岩溶陷落柱分布规律研究

申瑞屏，史桃桃，李永军

（1.山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司，山西 晋城 048200；2.北京华安奥特科技有限公司，北京 100085；3.华北科技学院，河北 燕郊 065201）

胡底矿位于沁水县胡底乡西北0.50km处，沁水坳陷南端。井田构造线方向与区域构造一致，地层总体走向为北北东或近南北向，地层倾向北西，倾角一般小于10°。矿井区域内主要出露二叠系上统上石盒子组及石千峰组，第四系松散堆积物分布于河谷及部分山坡上。区内发育一些宽缓的次级褶皱，褶皱是本井田的格架构造，具体表现为蒲池背斜和石门上向斜。三维地震解译结果显示，井田内分布X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8等8个陷落柱。

据胡底矿区域资料，本区奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层厚度达271～806m，富水性好，且岩溶陷落柱多分布在岩溶地下水集中径流、排泄带。在陷落柱发育地段，奥灰水有可能通过隐伏导水陷落柱突入矿井。岩溶陷落柱突水一般具有水量大、来势凶猛的特点，常冲破煤壁，溃入巷道，淹没矿井，造成灾害性的事故［1］，因此隐伏岩溶陷落柱的预测和陷落柱突水的防治对矿山安全生产具有重要意义。本文在探讨胡底矿岩溶陷落柱成因机理的基础上，分析岩溶陷落柱的控制因素，从而总结出岩溶陷落柱的发育规律，为隐伏岩溶陷落柱的预测和陷落柱突水的预防提供帮助。

1 陷落柱形成及控制因素

岩溶陷落柱又称为无炭柱。可溶性岩层在地下水强径流作用下，经过漫长的历史时期，被溶蚀形成空洞、孔隙或裂隙，随着溶蚀作用加强，孔洞不断增多、扩大，最终受重力和构造力影响，导致上部岩层失去支撑，垮塌陷落而形成岩溶陷落柱［2－3］。

胡底矿岩溶陷落柱的形成及控制因素主要包括以下三个条件：一是具有可溶岩（如奥陶系地层中的石灰岩、白云岩）；二是具有导水构造；三是具有活跃的水动力条件。

1.1 可溶岩

胡底矿灰岩地层主要分布在石炭系上统太原组（C3t）和奥陶系（O）、寒武系（∈）（表1）。据相关资料，胡底矿X3、X4陷落柱与正常地层相比落差达35.271～73.185m。太原组虽然夹有石灰岩，但富水性为弱—中等，且地层厚度仅为0.60～6.76m，尚不足以形成落差较大的陷落柱。虽然本区域寒武系灰岩厚度大，但华北地区寒武纪灰岩大都在奥灰之下，发育岩溶陷落柱的可能性较奥灰要小［1］，且奥陶系石灰岩与上部含煤地层相距很近（井检4号钻孔揭露奥灰顶界面距主采15号煤层底板仅为19.19m）。奥陶系灰岩在井田外的东南部大面积出露，受水面积广，大气降水补给充分，使得奥陶系灰岩富水性较好，岩溶作用强烈。因此，奥陶系灰岩是形成胡底矿岩溶陷落柱的主要可溶岩层。

中奥陶统（峰峰组及马家沟组）大量的可溶性的石灰岩、白云岩存在。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［4－5］如下：

在水动力作用下，溶于水的 Ca2＋、Mg2＋、HCO3－被带走，石灰岩、白云岩被逐渐溶解而形成溶洞。岩石不断被溶蚀，使灰岩下部空隙发育。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。

表1 灰岩地层简表Table 1 The simplified statement of limestone strata

1.2 构造

中奥陶世以后的加里东运动，使华北上升为陆地，海水又撤出本矿区。历经志留、泥盆纪及早期中石炭世。在长期的风化剥蚀下，形成准平原化岩溶地貌［2］。印支—燕山运动，地壳活动强烈，沁水盆地整体上升，遭受剥蚀，胡底矿缺失侏罗系和白垩系地层沉积。强烈的地壳活动，使灰岩多沿张性破裂面发育，加速了地下水循环，更有利于陷落柱的形成［6］。喜马拉雅时期，在拉张应力场背景下，胡底矿形成了近SN向的蒲池背斜和石门上向斜以及NW、SN向的断层。

由于井田内断层及褶皱破坏了岩层的连续性和完整性，加强了地下水的循环交替［7－8］。并使具有溶蚀能力的水与可溶岩石的接触不断扩大，加快了可溶岩的溶蚀，反过来也促使断层附近和褶曲轴部的构造裂隙更加发育。随着地下水不断循环→裂隙逐步扩大→水流通道加宽→水流速加大→溶蚀不断扩大→岩溶洞穴形成→上覆岩层垮塌陷落→陷落柱形成。因此断层及褶皱为陷落柱的形成创造了有利条件。

1.3 水动力条件

胡底矿地表主要出露二叠系上统上石盒子组及石千峰组，第四系松散堆积物分布于河谷及部分山坡上。这些出露地表的二叠系砂岩裂隙含水层、松散岩类孔隙含水层在接受大气降水的补给后，沿地层孔隙和地质构造破碎带补给地下岩溶水。同时在井田外东南部有大面积的奥陶系灰岩出露，使得大气降水通过出露的灰岩补给地下岩溶水。岩溶水在接受补给后通过岩溶裂隙导水通道向南偏西径流，形成水动力条件。

2 陷落柱分布规律

2.1 集中分布在二叠系砂岩裸露区

胡底矿有8个陷落柱，全部分布在二叠系上统石千峰组一段（P2sh1）、上石盒子组三段地层砂岩（P2s3）裸露地层段。在本矿区，二叠系上统石千峰组（P2sh）为本区基岩出露的最高层位，广为分布，石千峰组一段（P2sh1）厚58～65m，以厚—巨厚层状砂岩为主，上石盒子组三段（P2s3）一般厚235m，岩性为灰黄—浅红色泥岩夹砂岩或粉砂岩，砂岩为岩屑石英砂岩。二叠系上统石千峰组一段（P2sh1）、上石盒子组三段地层砂岩（P2s3）的岩性特征使其成为胡底矿二叠系砂岩裂隙含水岩组。巨厚的粗砂岩及中细粒砂岩含水层，直接接受大气降水的补给。含水层段的裸露加快了地表水对地下水的补给，此处地下水活动更加活跃，为陷落柱发育提供了有利条件，使本区陷落柱全部集中分布在二叠系砂岩裸露区。

2.2 沿褶曲轴向呈带状分布

由图1可以看到，地表沿浦池背斜东翼和石门上向斜西翼之间有二叠系上统石千峰组一段（P2sh1）、上石盒子组三段地层砂岩（P2s3），砂岩裂隙含水岩组呈条带状分布，巨厚的粗砂岩及中细粒砂岩含水层，直接接受大气降水的补给，形成了地表水条带状的补给区域。且在此条带状补给区域断层发育。断裂互切，岩石破碎，裂隙发育，不但为降雨入渗、地表水渗漏提供条件，同时更有利于形成地下水径流通道，加速了地表水对地下水的补给。因此，沿浦池背斜东翼、石门上向斜的西翼带状分布区为陷落柱发育提供了更有利的条件。图2也可以反映出沿浦池背斜东翼、石门上向斜的西翼带状分布区陷落柱发育比较密集。自北向南，X8、X7、X6、X5、X4、X1、X2陷落柱长轴走向分别是NE、NE、近N、NW、NWW、NW、NW，陷落柱长轴走向自北向南由NE方向逐渐转为NW方向（表2）。陷落柱附近断层走向也由NE方向转为NW方向（表3），与陷落柱长轴走向一致，说明断层发育密度及产状与陷落柱发育密集程度和发育形状有密切的关系。

图1 地质略图Fig.1 Geological outline map

表2 陷落柱发育情况Table 2 The development situation of collapse column

3 结论

研究表明，陷落柱形成的三要素是：可溶岩、构造和地下水活动，三者不是独立的，而是相互联系，共同作用影响着陷落柱的发育。其中构造对胡底矿陷落柱的发育起到主要的控制作用，使得陷落柱整体呈现沿褶曲轴向带状分布的特点。不仅仅胡底矿，就整个沁水煤田而言，受华夏系构造的控制，陷落柱均呈现定向带状分布的特征。本文通过对胡底矿水文地质情况的分析，研究总结陷落柱的成因机制及发育规律，对预测隐伏岩溶陷落柱及分析地下水的径流情况提供了帮助。同时本矿区的主要河流胡底河属于黄河流域沁河水系，由于沁河水系为延河泉域最低排泄基准面而形成了对岩溶发育起决定作用的岩溶水流动系统［9］，因此建议从研究陷落柱发育的成因机制及控制因素的角度出发，进一步分析河流对胡底矿区陷落柱发育的影响。

表3 断层产状一览表Table 3 The list of fault attitude

图2 地质构造纲要图Fig.2 Geological tectonic outline map

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