范各莊井田巖溶陷落柱特征及成因機理研究

王義海

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司勘測分院，安徽 蚌埠233300）

1 概述

我國煤炭儲量豐富，但煤礦水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，已探明的煤炭儲量中，受水害威脅的約占27%。隨著礦井的深入開采，礦井的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件變的愈發(fā)復(fù)雜[1]。

煤系巖溶陷落柱被地質(zhì)學(xué)家確認最早出現(xiàn)在20 世紀30年代末，小貫義男在河北井陘煤礦井下發(fā)現(xiàn)“圓形斷層”，1942 年松澤勛首次將其命名為“巖溶陷落柱”[2]，并首次提出了“長徑”和“短徑”的概念等。1990 年后研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)包括巖溶陷落柱的導(dǎo)水機理[3][4]、巖溶陷落柱的探測方法和突水巖溶陷落柱的治理、巖溶陷落柱形態(tài)特征[5][6][7]及巖溶陷落柱的形成機制[8][9][10]幾個方面。進入21 世紀，計算機和數(shù)值模擬方法亦得到廣泛應(yīng)用[11]。AutoCAD 和ArcView 等 計 算 機輔助工具開始廣泛運用，尹尚先等[12]人開始用數(shù)值方法模擬巖溶陷落柱突水機理，分析了巖溶陷落柱空間分布形態(tài)和規(guī)律，并對巖溶陷落柱的形成時間做了較為全面的探究。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地層巖性

范各莊井田隸屬開平煤田，位于開平向斜南東翼。開平向斜是華北地臺上的一個小規(guī)模的古生代含煤斷陷盆地。區(qū)域范圍主要地層有：太古界(A)；上元古界震旦系(Z)；古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和新生界第四系等地層。研究區(qū)地層對巖溶陷落柱影響最大的為奧陶系可溶性灰?guī)r。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

開平煤田在大地構(gòu)造分區(qū)上屬IV 級構(gòu)造單元，是由燕山旋回造成的蓋層構(gòu)造-- 唐山、薊縣陷褶束(III 級構(gòu)造單元)中的一個復(fù)式含煤向斜。位于中朝準地臺(I 級構(gòu)造單元)之上，燕山沉降帶(II 級構(gòu)造單元)內(nèi)。

圖1 開平向斜南東翼及范各莊礦巖溶陷落柱發(fā)育規(guī)律圖

根據(jù)本井田所揭露的地質(zhì)構(gòu)造，可以將范各莊井田劃分為三個構(gòu)造區(qū)，即井田北部巖溶陷落柱發(fā)育的塔坨向斜區(qū)，中部單斜構(gòu)造區(qū)和南部的畢各莊向斜區(qū)。

巖溶陷落柱作為地質(zhì)異常體，具有隱伏、孤立、隨機分布的特點，這一特點決定了常用的勘探技術(shù)手段均難以探明。

2.3 水文地質(zhì)概況

在煤系地層中，與礦井直接溝通的含水層是5 煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層、5～12 煤層間砂巖裂隙承壓含水層和12～14 煤層間砂巖裂隙承壓含水層。奧陶系灰?guī)r巖溶含水層則是通過導(dǎo)水斷裂和巖溶陷落柱成為礦井的直接突水水源。

3 巖溶陷落柱發(fā)育特征

3.1 分布特征

開灤礦區(qū)巖溶陷落柱分布情況見圖1。

在開灤礦區(qū)，目前只有位于開平向斜東部轉(zhuǎn)折端的唐家莊徐家樓區(qū)和開平向斜南東翼的范各莊礦井口區(qū)發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱。巖溶陷落柱呈NE-SW 向的帶狀分布，與NNE 向大斷裂構(gòu)造相一致。

3.2 形態(tài)特征

范各莊井田巖溶陷落柱平面形狀主要為橢圓形。同一巖溶陷落柱形狀多呈上小下大的圓錐狀，塌陷角一般在60?～80?之間。受巖石物理力學(xué)性質(zhì)及裂隙發(fā)育等因素影響，巖溶陷落柱的中心軸常有變化，同時受燕山期構(gòu)造作用影響，巖溶陷落柱中心軸形態(tài)多呈歪斜狀。

3.3 水文地質(zhì)特征

從已揭露的情況來看，各巖溶陷落柱充水和導(dǎo)水的情況不同，一般為3 種類型。

強充水型：柱內(nèi)水力聯(lián)系好，直接導(dǎo)通奧灰高壓水。如范各莊礦的2#、9#及10#巖溶陷落柱。

邊緣充水型：柱內(nèi)水力聯(lián)系一般，只是柱邊發(fā)育的次生裂隙充水，對奧灰水的導(dǎo)通性不好，如1#、3#、5#、6#、8#、12#巖溶陷落柱。

疏干型：邊緣裂隙水已被疏降，工程揭露時無水或有少量滴水。范各莊礦的4#、7#、11#巖溶陷落柱均屬于這種類型。

4 巖溶陷落柱發(fā)育的控制因素

4.1 物質(zhì)基礎(chǔ)

奧灰?guī)r溶陷落柱是碳酸鹽巖分布區(qū)巖溶發(fā)育引起的地質(zhì)現(xiàn)象，所以巖溶陷落柱形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是奧灰?guī)r溶的發(fā)育。

寒武紀和奧陶紀的地殼運動主要發(fā)生在海盆內(nèi)部，海進海退交替頻繁，陸源區(qū)則相對穩(wěn)定，而且隨著時間的推移，抬升速度降低，剝蝕作用削弱，分化分異作用逐漸成熟，陸源物質(zhì)供給量逐漸減少。寒武紀主要形成了紅色單陸屑建造；奧陶紀主要形成了白云巖型蒸發(fā)巖建造、膏鹽型蒸發(fā)巖建造和異地碳酸鹽建造。各沉積建造多成席狀展布，連續(xù)沉積，地層穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)此期沉積厚度最大約1500m，屬海相建造型。

4.2 地下水控制

為研究礦區(qū)地下水對灰?guī)r溶蝕的影響，采用室內(nèi)試驗的方法模擬其溶蝕過程。為了逼近實際條件和環(huán)境，溶蝕實驗過程在封閉容器內(nèi)選擇靜水條件下進行。而由于當時地下水所承受的壓力未知，故實驗?zāi)M多個氣壓下巖石的溶解性。本次實驗采用的方法是測量溶液中各離子濃度的大小來表示灰?guī)r的溶速率。首先向杯內(nèi)加入250 mL 蒸餾水，然后把巖樣立放于杯內(nèi)，置入封閉容器中，抽真空至0.5 個大氣壓，注入CO2氣體，使容器內(nèi)氣壓恢復(fù)至四個不同值，即可開始試驗。實驗結(jié)果如表1所示。

結(jié)合參考資料及其他實驗結(jié)果表明，不同的碳酸鹽巖組分及結(jié)構(gòu)類型對碳酸鹽巖的溶速率有很大影響：整體來看，溶速率呈現(xiàn)的關(guān)系為白云質(zhì)灰?guī)r> 灰?guī)r> 灰質(zhì)白云巖> 白云巖。通過野外觀測可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)上馬家溝組碳酸鹽巖主要為灰?guī)r，而下馬家溝組則多為灰質(zhì)白云巖，其溶解性較好。

表1 灰?guī)r在不同壓力下與水和CO2 的反應(yīng)情況

4.3 構(gòu)造控制

4.3.1 構(gòu)造對地下水的控制

地下水的徑流和排泄是受地質(zhì)構(gòu)造條件控制的，特別是受斷裂構(gòu)造發(fā)育條件所制約。斷裂構(gòu)造，特別是張性斷裂構(gòu)造是堅硬巖石的水流通道。開平向斜南東翼的邊幕狀近東西向的小型背向斜，受到了近南北向的大斷裂所切割。由于區(qū)域地層巖性組合的關(guān)系，在上部煤系地層為塑性形變的向斜褶曲部位，在下部煤系基底的奧灰?guī)r中則往往由于脆性巖石形變而發(fā)育張性斷裂構(gòu)造。與近南北向大斷裂構(gòu)造形成斷裂構(gòu)造網(wǎng)，為奧灰水的徑流和排泄創(chuàng)造了條件。

4.3.2 構(gòu)造對地應(yīng)力的控制

當奧灰?guī)r溶位于向斜軸部時，從地應(yīng)力的角度分析，上覆巖層上部受壓，下部奧灰?guī)r受拉，導(dǎo)致上部巖層塑性形變，巖石內(nèi)部致密；下部奧灰?guī)r受拉，發(fā)生脆性變形而發(fā)育張性的高角度節(jié)理，形成倒楔形結(jié)構(gòu)，受到向下的地應(yīng)力及自身重力作用；同時由于上覆巖層的致密性，隨著溶洞體積的擴大，原奧灰?guī)r溶空洞內(nèi)形成真空腔，為真空吸蝕作用創(chuàng)造了條件，在多重作用力的影響下，溶洞上覆巖層極易于坍塌垮落。

5 成因機理

5.1 范各莊井田奧灰?guī)r溶空洞形成期

通過前文分析，影響巖溶形成的主要地層為上馬家溝組中統(tǒng)、下馬家溝組中統(tǒng)亮甲山組下統(tǒng)及冶里組下統(tǒng)的厚層灰?guī)r及白云巖。

受加里東運動的影響，范各莊井田所處華北地臺上升成為陸地，礦區(qū)缺失早奧陶世沉積，歷經(jīng)志留紀、泥盆紀及早石炭紀，由于風化剝蝕作用，使得奧陶系灰?guī)r厚度減薄，與上覆地層呈不整合接觸。在接受風化剝蝕作用長達1.5 億年的歷史時期內(nèi)，奧陶系頂部的碳酸鹽巖長期裸露于地表，高度發(fā)育風化裂隙，在大氣淡水長期的淋蝕作用下奧灰頂部形成了大小不均的巖溶洞穴，奧灰頂部凹凸不平，這些巖溶發(fā)育帶為后期形成巖溶陷落柱的原始坍塌空間提供了基本條件。

5.2 上覆圍巖坍塌過程

巖溶陷落柱的形成是在奧灰?guī)r溶空洞形成的基礎(chǔ)上，上覆圍巖不斷的坍塌溶蝕形成的地質(zhì)現(xiàn)象。在圍巖坍塌的過程中，主要受地下水溶蝕、構(gòu)造作用和真空吸蝕力等因素影響。

5.2.1 地下水對上覆圍巖失穩(wěn)的影響

地下水對巖溶陷落柱的形成主要有兩種促進方式。首先，地下水以自身滲流和水巖反應(yīng)影響地應(yīng)力的改變，其次地下水通過物理及化學(xué)溶蝕帶走已垮落的陷落物。

5.2.2 真空吸蝕導(dǎo)致上覆巖層坍塌

煤系地層形成時，地殼處于下沉期，在形成褶皺，尤其是向斜構(gòu)造的情況下，上部煤系地層因柔性受壓塑性形變使奧灰?guī)r上覆煤系地層致密屏蔽，下部奧灰?guī)r受拉破碎，下部奧灰?guī)r溶空洞腔內(nèi)形成真空。隨著溶洞附近的圍巖被地下水逐漸沖蝕，以及地下水的變動，巖溶溶洞腔內(nèi)有壓水面轉(zhuǎn)為無壓，水面以上空間出現(xiàn)低氣壓或真空負壓。隨著溶洞的不斷溶蝕擴大或地下水水位的突降，都會導(dǎo)致真空吸蝕力的增加，對上覆巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈而迅速的破壞作用，形成巖溶空洞及陷落柱[13]。

6 結(jié)論

陷落柱的形成是多種地質(zhì)條件綜合作用的結(jié)果，其在分布發(fā)育上與諸多地質(zhì)因素存在內(nèi)在的聯(lián)系，需綜合分析其沉積特征、地下水特征、地質(zhì)構(gòu)造特征等因素，并綜合分析構(gòu)造演化過程對其形成、發(fā)育的影響，方可揭示不同尺度構(gòu)造對巖溶陷落柱形成的控制作用。