华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨_尹尚先

第23卷第1期岩石力学与工程学报23(1)：120～123 2004年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2004华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨＊
尹尚先1武强2王尚旭1
(1石油大学中国石油天然气集团公司(CNPC)物探重点实验室北京 100083) (2中国矿业大学(北京校区)资源系北京 100083)
摘要岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭纪煤田的一种特殊隐伏垂向构造，广泛分布于20个煤田45个煤矿区。

通过对华北煤矿区岩溶陷落柱内部物质特征和外部形态特征的综合分析，认为适当的岩溶及地质构造是岩溶陷落柱形成的基本要素，其形成过程是多种因素影响的复杂动力地质过程。

以奥灰岩层中岩溶发育为基础，地下水的强烈交替为条件，岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始的过程，分阶段逐步形成陷落柱。

向斜轴部的岩层底面受张拉破碎为‘倒楔形’岩块，背斜轴部岩层底面受压破碎为‘正楔形’岩块。

在重力作用下向斜轴部有利于岩块整体下移形成陷落柱，从力学上解释了‘华北地区岩溶陷落柱集中发育多在向斜褶曲部位而不是背斜轴部’这一基本规律。

关键词工程地质，陷落柱，楔形，力学分析，华北煤矿区
分类号TD 325 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)01-0120-04
STUDIES ON CHARACTERS AND FORMING MECHANISM OF KARSTIC COLLAPSE COLUMNS AT MINE AREA OF NORTH CHINA
Yin Shangxian1，Wu Qiang2 Wang Shangxu1
(1Key Lab of Geophys. Expl.，CNPC，Petroleum Univ.，Beijing 100083 China)
(2Department of Resource Exploitation Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083 China)
Abstract Karstic collapse columns are a kind of vertical structures typically formed at Carboniferous-permian coal fields of north China and widely distributed at 45 coal mines of 20 coal fields. Through characteristics analysis of interior rock masses and exterior shape of karstic collapse columns in the coal mine areas of north China，it is concluded that there are several influence factors and dynamic geological actions on forming process of karstic collapse columns，among which karst and geological structure are the basic factors of their formation. The forming of karstic collapse columns results from repeated processes of collapse，intermission，dissolve erode，convey，subsidence，fall and so on under the dynamical action of rock mass gravity，geo-stress concentration，negative vacuum pressure and other actions on karstic cavity and groundwater violence flow. The bottom of rocks at syncline axis is tensioned and inverse cuneiform-like rock masses are formed. By contraries，cuneiform-like rock masses are formed at anticline axis under compression. So，it is propitious for whole rock mass to move down under gravity at syncline axis and karstic collapse columns are formed. The basic rule is explained in the light of mechanics，following which karstic collapse columns are more likely formed at syncline axis than at anticline axis in north China.
Key words engineering geology，karstic collapse columns，cuneiform，mechanics analysis，mine area of north China
2002年7月6日收到初稿，2002年9月2日收到修改稿。

* 中国博士后基金(2003033204)资助项目。

作者尹尚先简介：男，38岁，博士后，1984年毕业于太原工业大学水利系水资源专业，现主要从事地质资源与地质工程的教学与研究。

E-m a i l：Yinshx@。

第23卷第1期尹尚先等. 华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨 • 121・　
1 引言
岩溶陷落柱在我国北方煤矿区广泛分布[1]，具有孤立随机分布的特点，陷落柱导致的突水以其隐蔽性和突水量大，对煤矿安全生产及当地人民生活具有很大危害性。

1984年6月2日，开滦范各庄矿2171综采工作面发生世界采矿史上罕见的岩溶陷落柱透水灾害，最大涌水量为2053 m3/min，迫使该矿井处于停产状态，并危及临近矿井，直接经济损失数亿元[2]。

采矿界、地质界的学者十分重视岩溶陷落柱成因的研究[3]，目前对其形成机理有4种基本观点：膏溶塌陷说、循环塌陷说、重力塌陷说和真空吸蚀塌陷说。

但上述4种理论仍然不能合理解释‘华北地区岩溶陷落柱集中发育在向斜褶曲部位而不是背斜轴部’这一基本规律。

本文通过对开滦范各庄矿岩溶陷落柱特征的研究，从力学角度探讨了岩溶陷落柱的成因，并给出上述规律的力学解释。

2 陷落柱外部形态特征
根据开滦矿务局范各庄矿1999年的“矿井地质报告”和2000年“3-2皮带巷区域深层底板隐伏岩溶陷落柱的综合探查”，综合分析该矿已经发现的13个陷落柱资料[2]，发现华北岩溶陷落柱在形态、规模和接触界面上，既有共同特征，也有各自特点(图1)：
图1 范各庄矿陷落柱剖面图[2]
Fig.1 Column section of karstic collapse in Fan’gezhuang
(1) 在平面上陷落柱的形态总体呈不规则椭圆形。

(2) 在剖面上大致呈一个截锥形，上小下大，也有中间大，上、下变小的鼓形，较多的是大肚和细颈多次反复出现，形成串珠形态。

(3) 陷落柱柱体与围岩接触界限明显，边缘上凹凸不平，接触面呈不规则锯齿状。

这主要是由岩层性质不同所致，柔性岩层冒落范围较大，刚性岩层冒落范围较小。

(4) 柱边围岩产状变化不大，无受力向下弯曲现象，边缘充填物也无方向性和受力挤压现象，与断层破碎带有明显区别。

(5) 由于岩溶陷落柱柱体卸载应力释放，地应力重新分布引起局部应力集中，导致陷落柱的周边和柱顶上部均有2～10 m的裂隙发育带，当钻孔钻进到裂隙带中，即出现大量漏水或出水，井下工程揭露则有淋滴水。

3 陷落柱内部物质特征
陷落柱内部物质结构具有堆积物杂乱无章、充填物多为煤系地层岩块、不同陷落柱或同一陷落柱的不同部位岩石下移的距离不一样、充填物风化程度明显差异等特征：
(1) 陷落柱内的充填物为煤系地层陷落的岩块，是岩石脱离原层位下移形成的，且冒落堆积是分期逐步向上发展的。

(2) 内部堆积物杂乱无章。

①不同陷落柱由于发育高度不同，岩石下移的距离也不同。

3# 陷落柱在9煤层位置见到A层泥岩，下落了200多米；5#，6# 陷落柱在12煤层底板位置见到11煤层顶板岩石，只下移了20多米。

②同一陷落柱的不同部位岩石下落的距离也不一样，9# 陷落柱中心位置15# 孔中12煤层底板岩石只比正常层位下降了8 m，而边缘的27# 孔中12煤层底板岩石则下降了50多米。

(3) 不同陷落柱和同一陷落柱的不同部位充填物的风化程度有明显差异。

如3# 陷落柱在9煤层位置所见充填物中，软岩已风化成泥土状，硬岩碎块被泥土胶结紧密；7# 陷落柱在7煤层位置所见大部分岩石已风化为黄色细砂，只有少量5煤层顶板的钙质砂岩还保持较大岩块；8# 陷落柱在7煤层位置所见充填物中，软岩开始风化变软，颜色微变黄，浅灰色和灰色细砂岩呈兰色，破碎后内部为白色，外部有一层兰色圈，为还原环境的水浸现象；5#，6# 陷落柱在12煤层底板所见充填物均为原状岩石破碎，无风化变色现象；从钻探取芯和冲入巷
• 122 • 岩石力学与工程学报 2004年
道中的堆积物看，9# 陷落柱内充填物的大部分软岩已风化变软，而硬岩基本保持原岩状态，12煤层以上岩石风化较差，基本保持原色，12煤层以下的硬岩裂隙面多被浸蚀变色并染有黄色粘泥，很多菱铁矿结核被浸蚀出现溶孔，有的在裂隙中再沉积形成溶滤式小铁矿石，软岩多风化成黄色，有的已形成粘泥和碎屑。

(4) 陷落柱内部的水流活动改变了其内部结构和充填物的状态。

1984年6月2日，9# 陷落柱透水时，由陷落柱内冲出的充填物约65 653 m3，陷落柱顶部空洞体积约39 700 m3，冲出物有粘泥、煤屑和岩块，岩块均滚圆呈卵石。

经鉴定，层位越低的岩石块越小，滚圆度越好，这可能与岩石风化强弱和水流搬运距离大小有关。

(5) 不同陷落柱和同一陷落柱的不同部位裂隙和空洞发育不一样。

陷落柱内部裂隙和空洞发育情况取决于充填物的风化和压实程度，不同陷落柱间差别很大，3# 和7# 陷落柱充填物已风化成砂子和粘泥并压实，裂隙率很小，陷落柱内部已不导水，而9# 陷落柱平均裂隙率达12.6%，导水性很强。

同一陷落柱的不同部位裂隙和空洞的发育也不一样，9# 陷落柱上部裂隙率高达21%，中部为6.2%，下部为4.7%。

4 陷落柱成因
4.1岩溶陷落柱发育受地质构造控制
岩溶陷落柱是奥灰岩溶空洞上覆岩层坍塌的产物，岩溶陷落柱的形成首先取决于岩溶发育程度，而岩溶发育必须具备2个条件，即可溶性岩层和良好的地下水动力条件，其中地下水流通道和排泄口的畅通与否对岩溶和陷落柱的形成更具有特别重要的意义。

范各庄矿区所处的开平向斜东南翼，其奥灰岩溶发育受地质构造控制[2]。

据钻孔实际揭露资料，在塔坨向斜及毕各庄向斜区，奥灰岩溶很发育，而背斜及单斜地区不太发育。

此外，不同地质构造部位奥灰岩溶发育情况也不一样，分布于塔坨向斜浅部的奥灰孔所揭露的岩溶多为呈层状发育的小溶洞，岩溶非常发育。

塔坨向斜深部的3个奥灰孔，有2个未见溶洞，有1个钻孔虽见小溶洞但均被泥质岩充填。

分布于中部单斜区的3个奥灰孔均未见溶洞，岩溶很不发育。

毕各庄向斜区各奥灰孔均见到溶蚀裂隙、溶孔及小溶洞，但表层(奥灰顶界面100 m以上)溶洞多被煤系地层破碎岩石和砂与粘土所充填，紧密呈半胶结状态，下部无充填。

奥灰岩溶在向斜地区发育，岩溶陷落柱集中在次级向斜轴部或转折端附近，说明岩溶发育与陷落柱形成的依存关系，这种关系以及陷落柱分布也符合整个华北地区煤田陷落柱的规律。

断裂构造，特别是张性断裂构造是坚硬岩石的水流通道，控制地下水的径流与排泄。

在开平向斜东南翼的边幕状近东西向小型背向斜褶曲部位，上部煤系地层表现为塑性形变，煤系下部基底奥灰岩，则往往由于脆性岩石形变而发育张性断裂构造。

东西向的褶曲轴及断裂受到了近南北向大断层所切割，形成断裂构造网，为奥灰水的径流和排泄创造了条件。

4.2岩溶陷落柱成因
从力学角度考虑[4]，在向斜褶曲部位岩溶陷落柱成因归结为：
(1) 上部煤系柔性地层受压，产生塑性形变使奥灰岩上覆地层成为致密屏蔽，为下部溶洞腔内形成‘真空吸蚀’创造了条件。

(2) 下部奥灰岩受拉，使脆性岩石形变而发育张性断裂构造，有利于岩溶发育。

在向斜轴部的岩层底面，张性断裂裂隙使岩层破碎为‘倒楔形’(底大顶小的四方柱体)岩块(如图2)，‘倒楔形’有利于岩块整体下移。

图2 向斜轴部陷落柱成因分析示意图Fig.2 Sketch for mechanism analysis on forming karstic collapse columns at syncline axis
(3) 由于地下水活动，岩溶溶洞不断发展扩大，破坏了原来岩层的应力平衡状态，引起岩层的应力释放和弹塑性变形破坏，其不平衡之原因既有地应力集中的作用，同时也有岩层强度的降低。

(4) 地下水面的变动，使岩溶溶洞腔内有压水
第23卷第1期尹尚先等. 华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨 • 123・　
面转为无压，水面以上空间出现低气压或真空负压。

如果地下水面急剧下降，真空负压瞬间诱导出的巨大能量对上覆岩层内部结构产生强烈而迅速的液化、漩吸、掏空和搬运等破坏作用。

(5) 如果上覆岩层存在地下水渗流，岩溶塌陷形成的柱体严重扰动地下水的渗流方向，渗流方向的突变以及垂直方向渗透动水压力的迅速增加，使陷落柱体内岩块伴随水流向下部岩溶裂隙通道或空洞中运动。

(6) 上覆岩层的关键层因受岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用而破坏塌落。

一旦关键层失稳，轴部破碎的岩体沿垂向裂隙面由下向上持续塌落，部分陷落物被水带走，坍塌继续向上发展，待岩石破碎膨胀充填了整个陷落空间，并形成自然平衡拱后，坍塌陷落才停止，于是上覆岩层得到暂时稳定。

(7) 由于地质和水文地质条件没有发生大的改变，地下水不断对灰岩和塌落的岩石进行化学溶蚀、机械搬运和破坏，使岩溶进一步扩大，处于暂时稳定状态的上覆岩层再次失去平衡而继续塌落，重复上述(3)～(6)作用过程，此种作用迅速而间歇地重复进行，使陷落柱不断向上发展。

(8) 由于岩溶水活动，冒落下来的岩石逐渐被冲蚀带走，因此陷落柱的发育高度和规模与奥灰水流携带能力和形成时间长短有关。

(9) 岩溶陷落柱多发育于向斜地段而不是背斜轴部的主要原因：
①背斜轴部岩层底面受压，岩溶不发育，溶洞空间有限，地下水径流缓慢，因此，上覆岩层塌落及地下水对灰岩和塌落岩石的化学溶蚀、机械搬运和破坏活动强度低得多；
②在背斜轴部的岩层底面，压性或压扭性断裂裂隙使岩层破碎为‘正楔形’(顶大底小的四方柱体)岩块(如图3)，而‘正楔形’不利于岩块整体下移，因此即使其他条件相同，向斜较背斜易于产生陷落柱。

综上所述，岩溶陷落柱的成因是以奥灰岩层中地下水的强烈交替为条件，岩溶发育为基础，岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、间歇、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始过程，分阶段逐步形成陷落柱。

图3 背斜轴部陷落柱成因分析示意图Fig.3 Sketch for mechanism analysis of forming karstic collapse columns at anticline axis
5 结论
(1) 陷落柱形态不规则，围岩接触界限明显，柱边围岩产状变化不大，无受力向下弯曲现象，边缘充填物也无方向性和受力挤压现象，陷落柱内部结构具有堆积物杂乱无章、充填物多为煤系地层岩块、不同陷落柱或同一陷落柱的不同部位岩石下移的距离不一样、充填物风化程度明显差异等特征。

(2) 岩溶陷落柱的成因是以奥灰岩层中地下水强烈交替为条件，岩溶发育为基础，岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、间歇、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始过程，分阶段逐步形成陷落柱。

(3) 向斜轴部的岩层底面受张拉，有利于岩溶发育，张性断裂裂隙使岩层破碎为‘倒楔形’岩块，重力作用下的‘倒楔形’有利于岩块整体下移；而背斜轴部岩层底面受压，岩溶不发育，压性或压扭性断裂裂隙使岩层破碎为‘正楔形’岩块，不利于整体下移，因此从力学角度考虑，向斜岩层较背斜岩层易于产生陷落柱。

参考文献
1 煤炭科学研究总院西安分院，峰峰矿务局，鹤壁矿务局等. 华北型
煤矿奥灰水防治[M]. 西安：陕西人民出版社，1990，267～275
2 钟亚平. 开滦煤矿防治水综合技术研究[M]. 北京：煤炭工业出版
社，2001
3 中国科学院地质研究所. 中国煤矿岩溶水突水机理的研究[M]. 北
京：科学出版社，1992
4 尹尚先. 煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用[博士学位论文][D].
北京：中国矿业大学(北京校区)，2002。