岩溶陷落柱

第四章岩溶陷落柱陷落柱：由于下伏易溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成大量空洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落，塌陷所形成的筒状柱体，简称陷落柱第一节岩溶陷落柱的特征一、地表特征1、盆状塌陷2、丘状凸起3、柱状破碎带山西西山和汾西矿区的沟谷两侧或道路两旁的天然或人工剖面上，常可见到一些柱状破碎锻，这即是陷落住的剖面形态。

4、特殊地貌形态在黄土覆盖区，基岩个的陷落柱可导致表层黄土产生圆形陷坑或弧形阶梯状裂缝。

裂缝窄的仅几厘米，宽的可掉进耕牛，在山西汾西矿区有“跌牛缝”之称。

此外，陷落柱还可引起黄土滑坡。

二、陷落柱井下特征1、陷落柱的形态特征它是指陷落住柱的三度空间形状。

现从它的平面和刻而形态、高度和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。

(1)陷落柱的平面形态它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。

一般呈椭圆形，也可呈圆形、鞋底形或长条形等。

根据山西阳泉三矿已揭露的133个陷落柱的平面形态统计资料，椭圆形的92个，占69％；圆形的13个，占10％；其它形状的28个，占31％。

为了描述陷落柱的平面形态，应标出长轴和短轴，计算出长短轴的比值。

一个矿区，陷落住长轴往往具有一定的方向性。

是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落拄形态。

如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层(如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层)，则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层(如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层)，则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水乎面的交角为60- 80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍里，锥形柱状。

( 3)陷落柱的高度 它是指从溶洞底到塌陷顶的垂宜距离。

它与溶洞的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有密切关系．一般高度由几十米到l 00-200m ，但也有高达几百米的巨型陷落和仅数米的小型坍塌。

(4)陷落柱的中心轴 它是指陷落柱各平面形态的中心点的联线。

通常，中心轴垂直于所穿过的岩层层面。

由于陷落柱穿过的各岩层的产状、岩石性质和裂隙发育程度常有变化，因此，中心轴大多不是垂立的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。

掌握中心轴的倾伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、下部水平陷落的平面位置非常重要。

一般情况下，下部煤层和下部水平陷落柱的平面位置向煤层上山方向、即煤层倾向相反方向移动。

陷落柱的柱面是指陷落柱受岩层的岩石性质和结构构造的控制。

岩性均一的坚硬岩层柱面多呈直立的平面，松软岩层与坚硬岩层互层，柱面为凹凸不平的锯齿状曲面，软岩层凹入，硬岩层凸出，上部岩层松软多水，裂隙发育，下部岩层坚硬完整，柱面也可呈滑坡状曲面。

3．陷落柱的柱体组成特征陷落柱由塌落岩块堆积组合而成。

与周围正常岩层相比，塌落岩块层位较新，并具有大小悬殊、棱角明显、形状各异、混杂堆积，常为松软岩屑、煤屑和粉粒充填粘结等特点。

陷落柱中塌落岩块胶结的好坏，与陷落往形成的早晚，地下水的活动情况，以及塌落岩层的岩石性质有关。

早期陷落柱一般均已胶结，晚期的则混杂粘合，胶结较差，比较松散；有地下水长期活动的陷落注，塌落岩块表面及其间隙常有铁质、碳酸钙质或高的土等矿物质沉淀，连同煤粉和岩屑组成的软泥，招岩块粘结起来。

根据江苏徐州大黄山矿的研究表明，陷落往内的塌落岩块并非杂乱无章，塌菠岩块的层面多向往内歪斜，同一层位的岩块在水平方向上呈现有规律的对称性分布。

第二节陷落柱的成因研究陷落校的形成原因，主要是研究煤系及其下伏地层中导致岩镕发育的地质条件，引起岩溶洞穴塌陷的机理，以便切实掌握陷落柱的发育和分布规律，为煤矿开采过程中预测和探查陷落拄提供重要理论依据。

一、岩溶发育的地质条件岩溶发育必须具备下列四个条件，缺一不可。

(1)煤系或其下部地层中含有可溶性岩、矿层，如石灰岩、白云岩或石膏矿等。

由于这些岩层或矿层极易被地下水溶蚀形成溶孔、溶隙和镕洞，并随着地下水的不断活动镕蚀空间逐步扩大。

(2)含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断层和裂隙，尤其是透水性好的张性或张扭性断裂。

它们沟通地面水系、地下含水层段与可溶性岩、矿层之间的水力联系，因此陷落柱常沿岩溶化断裂带、褶曲轴部，特别是断裂交汇处呈串珠密集分布(3)地下水交替循环快，排泄流场，具有良好的地下水动力条件。

一个地区的侵蚀基准面控制着地下水的交替和流动。

侵蚀基准面以下，地下水流动缓慢，排泄困难，岩溶不发育。

岩溶发育最有利的地带，是地下水面以下、侵蚀基准面以上的饱水带。

这带地下水向侵蚀基准面作水平运动，形成水平连通的溶洞。

因岩溶陷落柱集中分布在地下水强滞留带内。

(4)地下水源丰富，具有溶蚀性较强的酸根和较大的侵蚀“掏空”能力。

应该指出，有极少部分的陷落柱的塌落空间不是由于地下水的溶蚀作用造成的，而是由于地下水的机械作用把泥砂透镜体、断层泥堆积体等松软岩体冲刷带走造成的。

二、溶洞塌陷机理1、重力塌陷观点重力致塌观点以天然洞穴和人工裸体硐室的自然塌落为基础，有一定的理论和实践依据。

但是，当认真考查这一观点时，却发现与之有矛盾的客观现象如下：(1)按陷落核上小下大的特点推算，溶洞的底面积应远大于煤层的塌陷面积，然而，从野外考查和钻孔揭露资料来看，通常溶洞规模不大。

所以，要形成煤层陷落面积达几十到几千平方米的大溶洞是十分困难的。

(2)按陷落高度为悬空高度的2．5—3倍推算，要形成陷落高度在100m以上、甚至500-600m的陷落柱，必须要有近50-200m高的巨大溶洞。

这在溶洞发育地区尚未发现过，模拟验证也将十分困难。

(3)岩溶受断裂构造的控制，因此地下的溶孔、溶隙或溶洞彼此相连，组合成管状和网络状的岩溶体。

但实际揭露的陷落柱平面形态为椭圆形和似圆形，极少出现长条形。

2．真空吸蚀塌陷的观点相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于某些原因，如地下的补给和排泄条件的改变等，引起浅部充水岩溶腔内地下水位大幅度下降。

当水位低于岩溶腔口表面时，在岩溶盖层与岩溶腔内水面之间出现无水空腔，这时腔内水体由承压转为无压。

根据波义耳—马略特定律，即pV＝常数，当体积V增大时，压力p必然减小。

因此，由于地下水位不断下降而逐渐增大的岩溶空腔，必定转化为低气压状态，近似于真空腔，或称负压腔。

它象巨大吸盘一样，强有力地抽吸着上面盖层，使之快速剥落和下陷，直至坍塌破坏。

与此同时，由于岩溶空腔内外的压差效应，使腔外大气压力对盖层表面产生冲压作用，加速盖层平衡的破坏，导致地面塌陷。

第三节、陷落柱的探测和预测一、陷落柱的观测无论在地表或井下遇见陷落柱，都应进行详细的观测和编录。

根据生产矿井对陷落柱观测和判断的基本要可归结为五查、五看和五定的工作方法。

五查包括：查陷落柱周围煤、岩层中裂隙的发育情况和充填物性质，查陷落柱周围煤质的变化范围和风化程度，查临近陷落柱处水和瓦斯的变化情况；查陷落柱周围小型断层的发育情况和产状特征；查矿区内陷落柱的发育和分布规律。

五看包括：看陷落柱与煤、岩层接触面的形态；看陷落柱与煤、岩层接触带的充填物性质和特征；看陷落柱内岩块的性质、形状、大小、排列方式和层位时代，看陷落柱周围煤、岩层的产状变化；看陷落柱面与巷顶交线的弯曲方向和曲率。

五定包括：定巷道理陷落柱的部位；定陷落柱的形状；定陷落柱的大小；定巷道穿避陷落柱的距离；定处理陷落柱的措施。

二、陷落柱出现前的预兆(1)煤、岩层产状发生变化。

一般情况下，在临近陷落校时，煤、岩层产状稍有变化，倾向陷落柱中心，倾角增大或减小，倾角变化多在3—6°之间，个别可达10°以上，影响范围一般为15—20m，5m内煤层顶板松动。

煤、岩层产状的影响范围和变化程度与它的物理力学性质有关。

在较松软的煤、岩层中，产状变化明显，影响范围较宽；在坚硬和脆性的煤、岩层中，产状变化不明显，影响范围较窄。

(2)裂隙和小断层增多。

在岩溶塌陷过程中，由于重力成真空吸蚀作用的影响，在陷落拄周围的煤、岩层中形成一些张性裂隙和小型正断层。

这些断裂面大多倾角较陡，走向平行柱面的切线方向，或呈弧形平行挂面，倾向陷落拄中心，断层落差很小，走向延展不长，短者2—3m，长者l0m左右，沿倾向往住消失于煤层中，多呈顶断底不断的形式，断裂中常充填粘土、碳酸钙和氯化铁等物质，断裂在脆性煤、岩层内比较发育，在塑性煤、岩层中则较少见。

(3)煤出现风氧化现象。

在靠近陷落柱周围的煤层中，煤常不同程度地遭受风氧化作用。

轻则光泽变暗，灰分略高，煤质松软；重则风化呈粉末状。

煤的风氧化程度和影响范围与陷落柱的大小、裂隙发育程度、距地表的深度和地下水的活动情况有关。

(4)煤层中挤入破碎岩块。

在接近陷落柱的煤层中，因煤层局部煤质松软，在地下水的侵蚀和掏空作用下，陷落岩块常沿柱体四周嵌入煤层。

挤入煤内的岩块棱角明显。

没有引起煤层层理和顶底板的异常变化。

(5)地下水涌出量增大。

陷落往既可积聚地下水，又是连接富水岩层的良好通道。

在陷落柱发育的矿井内，采掘前方涌水量增大，往往是临近充水陷落柱的先兆。

研究资科表明，不同地区陷落住的充水特征差异很大，有的干燥无水；有的储水而不导水；有的既充水又导水。

引起矿井突水事故的陷落柱必须具备三个条件：一是穿过含水的含水层；二是具有一定的水头压力；三是陷落柱导水。

因此，现代岩溶水强逞流带上的陷落拄，特别是正在发育个的陷落柱，复活了的陷落柱，才具有导水和突水的潜在危险。

三、陷落柱的探测1)钻探2)物探。