巖溶陷落柱分布規(guī)律研究

申瑞屏，史桃桃，李永軍

（1.山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200；2.北京華安奧特科技有限公司，北京 100085；3.華北科技學(xué)院，河北 燕郊 065201）

胡底礦位于沁水縣胡底鄉(xiāng)西北0.50km處，沁水坳陷南端。井田構(gòu)造線方向與區(qū)域構(gòu)造一致，地層總體走向?yàn)楸北睎|或近南北向，地層傾向北西，傾角一般小于10°。礦井區(qū)域內(nèi)主要出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組及石千峰組，第四系松散堆積物分布于河谷及部分山坡上。區(qū)內(nèi)發(fā)育一些寬緩的次級(jí)褶皺，褶皺是本井田的格架構(gòu)造，具體表現(xiàn)為蒲池背斜和石門上向斜。三維地震解譯結(jié)果顯示，井田內(nèi)分布X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8等8個(gè)陷落柱。

據(jù)胡底礦區(qū)域資料，本區(qū)奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度達(dá)271～806m，富水性好，且?guī)r溶陷落柱多分布在巖溶地下水集中徑流、排泄帶。在陷落柱發(fā)育地段，奧灰水有可能通過隱伏導(dǎo)水陷落柱突入礦井。巖溶陷落柱突水一般具有水量大、來勢(shì)兇猛的特點(diǎn)，常沖破煤壁，潰入巷道，淹沒礦井，造成災(zāi)害性的事故［1］，因此隱伏巖溶陷落柱的預(yù)測(cè)和陷落柱突水的防治對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。本文在探討胡底礦巖溶陷落柱成因機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析巖溶陷落柱的控制因素，從而總結(jié)出巖溶陷落柱的發(fā)育規(guī)律，為隱伏巖溶陷落柱的預(yù)測(cè)和陷落柱突水的預(yù)防提供幫助。

1 陷落柱形成及控制因素

巖溶陷落柱又稱為無炭柱?？扇苄詭r層在地下水強(qiáng)徑流作用下，經(jīng)過漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，被溶蝕形成空洞、孔隙或裂隙，隨著溶蝕作用加強(qiáng)，孔洞不斷增多、擴(kuò)大，最終受重力和構(gòu)造力影響，導(dǎo)致上部巖層失去支撐，垮塌陷落而形成巖溶陷落柱［2－3］。

胡底礦巖溶陷落柱的形成及控制因素主要包括以下三個(gè)條件：一是具有可溶巖（如奧陶系地層中的石灰?guī)r、白云巖）；二是具有導(dǎo)水構(gòu)造；三是具有活躍的水動(dòng)力條件。

1.1 可溶巖

胡底礦灰?guī)r地層主要分布在石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和奧陶系（O）、寒武系（∈）（表1）。據(jù)相關(guān)資料，胡底礦X3、X4陷落柱與正常地層相比落差達(dá)35.271～73.185m。太原組雖然夾有石灰?guī)r，但富水性為弱—中等，且地層厚度僅為0.60～6.76m，尚不足以形成落差較大的陷落柱。雖然本區(qū)域寒武系灰?guī)r厚度大，但華北地區(qū)寒武紀(jì)灰?guī)r大都在奧灰之下，發(fā)育巖溶陷落柱的可能性較奧灰要?。?］，且奧陶系石灰?guī)r與上部含煤地層相距很近（井檢4號(hào)鉆孔揭露奧灰頂界面距主采15號(hào)煤層底板僅為19.19m）。奧陶系灰?guī)r在井田外的東南部大面積出露，受水面積廣，大氣降水補(bǔ)給充分，使得奧陶系灰?guī)r富水性較好，巖溶作用強(qiáng)烈。因此，奧陶系灰?guī)r是形成胡底礦巖溶陷落柱的主要可溶巖層。

中奧陶統(tǒng)（峰峰組及馬家溝組）大量的可溶性的石灰?guī)r、白云巖存在。石灰?guī)r的主要成分是CaCO3，白云巖的主要成分是CaMg（CO3）2。在一定的環(huán)境中，CaCO3、CaMg（CO3）2被 CO2溶解，其化學(xué)式［4－5］如下：

在水動(dòng)力作用下，溶于水的 Ca2＋、Mg2＋、HCO3－被帶走，石灰?guī)r、白云巖被逐漸溶解而形成溶洞。巖石不斷被溶蝕，使灰?guī)r下部空隙發(fā)育。當(dāng)發(fā)育到一定程度時(shí)，受地殼運(yùn)動(dòng)及上覆巖層的重力影響，導(dǎo)致上部巖層垮塌而形成陷落柱。

表1 灰?guī)r地層簡(jiǎn)表Table 1 The simplified statement of limestone strata

1.2 構(gòu)造

中奧陶世以后的加里東運(yùn)動(dòng)，使華北上升為陸地，海水又撤出本礦區(qū)。歷經(jīng)志留、泥盆紀(jì)及早期中石炭世。在長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕下，形成準(zhǔn)平原化巖溶地貌［2］。印支—燕山運(yùn)動(dòng)，地殼活動(dòng)強(qiáng)烈，沁水盆地整體上升，遭受剝蝕，胡底礦缺失侏羅系和白堊系地層沉積。強(qiáng)烈的地殼活動(dòng)，使灰?guī)r多沿張性破裂面發(fā)育，加速了地下水循環(huán)，更有利于陷落柱的形成［6］。喜馬拉雅時(shí)期，在拉張應(yīng)力場(chǎng)背景下，胡底礦形成了近SN向的蒲池背斜和石門上向斜以及NW、SN向的斷層。

由于井田內(nèi)斷層及褶皺破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，加強(qiáng)了地下水的循環(huán)交替［7－8］。并使具有溶蝕能力的水與可溶巖石的接觸不斷擴(kuò)大，加快了可溶巖的溶蝕，反過來也促使斷層附近和褶曲軸部的構(gòu)造裂隙更加發(fā)育。隨著地下水不斷循環(huán)→裂隙逐步擴(kuò)大→水流通道加寬→水流速加大→溶蝕不斷擴(kuò)大→巖溶洞穴形成→上覆巖層垮塌陷落→陷落柱形成。因此斷層及褶皺為陷落柱的形成創(chuàng)造了有利條件。

1.3 水動(dòng)力條件

胡底礦地表主要出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組及石千峰組，第四系松散堆積物分布于河谷及部分山坡上。這些出露地表的二疊系砂巖裂隙含水層、松散巖類孔隙含水層在接受大氣降水的補(bǔ)給后，沿地層孔隙和地質(zhì)構(gòu)造破碎帶補(bǔ)給地下巖溶水。同時(shí)在井田外東南部有大面積的奧陶系灰?guī)r出露，使得大氣降水通過出露的灰?guī)r補(bǔ)給地下巖溶水。巖溶水在接受補(bǔ)給后通過巖溶裂隙導(dǎo)水通道向南偏西徑流，形成水動(dòng)力條件。

2 陷落柱分布規(guī)律

2.1 集中分布在二疊系砂巖裸露區(qū)

胡底礦有8個(gè)陷落柱，全部分布在二疊系上統(tǒng)石千峰組一段（P2sh1）、上石盒子組三段地層砂巖（P2s3）裸露地層段。在本礦區(qū)，二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）為本區(qū)基巖出露的最高層位，廣為分布，石千峰組一段（P2sh1）厚58～65m，以厚—巨厚層狀砂巖為主，上石盒子組三段（P2s3）一般厚235m，巖性為灰黃—淺紅色泥巖夾砂巖或粉砂巖，砂巖為巖屑石英砂巖。二疊系上統(tǒng)石千峰組一段（P2sh1）、上石盒子組三段地層砂巖（P2s3）的巖性特征使其成為胡底礦二疊系砂巖裂隙含水巖組。巨厚的粗砂巖及中細(xì)粒砂巖含水層，直接接受大氣降水的補(bǔ)給。含水層段的裸露加快了地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給，此處地下水活動(dòng)更加活躍，為陷落柱發(fā)育提供了有利條件，使本區(qū)陷落柱全部集中分布在二疊系砂巖裸露區(qū)。

2.2 沿褶曲軸向呈帶狀分布

由圖1可以看到，地表沿浦池背斜東翼和石門上向斜西翼之間有二疊系上統(tǒng)石千峰組一段（P2sh1）、上石盒子組三段地層砂巖（P2s3），砂巖裂隙含水巖組呈條帶狀分布，巨厚的粗砂巖及中細(xì)粒砂巖含水層，直接接受大氣降水的補(bǔ)給，形成了地表水條帶狀的補(bǔ)給區(qū)域。且在此條帶狀補(bǔ)給區(qū)域斷層發(fā)育。斷裂互切，巖石破碎，裂隙發(fā)育，不但為降雨入滲、地表水滲漏提供條件，同時(shí)更有利于形成地下水徑流通道，加速了地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給。因此，沿浦池背斜東翼、石門上向斜的西翼帶狀分布區(qū)為陷落柱發(fā)育提供了更有利的條件。圖2也可以反映出沿浦池背斜東翼、石門上向斜的西翼帶狀分布區(qū)陷落柱發(fā)育比較密集。自北向南，X8、X7、X6、X5、X4、X1、X2陷落柱長(zhǎng)軸走向分別是NE、NE、近N、NW、NWW、NW、NW，陷落柱長(zhǎng)軸走向自北向南由NE方向逐漸轉(zhuǎn)為NW方向（表2）。陷落柱附近斷層走向也由NE方向轉(zhuǎn)為NW方向（表3），與陷落柱長(zhǎng)軸走向一致，說明斷層發(fā)育密度及產(chǎn)狀與陷落柱發(fā)育密集程度和發(fā)育形狀有密切的關(guān)系。

圖1 地質(zhì)略圖Fig.1 Geological outline map

表2 陷落柱發(fā)育情況Table 2 The development situation of collapse column

3 結(jié)論

研究表明，陷落柱形成的三要素是：可溶巖、構(gòu)造和地下水活動(dòng)，三者不是獨(dú)立的，而是相互聯(lián)系，共同作用影響著陷落柱的發(fā)育。其中構(gòu)造對(duì)胡底礦陷落柱的發(fā)育起到主要的控制作用，使得陷落柱整體呈現(xiàn)沿褶曲軸向帶狀分布的特點(diǎn)。不僅僅胡底礦，就整個(gè)沁水煤田而言，受華夏系構(gòu)造的控制，陷落柱均呈現(xiàn)定向帶狀分布的特征。本文通過對(duì)胡底礦水文地質(zhì)情況的分析，研究總結(jié)陷落柱的成因機(jī)制及發(fā)育規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)隱伏巖溶陷落柱及分析地下水的徑流情況提供了幫助。同時(shí)本礦區(qū)的主要河流胡底河屬于黃河流域沁河水系，由于沁河水系為延河泉域最低排泄基準(zhǔn)面而形成了對(duì)巖溶發(fā)育起決定作用的巖溶水流動(dòng)系統(tǒng)［9］，因此建議從研究陷落柱發(fā)育的成因機(jī)制及控制因素的角度出發(fā)，進(jìn)一步分析河流對(duì)胡底礦區(qū)陷落柱發(fā)育的影響。

表3 斷層產(chǎn)狀一覽表Table 3 The list of fault attitude

圖2 地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Fig.2 Geological tectonic outline map

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