赵庄二号井岩溶陷落柱的成因分析①

周起谋 李小明 史桃桃 许海涛

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.北京华安奥特科技有限公司，北京 100085)

晋城矿区煤矿地处华北板块的中部，井田内地层沉积比较稳定，经历多次地壳升降，地层差异升降显著，部分陷落柱陷落高度达数百米。由于中奥陶系灰岩是华北煤田主要含水层，具有较高的承压水头，若柱体充填物的压实、胶结程度较差并受采动等外部因素影响，陷落柱很可能成为奥陶系灰岩强含水层和含煤地层之间的联系通道，存在严重的安全隐患，对煤矿安全生产危害极大［1］。

赵庄二号井所在矿区位于华北断块中的吕梁—太行断块沁水块坳东部。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层厚度大富水性好，且主采煤层3#和15#煤层均位于奥灰水位之下，处于带水压开采状态。在断层、陷落柱等发育地段，奥灰水有可能通过隐伏导水陷落柱、断层和裂隙密集带等地质异常体突入矿井，造成矿井水害［2］。因此，探究分析陷落柱形成原因，有利于在工作面回采前采取相应防护措施，防止陷落柱引发导水事故，保障矿井安全生产。

1 岩溶陷落柱形成的基本条件

1.1 可溶性岩层

赵庄二号井钻探达到奥灰马家沟组的G#1水文孔，揭露的奥陶系中统上马家沟组(O2s)岩性下部为泥灰岩、泥质灰岩和石灰岩互层及石灰岩夹薄层泥质灰岩及角砾状泥质灰岩，即奥陶系中统三段，厚度143.49m，裂隙发育，岩芯破碎，裂隙面多呈铁锈色，岩芯多呈块状短柱状，局部有溶蚀现象;上部主要为石灰岩地层，夹薄层泥质灰岩，即奥陶系中统四段，厚度89.10m，裂隙发育，岩芯破碎，局部有溶孔发育，岩芯多呈块状及短柱状，其间有一层厚3.58m的裂隙发育带，泥质胶结灰岩碎石，碎石大小2～8cm，易碎，为裂隙岩溶发育地段。

奥陶系中统峰峰组(O2f)为含煤地层基底，井田内的4602孔最大揭露厚度143.97 m，属海相沉积。顶部为灰色石灰岩，富含黄铁矿;上部为灰色石灰岩、角砾状石灰岩及泥质灰岩，夹灰白色白云岩和泥质白云岩，局部溶洞发育，裂隙内充填有方解石脉;下部为浅灰色白云质灰岩，灰色－浅灰色中厚层状石灰岩、含泥灰岩，局部溶洞发育。

中奥陶统(峰峰组及马家沟组)存在着大量的可溶性石灰岩、白云岩。石灰岩的主要成分是CaCO3，白云岩的主要成分是CaMg(CO3)2。在一定的环境中，CaCO3、CaMg(CO3)2被 CO2溶解，其化学式如下:

在水动力作用下，溶于水的Ca2+、Mg2+、HCO－3被带走，石灰岩、白云岩被逐渐溶解而形成溶洞。当发育到一定程度时，受地壳运动及上覆岩层的重力影响，导致上部岩层垮塌而形成陷落柱。可见，可溶性岩层是岩溶陷落柱形成的前提条件。

1.2 本井田的断层及裂隙(导水)的情况

1.2.1 井田断层及裂隙概述

本井田位于晋(城)—获(鹿)褶断带南段的韩店至高平间褶断带西侧，武(乡)—阳(城)凹褶带东侧。区内构造主要受新华夏构造体系的控制，全井田总的为一走向北东，倾向北西，倾角5°左右的单斜构造，在此基础上伴有次一级宽缓褶曲和小型断裂，断层附近地层倾角达15°以上。区内主要断层的走向多为北北东向;西北部褶曲因受后期构造运动的影响向西偏转成北东东向。

目前赵庄二号井经三维地震勘探，共发现72条大中型断层。断层大都为正断层，延伸长度不大，从几十米到数百米不等，落差3～290 m，一般只有几米。其中对安全影响较大的断距大于30m的断层共五条，即东南部的庄头正断层、DF31、DF32和DF55等正断层，西部的兴旺庄南正断层。上述断层均属于张性断层，由于张性断层破坏了岩石的完整性，增加了岩石的渗透性能，扩大了水与岩石的接触可溶机会，使水流具有了良好的通道，加强了岩溶发育程度，为陷落柱的形成创造了条件。这也是为什么赵庄二号井岩溶陷落柱主要是沿着庄头正断层和兴旺庄南正断层、DF40正断层及其次生断层的走向分布的原因。

“咦？”霍铁和小达忍不住叫了出来。小达仔细端详着小姑娘，然后哈哈大笑起来。她扭头扯了扯霍铁的胳膊：“哥哥，你忘了？几个月前的那次体操表演赛，我还采访过她呢！”

1.2.2 断裂构造控制陷落柱的发育

从矿区宏观地质尺度看，区域断裂构造特别是张性断裂构造不仅是坚硬岩石的水流通道，也是地下水系统的迳流与排泄带，起到陷落柱发育的控制作用。针对本井田，将陷落柱的长轴走向和本区113条断层走向和倾向整理成表格如下:

表1 3#煤层、15#煤层陷落柱长轴走向和断层倾向、走向综合统计表

由上表可以知道，陷落柱与断层走向和倾向在相同的方位间隔段内平均走向值相差很少。如在方位间隔为20°～29°内，3#煤层内陷落柱的长轴走向平均值是24.4°，15#煤层内陷落柱的长轴走向平均值是22.25°，而它们这片区域断层的走向是24.2°。说明陷落柱的群体长轴方向与区域断层的走向有明显的一致性。这些地质构造不仅控制岩溶的发育强度和深度，而且控制岩溶发育的方向和部位［3］。

1.3 岩溶地下水

1.3.1 区域水文地质单元

赵庄二号井位于辛安泉水文地质单元内。辛安泉岩溶水系统面积约12750 m2。中、上寒武系和中、下奥陶系广泛出露于系统的东部。区内主要岩溶含水层组为:(1)、中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层组，主要由灰岩及白云岩组成，厚310～711 m，岩溶发育，储水性好，单位涌水量7.8～85.1 L/s·m;(2)、下奥陶统和中、上寒武统岩溶裂隙含水层组，主要为白云岩，灰质白云岩，鲕状灰岩和泥质灰岩等，厚度为230～720 m。岩溶不甚发育，储水性中等，单位涌水量0.21～0.95L/s·m。

辛安泉岩溶水系统为一巨大的、独立的岩溶水系统。根据赵庄二号井田地理坐标为:东经112°54'15″－112°58'00″，北纬 35°59'39″－ 36°01'00″，推断出赵庄二号井处于辛安岩泉域岩溶地下水的长治子系统内。由图1可见，赵庄二号井在长治—潞城强径流带的南端附近。

图1 辛安泉域岩溶地下水子系统特征图

1.3.2 井田水文地质单元

赵庄二号井属于长治子系统。长治子系统位于长治新裂陷盆地的东部，其东边隔晋获褶断带与壶关子系统为邻;西边与径流滞缓区相连;南边以地下水分水岭与延河泉域分界，子系统总面积为980km2，大气降水是地下水的主要补给来源，其次老顶山背斜在贾掌以南向下倾伏，陶清河水库一带，岩溶地下水穿越晋获褶断带侧向补给该子系统。再者沿长治大断层及二岗山垒可溶岩天窗，其上覆含水层的侧向或越流补给，其天然总补量为0.76 m3/s。该子系统主要含水层为、石灰岩和泥质灰岩，地下水从南向北沿长治断层破碎带经潞城市区南部向排泄区径流，南流泉是该子系统的代表性排泄点。HCO3·SO4－Ca·Mg型水是区别于其他子系统的重要标志。子系统向西矿化度、硬度增大，水质类型逐渐复杂化。

1.3.3 岩溶地下水动力条件控制岩溶陷落柱发育

岩溶发育必须具备两个条件，即可溶性岩层和良好的地下水动力条件，其中地下水流通道和排泄口的畅通与否对岩溶和陷落柱的形成更具有特别重要的意义［4］。从已经发现的陷落柱分布特点看，华北煤矿区陷落柱与岩溶泉域发育、岩溶地下水集中迳流、排泄带关系密切，在这些区域内陷落柱分布密度最大:①如峰峰矿区，陷落柱主要集中分布在黑龙洞泉群系统的四矿、通二矿、一矿;②如阳泉煤田煤系基底的中奥陶统碳酸盐岩大面积出露地表，形成较大的娘子关泉群，从而产生众多岩溶陷落柱，使之成为华北型煤田陷落柱最发育的矿区之一［5］。

赵庄二号井所属的长治子系统以大气降水为地下水的主要补给来源，其次还接受壶关子系统沿东西向断层和陶清河水库一带岩溶地下水的侧向补给。地下水从南向北沿长治断层破碎带经潞城市区南部，向南流泉为代表的排泄点排泄，形成了排泄区径流。为赵庄二号井陷落柱的形成提供了地下水交替循环，成为了陷落柱形成的良好的地下水动力条件。

正因为岩溶地下径流为陷落柱的形成提供了动力条件，所以在赵庄二号井井田内走向与与岩溶径流方向一致的兴旺庄正断层、DF40和庄头正断层附近陷落柱发育密集，形成了陷落柱密集带。

2 矿区岩溶陷落柱成因

印支运动前期，石炭－二叠纪煤系在成岩压实过程中不断沉积释水，而这种沉积释水主要是以垂直方向运移为主，奥陶系灰岩顶部的良好渗透性为这种释水的进入提供了方便之门，沉积释水的进入，一方面与奥陶系灰岩水混合后产生混合溶蚀作用;另一方面随煤系中的有机质增温成熟，在成烃热解过程中因脱羧基作用而分解出大量的CO2，在水的作用下不断溶蚀灰岩岩层，流动的水不断带走 Ca2+、Mg2+，CaCO3和［CaMg(CO3)2］就会不断地溶解，岩石不断被溶蚀，使灰岩下部空隙发育。由此可知在长时间酸性水和溶蚀性水的作用下，易遭穿透，并不断发展，逐渐溶蚀岩层中的灰岩。

印支－燕山运动时期，沁水盆地产生褶皱、断层，并且整体处于抬升阶段，地下水水平基准面不断下降，灰岩更容易沿张性破裂面发育。为陷落柱提供了良好的导水通道。在喜马拉雅运动时期，沁水盆地西侧的晋中断陷为断陷沉降区，地下水不断向晋中断陷汇集，对岩溶进一步的侵蚀。

在古岩溶发育的基础上，地下岩溶水以大气降水为地下水的主要补给来源，从南向北沿长治断层破碎带经潞城市区南部，向南流泉为代表的排泄点排泄。途径赵庄二号井，沿张性断层径流，不断溶蚀灰岩地层，并使地下岩溶裂隙融会贯通，地下溶洞系统不断发展壮大，最终形成初期的地下洞穴系统。当岩溶洞穴发展到一定规模时，溶洞所形成的自然拱不能承受上部岩体的自重力时，溶洞塌陷，陷落柱形成。

3 结论

1)岩溶形成的三要素是:可溶岩、构造和地下水活动，岩溶陷落柱是岩溶空洞上覆岩层坍塌的产物，形成陷落柱必须具备以下三个条件:一是必须具备可溶岩(如在煤系地层下伏有可溶性岩层，如奥陶系地层中的石灰岩、白云岩、石膏等);二是有发育在可溶性岩层的断层及裂隙(导水)的存在;三是具有活跃的水动力条件。

2)赵庄二号井所处的奥陶统(峰峰组及马家沟组)因有大量的可溶性的石灰岩、白云岩存在，而成为煤系地层形成陷落柱的主要岩层。在一定的环境中，石灰岩的主要成分CaCO3、白云岩的主要成分CaMg(CO3)2被CO2溶解，在水动力作用下，溶于水的Ca2+、Mg2+、HCO－3被带走，石灰岩、白云岩被逐渐溶解而形成溶洞。

3)赵庄二号井井田内陷落柱的形成不仅受岩溶地层的影响，同时也受地质构造的影响。地质构造不仅控制岩溶的发育强度和深度，而且控制岩溶发育的方向和部位。所以井田内陷落柱的群体主要的长轴方向与区域断层的主要的走向有明显的一致性。

4)赵庄二号井所处的水文地质单元是辛安泉水文地质单元。正因为辛安泉为陷落柱的形成提供了水动力条件，所以在赵庄二号井井田内走向与与岩溶径流方向一致的兴旺庄正断层、DF40和庄头正断层附近陷落柱发育密集，形成了陷落柱密集带。

［1］ 尹尚先，武 强，王尚旭.华北岩溶陷落柱突水的水文地质及力学基础［J］.煤炭学报，2004，29(2):182－185

［2］ 矿井中长期防治水规划(2012—2017年).煤矿安全网

［3］ 王则才，武强，岩溶陷落柱与矿井防治水策略研究［J］. 工程勘察，2002，1:29－30

［4］ 张茂林，尹尚先.华北型煤田陷落柱形成过程研究［J］.煤田地质与勘探，2007，6(35):27－29

［5］ 张宝柱，陈振东.华北型煤田岩溶陷落柱分布规律及其水文地质意义［J］.1996，3(15):295－298