安徽淮南煤田“陷落柱”成因模式及其综合预测研究

许光泉，孙丰英，李佩全，汪敏华，刘满才

（1．安徽理工大学，安徽 淮南232001；2．淮南矿业（集团）责任有限公司，安徽 淮南232001）

“陷落柱”是地质历史时期在构造、沉积与地下水动力共同作用下形成的产物，是岩层形成后经后期地质改造所保留下来的具有一定特征形态地质结构体，主要在溶洞、岩溶塌陷基础上形成并充填一定结构物质。淮南煤田位于华北煤田南缘，近10多年来矿山探测开采揭露发现：“陷落柱”较为发育，并隐伏于煤层底板下部的岩溶陷落柱，对深部煤炭资源的安全开采构成重大威胁。相邻的淮北煤田的皖北任楼煤矿1996年3月、淮北桃园煤矿2013年2月因隐伏式“陷落柱”突水导致淹井事故发生，造成了重大经济损失［1］。近年来在淮南煤田中部水文地质单元A组煤层地表水文地质补充勘探及井下疏放水试验过程中，因受“陷落柱”影响，在多处出现了煤层底板灰岩出水的异常现象，将构成矿井安全威胁。

1 “陷落柱”形成地质背景

淮南煤田位于大别山脚下，在元古界陆核基础上沉积了寒武系与奥陶系碳酸盐地层，在志留世、泥盆世期间，经历加里东运动后使之发生向上抬升，形成了一个碳酸盐台地，并经一个漫长地质历史时期的强烈风化剥蚀与改造作用。华北煤田在开采过程揭露证实，期间因受构造地质作用，断层、裂隙网络以及宽缓褶皱异常发育，并产生各种岩溶地貌。就岩性而言，由北向南，碳酸盐中白云石、石灰石和硫酸盐等在空间生分布具有非均匀性。本区寒武系地层主要以白云质灰岩为主，间夹灰质泥岩；奥陶系主要以灰质白云岩为主，而岩溶“陷落柱”分布密度与矿物成分密切相关，在富有硫酸盐和石灰岩地层比白云岩更容易发生岩溶化作用，它为差异溶蚀作用提供了良好的物质基础。

华北煤田矿山生产实践发现：“陷落柱”在整个区域内形成与分布，具有一定规律性［2］。通过统计煤田揭露陷落柱数量发现，由北至南其数量逐渐减少，分布密度逐渐减小，而淮南煤田不仅与华北板块北部一样受多期构造影响，同时还受到东部郯庐断裂影响，往往还产生不同尺度岩溶张裂隙。

经过志留世至早中石炭世的古大气降水及地表与地下水流作用，以及多期地壳沉降与挤压作用，在浅表产生诸如岩溶塌陷、溶洞、层间串珠状孔洞等古岩溶地貌，尤其华北煤田北部，如山西、内蒙古及河北、河南境内。但从淮南煤田舜耕山-八公山寒武系与奥陶系碳酸盐露头区调查结果发现，与岩层层面垂直的古溶洞和岩溶塌陷难以发现，多为与走向斜交和垂直的大的构造裂隙，但仅仅在寒武系和奥陶系露头区和浅层覆盖区零星存在溶洞、岩溶塌陷现象。

再者，由本溪组至石千峰组聚煤规律可知：从北方的内蒙古经山西至淮南地区，含煤地层形成环境由滨海相环境向海陆过渡，然后到内陆三角洲，煤层由巨厚层到厚层最后至薄层，这说明石炭二叠系沉积基底古地貌为北高南低。在中石炭世，淮南煤田处于海相而不具备成煤环境，仅在太原组煤系地层中分布一些薄层煤线，却形成12～13层薄层灰岩；此时在内蒙古至山西境内则正处于形成巨厚煤层环境之中，即所谓的“陆在北，海在南古地理格局”［3］。后经印支、燕山两期构造运动后，对覆盖在煤系地层下部岩溶古进行破坏与改造作用，在煤田范围内形成纵横交错的网络断裂，同时也在地下水流作用下，不断地发生岩溶化作用，可能导致古岩溶复活与再生，“陷落柱”从此开始进一步形成，在新构造运动控制下，沉积了第三系及第四系河湖相物质。

2 “陷落柱”分布特征

2．1 平面分布

依淮南煤田水文地质单元划分［4］，以阜凤逆断层为界，分为南部水文地质单元和中部水文地质单元。其中，南部单元的在浅部岩溶塌陷为主，分布在九龙岗-大通、李郢孜、谢家集、新庄孜以及孔集及新集三矿一带，还有凤台县大山及新城区。自六十年代以来，因煤矿开采，造成该地区浅部灰岩地下水位下降，诱发李郢孜至孔集山前岩溶覆盖区塌陷，岩溶分布与构造有着密切的关系［5］。凤台县新城区荷载增加诱发寒武系灰岩含水层中岩溶塌陷，而波及到地表松散层。

由于浅部灰岩裂隙与溶洞发育，长期接受露头区大气降水入渗补给，同时也受到浅部地表水与地下径流作用，其径流量随着深度增加，裂隙发育程度减弱而出现减弱趋势。浅部岩溶地下水的特点。

多年来对南部及中部水文地质的补充勘探及井下揭露，相继发现了大小不一的“陷落柱”。截至目前为止，共发现12个（含疑似4个），其分布见图1与表1，地质剖面如图2所示。

表1 淮南煤田“陷落柱”分布

图1 淮南煤田“陷落柱”分布示意图

图2 淮南煤田A-A地质剖面图

2．2 空间特征

淮南煤田南部地质单元为单斜地层，浅部碳酸分布区具有典型的现代化岩溶特征。在-480m水平以上的煤层开采过程中疏干排水，导致浅部松散充填岩溶地区地表产生岩溶塌陷现象。随着向开采深度延伸，其岩溶裂隙发育逐渐变弱。受先期古岩溶作用，“陷落柱”的发育具有不均匀性，在井下表现为异常突水现象，由于它与下部岩溶含水层沟通，成为重要的突水通道。

通过三维地震资料分析及井下实际揭露，中部“陷落柱”发育在淮南煤田复向斜内部，如谢桥矿揭露［6］，在平面上分布具有不均匀性，其形态多为长条形。长轴方向为NW-SE，剖面为上小下大，其顶端在风化基岩面以下；其根部多发育于寒武系灰岩地层或奥陶系地层，由底部向上，其塌陷面逐渐较小，围岩裂隙较发育［7］；其内部充填不同的粒径的岩屑，固结程度和压实性的差异性，影响了其的含、导和隔水性。其发育高度，受演化过程控制，可穿透至下石炭系灰岩地层或至二叠系煤系地层中，往往具有一定隐蔽性。

3 “陷落柱”的形成与演化

淮南矿区“陷落柱”形成大致经过3个阶段：阶段Ⅰ：手加里东运动影响，导致寒武系和奥陶系碳酸盐台地受不同程度破坏作用，古地下水流通过不同尺度断裂，对此进行强烈溶蚀作用，形成形态各异的岩溶地貌，如落水洞，岩溶塌陷；阶段Ⅱ：中、晚石炭世至二叠世沉积物直接覆盖岩溶地貌之上，经过成岩作用后，受早三叠世印支运动所产生南北挤压作用影响，形成了近东西向向的褶皱和断裂；三叠纪末期在受南北压应力作用同时，在郯庐断裂的左旋（反扭）平移运动作用下，产生一系列北东和北北东向的断裂；阶段Ⅲ：经过印支运动后，寒武纪至二叠纪形成地层经历了全面改造，本区为地势较高的物源区，发生在三叠纪至白垩纪期间燕山运动，在古大气降水、地表水与地下水强烈作用下使得以往岩溶发生了“活化”，产生多期向上“淘蚀”作用，是形成不同高度“陷落柱”的最主要动力之一。“陷落柱”具体演化过程如表2所述。

表2 “陷落柱”形成背景与演化过程

4 “陷落柱”成因模式

依构造控制水文地质单元划分，淮南煤田陷落柱形成模式初步可划分“单斜式”和“复式向斜式”2种模式，分述如下：

4．1 单斜地层中“陷落柱”成因模式

位于阜凤断层以南与舜耕山断层以北之间，为淮南煤田南部推覆体上盘（图2）。从九龙岗经谢家集至孔集一带，沿近东西走向地层由急倾斜至倒转然后到单斜再到急倾斜。通过对露头区和矿山疏放水所诱发产生岩溶塌陷调查发现：岩溶发育位置主要在露头区与山前薄层第四系松散沉积物覆盖区。

受印支运动产生近东西向挤压作用后，寒武系和奥陶系及煤系地层发生了倾斜与倒转，同时，三叠系后期还产生了NNE向NW向的不同尺度垂向裂隙，形成纵横交错的裂隙网络，为岩溶进一步发育创造有利条件。露头溶洞主要发育在寒武系毛庄组、徐庄组和奥陶系的马家沟组隐伏式浅部岩溶塌陷分布，主要在奥陶系和寒武系地层中。地表岩溶塌陷平面分布与构造走向有着密切的关系，主要集中分布在李一矿、谢二矿、新庄孜矿及孔集矿、新集三矿一带。在-480m以上，碳酸盐含水层富水性与大气降水及地表水之间存在密切水力联系，地下水位变化与大气降水量之间具有较好的响应关系。浅部强烈的多期构造作用及现代岩溶作用是导致岩溶地下水丰富主要因素。从-480 m至-800m以下水平，受现代岩溶地质作用影响小，煤层底板下部岩溶发育程度差及富水性弱，但深部仍然存在“岩溶陷落柱”，如新庄孜矿-830m水平63301工作面底板灰岩异常突水，导致浅部寒武系、奥陶系及石炭系地下水观测孔水位急剧下降，经示踪试验探测，存在多条不同尺度通道与突水点相联系，据此推断突水点异常现象与“陷落柱”通道相关［8］。

因此，单斜岩溶浅部主要表现为现代化岩溶作用特征。由浅部向深部，受构造发育程度及地下水径流条件限制，岩溶发育逐渐变差，存在继奥陶系以来印支运动时期的古岩溶作用影响，在深部煤系地层中仍然存在导水的“陷落柱”，如图3。

4．2 复式向斜地层中“陷落柱”成因模式

该区位于阜凤断层以北、明龙山-刘府断层以南范围内，为淮南煤田推覆体的下盘，印支运动的南北方向挤压与推覆作用使之发生褶皱与断裂，其方向为近东西向；后燕山运动形成的近NNE向拉张断裂，形成了裂隙网络。从潘谢矿区至刘庄与口孜东矿区开采揭露发现：古地貌总体上由东向西逐渐降低，但其间存在一定的起伏。在潘集背斜、张集矿与谢桥矿之间范围内，为碳酸岩露头区，目前所揭露“陷落柱”主要位于该范围附近。

经谢桥矿井筒揭露，从A组煤层底板灰岩放水试验发现，在露头区及附近岩溶张裂隙发育，古岩溶发育，富水性中等至强，且灰岩含水层之间连通性好，其岩溶地下水动态变化反映了各灰岩含水层已经成为一个相互联系的古岩溶系统。

该段“陷落柱”发育于在复式向斜地层中，大致经过以下2个发展演化阶段：

第Ⅰ阶段：印支期的挤压作用后岩溶复活阶段

在志留纪与泥盆纪期间，经风化剥蚀作用最终形成碳酸盐古岩溶地貌被石炭系、二叠系及早三叠系的地层所覆盖。印支期的构造运动，使得整个地层发生近东西向褶皱变形及断裂构造作用，区内碳酸盐地层除了潘集背斜和张集-谢桥之间存在灰岩露头外，其余均被煤系地层所覆盖。三叠纪的古大气降水、地表水、地下水径流作用，使得复向斜区内形成了一个地下水补给、径流和排泄系统，在灰岩露头区及其附近形成了岩溶地下水系统，断裂与裂隙区往往形成强径流带，再次激活隐伏在寒武系、奥陶系地层内的古岩溶，长期地下水流作用，使得煤系地层下部的古岩溶，如大的岩溶裂隙、落水洞、古岩溶塌陷，反复地发生了溶蚀，导致“复活”，并向上进一步与石炭系岩溶地层发生溶蚀与真空吸蚀作用，并逐渐向二叠系煤系地层延伸。

图3 单斜地层中“陷落柱”成因模式示意图

第Ⅱ阶段：燕山期的拉张断裂后的岩溶深化阶段

燕山期的构造运动是在上述岩溶复活基础上叠加了近NNE向的拉张性断裂运动，在整个煤田中产生了阶梯状断裂，且使得古地貌产生自东向西台阶式下降，如陈桥断层，东西两盘落差近200m。它不仅改造了先期形成断裂与褶曲，同时也为深部岩溶进一步发展，陷落柱进一步形成提供了地下水径流通道。在侏罗纪、白垩纪期间的古大气降水与强烈地表与地下水强烈径流作用，在碳酸盐露头区及其附近浅部，岩溶发育程度得到进一步深华，形成诸如岩溶塌陷、溶洞及岩溶裂隙带等岩溶地貌特征。煤系地层中的“陷落柱”就是在这种条件下一步一步形成的，并隐伏于煤系地层不同深度范围内，其间充填上覆岩屑物质，同时受腔体内环境影响，伴生各种还原环境下的矿物，诸如黄铁矿和方解石等，其成因模式如图4所示。

图4 复式向斜地层中“陷落柱”成因阶段模式示意图

5 “陷落柱”综合预测方法

“陷落柱”是矿井突水最大的通道，对矿山安全生产产生极大的威胁，如何进行预测与防治，结合矿区条件，主要有以下几种方法：

5．1 采用地下水系统方法

对于一个受地质构造控制水文地质单元而言，采用区域岩溶地下水系统方法进行分析是一种直接理论手段。在分析矿区构造演化、“陷落柱”形成与发展基础上，利用不同阶段的水文地质综合勘探成果，全面分析南部、中部水文地质单元内部及边界的断层导、隔水性，从宏观至微观上分析矿山水文地质条件，具有十分重要的指导意义。近年来通过研究分析谢桥矿东风井出水、潘二矿、潘北矿及张集矿A组煤疏放水试验等发现［9］：中部水文地质单元岩的溶含水层为统一的相互联系地下水流场，由于受其间地层与断层的阻隔影响作用，又表现出局部地下水流特点。在大水量疏放条件下，形成以井下放水点为中心，水位起伏震荡变化岩溶含水层系统特点，构造控水作用在此表现尤为突出。这种间接方法反映了在整个岩溶系统中的“陷落柱”往往发育于不同的古径流带上，其导水性程度取决于腔体充填物质的压实程度及与下部岩溶地下水联系程度。

5．2 古地貌与古构造控水分析方法

运用“将今论古”研究方法，通过对现代、近代岩溶形成过程研究，恢复古代岩溶形成与演化过程，但要深入分析淮南煤田岩溶发育规律，首先，要研究在新生界地层形成前的古地貌，通过其露头区岩溶分布及其起伏变化分析，可以掌握自三叠系以来至第三系沉积之前这段时间内岩溶发生与演化规律。图5反映中部水文地质单元的潘谢矿区新生界沉积前古地貌情况，其中碳酸盐露头区有2处；其次，系统研究华北煤田自古生代以来宏观地质背景条件，并结合研究区揭露的资料，全面分析自加里东运动以来不同地质历史时期的构造运动对地层破坏作用、煤系地层沉积过程、不同阶段的风化作用等；再次，重点研究印支运动以来构造控水作用下的南部单斜与中部复向斜的水文地质单元内现代与古地下水补给、径流和排泄特征，以及古岩溶孕育发生、发展等演化过程，从而分析来判识“陷落柱”发育位置。

图5 潘谢矿区松散层沉积前的古地貌（单位：m）

5．3 综合地质勘探方法

华北煤田矿山开采揭露表明：从北至南煤系地层中“陷落柱”发育数量逐渐减少，多以隐伏式为主，发育在二叠系煤层中或太原组地层中，与下部承压含水层保持水力联系，突水致灾的概率比北方大。目前采用地面与井下钻探与物探方法，从三维空间上控制其发育形态特征。如在潘集背斜范围内，经三维地震方法发现在碳酸盐露头区及其附近存在古岩溶塌陷、溶洞，后经钻孔验证及地下水动态变化佐证了这种古岩溶地貌存在性［10］。

5．4 地下水动态分析方法

采用淮南矿区井下A组煤层疏放水试验或井巷突水试验，可开展（1）空间上水量与各含水层水位（水压）动态变化关系；（2）水温与埋藏深度关系；（3）不同含水层以及同一含水层不同深度水文地球化学特征；（4）水位（压）、水温及放水量之间的响应关系等内容，间接推测古岩溶区范围内断层导、隔水性，判断岩溶构造块断富水性程度；（5）利用示踪试验方法，探查灰岩含水层通道发育情况。这种通过对量、质、温异常变化，推测“陷落柱”存在概率大小。

淮南煤田煤系地层是在碳酸盐地层沉积抬升与改造基础上进行沉积覆盖的，然后经过印支与燕山及新构造运动强烈改造，古地下水流作用始终贯穿其整个过程，而“陷落柱”是在该地区整个地壳演化过程中从孕育、发生、发展中逐渐成长起来，最终构成矿山产生突水致灾的通道。

6 结语

华北煤田南缘的淮南煤田储藏着丰富煤炭资源，但随着生产不断向深部延伸，“陷落柱”将逐步被揭露，它不仅造成煤炭资源损失而影响生产，而且极易成为沟通深部高承压岩溶水的通道。尽管我国华北岩溶陷落柱问题从分布规律、成因机制、导水性分析做了较为系统的研究［11］，但对于华北煤田南缘且受到东部郯庐断裂多期构造作用的煤田而言，它与华北煤田北部既有共同点，又有很大的不同之处，这也是在矿山开采过程中发现的疑似陷落柱、挤压应力破碎带、长条形 “陷落柱”形成原因之所在。

淮南、淮北煤田在深部煤层开采过程中，直接受到太原组灰岩水的威胁，但更间接重大威胁为奥陶系及寒武系岩溶含水层，它不仅为岩溶地下水提供储存空间，更是“陷落柱”发育的根部及控制其演化过程位置。通过以上分析与回顾该地区的岩溶形成与演化，更加系统地认识到整个淮南煤田“陷落柱”的生长过程和分布规律，从而为深部煤层开采的岩溶水害防治提供清晰思路。

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