隐伏岩溶塌陷不仅使煤层在所影响到的范围内失去开采价值，减少煤炭可采储量，缩短了矿井服务年限，并且对井下大巷与开采布置和施工、采煤方式和采掘机械的选择增加了困难，更为严重的是它容易沟通含水层，把奥陶系灰岩水引入矿井，威胁到矿井的安全生产，其中1984年开滦范各庄煤矿陷落柱出水淹井造成重大的人员伤亡及经济损失。因此，深入研究陷落柱的形成条件，弄清陷落柱与断裂构造之间的内在联系，总结探讨陷落柱的形成原因、条件对于在矿井生产中进行早期的预测预报，及时采取有效的防治措施，确保矿井的安全生产，是十分必要的。

1　岩溶陷落柱的形成条件

目前采矿界、地质界的学者对岩溶陷落柱成因的研究十分重视，对其形成机理主要有4种基本观点：膏溶塌陷说、重力塌陷说、循环塌陷说以及真空吸蚀塌陷说[1]。从陷落柱的特分布规律和特征以及形成条件所需的特定岩溶地质水文地质条件角度可以看出：岩溶陷落柱是在下伏岩溶洞穴形成和发育的过程中，上覆岩层不断冒落、塌陷而形成的，而且形成的过程所受多种因素条件影响。

1.1以奥灰中岩溶发育程度作为前提

溶洞是陷落柱形成初期所塌陷的岩体保存的空间，如果没有极其发育的灰岩层溶洞或者有大裂缝的存在，溶洞上部的陷落物就无法形成，也就不会最终发育和形成陷落柱。一般，岩溶越是发育，越有利于形成陷落柱。

早中奥陶世，广阔的华北地区为浅海相沉积地区。华北大陆沉积环境相对稳定，沉积了相当厚度灰岩、白云岩，从而为溶洞的形成奠定了物质基础。

范各庄矿下伏的奥陶纪灰岩岩性具有华北型煤田的典型特征，其灰岩具有厚度大、分布广、而且在整个层位发育稳定的特点，中部和上部的硫酸盐岩与灰岩互层发育，由于硫酸盐岩在区内广泛发育而且是种特殊的易溶物质，这就为后面的岩溶形成提供了可靠的物质基础。

范各庄矿奥陶纪灰岩在井田外部发育的隐伏露头直接与第四系冲击层接触；位于井田西部和南部的灰岩埋藏相对较深；在井田东部和北部埋藏较浅。构造裂缝和岩溶在整个井田的奥陶系灰岩中普遍发育，但其发育程度在不同的区域还是存在很大的差异。

1.2不断交替运动的地下水为水动力因素

地下水径流条件，影响与约束着奥陶系石灰岩风化壳岩体岩溶发育带中溶洞的溶蚀程度与发育规模，影响和约束着岩溶陷落柱的形成、形态与最终发育特征，控制着岩溶陷落柱的导水能力的大小和岩溶陷落柱空间展布特征，是岩溶陷落柱最终的形成和发育不可或缺的水动力因素[2]。

根据以往所发现的陷落柱分布规律来看，华北石炭二叠纪煤田岩溶陷落柱受地下水径流条件的强烈控制，几乎所有的岩溶陷落柱都是分布在地下水径流带上，而且所有发生突水的岩溶陷落柱都是分布在地下水强径流带上，只是这些岩溶陷落柱有的分布在古代某个地质历史时期的地下水强径流带上，而有的是则是分布在现代的地下水强径流带上。

在范各庄矿井，煤系地层奥灰含水层、冲积层含水层、砂岩裂隙承压含水层为主要含水层，各含水层含水量丰富，并且各含水层之间水力联系紧密，加之地下水排泄通畅，水流快速流动，对溶洞内的岩石岩体进行破坏与搬运，这些条件对于陷落柱的形成都是极其有利的(图1所示)。奥灰岩在不同区域的含水情况也是不一样的，井田北部得钻孔探测情况显示涌水量和渗透能力都是很高的，分别可达6.593 L/s·m和31.87 m·d，而井田南部钻孔数据显示却异常低；含水层水位也受季节变化影响，年变化范围在2 m左右。奥灰水水质类型为HCO3-CaMg型，属软水。14煤层底板由砂岩和唐山灰岩组成，厚度为40 m，该层有大量的节理与裂隙发育，在北部唐山灰岩中发现有溶洞存在。该含水层在隐伏露头区接受冲积层含水层渗透补给，在井田北部接受下伏奥灰含水层越流补给。

图1　范各庄矿井北1水文剖面图

1.3真空负压和重力作用为主要动力

溶洞的形成是陷落柱发育的基础条件，而并不是在自然界中存在的所有溶洞最终都会发展形成陷落柱，陷落柱的形成也需要各种动力条件。目前被人们所公认的动力因素也有好几种，其中华北型煤田陷落柱形成的主要动力是溶洞内密闭的真空负压及自然界广泛存在的重力作用。

虽然目前对于溶洞塌陷的原因和过程，很多学者的意见还不统一。但多数人认为是由于重力作用导致岩溶洞穴上覆岩层的平衡状态和稳定性遭到破坏，从而使溶洞顶部或者洞壁上的岩体在自身重力的作用下发生破裂而冒落。也有一部分人认为，由于地下水位大幅度下降，开始形成的封闭性溶洞上覆岩体与溶洞中水体之间形成一个近似真空状态的无水空腔，形成的负压效应对上覆岩层具有强大的吸引能力，最终上覆岩体中出现结构性的裂缝知识其坍塌，这就是所谓真空吸蚀塌陷的观点[3]。

应该指出，引起塌陷的因素是多方面的，其中必有一种因素或一种效应起主导作用。导致范各庄煤矿煤田陷落柱塌陷的主导作用是重力作用和溶洞内形成的真空负压。

1.4地质构造作为主导性控制因素

地质构造始终控制着奥灰顶部古风化剥蚀岩溶发育带的深度，即控制岩溶陷落柱形成的地质构造背景[4]。地质构造控制着岩溶的发育程度，从而控制了岩溶陷落柱的形成；地质构造的活动会对上覆煤系地层的稳定性造成影响，破坏煤系地层使其塌陷；地质构造控制着地下水的流动方向以及地下水径流的强度大小，从而制约着岩溶陷落柱的形成；地质构造对岩溶陷落柱的空间分布进行直接改造。

范各庄煤矿的主体构造是位于塔坨向斜区域的塔坨向斜，由于北部受东西构造带的影响，开平向斜轴在古冶发生偏转产生次一级构造，向斜轴面向北发生倾斜，在井田南部受到塔坨向斜影响，发育了井口向斜和北二向斜。

根据钻孔资料显示，塔坨向斜区的奥灰岩溶发育，而背斜区和单斜地区则不甚发育。由于不同地质构造部位奥陶灰岩的发育程度也是不一样的，这就导致陷落柱的长轴指向多个方向。在范各庄矿井，长轴指向有北西、北及北东向，这些特征与陷落柱的空间分布位置所需要的构造组合有非常紧密的联系，可以看出断层与褶皱交汇处形成的陷落柱与矿井所发现的陷落柱的总体指向还有较大的差异。

区内的断裂构造集中发育在向斜和背斜的轴部，这与塔坨向斜的发育过程有关。从揭露的断裂构造来看，主要发育4组断裂构造，其中以北西和北东向两组断层最为发育，多数为正断层。区内东西向的断层和褶皱轴部被近南北向的断层所切割，在整个区内形成多个断裂构造网，这就为奥灰水的流通与排泄以及岩溶的发育创造了条件。

在整个开滦矿区，除了在范各庄矿区内发现大量的陷落柱，其他矿区只有零星的陷落柱出现，这与整个大的地质区域构造背景有关。受燕山晚期北西和南东向的拉张应力作用，位于开平向斜东南部的范各庄矿受到剧烈拉张，地层发生了强烈的变形，从而为陷落柱的形成创造了条件。

2　陷落柱分布规律

研究区所揭露的14处陷落柱分布具有以下规律：

目前在范各庄矿已经揭露出14处陷落柱，它们的分布具有以下规律：

(1)分布不均匀。在已经揭露出的14处陷落柱主要集中发育在塔坨向斜区，而且都在井口向斜附近。

(2)密集成群性[5]。在矿区内发现的陷落柱中，没有单个陷落柱发育，它们都是成群集中出现。

(3)在已经揭露的陷落柱主要成北西、北东和北向三个方向带状分布，说明地下水强径流带受到构造运动的控制，表现为北西、北东和北向三个方向的裂缝控制。

(4)陷落柱的形成与发育严格受到地质构造的控制，即受到强应力作用的区域更加容易形成陷落柱。在其他条件相同的情况下，构造活动越是强烈就更加容易形成陷落柱。

(5)从分布空间来看，几乎所有的岩溶陷落柱都是分布在现代或是古代某个地质历史时期的地下水强径流带上，说明岩溶陷落柱的形成受地下水强径流带的控制。

3　结语

纵观整个区域，陷落柱的分布与其形成条件密切相关，尤其在构造发育带和地下水径流流通条件非常好的地区，陷落柱出现的可能性极大，所有这些也为矿井安全生产提供重要参考价值，在向斜褶皱转折端和断层出现的地方要严格遵循《煤矿安全规程》和《矿井防治水规定》，必须做到“预测预报、有疑必探、先探后掘、先探后采”的防治水原则，保证矿井的安全生产。

[1]吕飞飞，吴德鑫，王雅敬.华北煤矿区岩溶陷落柱发育分布规律与成因探讨[J].企业技术开发.2011，30(15):67-68.

[2]侯中帅，孙成才，庞博文.华北地区岩溶陷落柱形成原因与预测[J].科技向导.2011，(17):53.

[3]苏昶，韩朴.浅析“真空吸蚀致塌”理论的缺陷[J].西山科技.1997，(3):5-7.

[4]蔡图，朱炎铭，钟和清.开滦范各庄煤矿陷落柱发育特征分析[J].矿业安全与环保.2011，38(4):61-63.

[5]司淑平，马建民，胡德西．煤系地层陷落柱成因机理与分布规律研究[J].断块油气田.2001，8(2):15-18．

Formation Conditions of Paleo-sinkholes——Take the Mine of Fangezhuang for an Example

CAO Yang-bo

(State Key Laboratory of Continental Dynamics ,Department of Geology ,Northwest University ,Xi’an 710069,Shaanxi)

Paleo-sinkholes is a special geological structure in north of China in period of Carboniferous and Permian,its hidden and unexpected characteristics was seriously threaten to the coal mine production safety.For a long time,the mine of Fangezhuang threatened by the collapse columns water,Fangezhuang flooded coal mine collapse column out well cause significant economic losses and casualties in 1984 among these cases.That Fangezhuang mine geological data,hydrogeological report by type,as well as information on Paleo-sinkholes has been found,concluding theoretical Fangezhuang mine collapse in eastern pillar formation conditions on the basis of previous summary,think that under control the overall trend for the area north-east of Kaiping syncline duplex structure,in Ordovician limestone karst groundwater constantly alternating rock gravity stress and under vacuum conditions to form dynamic and tectonic Paleo-sinkholes.

Regional structure；ordovician limestone；groundwater and Paleo-sinkholes

2016-03-14

曹阳勃(1991-)，男，陕西宝鸡人，在读硕士研究生，主攻方向：石油与天然气工程。

P641.25

B

1004-1184(2016)05-0171-02