余吾井田南五采区陷落柱成因分析

2018-09-01韩瑞达

山西煤炭 2018年4期

韩瑞达

(山西潞安环保能源开发股份有限公司地质勘查大队,山西长治 046204)

长期以来,煤炭都是我国能源结构的主体,并在未来相当长一段时间内仍将处于重要地位[1-4]。煤矿开采的安全问题一直是大家关注的重点。陷落柱不仅会造成煤层缺失,而且会导通地下水和岩溶水,是煤矿开采的重大安全隐患[5-6]。岩溶陷落柱是中国华北地区特有的岩溶地质现象,据2005年统计,华北陷落柱已超过3 650个[7],据2010年统计,仅山西省内陷落柱就揭露了3 571个[8]。因此,研究井田内陷落柱的发育过程及形成原因意义重大。

1 地质概况

余吾井田地处山西省长治市屯留县及襄垣县境内,潞安矿区西部。南五采区位于井田西南部,主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组,含煤地层平均厚度为167.84 m,含煤1—16层,自上而下依次编号为: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号煤层,单孔煤层平均厚度为12.50 m,含煤系数为7.45%。可采煤层为3、15-3号煤层。采区构造总体以NNE、SN向宽缓褶曲为主,断距大于20 m的断层2条,小于20 m的断层20条,逆断层走向近SN,正断层走向NE(图1)。

图1 南五采区构造纲要图Fig.1 Structural outline map of Southern 5th mining area

2 南五采区陷落柱特征

南五采区内目前发现陷落柱共42个,主要分布在褶皱轴部附近,其中钻探发现3个,三维地震解释39个。其中控制可靠陷落柱为15个,控制较可靠陷落柱为11个,控制程度较差陷落柱16个。平面上陷落柱形状为圆形、椭圆形和不规则形三种形态(图2),长轴长度范围40 m～339 m,短轴长度范围10 m～190 m,陷落柱长轴走向以NW和SN为主,NE向次之(图3)。

3 构造演化背景

区内自奥陶纪灰岩沉积以来,经历了加里东期、印支期、燕山期以及喜马拉雅期四次影响深远的构造运动[9],形成了现今的构造组合形式。加里东运动近S-N向挤压,使整个华北地块处于隆升状态,中石炭统地层假整合于中奥陶统地层;三叠中后期的印支运动,使区内遭受S-N向挤压应力控制,主要剥蚀了三叠系中上统地层;受太平洋板块向亚洲大陆的俯冲作用,侏罗纪末期的燕山运动主要表现为近NWW-SEE向挤压,并在区内形成一系列近NE-SW、S-N向的褶皱,在区域上并伴随有岩浆活动;中新世的喜山期运动,受印度板块与亚欧板块的汇聚,山西地区发生应力反转,形成NNW-SSE向的张应力。

图2 南五采区陷落柱平面图Fig.2 Collapse columns plan in Southern 5th mining area

图3 陷落柱长轴走向玫瑰花图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个复杂的过程,在构造活动复杂以及地下水发育的地方容易形成陷落柱。余吾井田位于华北构造复杂区,在多期构造活动改造下,区内奥陶灰岩受改造作用显著。区域上,构造活动存在两次强烈的抬升以及两次构造应力反转。第一期抬升为加里东晚期,导致整个华北地区处于隆升过程,使奥陶纪灰岩长期暴露于地表,遭受风化剥蚀且隆升过程使奥陶灰岩发生破碎,这一期抬升过程并未形成规模的岩溶洞穴,仅是形成溶洞雏形;第二期抬升是燕山运动中期,这一期构造运动在整个山西地块伴随有岩浆活动,导致地下水温度升高,使地下水溶蚀冲刷能力增强,前期形成的溶洞雏形在这一时期进一步发展扩大,为后期陷落柱发育以及上覆岩层坍塌奠定了基础。两期应力反转进一步加强了陷落柱的发展,第一期反转是燕山早期,构造应力由近E-W向挤压转变为NE-SW向拉张,导致岩石进一步破碎,裂隙发育程度增强,增强了地下水沟通能力,并使前期形成的一定规模的陷落柱上覆地层发生坍塌,但陷落柱在这一时期并未发育完整;第二期应力反转是在喜山期,区域应力由NW-SE向挤压转换为NNW-SSE拉张应力,这一期反转增强了前期因应力反转形成的陷落柱规模,岩体进一步破碎,这一时期山西境内的汾河和桑干河也已发育完成,加强了对灰岩溶洞的溶蚀作用,这一时期也是区域上陷落柱大规模形成的主要时期。

因此,余吾井田南五采区陷落柱成因与区域上陷落柱一致,主要经历了四个时期的发展,分别是加里东晚期挤压抬升溶蚀,燕山早期构造反转、岩体破碎、溶蚀作用增强,燕山晚期挤压并伴随岩浆活动、地下水溶蚀作用增强,以及喜山期构造反转、陷落柱大量发育。