太原西山煤田陷落柱空間形態(tài)特征及其成因分析

付君華

(西山義城煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 古交 030200)

1 研究區(qū)概況

華北西煤田巖溶陷落柱主要發(fā)生于上古生代至中生代地質(zhì)時(shí)期,新生代亦有延續(xù)發(fā)展歷史。其縱剖面中心線近乎垂直,有些是折線，與基底奧灰的產(chǎn)狀以及陷落柱發(fā)育過(guò)程中經(jīng)受的構(gòu)造變動(dòng)歷史有關(guān)。柱體下部與巖層層面垂直,柱體上部可能與水平面垂直。如果柱體中心線折線,反映該陷落柱在燕山運(yùn)動(dòng)以后仍繼續(xù)發(fā)育。陷落柱高度對(duì)于井下煤層層位來(lái)講,可以是隱伏的也可以是直穿頂板的[1]。

西山煤田位于山西省中部太原地塹盆地西面,呂梁山東面,主控構(gòu)造位于西部古交、呈南北走向的馬蘭復(fù)向斜系,由北東向及南北向若干地壘式斷裂帶構(gòu)成的石炭—二疊系含煤建造;面積541 km2、含2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、8號(hào)和9號(hào)等可采煤層,煤層總14 m～18 m,儲(chǔ)量達(dá)70億t;其西部的古交礦區(qū)為重要的主焦煤基地,大部分為帶壓開(kāi)采;其東部的前山礦區(qū)為動(dòng)力煤基地,大部分不帶壓;其與下伏奧陶系呈平行不整合,其上在石千峰地區(qū)有三疊系,其他大部區(qū)域?yàn)樾律绲貙咏嵌炔徽纤采w。

2 研究區(qū)陷落柱的空間分布特征

巖溶陷落柱也稱(chēng)喀斯特,是巖溶塌陷的一種類(lèi)型。它是由煤層下伏碳酸鹽巖等可溶巖層、經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕形成空洞,從而起上覆巖層失穩(wěn),向溶蝕空間冒落、塌陷,形成簡(jiǎn)狀或似錐狀柱體,以它的成因和形狀取名為巖溶陷落柱,簡(jiǎn)稱(chēng)陷落柱,俗稱(chēng)“無(wú)炭柱”或“矸子窩”，在華北礦區(qū)發(fā)育較多。

1)壁角：據(jù)各礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告反映,柱壁角在80°以上多近直立,據(jù)井下已采煤層上下對(duì)照,其垂直投影位移無(wú)幾,其破壞范圍有所增大但亦變化不大。

2)柱高(冒落高度):對(duì)煤礦有實(shí)際意義的主要是2號(hào)煤與8號(hào)煤,其最小柱高為O2f2至8號(hào)煤,為100 m左右;最大柱高為O2s2至地表,可達(dá)800 m～1 000 m以上。

3)柱冠:西山煤田各礦均不同程度存在陷落柱頂部空間,出現(xiàn)冒落空隙、膠結(jié)充填差,有時(shí)含水或曾含水,為自由空間,下組煤中常見(jiàn)黃鐵礦與方解石礦物晶體。通過(guò)鈾系定年方法的實(shí)際測(cè)定,確定太原西山巖溶陷落柱發(fā)育時(shí)間為30～40萬(wàn)年以前[2]。

4)斜歪與分叉:陷落柱受后期煤巖層圍巖的褶皺傾斜,發(fā)生立軸線的斜倒或斜歪,上下組煤層柱芯位置不同,產(chǎn)生移位見(jiàn)圖1。

圖1 傾斜陷落柱平剖面對(duì)應(yīng)圖

白家莊井田井下揭露的斜歪陷落柱有29個(gè),占總數(shù)的30%,明顯受傾斜構(gòu)造控制產(chǎn)生柱心位移,見(jiàn)圖2。

圖2 白家莊礦傾斜陷落柱分布圖

在煤層傾角較明顯的馬蘭井田也存在這種現(xiàn)象。多個(gè)相鄰柱體,向下部合并、向上部分叉,呈樹(shù)杈狀空間生長(zhǎng),表現(xiàn)為上下組煤層柱切片范圍大小不同;這種情形在白家莊、杜兒坪等井田較常見(jiàn),見(jiàn)圖3。

圖3 杜兒坪礦揭露向下合并的陷落柱

3 陷落柱形成機(jī)理分析

3.1 與下伏溶洞的關(guān)系分析

巖石力學(xué)研究證明,對(duì)于部分開(kāi)裂的空隙率高的巖石,側(cè)向壓力(側(cè)應(yīng)力)的影響可使巖體的彈性模量降低許多。由于巖石在某一方向的節(jié)理特別發(fā)育,彈性模量和泊松比隨之改變,尤其在沉積巖中變形破壞呈各向異性。由于巖溶與陷落的交替發(fā)展,使溶洞的高度不斷大于其寬度,這樣的斷面其側(cè)應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定性亦十分重要。當(dāng)側(cè)應(yīng)力很小時(shí),洞頂拉應(yīng)力利于巖石冒落，直到側(cè)應(yīng)力與垂向應(yīng)力相當(dāng)時(shí)又開(kāi)始穩(wěn)定,成為不易受破壞的壓力圈。在中新生代多期構(gòu)造應(yīng)力的作用下，側(cè)應(yīng)力為零。溶洞在侵蝕、剝落與冒落作用下,從量變到質(zhì)變的過(guò)程中產(chǎn)生“失穩(wěn)冒落又趨于穩(wěn)定”如此反復(fù)多次,使地下陷落柱不斷成長(zhǎng)、尤其是在構(gòu)造應(yīng)力較強(qiáng)的前山礦區(qū)東部地段。松散陷落柱的產(chǎn)生是由于頂部穹窿型自然平衡拱或厚層砂巖的頂量平衡作用，使巖溶塌陷冒落至一定層位, 再不向上發(fā)展,形成類(lèi)似采空區(qū)直接頂冒落后老頂沒(méi)有垮落而形成的空間[3]。

3.2 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)對(duì)陷落柱長(zhǎng)軸方向的分析

斷裂及其交匯部位導(dǎo)致水和巖石接觸面增大,透水能力增強(qiáng),不僅有利于溶蝕作用進(jìn)行,也有利于沖刷、崩塌擴(kuò)大其空間,因而許多巖溶通道和暗河往往沿著褶曲軸部和翼部的張性斷層帶發(fā)育,在斷裂交匯部位,巖石更加在破碎,加之混合溶蝕作用,多形成廳式大溶洞或豎井[4]。山東科技大學(xué)許進(jìn)鵬等在《陷落柱及其周邊地應(yīng)力分布研究》中的結(jié)論:通過(guò)分析陷落柱柱與周邊巖層的相互作用關(guān)系,運(yùn)用彈塑性理論,分析了陷落柱柱體及其周邊的應(yīng)力分布;并采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)陷落柱及其周邊的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算。兩者結(jié)果吻合,表明陷落柱及其周邊存在應(yīng)力異常。

結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展史與破壞層位分析,陷落柱受控構(gòu)造裂隙形成于燕山期早期褶皺運(yùn)動(dòng)之前的侏羅紀(jì),之后在燕山期晚期白堊紀(jì)、陷落柱與煤系地層圍巖共同經(jīng)受了燕山期褶皺運(yùn)動(dòng),在喜山期又經(jīng)歷華北地區(qū)普遍的拉伸運(yùn)動(dòng)、地臺(tái)發(fā)生塊斷式升降運(yùn)動(dòng)。尤其是中新世擠壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉張應(yīng)力,為陷落柱巖體塌陷和繼續(xù)發(fā)展提供了動(dòng)力保障[5]。燕山期的石灰?guī)r體在山字型構(gòu)造山西地塊左扭應(yīng)力的作用下,石灰?guī)r在北西向的水平構(gòu)造應(yīng)力增大、超過(guò)原巖應(yīng)力,在背斜或向斜處有利于北西向張性構(gòu)造裂隙的發(fā)育,同時(shí)其北東向一組剪節(jié)理被后來(lái)喜山期右扭應(yīng)力的作用改造、向扭張性構(gòu)造裂隙的發(fā)育提供了基礎(chǔ)。尤其前山礦區(qū)離汾河地塹近,受構(gòu)造破壞強(qiáng),扭張斷裂及褶曲、張性節(jié)理相對(duì)較多、導(dǎo)水性強(qiáng),利于巖溶陷落柱發(fā)育[6]。

峰峰集團(tuán)王鐵記等《峰峰礦區(qū)陷落柱的內(nèi)循環(huán)形成機(jī)理》中結(jié)論:分析了峰峰礦區(qū)陷落柱主要分布于“工”字型水系兩端的現(xiàn)象,提出了相對(duì)封閉地段陷落柱形成的地下水內(nèi)部循環(huán)機(jī)理，認(rèn)為火成巖體產(chǎn)生的地?zé)岙惓Ｊ沟脢W灰水產(chǎn)生了內(nèi)部對(duì)流循環(huán),導(dǎo)致巖溶發(fā)育;論證了地?zé)釋?duì)CaCO3溶解的加速作用,封閉環(huán)境對(duì)CO2分壓的升高作用,及其對(duì)CaCO3的溶解度和飽和度的效應(yīng)。燕山期早期煤田西部狐堰山一帶及東部清交大斷層附近發(fā)生的巖漿侵入,圍巖煤系及基底奧灰地層在同期順輻射狀斷裂與地?zé)崴C合作用易于巖溶滲流侵蝕作用的進(jìn)行。

喜山期北東向右扭應(yīng)力的作用利于北東向張性構(gòu)造裂隙的發(fā)育;而同時(shí)期又疊加了由汾河地塹擴(kuò)張產(chǎn)生的東西向側(cè)向應(yīng)力的聯(lián)合作用,使最大主應(yīng)力方向與裂隙與洞穴的長(zhǎng)軸方向(北東至北東東向)垂直時(shí),硐體圍巖的水平應(yīng)力僅僅約為其垂向應(yīng)力的0～0.1倍、甚至是負(fù)的即拉應(yīng)力作用,從而利于洞壁圍巖的層層剝落與頂部冒落(自上隅角)以及底鼓擠出,同時(shí)地下水侵蝕浸潤(rùn)作用起到加速破壞的效果。溶洞圍巖在無(wú)水平應(yīng)力尤其是在負(fù)的即拉應(yīng)力作用的條件下,左右兩個(gè)上隅角部位的切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力之差最大,局部達(dá)到垂向應(yīng)力的3倍,由此衍生的剪切應(yīng)力很大,破壞與冒落由此處開(kāi)始,逐漸向上發(fā)展、最終導(dǎo)致陷落柱形成。在靠近地塹處地段北東向裂隙較明顯,而遠(yuǎn)離地塹的地段北西向裂隙較明顯,這就決定了不同地段陷落柱長(zhǎng)軸發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向有所區(qū)別。通過(guò)對(duì)陷落柱特征的分析,可初步認(rèn)為奧灰強(qiáng)逕流帶和節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)的疊和部分,就是陷落柱可能發(fā)育的重點(diǎn)區(qū)域[8]。如西曲井田陷落柱在北東向壓扭性正斷裂派生的北北東向張扭性裂隙構(gòu)造的基礎(chǔ)上,區(qū)內(nèi)陷落柱亦呈北北東向帶狀分布,即從南四到北五采區(qū)條帶、南二西到北二采區(qū)條帶。在馬蘭礦區(qū)內(nèi)直接觀察到陷落柱邊緣的犬齒狀形態(tài),也受兩套裂隙面的控制,陷落柱的塌陷可能與裂隙的分布有很大關(guān)系,其長(zhǎng)軸的走向與裂隙發(fā)育程度有關(guān)[9]。

構(gòu)造破碎帶和裂隙系成為煤系地層與奧陶系碳酸巖勾通的地下水通道,煤系中的含碳、硫的氣體下滲起到溶蝕作用。

本煤田陷落柱形成的構(gòu)造裂隙主要是在燕山期。首先在印支期(T)受南北應(yīng)力擠壓,形成a、d兩組剪節(jié)理和b、c兩組張節(jié)理;到燕山期早期(J)受東西向應(yīng)力擠壓形成a、d兩組剪節(jié)理和e組張節(jié)理;最后在燕山期晚(K-E1)新華夏系繼承祁呂賀山字形東翼北東向的斷裂與節(jié)理(見(jiàn)圖4),在左型力偶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)伴生的北西-南東向擠壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生a組張扭節(jié)理和其余四組剪節(jié)理;在上述多期應(yīng)力場(chǎng)綜合作用下,產(chǎn)生了如下圖所列五組不同方向的陷落柱,按照發(fā)育程度由強(qiáng)到弱依次為a、e、b、d、c,這五組不同方向的陷落柱總計(jì)占所有陷落柱的88.6%,其余方位發(fā)育的陷落柱僅占總數(shù)的11.4%。最發(fā)育的兩組陷落柱e、a即分別代表燕山期運(yùn)動(dòng)中、晚期的最大水平主應(yīng)力方向95°、145°。見(jiàn)圖5。

圖4 大中型斷層傾向玫瑰花圖

晚第三紀(jì)以后山西地臺(tái)內(nèi)系列坳陷盆地(包括汾河斷陷盆地)繼續(xù)下陷、斷裂,尤其是呈階梯狀的縱向斷層在盆緣向內(nèi)相當(dāng)發(fā)育。奧灰?guī)r較之上伏海陸交互相與陸相地層受改造形成小構(gòu)造更多,脆性破壞更明顯,尤其是厚層、巨厚層的純灰?guī)r。

再如馬蘭礦區(qū)的四組兩套“X”剪切裂隙在構(gòu)造轉(zhuǎn)折處附近呈銳角交叉,表現(xiàn)為明顯的扭動(dòng)旋轉(zhuǎn)的形跡[9]。

圖5 陷落柱長(zhǎng)軸走向玫瑰花圖

3.3 與上覆巖性組合及地層形態(tài)的關(guān)系分析

石炭—二疊系地層位海陸過(guò)渡相到陸相三角洲沉積建造,主要地層由砂巖、灰?guī)r、泥巖與上下煤組煤層呈海退式成煤構(gòu)造旋回形成。其中灰?guī)r均分布于石炭系太原組地層。各種結(jié)構(gòu)的巖性累計(jì)層厚由于沉積部位不同,在不同井田區(qū)域有所差別。巖性不同其巖層內(nèi)摩擦角σ等力學(xué)強(qiáng)度相應(yīng)的有差別。對(duì)于破碎性較大的巖石,適用壓力拱理論,在洞體圍巖的水平應(yīng)力很小甚至是負(fù)的即拉應(yīng)力作用與地下水侵蝕浸潤(rùn)加速破壞作用聯(lián)合影響下,從而易于超過(guò)巖體的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生洞壁圍巖的層層剝落與冒落(自頂部上隅角)以及底鼓擠出。在主要是受節(jié)理裂隙及層理等立方體交錯(cuò)的軟弱面將巖體割裂成各種大小的塊體(與整個(gè)地層相比尺寸較小),這就破壞了巖石的整體性、造成松動(dòng)性;因此把洞室周?chē)膸r石看作是沒(méi)有凝聚力的大塊散粒體(但實(shí)際上巖石是有凝聚力c的);因此就用增大內(nèi)摩擦系數(shù)tgσ+c/σ=tgσk(σ稱(chēng)作巖石的堅(jiān)固性系數(shù)或?yàn)閒k)的方法來(lái)補(bǔ)償這一因素;σk表示通過(guò)σ換算得來(lái)的內(nèi)摩擦角,稱(chēng)作“換算內(nèi)摩擦角”[7]。在少數(shù)次冒落成因的假設(shè)基礎(chǔ)上,利用巖石力學(xué)中松動(dòng)壓力(坍落拱)理論:如果這些洞頂拉應(yīng)力超過(guò)巖體的抗拉強(qiáng)度,則頂部巖體破壞,一部分巖塊失去平衡而隨著時(shí)間向下逐漸坍落,巖體又進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。以下用兩個(gè)礦的2號(hào)煤底板至8號(hào)煤底板的鉆孔巖性資料,分別用不同巖性巖層的內(nèi)摩擦角或換算內(nèi)摩擦角與該種巖性“巖層累加厚度”加權(quán)計(jì)算可求得近似柱壁角,如表1所示。

表1 柱壁角計(jì)算法

杜礦σ=(∑DiZi)/(∑Di)=76.87°

杜礦σk=(∑DiZKi)/(∑Di)=87.1°,

后者較接近實(shí)際統(tǒng)計(jì)值,尤其是在下部巖層。

屯礦σ=(∑TiZi)/(∑Ti)=72.27°

屯礦σk=(∑TiZKi)/(∑Ti)=85.6°,

后者較接近實(shí)際統(tǒng)計(jì)值,尤其是在下部巖層。這兩個(gè)數(shù)值與趙金貴對(duì)西銘礦陷落柱統(tǒng)計(jì)近似值84.7°佷接近。

需要指出的是,煤層、碳質(zhì)泥巖的柱壁角選擇得大是因?yàn)榫聦?shí)見(jiàn)其中的柱壁角是傾向陷落柱內(nèi)的:90°+45°-σki/2。上述巖層的內(nèi)摩擦角是一般的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。由于多次冒落,柱頂上隅角應(yīng)力集中破壞程度不同,另外個(gè)別陷落柱由于對(duì)上覆圍巖中已有的構(gòu)造面(節(jié)理面、斷裂面)沿襲破壞程度不同,所以加權(quán)計(jì)算求得的近似柱壁角與實(shí)際上的陷落柱柱壁角有一些出入甚至個(gè)別陷落柱會(huì)出現(xiàn)更多的變化。總之“欺軟怕硬”特性使柱體上細(xì)下粗的同時(shí)見(jiàn)煤層或軟弱層位腫大,總體呈葫蘆狀。

3.4 與水動(dòng)力條件的關(guān)系分析

西山煤田總體上西北高、屬奧灰水補(bǔ)給區(qū),東南低為其排泄區(qū);淺埋區(qū)奧灰水徑流強(qiáng)、深埋區(qū)徑流弱;煤田北東部逕流總體強(qiáng)于南西部。奧灰出露區(qū)水力交替快,水質(zhì)好;奧灰深埋區(qū),水力交替慢、水質(zhì)越來(lái)越差。

巖溶水補(bǔ)徑排條件:作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地下巖溶水系統(tǒng),具備完善的“降水(輸入)→產(chǎn)流→調(diào)蓄→排泄(輸出)”三水轉(zhuǎn)化功能;且越往下游強(qiáng)逕流帶其喀斯特化越強(qiáng),即管流水較散流水的比例越明顯。

各類(lèi)水在有下滲條件地段補(bǔ)給地下巖溶水,主要是在構(gòu)造破碎帶、灰?guī)r淺埋區(qū)補(bǔ)給巖溶水。地表水、孔隙水入滲補(bǔ)給以汾河為主,次為天池河、屯蘭河切奧灰處,經(jīng)水同位素與水位分析:在汾河鎮(zhèn)城底至小塔村段、屯蘭河營(yíng)立至武家莊段、天池河白家灘至順道村段滲漏補(bǔ)給。 1985年實(shí)測(cè)汾河二庫(kù)至寨上至掃石的滲漏量為2.69 m3/s。據(jù)氚數(shù)據(jù)、C14同位素?cái)?shù)據(jù)測(cè)定證明,蘭村泉主要為遠(yuǎn)源補(bǔ)給;而晉祠泉主要為近源補(bǔ)給。

汾河以北灰?guī)r裸露及淺埋區(qū)無(wú)集中徑流帶,以散流由北向東南補(bǔ)給。汾河以南以散射向邊山斷裂帶排泄運(yùn)移,強(qiáng)徑流帶位于古交河口、王封地壘以南圪僚溝一帶;由于北東向斷裂影響,其中一部分自西向東補(bǔ)給盆地,另一部分迂回南流。中深循環(huán)帶,沿邊山斷裂帶以泉的形式排泄。深循環(huán)帶,側(cè)排補(bǔ)給沖積層與深部巖溶水;北部在三給村至蘭村段,圪僚溝至小井峪;南部在冶峪溝至風(fēng)峪溝、晉祠至平泉、東西梁和覃村，主要向汾河地塹盆地排泄?；顒?dòng)斷層促進(jìn)深部地下水運(yùn)動(dòng),如太原汾河斷層存在低溫異常帶,徑流深度達(dá)600 m～800 m。據(jù)大量鉆孔資料,太原地下水系普遍存在奧灰水深部徑流,故其深部必有一低泄基準(zhǔn)面起控制作用。而汾河深斷裂有徑流帶正起這一作用，即新華夏構(gòu)造溝通太原凹陷內(nèi)部水力聯(lián)系，此乃新構(gòu)造隆起區(qū)一大重要特點(diǎn)[8]。

3.4.1陷落柱柱高與冒落高度與水動(dòng)力條件的關(guān)系分析

阜新礦院張寶柱在《華北型煤田巖溶陷落柱分布規(guī)律及其水文地質(zhì)意義》提到:陷落柱分布于碳酸鹽巖—硫酸鹽巖混和建造中奧陶統(tǒng)古—現(xiàn)代巖溶水強(qiáng)逕流—排泄帶,強(qiáng)含水陷落柱屬晚近期或現(xiàn)代活化的古陷落柱、與現(xiàn)代地下水系統(tǒng)有關(guān)。

下伏奧灰古溶洞越大,形成陷落柱柱體高度就越大,甚至見(jiàn)地表的塌陷坑或隆起。井下實(shí)見(jiàn)對(duì)于柱內(nèi)充填物從外向內(nèi)可分三帶:邊緣帶、過(guò)渡帶和中心帶,對(duì)于正常層序地層而言其層位由依次為由老向新過(guò)渡。其中心帶巖性(最新即最上部的層位)、充填物孔隙率與含水性的鑒別,有助于分別確定柱內(nèi)充填物的冒落沉降量、揭露部位距柱頂空洞的垂距。距馬蘭礦井下8號(hào)煤巷道實(shí)見(jiàn)一長(zhǎng)軸為20 m的陷落柱,其中心帶巖性為老頂K2灰?guī)r,冒落高度為9 m。在《杜兒坪礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告》敘述到:“井下所見(jiàn)皆為煤層上覆巖巖,最新地層可見(jiàn)石千峰磚紅色巖石?！?這樣計(jì)算其冒落高度可達(dá)500 m以上。由此可見(jiàn),柱高從奧灰頂面算起50 m～1 000 m、一般為100 m～300 m、平均值為175 m;占統(tǒng)計(jì)的69.3%[9]。冒落高度為9 m～500 m不等,常見(jiàn)幾十米，體現(xiàn)了西山巖溶陷落柱發(fā)育的不均衡性與普遍性。

值的關(guān)注的還有隨著構(gòu)造擠壓與巖漿巖侵入,狐堰山與廟前山隆起,原相斷層、杜兒坪斷層與伴生褶皺構(gòu)造綜合作用,上馬家溝組上段巨厚層灰?guī)r抬升或受破碎更顯著,下伏奧灰古溶洞更大,因此西部馬蘭礦、東部官地礦井田更易形成粗大的陷落柱體;通過(guò)井下工程揭露、地表調(diào)查與鉆探、地震勘探解釋已證實(shí),下組8號(hào)煤層分布有長(zhǎng)軸100 m～400 m的超大型陷落柱體。

3.4.2陷落柱下伏溶洞塌落臨界值的分析

自然平衡拱跨度b的確定,b=2hfk(h為拱高度、fk為巖石堅(jiān)固性系數(shù)),在煤層中b一般為10 m左右、h為3 m～5 m、fk為1.5～0.8;在灰?guī)r中h為3(在隆升區(qū)且構(gòu)造裂隙發(fā)育地段h很容易滿(mǎn)足此條件)、fk為4(主要考慮厚層狀灰?guī)r在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下以脆性破壞剝落為主,且北方巖溶曾經(jīng)在上新世早期以溶蝕作用占優(yōu)、地下水溶蝕作用較強(qiáng)烈使圍巖堅(jiān)固性系數(shù)降低),求得b為24 m。由于北方巖溶與南方強(qiáng)烈的喀斯特不能相比;僅僅在強(qiáng)逕流帶中深部有脈管型甚至管道型喀斯特水出現(xiàn),應(yīng)為區(qū)域大節(jié)理控制的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)點(diǎn)形態(tài)系統(tǒng),在平面上呈棋盤(pán)狀或枝狀。按煤系地層與下伏地層(包括奧灰?guī)r及本溪組)的柱壁角分別采用87°、90°計(jì)算出,能冒至2號(hào)煤與8號(hào)煤的灰?guī)r溶洞塌落的臨界大小分別為26 m、18 m。奧灰頂面上揭露陷落柱等效直徑在30 m～150 m占總揭露個(gè)數(shù)的73.5%。其中等效直徑在60 m～70 m之間的個(gè)數(shù)最多[10]不少礦均見(jiàn)直徑達(dá)200 m以上的超大型陷落柱,除了處在強(qiáng)徑流的原因、還有受水平構(gòu)造應(yīng)力作用的原因,才能夠連續(xù)塌陷與搬運(yùn)。

3.4.3陷落柱發(fā)育集群與水動(dòng)力條件的關(guān)系分析

陷落柱在分布上具有東部多于西部的分區(qū)性、在古地下水流動(dòng)帶的分帶性、長(zhǎng)軸與地下水的古流向一致性等方面。如官地礦區(qū)地南二、中一至北二等采區(qū)的陷落柱處于一“北西-南東”方向的密集系帶上。由于地勢(shì)西高東低,地下水由西北向東南方向流動(dòng), 形成一些由西北向東南方向的地下水徑流帶。馬蘭礦南四采區(qū)正位于此徑流帶上,在徑逕流帶上,隨著地下水侵蝕加劇形成了巖溶,進(jìn)而形成陷落柱[11]。

后期的活化使其成為隱蔽致災(zāi)的含水或?qū)ǖ馈Ｍㄟ^(guò)三維地震探測(cè)出,三采區(qū)有一陷落柱,在煤層底板平面圖上呈橢圓形,時(shí)間剖面上為反漏斗狀,陷落柱空間形態(tài)為不規(guī)則倒梯形[12]。由于陷落柱與圍巖密度差,反射系數(shù)不同,能通過(guò)井上下震波勘探進(jìn)行超前探查。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造史與井下實(shí)見(jiàn)資料,總結(jié)出了西山煤田陷落柱與斷層、褶皺的相關(guān)的構(gòu)造裂隙之間的關(guān)系,對(duì)西山礦區(qū)發(fā)育的陷落柱的空間形態(tài)分布特征,從柱壁角、柱高(冒落高度)、柱冠、斜歪與分叉等多個(gè)角度進(jìn)行總結(jié),利用巖石力學(xué)中松動(dòng)壓力(坍落拱)理論,剖析了其與下伏溶洞、上覆巖性組合及地層形態(tài)、水動(dòng)力條件等因素的關(guān)系;對(duì)研究陷落柱的垂向與水平面特征與成因,并開(kāi)展分布規(guī)律研究及預(yù)測(cè)具有重要的理論指導(dǎo)意義。