陷落柱的成因浅析

阎璐

摘 要：在煤矿和相关的建筑工程中，陷落柱的成因和规模边界的确定一直是对地质手段的考验。准确探测陷落柱的位置，对探测煤层储量、采区安全柱预留和地下水的防治等有重要的指导意义。

关键词：陷落柱；可溶性；潜蚀；径流

中图分类号：P618.11 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.110

1 陷落柱的成因和条件

由书本理论知识和地质勘探工作的实践经验表明，陷落柱（喀斯特溶洞）构造形成的主要原因有：①必须具备可溶性的矿床（石灰岩、石膏等），存在一定的潜蚀和搬运；②存在地表径流；③有重力的作用。其中，地下水对可溶性矿床的潜蚀和搬运是主要原因，而地表径流、地表水或大气降水回灌是次要原因。

由于岩溶塌陷发生在岩溶充水矿床地带，即碳酸盐发育的奥陶系地层，可溶性岩层浅部一般岩溶比较发育，因此，灰岩含水层的地下水支撑着岩溶洞隙中的充填物和上覆松软岩层。这时，地下水对松软岩层底部、溶洞充填物、溶蚀和搬运至异地的影响比较弱。但是，如果周边存在大量的排泄物，就会大幅降低灰岩含水层的水位，形成一个降落漏斗。当水位降到灰岩顶板之下，此时，溶洞充填物和上覆松软岩层失去灰岩水的浮托，地层原有的平衡状态就会被打破，通过裂隙使上部含水层、地表水倒灌和倒渗，那么，可溶性的碳酸盐类就会通过地下水径流搬运被带走，开始在松软地层底部（可溶性碳酸盐类的顶界）形成拱形洞。随着第四系孔隙水、地表水的继续下渗、搬运、潜蚀，可溶性碳酸盐类的顶界地层在自重和测压作用下向下垮塌，向四周扩散，岩溶水位逐渐下降，溶洞里的地下水被疏干，形成了真空的状态。溶洞的上覆岩层在重力作用下不断向下崩塌，从而促进了喀斯特溶洞的扩大，形成了大面积的陷落。随着时间的推移，受自然活动和人类活动的影响，陷落柱被推进到了其他时代的地层或地面。根据资料和文献记载，陷落柱范围可达几百几千平方米，轮廓形成漏斗状或倒漏斗状，直径通常为1～5 m，最大深度可从非煤系地层至奥陶系深部，在勘探施工的西山煤田古交矿区、霍州煤田和宁武煤田均有发现。下面依据2006年勘查施工的西山煤田古交矿区陈家社井田勘探实例，分析、说明陷落柱的现场确认情况。

2 古交矿区陈家社勘查区地层

古交陈家社勘查区属于西山煤田范围内，该地区奥陶系地层为巨厚石石灰岩沉积，地层中多有石膏和角砾状石膏；奥陶系上段的峰峰组地层岩性为石灰岩和泥灰岩，厚度为50～65 m，下段地层为石灰岩和角砾状泥灰岩、石膏带，岩溶裂隙等发育；峰峰组之下的马家沟组地层中的岩性一般以石灰岩为主，含有少量的泥灰岩，厚度约为200 m，裂隙溶洞发育；下马家沟组一般为泥质灰岩、白云岩互层，厚度为110～120 m，下段为石膏，厚度为10～15 m。奥陶系地层中的可溶性碳酸盐类为地下水的岩溶活动的溶蚀作用奠定了基础，而地下水不停息的径流作用为搬运可溶性矿物质提供了必要的保障。

3 可溶性矿床被地下水溶蚀和搬运

碳酸盐类矿物包括石灰岩、石膏等，它不溶于水，但是，与空气和水中的CO2发生缓慢的水解反应，使碳酸盐类矿物生成可溶性的碳酸氢盐矿物。在常温状态下，碳酸氢盐在水中的溶解度比较大，随着地下水的潜流被搬运带走，使得原来完整的地层形成各种洞穴、溶孔、落水洞和漏斗等。

碳酸盐类矿物在水中发生的主要化学反应有：

CaCO3+CO2+H++OH-=Ca（HCO3）2

Ca（HCO3）2=Ca2++2HCO3-

H2S+H2O=H2SO4

H2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2

CaSO4=Ca2++SO42-

4 西山煤田陈家社井田9#孔陷落柱

陈家社井田9号钻孔设计深度为650 m，设计取芯岩位为K4砂岩（即下石盒子底部）512 m开始取芯，在实际钻进过程中，从290 m开始出现钻进异常。因此，决定从278 m开始取芯钻进，查明钻进异常的原因，以实现对各目的煤层的准确控制。取芯情况的采取率偏低，岩芯杂乱无章，在太原组煤层位置，岩性溶蚀现象特别明显，泥浆消耗量大，测不到水位，附近距钻孔约250 m的低洼地带有常年流水的泉水排泄。由此说明，地下水位降低导致地下水对上覆岩层的依托浮托力减弱，溶蚀力加强，从而在自重作用下发生地层降陷，使得周围岩石破裂形成陷落。对于9号钻孔的出现，现场初步断定为陷落柱构造，为了验证钻探结论，物探分队在9号孔周边进行了物探工作。

5 地面物探的验证

目的：利用物探手段确定该异常地段是否为陷落柱，如果是，查明它的充水性和富水性，并确定陷落范围。采用瞬变电磁法，在钻孔南北方向22 m处开始布置了3条剖面，基本点距为5 m，共计测量了60个物理点，测线长300 m。

资料解释：在瞬变电磁多测道剖面上，主要表现为底部的低电位异常，当进入水位后，则表现为高电位异常。在1～27号桩，二次电位幅度相对比较高，并且杂乱，这说明27号桩以后的地层完整。由此可认为，陷落柱范围大致是20 m+5 m×26=150 m。

6 测井曲线上陷落的特征

异常地段井径曲线和密度曲线均表现出了明显的异常，初步判断，290 m以上层段为正常地层，290 m以下为陷落地层，推断为隐伏陷落。

钻探、物探、测井资料相互支撑，对9号钻孔的异常现象进行了准确的定性解释，证明确有陷落柱存在。

7 结论

钻探取芯、测井曲线和地面物探等地质勘查手段说明，陷落柱成因与岩溶矿床的溶蚀、搬运伴生的重力作用和渗入倒灌的情况有关，可以验证陷落柱的岩溶发育情况、充水情况和富水情况。

参考文献

[1]肖长来.水文地质学[M].北京：清华大学出版社，2015.

〔编辑：白洁〕