太原西山煤田陷落柱空间形态特征及其成因分析

付君华

(西山义城煤业有限责任公司,山西 古交 030200)

1 研究区概况

华北西煤田岩溶陷落柱主要发生于上古生代至中生代地质时期,新生代亦有延续发展历史。其纵剖面中心线近乎垂直,有些是折线，与基底奥灰的产状以及陷落柱发育过程中经受的构造变动历史有关。柱体下部与岩层层面垂直,柱体上部可能与水平面垂直。如果柱体中心线折线,反映该陷落柱在燕山运动以后仍继续发育。陷落柱高度对于井下煤层层位来讲,可以是隐伏的也可以是直穿顶板的[1]。

西山煤田位于山西省中部太原地堑盆地西面,吕梁山东面,主控构造位于西部古交、呈南北走向的马兰复向斜系,由北东向及南北向若干地垒式断裂带构成的石炭—二叠系含煤建造;面积541 km2、含2号、3号、6号、8号和9号等可采煤层,煤层总14 m～18 m,储量达70亿t;其西部的古交矿区为重要的主焦煤基地,大部分为带压开采;其东部的前山矿区为动力煤基地,大部分不带压;其与下伏奥陶系呈平行不整合,其上在石千峰地区有三叠系,其他大部区域为新生界地层角度不整合所覆盖。

2 研究区陷落柱的空间分布特征

岩溶陷落柱也称喀斯特,是岩溶塌陷的一种类型。它是由煤层下伏碳酸盐岩等可溶岩层、经地下水强烈溶蚀形成空洞,从而起上覆岩层失稳,向溶蚀空间冒落、塌陷,形成简状或似锥状柱体,以它的成因和形状取名为岩溶陷落柱,简称陷落柱,俗称“无炭柱”或“矸子窝”，在华北矿区发育较多。

1)壁角：据各矿生产地质报告反映,柱壁角在80°以上多近直立,据井下已采煤层上下对照,其垂直投影位移无几,其破坏范围有所增大但亦变化不大。

2)柱高(冒落高度):对煤矿有实际意义的主要是2号煤与8号煤,其最小柱高为O2f2至8号煤,为100 m左右;最大柱高为O2s2至地表,可达800 m～1 000 m以上。

3)柱冠:西山煤田各矿均不同程度存在陷落柱顶部空间,出现冒落空隙、胶结充填差,有时含水或曾含水,为自由空间,下组煤中常见黄铁矿与方解石矿物晶体。通过铀系定年方法的实际测定,确定太原西山岩溶陷落柱发育时间为30～40万年以前[2]。

4)斜歪与分叉:陷落柱受后期煤岩层围岩的褶皱倾斜,发生立轴线的斜倒或斜歪,上下组煤层柱芯位置不同,产生移位见图1。

图1 倾斜陷落柱平剖面对应图

白家庄井田井下揭露的斜歪陷落柱有29个,占总数的30%,明显受倾斜构造控制产生柱心位移,见图2。

图2 白家庄矿倾斜陷落柱分布图

在煤层倾角较明显的马兰井田也存在这种现象。多个相邻柱体,向下部合并、向上部分叉,呈树杈状空间生长,表现为上下组煤层柱切片范围大小不同;这种情形在白家庄、杜儿坪等井田较常见,见图3。

图3 杜儿坪矿揭露向下合并的陷落柱

3 陷落柱形成机理分析

3.1 与下伏溶洞的关系分析

岩石力学研究证明,对于部分开裂的空隙率高的岩石,侧向压力(侧应力)的影响可使岩体的弹性模量降低许多。由于岩石在某一方向的节理特别发育,弹性模量和泊松比随之改变,尤其在沉积岩中变形破坏呈各向异性。由于岩溶与陷落的交替发展,使溶洞的高度不断大于其宽度,这样的断面其侧应力对围岩稳定性亦十分重要。当侧应力很小时,洞顶拉应力利于岩石冒落，直到侧应力与垂向应力相当时又开始稳定,成为不易受破坏的压力圈。在中新生代多期构造应力的作用下，侧应力为零。溶洞在侵蚀、剥落与冒落作用下,从量变到质变的过程中产生“失稳冒落又趋于稳定”如此反复多次,使地下陷落柱不断成长、尤其是在构造应力较强的前山矿区东部地段。松散陷落柱的产生是由于顶部穹窿型自然平衡拱或厚层砂岩的顶量平衡作用，使岩溶塌陷冒落至一定层位, 再不向上发展,形成类似采空区直接顶冒落后老顶没有垮落而形成的空间[3]。

3.2 构造地质学对陷落柱长轴方向的分析

断裂及其交汇部位导致水和岩石接触面增大,透水能力增强,不仅有利于溶蚀作用进行,也有利于冲刷、崩塌扩大其空间,因而许多岩溶通道和暗河往往沿着褶曲轴部和翼部的张性断层带发育,在断裂交汇部位,岩石更加在破碎,加之混合溶蚀作用,多形成厅式大溶洞或竖井[4]。山东科技大学许进鹏等在《陷落柱及其周边地应力分布研究》中的结论:通过分析陷落柱柱与周边岩层的相互作用关系,运用弹塑性理论,分析了陷落柱柱体及其周边的应力分布;并采用大型有限元软件ANSYS对陷落柱及其周边的应力分布进行了模拟计算。两者结果吻合,表明陷落柱及其周边存在应力异常。

结合地质构造发展史与破坏层位分析,陷落柱受控构造裂隙形成于燕山期早期褶皱运动之前的侏罗纪,之后在燕山期晚期白垩纪、陷落柱与煤系地层围岩共同经受了燕山期褶皱运动,在喜山期又经历华北地区普遍的拉伸运动、地台发生块断式升降运动。尤其是中新世挤压应力转换为拉张应力,为陷落柱岩体塌陷和继续发展提供了动力保障[5]。燕山期的石灰岩体在山字型构造山西地块左扭应力的作用下,石灰岩在北西向的水平构造应力增大、超过原岩应力,在背斜或向斜处有利于北西向张性构造裂隙的发育,同时其北东向一组剪节理被后来喜山期右扭应力的作用改造、向扭张性构造裂隙的发育提供了基础。尤其前山矿区离汾河地堑近,受构造破坏强,扭张断裂及褶曲、张性节理相对较多、导水性强,利于岩溶陷落柱发育[6]。

峰峰集团王铁记等《峰峰矿区陷落柱的内循环形成机理》中结论:分析了峰峰矿区陷落柱主要分布于“工”字型水系两端的现象,提出了相对封闭地段陷落柱形成的地下水内部循环机理，认为火成岩体产生的地热异常使得奥灰水产生了内部对流循环,导致岩溶发育;论证了地热对CaCO3溶解的加速作用,封闭环境对CO2分压的升高作用,及其对CaCO3的溶解度和饱和度的效应。燕山期早期煤田西部狐堰山一带及东部清交大断层附近发生的岩浆侵入,围岩煤系及基底奥灰地层在同期顺辐射状断裂与地热水综合作用易于岩溶渗流侵蚀作用的进行。

喜山期北东向右扭应力的作用利于北东向张性构造裂隙的发育;而同时期又叠加了由汾河地堑扩张产生的东西向侧向应力的联合作用,使最大主应力方向与裂隙与洞穴的长轴方向(北东至北东东向)垂直时,硐体围岩的水平应力仅仅约为其垂向应力的0～0.1倍、甚至是负的即拉应力作用,从而利于洞壁围岩的层层剥落与顶部冒落(自上隅角)以及底鼓挤出,同时地下水侵蚀浸润作用起到加速破坏的效果。溶洞围岩在无水平应力尤其是在负的即拉应力作用的条件下,左右两个上隅角部位的切向应力与径向应力之差最大,局部达到垂向应力的3倍,由此衍生的剪切应力很大,破坏与冒落由此处开始,逐渐向上发展、最终导致陷落柱形成。在靠近地堑处地段北东向裂隙较明显,而远离地堑的地段北西向裂隙较明显,这就决定了不同地段陷落柱长轴发育的优势方向有所区别。通过对陷落柱特征的分析,可初步认为奥灰强迳流带和节理裂隙发育区的叠和部分,就是陷落柱可能发育的重点区域[8]。如西曲井田陷落柱在北东向压扭性正断裂派生的北北东向张扭性裂隙构造的基础上,区内陷落柱亦呈北北东向带状分布,即从南四到北五采区条带、南二西到北二采区条带。在马兰矿区内直接观察到陷落柱边缘的犬齿状形态,也受两套裂隙面的控制,陷落柱的塌陷可能与裂隙的分布有很大关系,其长轴的走向与裂隙发育程度有关[9]。

构造破碎带和裂隙系成为煤系地层与奥陶系碳酸岩勾通的地下水通道,煤系中的含碳、硫的气体下渗起到溶蚀作用。

本煤田陷落柱形成的构造裂隙主要是在燕山期。首先在印支期(T)受南北应力挤压,形成a、d两组剪节理和b、c两组张节理;到燕山期早期(J)受东西向应力挤压形成a、d两组剪节理和e组张节理;最后在燕山期晚(K-E1)新华夏系继承祁吕贺山字形东翼北东向的断裂与节理(见图4),在左型力偶构造应力场伴生的北西-南东向挤压应力作用下产生a组张扭节理和其余四组剪节理;在上述多期应力场综合作用下,产生了如下图所列五组不同方向的陷落柱,按照发育程度由强到弱依次为a、e、b、d、c,这五组不同方向的陷落柱总计占所有陷落柱的88.6%,其余方位发育的陷落柱仅占总数的11.4%。最发育的两组陷落柱e、a即分别代表燕山期运动中、晚期的最大水平主应力方向95°、145°。见图5。

图4 大中型断层倾向玫瑰花图

晚第三纪以后山西地台内系列坳陷盆地(包括汾河断陷盆地)继续下陷、断裂,尤其是呈阶梯状的纵向断层在盆缘向内相当发育。奥灰岩较之上伏海陆交互相与陆相地层受改造形成小构造更多,脆性破坏更明显,尤其是厚层、巨厚层的纯灰岩。

再如马兰矿区的四组两套“X”剪切裂隙在构造转折处附近呈锐角交叉,表现为明显的扭动旋转的形迹[9]。

图5 陷落柱长轴走向玫瑰花图

3.3 与上覆岩性组合及地层形态的关系分析

石炭—二叠系地层位海陆过渡相到陆相三角洲沉积建造,主要地层由砂岩、灰岩、泥岩与上下煤组煤层呈海退式成煤构造旋回形成。其中灰岩均分布于石炭系太原组地层。各种结构的岩性累计层厚由于沉积部位不同,在不同井田区域有所差别。岩性不同其岩层内摩擦角σ等力学强度相应的有差别。对于破碎性较大的岩石,适用压力拱理论,在洞体围岩的水平应力很小甚至是负的即拉应力作用与地下水侵蚀浸润加速破坏作用联合影响下,从而易于超过岩体的抗拉强度而产生洞壁围岩的层层剥落与冒落(自顶部上隅角)以及底鼓挤出。在主要是受节理裂隙及层理等立方体交错的软弱面将岩体割裂成各种大小的块体(与整个地层相比尺寸较小),这就破坏了岩石的整体性、造成松动性;因此把洞室周围的岩石看作是没有凝聚力的大块散粒体(但实际上岩石是有凝聚力c的);因此就用增大内摩擦系数tgσ+c/σ=tgσk(σ称作岩石的坚固性系数或为fk)的方法来补偿这一因素;σk表示通过σ换算得来的内摩擦角,称作“换算内摩擦角”[7]。在少数次冒落成因的假设基础上,利用岩石力学中松动压力(坍落拱)理论:如果这些洞顶拉应力超过岩体的抗拉强度,则顶部岩体破坏,一部分岩块失去平衡而随着时间向下逐渐坍落,岩体又进入新的平衡状态。以下用两个矿的2号煤底板至8号煤底板的钻孔岩性资料,分别用不同岩性岩层的内摩擦角或换算内摩擦角与该种岩性“岩层累加厚度”加权计算可求得近似柱壁角,如表1所示。

表1 柱壁角计算法

杜矿σ=(∑DiZi)/(∑Di)=76.87°

杜矿σk=(∑DiZKi)/(∑Di)=87.1°,

后者较接近实际统计值,尤其是在下部岩层。

屯矿σ=(∑TiZi)/(∑Ti)=72.27°

屯矿σk=(∑TiZKi)/(∑Ti)=85.6°,

后者较接近实际统计值,尤其是在下部岩层。这两个数值与赵金贵对西铭矿陷落柱统计近似值84.7°佷接近。

需要指出的是,煤层、碳质泥岩的柱壁角选择得大是因为井下实见其中的柱壁角是倾向陷落柱内的:90°+45°-σki/2。上述岩层的内摩擦角是一般的经验数值。由于多次冒落,柱顶上隅角应力集中破坏程度不同,另外个别陷落柱由于对上覆围岩中已有的构造面(节理面、断裂面)沿袭破坏程度不同,所以加权计算求得的近似柱壁角与实际上的陷落柱柱壁角有一些出入甚至个别陷落柱会出现更多的变化。总之“欺软怕硬”特性使柱体上细下粗的同时见煤层或软弱层位肿大,总体呈葫芦状。

3.4 与水动力条件的关系分析

西山煤田总体上西北高、属奥灰水补给区,东南低为其排泄区;浅埋区奥灰水径流强、深埋区径流弱;煤田北东部迳流总体强于南西部。奥灰出露区水力交替快,水质好;奥灰深埋区,水力交替慢、水质越来越差。

岩溶水补径排条件:作为一个相对独立的地下岩溶水系统,具备完善的“降水(输入)→产流→调蓄→排泄(输出)”三水转化功能;且越往下游强迳流带其喀斯特化越强,即管流水较散流水的比例越明显。

各类水在有下渗条件地段补给地下岩溶水,主要是在构造破碎带、灰岩浅埋区补给岩溶水。地表水、孔隙水入渗补给以汾河为主,次为天池河、屯兰河切奥灰处,经水同位素与水位分析:在汾河镇城底至小塔村段、屯兰河营立至武家庄段、天池河白家滩至顺道村段渗漏补给。 1985年实测汾河二库至寨上至扫石的渗漏量为2.69 m3/s。据氚数据、C14同位素数据测定证明,兰村泉主要为远源补给;而晋祠泉主要为近源补给。

汾河以北灰岩裸露及浅埋区无集中径流带,以散流由北向东南补给。汾河以南以散射向边山断裂带排泄运移,强径流带位于古交河口、王封地垒以南圪僚沟一带;由于北东向断裂影响,其中一部分自西向东补给盆地,另一部分迂回南流。中深循环带,沿边山断裂带以泉的形式排泄。深循环带,侧排补给冲积层与深部岩溶水;北部在三给村至兰村段,圪僚沟至小井峪;南部在冶峪沟至风峪沟、晋祠至平泉、东西梁和覃村，主要向汾河地堑盆地排泄。活动断层促进深部地下水运动,如太原汾河断层存在低温异常带,径流深度达600 m～800 m。据大量钻孔资料,太原地下水系普遍存在奥灰水深部径流,故其深部必有一低泄基准面起控制作用。而汾河深断裂有径流带正起这一作用，即新华夏构造沟通太原凹陷内部水力联系，此乃新构造隆起区一大重要特点[8]。

3.4.1陷落柱柱高与冒落高度与水动力条件的关系分析

阜新矿院张宝柱在《华北型煤田岩溶陷落柱分布规律及其水文地质意义》提到:陷落柱分布于碳酸盐岩—硫酸盐岩混和建造中奥陶统古—现代岩溶水强迳流—排泄带,强含水陷落柱属晚近期或现代活化的古陷落柱、与现代地下水系统有关。

下伏奥灰古溶洞越大,形成陷落柱柱体高度就越大,甚至见地表的塌陷坑或隆起。井下实见对于柱内充填物从外向内可分三带:边缘带、过渡带和中心带,对于正常层序地层而言其层位由依次为由老向新过渡。其中心带岩性(最新即最上部的层位)、充填物孔隙率与含水性的鉴别,有助于分别确定柱内充填物的冒落沉降量、揭露部位距柱顶空洞的垂距。距马兰矿井下8号煤巷道实见一长轴为20 m的陷落柱,其中心带岩性为老顶K2灰岩,冒落高度为9 m。在《杜儿坪矿生产地质报告》叙述到:“井下所见皆为煤层上覆岩岩,最新地层可见石千峰砖红色岩石。” 这样计算其冒落高度可达500 m以上。由此可见,柱高从奥灰顶面算起50 m～1 000 m、一般为100 m～300 m、平均值为175 m;占统计的69.3%[9]。冒落高度为9 m～500 m不等,常见几十米，体现了西山岩溶陷落柱发育的不均衡性与普遍性。

值的关注的还有随着构造挤压与岩浆岩侵入,狐堰山与庙前山隆起,原相断层、杜儿坪断层与伴生褶皱构造综合作用,上马家沟组上段巨厚层灰岩抬升或受破碎更显著,下伏奥灰古溶洞更大,因此西部马兰矿、东部官地矿井田更易形成粗大的陷落柱体;通过井下工程揭露、地表调查与钻探、地震勘探解释已证实,下组8号煤层分布有长轴100 m～400 m的超大型陷落柱体。

3.4.2陷落柱下伏溶洞塌落临界值的分析

自然平衡拱跨度b的确定,b=2hfk(h为拱高度、fk为岩石坚固性系数),在煤层中b一般为10 m左右、h为3 m～5 m、fk为1.5～0.8;在灰岩中h为3(在隆升区且构造裂隙发育地段h很容易满足此条件)、fk为4(主要考虑厚层状灰岩在水平构造应力作用下以脆性破坏剥落为主,且北方岩溶曾经在上新世早期以溶蚀作用占优、地下水溶蚀作用较强烈使围岩坚固性系数降低),求得b为24 m。由于北方岩溶与南方强烈的喀斯特不能相比;仅仅在强迳流带中深部有脉管型甚至管道型喀斯特水出现,应为区域大节理控制的多层网络结构的三维结点形态系统,在平面上呈棋盘状或枝状。按煤系地层与下伏地层(包括奥灰岩及本溪组)的柱壁角分别采用87°、90°计算出,能冒至2号煤与8号煤的灰岩溶洞塌落的临界大小分别为26 m、18 m。奥灰顶面上揭露陷落柱等效直径在30 m～150 m占总揭露个数的73.5%。其中等效直径在60 m～70 m之间的个数最多[10]不少矿均见直径达200 m以上的超大型陷落柱,除了处在强径流的原因、还有受水平构造应力作用的原因,才能够连续塌陷与搬运。

3.4.3陷落柱发育集群与水动力条件的关系分析

陷落柱在分布上具有东部多于西部的分区性、在古地下水流动带的分带性、长轴与地下水的古流向一致性等方面。如官地矿区地南二、中一至北二等采区的陷落柱处于一“北西-南东”方向的密集系带上。由于地势西高东低,地下水由西北向东南方向流动, 形成一些由西北向东南方向的地下水径流带。马兰矿南四采区正位于此径流带上,在径迳流带上,随着地下水侵蚀加剧形成了岩溶,进而形成陷落柱[11]。

后期的活化使其成为隐蔽致灾的含水或导水通道。通过三维地震探测出,三采区有一陷落柱,在煤层底板平面图上呈椭圆形,时间剖面上为反漏斗状,陷落柱空间形态为不规则倒梯形[12]。由于陷落柱与围岩密度差,反射系数不同,能通过井上下震波勘探进行超前探查。

4 结束语

本文结合地质构造史与井下实见资料,总结出了西山煤田陷落柱与断层、褶皱的相关的构造裂隙之间的关系,对西山矿区发育的陷落柱的空间形态分布特征,从柱壁角、柱高(冒落高度)、柱冠、斜歪与分叉等多个角度进行总结,利用岩石力学中松动压力(坍落拱)理论,剖析了其与下伏溶洞、上覆岩性组合及地层形态、水动力条件等因素的关系;对研究陷落柱的垂向与水平面特征与成因,并开展分布规律研究及预测具有重要的理论指导意义。