陷落柱的成因淺析

閻璐

摘 要：在煤礦和相關(guān)的建筑工程中，陷落柱的成因和規(guī)模邊界的確定一直是對(duì)地質(zhì)手段的考驗(yàn)。準(zhǔn)確探測(cè)陷落柱的位置，對(duì)探測(cè)煤層儲(chǔ)量、采區(qū)安全柱預(yù)留和地下水的防治等有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：陷落柱；可溶性；潛蝕；徑流

中圖分類號(hào)：P618.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.110

1 陷落柱的成因和條件

由書本理論知識(shí)和地質(zhì)勘探工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，陷落柱（喀斯特溶洞）構(gòu)造形成的主要原因有：①必須具備可溶性的礦床（石灰?guī)r、石膏等），存在一定的潛蝕和搬運(yùn)；②存在地表徑流；③有重力的作用。其中，地下水對(duì)可溶性礦床的潛蝕和搬運(yùn)是主要原因，而地表徑流、地表水或大氣降水回灌是次要原因。

由于巖溶塌陷發(fā)生在巖溶充水礦床地帶，即碳酸鹽發(fā)育的奧陶系地層，可溶性巖層淺部一般巖溶比較發(fā)育，因此，灰?guī)r含水層的地下水支撐著巖溶洞隙中的充填物和上覆松軟巖層。這時(shí)，地下水對(duì)松軟巖層底部、溶洞充填物、溶蝕和搬運(yùn)至異地的影響比較弱。但是，如果周邊存在大量的排泄物，就會(huì)大幅降低灰?guī)r含水層的水位，形成一個(gè)降落漏斗。當(dāng)水位降到灰?guī)r頂板之下，此時(shí)，溶洞充填物和上覆松軟巖層失去灰?guī)r水的浮托，地層原有的平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，通過裂隙使上部含水層、地表水倒灌和倒?jié)B，那么，可溶性的碳酸鹽類就會(huì)通過地下水徑流搬運(yùn)被帶走，開始在松軟地層底部（可溶性碳酸鹽類的頂界）形成拱形洞。隨著第四系孔隙水、地表水的繼續(xù)下滲、搬運(yùn)、潛蝕，可溶性碳酸鹽類的頂界地層在自重和測(cè)壓作用下向下垮塌，向四周擴(kuò)散，巖溶水位逐漸下降，溶洞里的地下水被疏干，形成了真空的狀態(tài)。溶洞的上覆巖層在重力作用下不斷向下崩塌，從而促進(jìn)了喀斯特溶洞的擴(kuò)大，形成了大面積的陷落。隨著時(shí)間的推移，受自然活動(dòng)和人類活動(dòng)的影響，陷落柱被推進(jìn)到了其他時(shí)代的地層或地面。根據(jù)資料和文獻(xiàn)記載，陷落柱范圍可達(dá)幾百幾千平方米，輪廓形成漏斗狀或倒漏斗狀，直徑通常為1～5 m，最大深度可從非煤系地層至奧陶系深部，在勘探施工的西山煤田古交礦區(qū)、霍州煤田和寧武煤田均有發(fā)現(xiàn)。下面依據(jù)2006年勘查施工的西山煤田古交礦區(qū)陳家社井田勘探實(shí)例，分析、說明陷落柱的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)情況。

2 古交礦區(qū)陳家社勘查區(qū)地層

古交陳家社勘查區(qū)屬于西山煤田范圍內(nèi)，該地區(qū)奧陶系地層為巨厚石石灰?guī)r沉積，地層中多有石膏和角礫狀石膏；奧陶系上段的峰峰組地層巖性為石灰?guī)r和泥灰?guī)r，厚度為50～65 m，下段地層為石灰?guī)r和角礫狀泥灰?guī)r、石膏帶，巖溶裂隙等發(fā)育；峰峰組之下的馬家溝組地層中的巖性一般以石灰?guī)r為主，含有少量的泥灰?guī)r，厚度約為200 m，裂隙溶洞發(fā)育；下馬家溝組一般為泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖互層，厚度為110～120 m，下段為石膏，厚度為10～15 m。奧陶系地層中的可溶性碳酸鹽類為地下水的巖溶活動(dòng)的溶蝕作用奠定了基礎(chǔ)，而地下水不停息的徑流作用為搬運(yùn)可溶性礦物質(zhì)提供了必要的保障。

3 可溶性礦床被地下水溶蝕和搬運(yùn)

碳酸鹽類礦物包括石灰?guī)r、石膏等，它不溶于水，但是，與空氣和水中的CO2發(fā)生緩慢的水解反應(yīng)，使碳酸鹽類礦物生成可溶性的碳酸氫鹽礦物。在常溫狀態(tài)下，碳酸氫鹽在水中的溶解度比較大，隨著地下水的潛流被搬運(yùn)帶走，使得原來完整的地層形成各種洞穴、溶孔、落水洞和漏斗等。

碳酸鹽類礦物在水中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有：

CaCO3+CO2+H++OH-=Ca（HCO3）2

Ca（HCO3）2=Ca2++2HCO3-

H2S+H2O=H2SO4

H2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2

CaSO4=Ca2++SO42-

4 西山煤田陳家社井田9#孔陷落柱

陳家社井田9號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)深度為650 m，設(shè)計(jì)取芯巖位為K4砂巖（即下石盒子底部）512 m開始取芯，在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，從290 m開始出現(xiàn)鉆進(jìn)異常。因此，決定從278 m開始取芯鉆進(jìn)，查明鉆進(jìn)異常的原因，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各目的煤層的準(zhǔn)確控制。取芯情況的采取率偏低，巖芯雜亂無章，在太原組煤層位置，巖性溶蝕現(xiàn)象特別明顯，泥漿消耗量大，測(cè)不到水位，附近距鉆孔約250 m的低洼地帶有常年流水的泉水排泄。由此說明，地下水位降低導(dǎo)致地下水對(duì)上覆巖層的依托浮托力減弱，溶蝕力加強(qiáng)，從而在自重作用下發(fā)生地層降陷，使得周圍巖石破裂形成陷落。對(duì)于9號(hào)鉆孔的出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)初步斷定為陷落柱構(gòu)造，為了驗(yàn)證鉆探結(jié)論，物探分隊(duì)在9號(hào)孔周邊進(jìn)行了物探工作。

5 地面物探的驗(yàn)證

目的：利用物探手段確定該異常地段是否為陷落柱，如果是，查明它的充水性和富水性，并確定陷落范圍。采用瞬變電磁法，在鉆孔南北方向22 m處開始布置了3條剖面，基本點(diǎn)距為5 m，共計(jì)測(cè)量了60個(gè)物理點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)300 m。

資料解釋：在瞬變電磁多測(cè)道剖面上，主要表現(xiàn)為底部的低電位異常，當(dāng)進(jìn)入水位后，則表現(xiàn)為高電位異常。在1～27號(hào)樁，二次電位幅度相對(duì)比較高，并且雜亂，這說明27號(hào)樁以后的地層完整。由此可認(rèn)為，陷落柱范圍大致是20 m+5 m×26=150 m。

6 測(cè)井曲線上陷落的特征

異常地段井徑曲線和密度曲線均表現(xiàn)出了明顯的異常，初步判斷，290 m以上層段為正常地層，290 m以下為陷落地層，推斷為隱伏陷落。

鉆探、物探、測(cè)井資料相互支撐，對(duì)9號(hào)鉆孔的異?，F(xiàn)象進(jìn)行了準(zhǔn)確的定性解釋，證明確有陷落柱存在。

7 結(jié)論

鉆探取芯、測(cè)井曲線和地面物探等地質(zhì)勘查手段說明，陷落柱成因與巖溶礦床的溶蝕、搬運(yùn)伴生的重力作用和滲入倒灌的情況有關(guān)，可以驗(yàn)證陷落柱的巖溶發(fā)育情況、充水情況和富水情況。

參考文獻(xiàn)

[1]肖長(zhǎng)來.水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

〔編輯：白潔〕