潞安常村井田陷落柱分布规律与成因初探张书林;张子敏;王运革;卢志刚【摘要】陷落柱发育、导水和集聚瓦斯都对煤矿安全生产产生威胁.依据常村井田现勘探揭露陷落柱发育的位置和特征,从岩溶发育条件、地下水径流条件以及构造发育条件等3个方面对常村井田陷落柱成因进行了分析,指出上述3个条件是常村井田陷落柱发育的主要因素,且三者相互联系,进而得出了陷落柱发育的规律：陷落柱多发育在奥灰水富水异常区、张扭性断层应力集中部位和向斜轴部褶曲部位及其转折端.%The cultivation,conducting water and gathering gas of the karstic collapse columns are threatening in the coal mines.According to the location and features of the karstic collapse columns in Changcun coal mine field,the causes of the karstic collapse columns were analyzed in the aspects of the karst development condition,the ground water flow condition and the tectonic setting,which were considered to major factors,and these factors interacted with each other and they did not function separably.The basic rule of karstic collapse columns＇ spatial distribution in Changcun coal mine field is concluded finally as follows：Ordovician limestone rich water anomalies,tenso-shear faults stress concentrations and the syncline axises and their turning ends are the positions in which the karstic collapse columns are likely to develop.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(030)003【总页数】5页(P283-287)【关键词】潞安常村井田;陷落柱;岩溶;径流;构造【作者】张书林;张子敏;王运革;卢志刚【作者单位】河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;山西潞安环保能源开发有限公司常村煤矿,山西长治046031;山西潞安环保能源开发有限公司常村煤矿,山西长治046031【正文语种】中文【中图分类】TD163.1;P640 引言岩溶陷落柱是北方型石炭-二叠纪煤田的一种特殊地质构造(岩溶塌陷)[1]．常村井田所在潞安矿区也发育有大量的陷落柱，由于陷落柱的存在会导致涌水、突水或瓦斯积聚等问题，对煤矿安全生产和人员生命安全都造成一定的威胁，因此分析该地区陷落柱成因及其分布规律对煤矿安全生产具有重要的指导作用．鉴于姬村向斜轴以西井田的勘探程度较低，其东部井田内陷落柱的发育规律为本文研究的重点，通过对东部的研究以期得到全矿井陷落柱发育的一些规律，从而对煤矿安全生产起一定指导作用．1 常村矿概况及矿区构造演化1.1 常村矿概况常村煤矿隶属于山西潞安环保能源有限公司，矿井设计能力400万t/a，服务年限为124 a，2009年生产原煤763万t．现开采3号煤层．井田内地质构造以褶曲为主，地层走向近南北向西倾斜，倾角3～6°，东部以单斜为主，伴有近东西向波状起伏，西部为近南北向褶曲；断层主要为NEE向、近EW向正断层和少量近南北向的逆断层；另外，井田内发育大量的陷落柱，如图1和图2所示．1.2 矿区构造演化潞安矿区位于华北断块区吕梁-太行断块沁水块坳东部，次级构造单元沾尚-武乡-阳城NNE向褶带中段，矿区主体部分为新生代叠加的长治新裂陷，东侧以晋获断裂带与太行山块隆相接，西侧逐渐过渡为沁水盆地核部[2]，见图1．加里东运动使华北地台整体隆起，海相沉积的奥陶系可溶岩遭受长达1亿余年的风化剥蚀，这就使得其残留厚度均匀，顶部岩性基本一致．晚二叠世发生的印支运动遍及中国东部，开始叠加于不同的老构造单元之上以NNE为主线、东西分异为特征的构造发展时期．由于矿区位于华北板块的中部，距直接碰撞挤压带较远，故应力相对较弱，区内发育一些NNE向宽缓的褶曲[3]．侏罗纪-早白垩世时期的燕山运动是晚古生代以来东亚地区最为剧烈的一次构造运动，其地球动力学背景是太平洋-库拉板块与中国大陆板块之间的相互作用[2]．潞安矿区受SEE-NWW向挤压应力场控制产生了近SN向的晋获逆冲推覆构造带．由于应力场发生根本的转变，华北板块发生逆时针旋转，体现为左旋压扭性，晋获断裂带呈现东盘向北，西盘向南的压扭运动，在矿区应力集中部位产生NEE 向的断裂面，矿区的构造格局也基本形成．进入新生代后，由于印度板块向欧亚板块的碰撞挤入和新太平洋体系中的东亚大陆边缘裂解效应的联合作用，导致了矿区的构造应力场发生了重大变化，即由SEE-NWW向挤压转为NNE-SSW向挤压．此时垂直晋获断裂带发生应力松弛，导致该断裂带反转活动[4]．中新世，以NEE-SWW(72°∠1°)向挤压和NNW-SSE向引张为特征[5]．矿区内NEE向的断层发生正断层运动．局部地区在重力作用下，沿早期NEE向构造破碎带形成剖面X型共轭剪破裂，进而发展成为剖面X型正断层、构成垒堑组合．更新世，本区不但受太平洋俯冲引起的引张应力场的影响，而且也受到印度-亚欧板块碰撞挤压应力场的影响且占主导地位[6]．此时晋获断裂带发生右旋走滑运动，受其影响，矿区内部的许多老构造特别是断裂构继承了古近纪两次裂谷运动，复活并多期活动，同时也有新生的[5]．2 井田陷落柱发育特征表1 常村井田(东部)陷落柱特征统计Tab.1 Characteristic statistics of the collapse columns in Changcun east mine field长轴方向长轴长度/m<5050～100100～150150～200>200总计SN1971220NNE314NNW415NE3418NW173314NEE3115NWW11EW262212总计729227469截至2009年7月，在井田东部，生产揭露和三维勘探查明的陷落柱共有69个，其中生产揭露的有30个，通过三维勘探发现的有39个，见表1．由表1可知，井田内的陷落柱较发育，长轴直径在50-100 m的陷落柱最为发育，占44.97%，100-150 m的陷落柱次之，占24.16%；陷落柱长轴发育的方向以NNW-SN和NEE-EW向为主．2.1 平面分布特征由图2可知陷落柱分布有以下特点.(1)陷落柱和地下水特别是奥灰水富水带异常区关系密切，从陷落柱和奥灰富水异常区分布上看，陷落柱多分布在奥灰富水异常区.(2)在断层应力集中区和向斜轴部褶曲部位陷落柱较发育，姬村向斜轴部以东的井田内统计的69个陷落柱中，39个发育在断层应力集中区，49个发育在向斜轴部及其转折端.2.2 柱体形态及柱内岩体特征在通过对现有资料的整理和分析后可知，平面上较常见的形态有椭圆形、近圆形、近似长方形及不规则形等．从垂直地震时间剖面上看，陷落柱多为上小下大的反漏斗型，空间形态为不规则塔状，见图3.井田内陷落柱塌陷程度不同，多为半截柱，少量为下伏柱，未发现有导通地面的陷落柱．依据实地勘探资料分析发现，陷落柱岩性特征表现为岩石成分混杂，无分选，形状不规则，排列杂乱；在陷落柱柱体的边缘部位，常有一些不同规模的整体垮塌的岩块，其倾向均指向陷落柱中心，产状较陡，与正常地层呈断层接触的假象．对于陷落柱内物质的胶结情况，有些陷落柱内胶结较好，如陷落柱X1，X2，X8，X9，X10，X13，X14和X29等；有些则胶结不好或胶结松散，如陷落柱X5，X6，X17，X18和X19等．3 陷落柱的成因分析关于陷落柱的成因，现在大致有膏溶塌陷说、循环塌陷说、重力塌陷说、真空吸蚀塌陷说4种成因学说[7-10]，但这些学说都还没有形成定论．张茂林、伊尚先认为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[11]．由此可知陷落柱发育须具备3个条件：一要有岩溶；二具备良好的径流条件；三构造条件．这里还要指出，陷落柱的形成还跟当地侵蚀基准面有很大的关系，它的升降决定了径流对灰岩机械冲蚀作用的大小．本文着重从岩溶发育、径流条件及构造发育条件等3个方面分析常村井田陷落柱的成因．3.1 岩溶发育由矿区构造演化可知，矿区遭受历次构造运动，接受数次的风化剥蚀和沉积，也产生的大量的裂隙、节理和断层；加之矿区O2f组地层厚120 m，底部为泥灰岩，其普遍有厚20～60 m的石膏层[12]等这些因素都为岩溶发育的有利条件．奥陶系中统岩溶发育的形态为蜂窝状溶孔及孔洞和溶蚀裂隙，其中溶蚀裂隙发育由浅到深逐步减弱，且逐步被填充直至完全填充[13]．从整个矿区岩溶在平面分布情况来看，自东向西可大致分为强、中、弱3个岩溶发育带[12]：强岩溶发育带分布于故县-北村以东，文王山、二岗山两地垒；中等岩溶发育带位于北村-故县以西，老军庄以东地区；弱岩溶发育带位于老军庄以西．而这3个带又分属于强富水区、中等富水区和弱富水区．由图2可知，老军庄位于常村井田．依据上面的分析井田老军庄以东和以西的地区岩溶分别发育有中等、弱岩溶发育带．奥灰水富水异常区内发育有大量的岩溶，而这些地带也是陷落柱集中发育的地方，从而说明岩溶是陷落柱形成的发源地[11]．3.2 径流条件潞安矿区地表水属于海河水系的浊漳河源区，地下水为辛安泉群的南流泉组子系统．本区经历了多期构造叠加后使得本区整体呈缓西倾的单斜构造，在东部出露一套呈南北向展布的长条状碳酸岩类地层，岩溶裂隙发育，是岩溶裂隙水的主要补给区；另外，地表水系也是地下岩溶裂隙水补给源之一，其主要通道是灰岩出露区内河道里的断层带，如浊漳河的北、西、南三源出口附近至石梁之间，河流流量明显减少[14]．岩溶水在东部接受大气降水和地表水的补给，然后向下渗流，此时地下水由浅(东)到深(西)顺层汇流；在煤系地层露头附近达到区域潜水面，汇入强水平径流带中并向矿区岩溶地下水的集中径流出口汇聚，此时地下水汇流方向由西向东．另外，矿区中深部(西)埋藏深度大的煤系地层裂隙水和奥陶系岩溶水通过新构造断裂带[15](如王庄-常村新构造断裂带)接受垂向越流补给，补给的水一边由西向东作缓慢的反倾向流汇入强水平径流带，一边向深部越流．有关资料表明[16]新生代以来文王山地垒复活；故县断层及其伴生构造是新生的新构造断裂；但中华-安昌地堑未被复活．其中文王山地垒和故县断层及其伴生构造在垂向上得到越流补给，在侧向上汇聚次一级导水裂隙中的水，而中华-安昌地堑则起阻水作用．另外根据常村三维地震勘探资料，在安昌断层北侧井田存在奥陶系灰岩顶部低速异常区，该区域奥灰岩裂隙发育并且充水．奥灰富水异常区就分布在这些地点，见图2．矿井西部发育的近南北向的褶皱，特别是向斜轴部产生的张性裂隙则是次一级的导水通道，向文王山地垒和故县断裂带汇聚．图2中姬村向斜轴部就分布着奥灰富水异常区．以上这些区域也是陷落柱发育的地方，地下水径流对陷落柱的发育存在着重要的影响．3.3 构造发育条件潞安矿区的构造应力场自上新世的NNE-SSW向变为现今的NEE-SWW向，使得常村井田内NNE，NEE，NE向断层具备张扭性的性质．由于断层的存在，其伴生、次生裂隙，节理裂隙比较发育．特别是正断层，其两盘相对滑动产生的次生应力会使伴生的剪裂隙和张裂隙进一步扭转．其中的破裂面及与断层平行的裂隙会发生扭张而转化为张扭性裂隙，从而导致在距断层一定距离处出现大量张扭性裂隙．那些被张性裂隙所“切割”的岩石碎块就容易垮落，有利于陷落柱的进一步发育．例如，常村井田内故县断层及其伴生构造和NEE向的断层附近就发育大量的陷落柱，见图2．井田西部发育有一系列近南北向的背、向斜．由于受到挤压作用，向斜轴部的岩层底面，产生张性裂隙，而在背斜轴部的岩层底面，则产生压性或压扭性断裂裂隙．另外，向斜轴部的岩层压力比背斜轴部岩层压力大，压力与重力方向相同，压力较大有利于岩块冒落．因此，向斜构造比背斜构造更容易形成陷落柱．例如，在姬村向斜轴部及转折端附近就发育有大量的陷落柱，以上实例都说明了构造对陷落柱发育有很大的影响．另外，陷落柱长轴发育的方向和应力方向也有关系，例如在统计姬村向斜轴部100 m范围内发育的15个陷落柱中有10个长轴方向和姬村向斜轴平行，这说明了陷落柱长轴发育方向与最大水平主应力方向是垂直的．矿区上新世到现今构造应力场由NNE-SSW向转变为NEE-SWW向.从表1统计的陷落柱长轴发育的主要方向NNW-SN和NEE-EW向可知，也基本符合这一规律．3.4 三者之间的关系构造运动，特别是差异升降运动[17]对侵蚀基准面升降有很大影响，也会产生大量的裂隙、节理和断层，这些对地下水径流条件有很大的影响，而地下水沿着裂缝、节理和断层进行可溶性流动形成岩溶，并对岩溶周围岩石的塌落起促进作用，岩石垮落又产生大量的裂隙、节理和断层．综上所述，陷落柱形成的3个主要原因不是独立的，而是相互联系共同作用陷落柱的发育．4 结语(1)通过对常村井田揭露的陷落柱进行统计分析发现，陷落柱一般发育在断层及其伴生结构附近和向斜轴部及转折端，而这些区域也常常是奥灰富水异常区．(2)从岩溶发育条件、地下水径流条件以及构造发育条件等3个方面对常村矿陷落柱成因进行了分析，指出上述3个条件是常村井田陷落柱发育的主要因素，且三者相互联系，得出了陷落柱发育的规律，进而对指导煤矿安全生产具有重要的意义．参考文献：[1] 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.[2] 曹代勇,张杰林,关英斌，等.潞安矿区构造格局及构造演化[J].煤炭学报,1995,20(2):174-178.[3] 马永明.潞安-长治矿区地质构造形成机制探讨[J].中国煤田地质,2005,17(1):1-3.[4] 曹代勇,关英斌.晋-获断裂带分段模式研究[J].大地构造与成矿学,1997,21(4):323-329.[5] 白海波, 缪协兴.潞安矿区奥陶系岩溶演化主控因素分析[J].采矿与安全工程学报,2008,25(1):17-21.[6] 李祥根.中国新构造运动概论[M].北京:地震出版社,2003:19.[7] 钱学溥.石膏喀斯特陷落柱的形成及其水文地质意义[J].中国岩溶,1988,7 (4):344-34.[8] 尹尚先.煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用[D].北京:中国矿业大学(北京) ,2002.5.[9] 王锐.论华北地区岩溶陷落柱的形成[J].水文地质工程地质,1982 (1):37 - 44.[10] 徐卫国,赵桂荣.试论岩溶矿区地面塌陷的真空吸蚀作用[J].地质论评,1981 ,27(2):175-180.[11] 张茂林,伊尚先.华北型煤田陷落柱形成过程研究[J].煤田地质与勘探,2007,35(6):26-29.[12] 史红霞.潞安矿区岩溶陷落柱相关因素分析[J].煤,2004,13(4):52-53.[13] 刘芳珍.潞安矿区奥陶系岩溶发育规律及成因探讨[J].地下水,1997,20(2):70-73.[14] 河南省煤炭地质勘察研究院.常村煤矿生产矿井地质报告[R]. 2004.[15] 白海波, 缪协兴.王庄-常村断裂带新生性及其控水作用[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(增刊):25-27.[16] 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