范各庄井田岩溶陷落柱特征及成因机理研究

王义海

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司勘测分院，安徽 蚌埠233300）

1 概述

我国煤炭储量丰富，但煤矿水文地质条件十分复杂，已探明的煤炭储量中，受水害威胁的约占27%。随着矿井的深入开采，矿井的地质、水文地质条件变的愈发复杂[1]。

煤系岩溶陷落柱被地质学家确认最早出现在20 世纪30年代末，小贯义男在河北井陉煤矿井下发现“圆形断层”，1942 年松泽勋首次将其命名为“岩溶陷落柱”[2]，并首次提出了“长径”和“短径”的概念等。1990 年后研究内容及结构包括岩溶陷落柱的导水机理[3][4]、岩溶陷落柱的探测方法和突水岩溶陷落柱的治理、岩溶陷落柱形态特征[5][6][7]及岩溶陷落柱的形成机制[8][9][10]几个方面。进入21 世纪，计算机和数值模拟方法亦得到广泛应用[11]。AutoCAD 和ArcView 等 计 算 机辅助工具开始广泛运用，尹尚先等[12]人开始用数值方法模拟岩溶陷落柱突水机理，分析了岩溶陷落柱空间分布形态和规律，并对岩溶陷落柱的形成时间做了较为全面的探究。

2 研究区地质背景

2.1 地层岩性

范各庄井田隶属开平煤田，位于开平向斜南东翼。开平向斜是华北地台上的一个小规模的古生代含煤断陷盆地。区域范围主要地层有：太古界(A)；上元古界震旦系(Z)；古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界第四系等地层。研究区地层对岩溶陷落柱影响最大的为奥陶系可溶性灰岩。

2.2 地质构造

开平煤田在大地构造分区上属IV 级构造单元，是由燕山旋回造成的盖层构造-- 唐山、蓟县陷褶束(III 级构造单元)中的一个复式含煤向斜。位于中朝准地台(I 级构造单元)之上，燕山沉降带(II 级构造单元)内。

图1 开平向斜南东翼及范各庄矿岩溶陷落柱发育规律图

根据本井田所揭露的地质构造，可以将范各庄井田划分为三个构造区，即井田北部岩溶陷落柱发育的塔坨向斜区，中部单斜构造区和南部的毕各庄向斜区。

岩溶陷落柱作为地质异常体，具有隐伏、孤立、随机分布的特点，这一特点决定了常用的勘探技术手段均难以探明。

2.3 水文地质概况

在煤系地层中，与矿井直接沟通的含水层是5 煤层顶板砂岩裂隙承压含水层、5～12 煤层间砂岩裂隙承压含水层和12～14 煤层间砂岩裂隙承压含水层。奥陶系灰岩岩溶含水层则是通过导水断裂和岩溶陷落柱成为矿井的直接突水水源。

3 岩溶陷落柱发育特征

3.1 分布特征

开滦矿区岩溶陷落柱分布情况见图1。

在开滦矿区，目前只有位于开平向斜东部转折端的唐家庄徐家楼区和开平向斜南东翼的范各庄矿井口区发现岩溶陷落柱。岩溶陷落柱呈NE-SW 向的带状分布，与NNE 向大断裂构造相一致。

3.2 形态特征

范各庄井田岩溶陷落柱平面形状主要为椭圆形。同一岩溶陷落柱形状多呈上小下大的圆锥状，塌陷角一般在60?～80?之间。受岩石物理力学性质及裂隙发育等因素影响，岩溶陷落柱的中心轴常有变化，同时受燕山期构造作用影响，岩溶陷落柱中心轴形态多呈歪斜状。

3.3 水文地质特征

从已揭露的情况来看，各岩溶陷落柱充水和导水的情况不同，一般为3 种类型。

强充水型：柱内水力联系好，直接导通奥灰高压水。如范各庄矿的2#、9#及10#岩溶陷落柱。

边缘充水型：柱内水力联系一般，只是柱边发育的次生裂隙充水，对奥灰水的导通性不好，如1#、3#、5#、6#、8#、12#岩溶陷落柱。

疏干型：边缘裂隙水已被疏降，工程揭露时无水或有少量滴水。范各庄矿的4#、7#、11#岩溶陷落柱均属于这种类型。

4 岩溶陷落柱发育的控制因素

4.1 物质基础

奥灰岩溶陷落柱是碳酸盐岩分布区岩溶发育引起的地质现象，所以岩溶陷落柱形成的物质基础是奥灰岩溶的发育。

寒武纪和奥陶纪的地壳运动主要发生在海盆内部，海进海退交替频繁，陆源区则相对稳定，而且随着时间的推移，抬升速度降低，剥蚀作用削弱，分化分异作用逐渐成熟，陆源物质供给量逐渐减少。寒武纪主要形成了红色单陆屑建造；奥陶纪主要形成了白云岩型蒸发岩建造、膏盐型蒸发岩建造和异地碳酸盐建造。各沉积建造多成席状展布，连续沉积，地层稳定，区内此期沉积厚度最大约1500m，属海相建造型。

4.2 地下水控制

为研究矿区地下水对灰岩溶蚀的影响，采用室内试验的方法模拟其溶蚀过程。为了逼近实际条件和环境，溶蚀实验过程在封闭容器内选择静水条件下进行。而由于当时地下水所承受的压力未知，故实验模拟多个气压下岩石的溶解性。本次实验采用的方法是测量溶液中各离子浓度的大小来表示灰岩的溶速率。首先向杯内加入250 mL 蒸馏水，然后把岩样立放于杯内，置入封闭容器中，抽真空至0.5 个大气压，注入CO2气体，使容器内气压恢复至四个不同值，即可开始试验。实验结果如表1所示。

结合参考资料及其他实验结果表明，不同的碳酸盐岩组分及结构类型对碳酸盐岩的溶速率有很大影响：整体来看，溶速率呈现的关系为白云质灰岩> 灰岩> 灰质白云岩> 白云岩。通过野外观测可以发现，研究区内上马家沟组碳酸盐岩主要为灰岩，而下马家沟组则多为灰质白云岩，其溶解性较好。

表1 灰岩在不同压力下与水和CO2 的反应情况

4.3 构造控制

4.3.1 构造对地下水的控制

地下水的径流和排泄是受地质构造条件控制的，特别是受断裂构造发育条件所制约。断裂构造，特别是张性断裂构造是坚硬岩石的水流通道。开平向斜南东翼的边幕状近东西向的小型背向斜，受到了近南北向的大断裂所切割。由于区域地层岩性组合的关系，在上部煤系地层为塑性形变的向斜褶曲部位，在下部煤系基底的奥灰岩中则往往由于脆性岩石形变而发育张性断裂构造。与近南北向大断裂构造形成断裂构造网，为奥灰水的径流和排泄创造了条件。

4.3.2 构造对地应力的控制

当奥灰岩溶位于向斜轴部时，从地应力的角度分析，上覆岩层上部受压，下部奥灰岩受拉，导致上部岩层塑性形变，岩石内部致密；下部奥灰岩受拉，发生脆性变形而发育张性的高角度节理，形成倒楔形结构，受到向下的地应力及自身重力作用；同时由于上覆岩层的致密性，随着溶洞体积的扩大，原奥灰岩溶空洞内形成真空腔，为真空吸蚀作用创造了条件，在多重作用力的影响下，溶洞上覆岩层极易于坍塌垮落。

5 成因机理

5.1 范各庄井田奥灰岩溶空洞形成期

通过前文分析，影响岩溶形成的主要地层为上马家沟组中统、下马家沟组中统亮甲山组下统及冶里组下统的厚层灰岩及白云岩。

受加里东运动的影响，范各庄井田所处华北地台上升成为陆地，矿区缺失早奥陶世沉积，历经志留纪、泥盆纪及早石炭纪，由于风化剥蚀作用，使得奥陶系灰岩厚度减薄，与上覆地层呈不整合接触。在接受风化剥蚀作用长达1.5 亿年的历史时期内，奥陶系顶部的碳酸盐岩长期裸露于地表，高度发育风化裂隙，在大气淡水长期的淋蚀作用下奥灰顶部形成了大小不均的岩溶洞穴，奥灰顶部凹凸不平，这些岩溶发育带为后期形成岩溶陷落柱的原始坍塌空间提供了基本条件。

5.2 上覆围岩坍塌过程

岩溶陷落柱的形成是在奥灰岩溶空洞形成的基础上，上覆围岩不断的坍塌溶蚀形成的地质现象。在围岩坍塌的过程中，主要受地下水溶蚀、构造作用和真空吸蚀力等因素影响。

5.2.1 地下水对上覆围岩失稳的影响

地下水对岩溶陷落柱的形成主要有两种促进方式。首先，地下水以自身渗流和水岩反应影响地应力的改变，其次地下水通过物理及化学溶蚀带走已垮落的陷落物。

5.2.2 真空吸蚀导致上覆岩层坍塌

煤系地层形成时，地壳处于下沉期，在形成褶皱，尤其是向斜构造的情况下，上部煤系地层因柔性受压塑性形变使奥灰岩上覆煤系地层致密屏蔽，下部奥灰岩受拉破碎，下部奥灰岩溶空洞腔内形成真空。随着溶洞附近的围岩被地下水逐渐冲蚀，以及地下水的变动，岩溶溶洞腔内有压水面转为无压，水面以上空间出现低气压或真空负压。随着溶洞的不断溶蚀扩大或地下水水位的突降，都会导致真空吸蚀力的增加，对上覆岩层内部结构产生强烈而迅速的破坏作用，形成岩溶空洞及陷落柱[13]。

6 结论

陷落柱的形成是多种地质条件综合作用的结果，其在分布发育上与诸多地质因素存在内在的联系，需综合分析其沉积特征、地下水特征、地质构造特征等因素，并综合分析构造演化过程对其形成、发育的影响，方可揭示不同尺度构造对岩溶陷落柱形成的控制作用。