廣旺礦區(qū)大傾角地層中隱伏古巖溶陷落柱的形成機(jī)理及時(shí)間

黃祥寬

廣旺礦區(qū)大傾角地層中隱伏古巖溶陷落柱的形成機(jī)理及時(shí)間

黃祥寬

（四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司廣元分部，四川 廣元 628017）

大傾角地層中的古巖溶陷落柱，是一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，如果不作綜合地細(xì)致研究，容易產(chǎn)生誤判為斷層的可能。從廣旺煤礦區(qū)的基本地質(zhì)情況入手，立足于地殼升降運(yùn)動(dòng)是陷落柱形成的主要?jiǎng)恿?lái)源，通過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的演化與區(qū)域地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析闡明了大傾角地層中古巖溶陷落柱的形成機(jī)理，以及對(duì)形成和定型時(shí)間的厘定。分析認(rèn)為廣旺煤礦區(qū)大傾角地層中的古巖溶陷落柱形成的基本條件和形成的初期機(jī)理，與一般地層中發(fā)育的陷落柱是一致的。其最終成型，相較于水平或緩傾斜地層中的陷落柱，是在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加作用下，增加掀斜過(guò)程。其起始發(fā)育于中侏羅世和早白堊世早期，于始新世晚期完全停止發(fā)育，直至定型。

大傾角地層；陷落柱；形成機(jī)理；廣旺礦區(qū)

廣旺煤礦區(qū)位于川北廣元、旺蒼、南江一帶，含煤巖系主要為上三疊統(tǒng)須家河組、中下侏羅統(tǒng)白田壩組，煤層露頭線自西向東在平面上呈反寫(xiě)的緩S型展布（圖1）。在區(qū)域構(gòu)造位置上處于上揚(yáng)子古陸塊米倉(cāng)山-大巴山逆沖帶（三級(jí)構(gòu)造單元）西段的米倉(cāng)山基底逆沖帶，西端跨北東向的龍門(mén)前山蓋層逆沖帶北段。含煤地層賦存于東西向秦嶺褶皺系南緣及北東向龍門(mén)山褶皺帶前緣。礦區(qū)主體構(gòu)造西為鹽井背斜、東為大兩會(huì)背斜，各井田構(gòu)造以單斜為主，總體上自西向東傾角逐漸增大，最大近60°，一般30°～45°，屬于大傾角地層（黃祥寬，2010）。礦區(qū)出露地層以三疊系、侏羅系為主，含煤地層為三疊系上統(tǒng)須家河組和侏羅系下統(tǒng)白田壩組（表1）。

圖1 廣旺礦區(qū)主要構(gòu)造及井田分布簡(jiǎn)圖

表1 廣旺礦區(qū)含煤地層與灰?guī)r地層簡(jiǎn)表

在多年的開(kāi)采過(guò)程中，廣旺礦區(qū)劃分為近二十個(gè)井田或礦段。處于礦區(qū)中、東部的唐家河、趙家壩、代池壩及石洞溝煤礦，在實(shí)施巷道掘進(jìn)過(guò)程中，相繼在含煤地層段揭露出陷落柱。陷落柱內(nèi)充填物緊實(shí)，似膠結(jié)狀，不含水。陷落柱周邊裂隙發(fā)育，在砂巖段有裂隙水涌出。經(jīng)研究判斷，均為停止發(fā)育的古巖溶陷落柱。大傾角地層中的巖溶陷落柱的形成機(jī)理及出露形態(tài)，有一定的特殊性，如不作細(xì)致研究和討論，讓人難以理解和接受。

1 典型實(shí)例

在礦井生產(chǎn)時(shí)期，在含煤地層底板砂巖中掘進(jìn)+555m水平運(yùn)輸大巷（標(biāo)高+570m）時(shí)，于14號(hào)勘探線以東附近兩次穿過(guò)數(shù)十米寬的巖層破碎帶。在掘進(jìn)+620m水平運(yùn)輸大巷時(shí)，在傾向上相對(duì)應(yīng)于+555m水平運(yùn)輸大巷破碎帶的位置上僅見(jiàn)3m左右的破碎帶。在+660m水平底板大巷相應(yīng)位置根本見(jiàn)不到破碎帶，但從含煤地層底板往頂板方向作穿層石門(mén)時(shí)，揭穿底部的12號(hào)煤層后，突然沿傾向方向遇到42m的破碎帶，12號(hào)煤層之上的11號(hào)、10號(hào)、9號(hào)等 3層煤層缺失，被大小不一的礫石（塊徑0.03～0.80m）和砂質(zhì)、泥質(zhì)混合物替代，繼而揭穿8號(hào)煤層（黃祥寬，2006）。根據(jù)各生產(chǎn)工程揭露點(diǎn)情況，繪制成剖面圖（圖3左），其形態(tài)與勘探線剖面圖上形態(tài)類(lèi)似。

圖2 根據(jù)鉆孔揭露的地層情況制作的勘探線剖面圖

圖3 生產(chǎn)工程揭露剖面示意圖（右為充填物照片）

在對(duì)破碎帶的充填物、巖層斷面產(chǎn)狀、破碎帶展布狀況以及下部地層巖溶發(fā)育等情況進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，上述巖層破碎帶在空間上看似錯(cuò)亂的展布特征，實(shí)為存在于大傾角地層中的古巖溶陷落柱特有的展布形態(tài)。在此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,趙家壩煤礦組織實(shí)施了沿煤層走向布置的探巷工程，分別在+555m水平和+620m水平沿8號(hào)和9號(hào)煤層掘進(jìn)了58162、59162、58164、59164四條煤層平巷。除59164煤巷尾部遇上破碎帶外，其余3條煤巷均未遇上破碎帶。4條煤巷加兩條沿8號(hào)、9號(hào)煤層傾向掘進(jìn)的開(kāi)切眼, 形成8號(hào)煤層的58162采煤工作面、9號(hào)煤層的59162采煤工作面,實(shí)現(xiàn)了安全正?；夭?。無(wú)斷層展布痕跡，且破碎帶未對(duì)附近的煤層沿傾向或走向方向形成大面積的破壞，反證了前述破碎帶屬古巖溶陷落柱而非斷層所致。

圖4 代池壩煤礦320西大巷陷落柱井下鉆探驗(yàn)證圖

2 其它揭露點(diǎn)情況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)錄

代池壩煤礦+320m西大巷遇陷落柱前，圍巖破碎，發(fā)育張性裂隙，裂隙大部分斜交與巖層，左幫出現(xiàn)明顯的涌水現(xiàn)象，涌水順錨桿眼涌出，逐漸減少至無(wú)水。陷落柱內(nèi)無(wú)水，充填較緊實(shí)，陷落柱內(nèi)巖石碎塊棱角明顯，形狀不規(guī)則，排列混亂，大小不一，巖塊間為泥沙膠結(jié)物（圖3右）。該陷落柱與周邊圍巖的接觸面呈現(xiàn)不整合接觸，個(gè)別巖層近于直立。

石洞煤礦+300m水平31325運(yùn)輸巷施工至K237m時(shí)揭露陷落柱。揭露遇陷落柱前，周?chē)簩庸鉂勺儼怠?qiáng)度降低、煤層破碎，周邊張性裂隙大部分與巖層斜交。陷落柱內(nèi)部不含水，內(nèi)部砂巖塊呈棱角狀充填緊湊，充填物為頂板方向垮落的零亂巖塊及沙泥物質(zhì)。底板砂巖裂隙有少量水滲透。

唐家河煤礦在掘進(jìn)3864巷道時(shí)，也揭露一小型陷落柱。其狀態(tài)與前述類(lèi)似。

2.2 井下鉆探驗(yàn)證

在通過(guò)物探手段，確認(rèn)所揭露陷落柱內(nèi)無(wú)水威脅的情況下，為更加確定陷落柱的規(guī)模，實(shí)施了鉆探驗(yàn)證。經(jīng)綜合各鉆孔探測(cè)情況，其平面上形狀為不規(guī)則近橢圓，規(guī)模較小。對(duì)周邊安全無(wú)威脅（圖4，圖5）。

圖5 石洞溝煤礦31325運(yùn)輸巷陷落柱井下鉆探驗(yàn)證圖

3 形成機(jī)理

位于含煤地層底部的三疊系中統(tǒng)雷口坡組及其下的嘉陵江組、飛仙關(guān)組、吳家坪組、茅口組、棲霞組，沉積形成了厚度1000m以上的灰?guī)r地層，是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。廣旺礦區(qū)含煤地層以須家河組為主，次為白田壩組，屬濱海河流沼澤相。須家河組與其下的雷口坡組呈角度不整合接觸。陸相沉積的含煤地層與下部巨厚的海相灰?guī)r地層，這樣的地層組合，其形成巖溶陷落機(jī)理與一般的水平或緩傾斜地層中巖溶陷落機(jī)理是相同的，在此就不贅述。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料分析認(rèn)為，大傾角地層中的古巖溶陷落柱，只是在水平或緩傾斜狀態(tài)下形成陷落柱后，經(jīng)歷了一個(gè)“掀斜”的過(guò)程（圖6）。這個(gè)“掀斜”過(guò)程，是區(qū)域地層的一個(gè)總趨勢(shì)過(guò)程，理論上稱(chēng)為“掀斜運(yùn)動(dòng)”或者“翹起運(yùn)動(dòng)”，是區(qū)域地層相對(duì)于某一水平面，一端相對(duì)上升而另一端相對(duì)下降的運(yùn)動(dòng)，是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中垂直運(yùn)動(dòng)方式之一。在須家河組、白田壩組含煤地層形成過(guò)程及以后，廣旺礦區(qū)經(jīng)歷了三疊紀(jì)中、晚期至侏羅紀(jì)前的印支運(yùn)動(dòng), 侏羅紀(jì)中、晚期開(kāi)始的燕山運(yùn)動(dòng)，第三紀(jì)中期發(fā)生的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。數(shù)次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加，主要表現(xiàn)為地層的抬升、下降、抬升、加劇抬升，在龍門(mén)山—大巴山臺(tái)褶帶形成線型及過(guò)渡型褶皺，廣旺煤礦區(qū)的主體控制構(gòu)造大兩會(huì)背斜就在此褶皺帶中。如此，須家河含煤地層及其中的巖溶陷落柱，逐步被抬升“掀斜”。

圖6 巖溶陷落柱“掀斜”前后示意圖

基于上述認(rèn)識(shí)，我們不妨運(yùn)用赤平投影的原理，將勘探線剖面圖旋轉(zhuǎn)，讓地層處于大致水平狀態(tài)，不難看出所謂的斷層更類(lèi)似于一個(gè)陷落柱在剖面上的形態(tài)（圖7），反證了該陷落柱經(jīng)過(guò)了一個(gè)“掀斜”過(guò)程。另外，根據(jù)趙家壩煤礦、唐家河煤礦、代池壩煤礦、石洞溝煤礦所揭露陷落柱在剖面上展布特征來(lái)看，均體現(xiàn)出下部采掘工程揭露有陷落柱，其上部垂向一定范圍內(nèi)，無(wú)陷落柱的存在，而是沿地層傾向上延展一定距離，才會(huì)揭露出陷落柱體。說(shuō)明這些陷落柱呈現(xiàn)出的是一種沿地層傾向方向大角度傾斜的立體狀態(tài)。根據(jù)重力作用原理，這種特殊形態(tài)也只有地層在近水平或緩傾斜狀態(tài)下形成陷落柱后，通過(guò)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的“掀斜”才能產(chǎn)生。

4 形成時(shí)間

地殼升降運(yùn)動(dòng)是陷落柱形成的主要?jiǎng)恿?lái)源（尹尚先等，2019），廣旺煤礦區(qū)大傾角地層中的陷落柱，較水平或緩傾角地層中的陷落柱的差別在于，多了一個(gè)地層掀斜的過(guò)程。那這個(gè)掀斜的時(shí)間和動(dòng)力源，實(shí)際上是與廣旺礦區(qū)所在的川東北區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化息息相關(guān)的。因此，厘清廣旺煤礦區(qū)含煤地層形成以來(lái)的歷次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，可以基本確定該區(qū)域大傾角煤系地層中古巖溶陷落柱的發(fā)育及形成時(shí)間。

圖7 運(yùn)用赤平投影原理恢復(fù)的古地層剖面

4.1 發(fā)育時(shí)間

總體上講，四川盆地及相鄰地區(qū)如龍門(mén)山以西的川西高原、川北大巴山弧形褶皺束與秦嶺—大別山山地、四川盆地東部的鄂西—湘西山地、云貴高原等構(gòu)造地貌的形成除了燕山運(yùn)動(dòng)、四川運(yùn)動(dòng)的影響以外，還有喜山運(yùn)動(dòng)晚期青藏高原末次快速隆升的影響（葛肖虹等，2010）。α石英熱活化ESR定年法結(jié)果顯示，北大巴山經(jīng)歷了三個(gè)主要構(gòu)造演化階段，分別為 243.7～201.5Ma（晚印支期）、165.6～91.2Ma（中晚燕山期）、68.6Ma至今（喜山期）（程萬(wàn)強(qiáng)等，2009）。川東北地區(qū)自白堊紀(jì)以來(lái)的抬升剝蝕歷史又分：沉積埋藏階段（92Ma以前）、快速的隆升剝露階段（92～67Ma）、緩慢隆升的階段（67～15Ma）、次快速剝蝕階段（15Ma以來(lái)），說(shuō)明川東北地區(qū)可能分別在晚白堊世和中新世受兩次大的構(gòu)造作用的影響（胡迪等，2016）。

米倉(cāng)山構(gòu)造帶中-新生代構(gòu)造演化史可以概括為：晚三疊世之前的前碰撞期、晚三疊世至早侏羅世的同碰撞期、中侏羅-早白堊世早期的構(gòu)造平靜期、白堊紀(jì)期間的陸內(nèi)變形期、古新世至始新世早期的疊加構(gòu)造變形期、新世晚期以來(lái)的整體隆升期，等6個(gè)主要階段（孫東，2011）。據(jù)此，處于米倉(cāng)山南麓的廣旺煤礦區(qū)構(gòu)造背景演化大致可以體現(xiàn)為：成煤期前的特提斯南秦嶺洋南側(cè)的揚(yáng)子板塊北部的被動(dòng)大陸邊緣→成煤期的微水下隆起同生沉積→成煤期末的由北向南的輕微掀斜→成煤期后的強(qiáng)烈掀斜褶皺系的陸內(nèi)變形→復(fù)合疊加構(gòu)造變形沉積→整體隆升遭受剝蝕。在志留紀(jì)至晚三疊早期，上揚(yáng)子地臺(tái)為張性構(gòu)造環(huán)境，至印支運(yùn)動(dòng)晚期轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓構(gòu)造環(huán)境（周文等，1994）。志留系、下泥盆統(tǒng)、中三疊統(tǒng)雷口坡組、上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組等各地層中發(fā)育多套滑脫層（金文正等，2018）。喜山期印度板塊與歐亞板塊的強(qiáng)烈碰撞，引起"三江"造山帶與揚(yáng)子陸塊西緣抬升和地殼加厚（劉軍等，2019）。

廣旺煤礦區(qū)形成于晚三疊世、早侏羅世的含煤地層，在中侏羅世和早白堊世早期，處于一個(gè)構(gòu)造平靜期，地層受到輕微掀斜，其下地層中經(jīng)過(guò)多次張拉、擠壓構(gòu)造作用后裂隙廣泛發(fā)育的巨厚灰?guī)r，溶蝕積極發(fā)育，覆巖垮落，陷落柱相繼形成。其后白堊紀(jì)期間，揚(yáng)子板塊向秦嶺造山帶的楔入作用，導(dǎo)致米倉(cāng)山構(gòu)造帶發(fā)生強(qiáng)烈的陸內(nèi)變形，形成由北而南沖斷構(gòu)造級(jí)的東西向褶皺構(gòu)造，米倉(cāng)山主體構(gòu)造基本定型，廣旺煤礦區(qū)中、東段的主體構(gòu)造大兩會(huì)背斜，也在此時(shí)段基本定型。含煤巖系地層與灰?guī)r地層，從上下位置關(guān)系變?yōu)槟媳蔽恢藐P(guān)系，巖溶及陷落柱的發(fā)育進(jìn)入遲滯狀態(tài)。

4.2 定型時(shí)間

川東北地區(qū)缺失第三系和中、上白堊統(tǒng)，第四紀(jì)砂礫層與下白堊統(tǒng)、下白堊統(tǒng)與侏羅系地層呈超覆不整合接觸。龍門(mén)山和米倉(cāng)山，經(jīng)歷了燕山期和喜山期的一系列改造后，須家河組已經(jīng)被掀斜、褶皺（孫衍鵬等，2013）。始新世晚期以來(lái)，受青藏高原隆升的影響，米倉(cāng)山構(gòu)造帶及毗鄰盆地整體性由西向東隆升，整個(gè)區(qū)域構(gòu)造格局幾乎完全定格。廣旺煤礦區(qū)的含煤地層，以及更老的地層，均遭受剝蝕?？臻g關(guān)系從未抬升前的上下關(guān)系，呈現(xiàn)為前后關(guān)系或南北關(guān)系。盡管灰?guī)r地層出露區(qū)依然會(huì)存在巖溶發(fā)育現(xiàn)象，但含煤地層內(nèi)的古巖溶陷落柱，已失去進(jìn)一步發(fā)育的條件。廣旺煤礦區(qū)含煤地層中的巖溶陷落柱，于始新世晚期完全停止發(fā)育，直至定型。

5 結(jié)論

（1）大傾角地層中的古巖溶陷落柱，其形成的基本條件和形成的初期機(jī)理，與一般地層中發(fā)育的陷落柱是一致的。

（2）大傾角地層中的古巖溶陷落柱，其最終成型，相較于水平或緩傾斜地層中的陷落柱，是在形成末期及形成后，在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加作用下，伴隨地層的抬升、擠壓，增加了一個(gè)掀斜的過(guò)程。

（3）作為一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)大傾角地層中的古巖溶陷落柱，必須結(jié)合區(qū)域地層分布及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化，以及現(xiàn)場(chǎng)破碎帶與周邊地層的接觸關(guān)系，進(jìn)行綜合研究分析，方能作出正確判斷。

黃祥寬. 2010．廣旺礦區(qū)的煤種分布規(guī)律研究[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，30(4)：404-405．

黃祥寬. 2006．急傾斜地層中古巖溶陷落柱的形成機(jī)理及識(shí)別[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，34(1)：61-63．

尹尚先，連會(huì)青，劉德民，尹慧超．2019．華北型煤田巖溶陷落柱研究７０年：成因·機(jī)理·防治[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，47(11)：1-29．

葛肖虹，王敏沛，劉俊來(lái). 2010．重新厘定“四川運(yùn)動(dòng)”與青藏高原初始隆升的時(shí)代、背景：黃陵背斜構(gòu)造形成的啟示[J]．地學(xué)前緣，17(4)：206-217．

程萬(wàn)強(qiáng)，楊坤光. 2009．大巴山構(gòu)造演化的石英ESR年代學(xué)研究[J]．地學(xué)前緣，16(3)：197-206．

胡迪，沈傳波，劉澤陽(yáng). 2016．川東北地區(qū)埋藏–剝露歷史分析——來(lái)自盆地模擬和熱年代的制約[J]．大地構(gòu)造與成礦學(xué)，40(6)：1145-1153．

周文，王允誠(chéng)，蒲家奇，孟德琴，等. 1994．四川盆地大池干井構(gòu)造帶構(gòu)造形成機(jī)理及勘探評(píng)價(jià)[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，14(1)：25-30．

金文正，王俊鵬，崔澤宏，葉治續(xù)，等. 2018．川西地區(qū)構(gòu)造滑脫層巖石力學(xué)特征及構(gòu)造變形意義[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，136(04)：557-561．

劉軍，黃波，楊濤，徐偉鈞，黎朋，楊順成. 2019．三江地區(qū)大規(guī)模成礦動(dòng)力學(xué)模式淺析[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，140(04)：542-545．

孫東. 2011．米倉(cāng)山構(gòu)造帶構(gòu)造特征及中-新生代構(gòu)造演化[D]．成都：成都理工大學(xué)，6：17．

孫衍鵬，何登發(fā). 2013．四川盆地北部劍閣古隆起的厘定及其基本特征[J]．地質(zhì)學(xué)報(bào)，87(5)：609-620．

Formation Mechanism and Time of Buried Paleokarst Collapse Column in Steeply Dipping Strata in Guangwang Coal Mine Area

HUANG Xiang-kuan

(Guangyuan Branch of Sichuan Chuanmei Huarong Energy Co. Ltd., Guangyuan 628017)

Paleokarst collapse column in steeply dipping stratum is a special geological phenomenon, which may be misjudged as fault if it is not studied comprehensively and carefully. Starting with the basic geological characteristics of Guangwang coal mine area, based on the fact that the crustal movement is the main power source for the formation of collapse columns, through the evolution of regional geological structure and regional strata, this paper analyzes the formation mechanism of paleokarst collapse columns in steeply dipping strata and the determination of formation and finalization time. The analysis shows that the basic conditions and initial mechanism of the formation of paleokarst collapse columns in steeply dipping strata in Guangwang coal mine area are consistent with the collapse columns developed in general strata. Compared with the collapse column in horizontal or gently inclined strata, its final formation is an increasing tilting process under the superposition of geological tectonic movement. It developed in the Middle Jurassic and early Early Cretaceous, and completely stopped in the late Eocene until it was finalized.

steeply dipping strata; paleokarst collapse columns; formation mechanism; Guangwang coal mine area

P542

A

1006-0995（2022）04-0547-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.001

2021-11-15

黃祥寬(1966— ），男，四川瀘縣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，研究方向：煤礦地質(zhì)