1. 引言
岩溶陷落柱是华北煤田发育的一类独特隐伏构造[1]，其内部往往充填破碎岩石、煤屑等松散物质，具有不规则的形态和分布特征。部分陷落柱内部充填物胶结尚未完全，柱内孔洞及裂隙较为发育，可作为导水通道沟通周围含水层，使得柱体具有较强的富水性，这严重威胁着矿井的安全生产和矿工的生命安全[2]。当开采工作面推进至此类陷落柱附近时，为避免引发陷落柱突水，需采取有效的预防措施，而这也大大增加了巷道掘进和采煤作业的技术难度[3]。
分析研究岩溶陷落柱的发育特征及主要成因，对于研究岩溶陷落柱的形成机理、导水性以及岩溶陷落柱突水防治等具有重要意义。目前，关于岩溶陷落柱的发育特征，如平面形状、剖面特性、围岩和构造伴生现象等的研究内容十分丰富[4] [5]，张军建等学者[6]也就陷落柱的分布特征进行了较为深入的分析。陷落柱成因方面，许多学者从水文地质条件、分布特征及规律和控制机制等方面开展研究[7] [8]。本文以顾北煤矿北一采区2#岩溶陷落柱为研究对象，基于已收集的研究区工程、水文地质资料，结合钻探物探结果，分析了2#陷落柱的发育特征及分布规律，讨论了陷落柱发育的主要成因。研究成果对于未来淮南矿区岩溶陷落柱的预测及防治具有一定的参考价值。
2. 研究区概况
2.1. 地层岩性
顾北矿井按断层将其划分为南、北和中央三个采区，如图1所示。
Figure 1. Mining area distribution map of Gubei coal mine
图1. 顾北煤矿采区分布图
其中北一采区为全隐伏煤田，位于矿井北部，该区地层包括寒武系、奥陶系、石炭系等，如图2所示。该区煤层大量赋存于山西组以及石盒子组，1煤为主要可开采煤层，太原组灰岩及奥陶系灰岩共同构成了该区域煤层底板。研究区内，寒武系灰岩对陷落柱影响最大。
Figure 2. Stratigraphic section of North 1 mining area
图2. 北一采区地层剖面图
2.2. 地质构造
顾北矿位于陈桥背斜与潘集背斜相连地带，整体构造表现为走向南北且向东倾斜的单斜形态，其倾角范围在5˚至15˚之间，并伴有分布不均的次级褶皱及断层结构。基于上述地质特征，可将研究区域细分为以下三个部分：北部区域为构造相对简单的单斜地带；中部呈现出“X”型共轭剪切构造特征；而南部区域同样为单斜构造区。
研究区被F86~F92-4等断层包围，为矿井北部单斜区。此单元构造简单，南部地层呈平直的南北走向，北部呈向东弯曲的北东走向，倾角小于5˚，同时伴有局部不明显宽缓褶曲。该区北部近F86断层部分地层走向为近东西向，倾角大于10˚，小断层较发育。研究区域构造图如图3所示。
Figure 3. Tectonic map of the study area
图3. 研究区域构造图
2.3. 水文地质条件
1煤层为高水压薄阻水层，其底板主要含水层为太原组灰岩岩溶裂隙含水层及奥陶系岩溶承压含水层。太原组灰岩含水层由13层灰岩构成，其中C3I组、C3III组灰岩富水性弱至中等，C3II组较弱；奥陶系灰岩为巨厚承压层，富水性弱至中等。此外，煤层底板主要隔水层为太原组灰岩层间隔水层和本溪组。
3. 陷落柱成因
3.1. 陷落柱形成的基本条件
陷落柱是我国华北煤田发育的一类独特隐伏构造，其形成条件主要包括以下四个方面[9]：
1) 厚层可溶岩：形成大溶洞的基本物质条件。煤系地层下伏岩层须含厚层可溶岩，这些岩石被地下水溶解后形成溶洞和地下通道，可作为陷落柱原始塌陷空间。
2) 上覆厚层覆盖物：上覆厚层覆盖物在溶洞和地下暗河上方，当空洞扩大到一定程度时，由于失去下方岩石的支撑，上覆岩层会逐渐失去稳定性，最后在重力作用下会发生坍塌，形成陷落柱。
3) 强烈的构造活动：强烈的构造活动能够诱发溶洞冒落垮塌，促进陷落柱的形成。地质构造活动如断层、褶皱等，能够改变岩层的结构和应力状态，使岩层更容易发生冒落[10]。
4) 活跃水动力条件和良好地下水通道：陷落柱形成的必要条件。地下水在可溶性岩层中流动时，会溶解岩石中的矿物质，形成空洞，并逐渐侵蚀空洞周围岩层，进而扩大空洞。同时，地下水将溶解的物质带走，使溶解过程持续地进行，进而形成溶洞和地下暗河。这些溶洞和暗河在不断扩大和加深的过程中，为岩溶陷落柱的形成提供了空间[11]。
综上所述，岩溶陷落柱的形成是多种因素共同作用的结果。其中，地下可溶性岩层是物质基础，地下水活动是溶洞和地下暗河形成的动力，上覆岩层重力是塌陷的直接原因，而地质构造活动则加剧了这一过程。此外，还有一些其他因素也可能影响岩溶陷落柱的形成，如岩石的物理性质、地下水的化学成分等。这些因素在岩溶陷落柱的形成过程中起着辅助或加速作用。
3.2. 2#陷落柱的主要成因
岩溶陷落柱的形成是多种因素共同作用的结果[12]。其中，地下可溶性岩层是物质基础，地下水活动是溶洞和地下暗河形成的动力，上覆岩层重力是塌陷的直接原因，而地质构造活动则加剧了这一过程。
3.2.1. 物质基础
研究区2#陷落柱发育于寒灰地层，该地层区域厚度约1100 m，井田内揭露最大厚度860.63 m。此寒灰地层的主要构成成分为灰色团块状白云岩，质地从细晶质到粗晶质不等，属可溶性地层。寒武系岩层于加里东–海西期经历了长期的剥蚀风化，大范围岩溶在此期间形成，这也表明岩溶陷落柱的发育具备了前期物质和空间基础。
3.2.2. 水动力条件及地下水通道
印支运动作用下，淮南煤田中三叠世至中侏罗世地层沉积缺失且西部地层抬升并向东倾斜，形成近东西向地质构造，如陈桥背斜与潘集背斜等。以寒武–奥陶系碳酸盐岩为基底，晚石炭–早三叠统煤系地层为盖层，构成古岩溶地下水系统，分水岭为陈桥背斜、潘集背斜，阻水边界为FW断层。据此，淮南煤田印支期古岩溶地下水系统划分为西、南、北三个子系统，研究区2#陷落柱位于南部系统中。古岩溶地下水系统划分如图4所示。
Figure 4. Paleokarst groundwater system delineation map
图4. 古岩溶地下水系统划分图
该系统为向斜型岩溶地下水系统，众多构造裂隙发育于向斜轴部及平行于轴部的位置。印支运动的作用使得该区地势东高西低，这一特征使得该区地下水自西向东流动过程加剧，且进一步推测在该区西部存在排泄口，起到促进各含水层水力联系的作用，为陷落柱发育提供了活跃水动力条件。在地下水系统中循环的水流，通过岩石裂隙连通并汇集，随后向东流动。基于古岩溶的演化背景，地下水倾向于在张性断层中流动，并在流动过程中不断侵蚀灰岩地层，促使地下岩溶裂隙逐渐发育成相互连通的网络。伴随着溶蚀的进行，地下溶洞扩大并逐步演变成一个相对成熟的洞穴系统。当这些岩溶洞穴的规模发展到一定程度，其顶部的拱形结构将无法支撑上方岩体的重量，从而导致溶洞发生塌陷，最终形成陷落柱。
4. 2#陷落柱的特征
4.1. 2#岩溶陷落柱的发育特征
岩溶陷落柱作为岩溶动力地质作用的产物，其几何形态、分布情况及内部充填等都遵循一定的规律。正确认识和分析这些规律特征，对于研究岩溶陷落柱的形成机理、导水性及突水防治等均具有重要意义[13]。目前已通过使用地面物探及地面钻探技术完成了对研究区2#陷落柱的勘探工作，同时对其特征也进行了较为全面的总结。
4.1.1. 陷落柱的形态特征
岩溶陷落柱的形态是其显著特征与本质属性的直接体现，其关键要素包括平面与剖面形态[14]。
1) 陷落柱的剖面形状
矿区共实施了七个钻孔作业(六T-1至六T-7)以对陷落柱进行综合探查。钻探结果显示，2#陷落柱分为陷落带和影响带。其中，影响带依据钻孔岩芯呈现破碎状态以及冲洗液发生漏失现象予以界定；而陷落带则是基于地层出现弯曲变形、冲洗液完全漏失、岩芯采取率较低以及卡钻等加以确定。
结合三维地震及钻探数据，2#陷落柱剖面呈上小下大的圆锥形。其中，陷落带顶部始于六T-1孔C312灰，基底发育于寒灰；影响带顶界近六T-1孔4-1煤底板骆驼钵砂岩，基底亦发育于寒灰。本文依据钻探揭露的陷落柱影响带与陷落带信息，结合煤系地层至陷落柱顶距离及物探技术，绘制了2#陷落柱剖面图，如图5(a)所示。
2) 陷落柱的平面形状
综合分析三维地震、瞬变电磁及钻探数据，陷落带平面上呈近圆形，NE向长轴与断层走向一致；影响带平面上近椭圆形，长轴走向NE向。陷落带和影响带平剖面数据参见表1。基于探查结果绘制了2#陷落柱平面图，如图5(b)所示。
Figure 5. Schematic plan view of 2# karst collapse columns
图5. 2#陷落柱平剖面示意图
Table 1. Leveling parameters of the trap and impact zone
表1. 陷落带和影响带剖平参数
|
长轴/m |
短轴/m |
面积/m2 |
陷落带 |
−850 m |
103 |
84 |
6252 |
带影响 |
−850 m |
215 |
172 |
29,211 |
奥灰顶界 |
177 |
139 |
19,226 |
C3I组灰岩 |
133 |
103 |
1117 |
太灰顶界 |
111 |
86 |
7270 |
1煤底板 |
95 |
74 |
5215 |
4.1.2. 陷落柱的分布特征
顾北煤矿2#落柱的分布情况如图6所示。目前在顾北矿区已发现1#陷落柱和2#陷落柱，这两个陷落柱均紧密平行分布于断层附近，呈NE向的带状分布，与大断裂构造向一致。
Figure 6. Distribution of 2# collapse column in Gubei coal mine
图6. 顾北煤矿2#落柱分布情况
4.1.3. 陷落柱的内部充填特征
现场揭露资料表明：1) 陷落柱内煤系地层塌陷，高角度裂缝发育且层理清晰；2) 柱体边缘地层层理紊乱，充填破碎灰岩、砂泥与煤块，缝隙胶结有方解石、黄铁矿等；3) 钻探岩芯显示柱体内部破碎度较高，奥陶、寒武系灰岩地层纵向、横向裂隙发育，且见黄铁矿晶体。
4.2. 2#岩溶陷落柱的水文地质特征
陷落柱内部被大量破碎石块充填，因此往往具有较发育的导水通道。同时，陷落柱的导水性使得其内部水体能够与周围水体发生水力交换，形成复杂的水力联系网络，这种水力联系网络的存在进一步增强了陷落柱内部的富水性，从而影响整个区域的水文地质条件。
4.2.1. 2#陷落柱的富水性特征
2#陷落柱内六T-1、六T-3、六T-4及六T-6孔探查表明：1) 1煤以上地层富水性较弱，可达到0.0000486到0.0035 L/s∙m的单位涌水量；2) C3I组灰岩富水性弱至中等，单位涌水量0049至0.97 L/s∙m，水质为Cl−-K+ + Na+型，pH值在8.25到8.96之间；3) C3I组灰岩段下部地层富水性强至极强，单位涌水量1.406至6.03 L/s∙m，水质Cl−-K+ + Na+型，pH值在8.43到8.88之间，溶解固形物可达1649.49~2845.22 mg/L。
因钻孔揭露的寒武系地层有限，故无法利用抽水试验结果分析该层富水性。
4.2.2. 2#陷落柱的水力联系特征
1) 灰岩地层与4煤以上地层水力联系弱或无水力联系，与4煤以下地层可能存在水力联系；2) 柱内钻孔探查显示：太灰、奥灰段间水力联系密切，富水性强，即陷落柱的导水性能较强。同时，受下部灰岩水混合影响，钻孔灰岩段水温偏高；3) 7个施工钻孔封孔质量均合格，封孔过程中无异常漏失，由此推断该陷落带虽已被充填，但柱体内部仍未固结成岩。
探查区外的六T-2、六T-7孔岩芯完整且无漏失，六T-5孔奥灰顶全漏且水质特殊，这表明2#陷落柱为相对封闭、独立的含水体。
综上，2#陷落柱具有垂直方向上导水性强而水平方向渗透性弱的特点。具体而言，陷落柱在其影响带及陷落带范围内均具有较强的导水性。富水性方面，陷落柱影响带在二叠系煤系地层富水性较弱，太灰及以下地层富水性在弱至极强范围内，而陷落带在其所在地层中均表现出强富水性。
4.3. 2#岩溶陷落柱的工程地质特征
评估2#陷落柱的工程地质特性，需综合考虑其岩石的RQD (岩石质量指标)值、岩芯的采集效率、物理力学特性、软硬岩的比例构成以及陷落柱含水性等因素。
4.3.1. 岩芯采取率特征
2#陷落柱影响带顶部延伸至4-1煤下方骆驼钵砂岩层。根据钻探获取的岩芯数据分析，二叠系地层的钻孔岩芯采取率较高，共计7个钻孔均表现出此特征，而太原组灰岩、奥陶系灰岩及寒武系灰岩的岩芯采取率则相对较低。这一现象与岩石的破碎程度或裂隙发育状况密切相关，具体数据参见表2。
Table 2. Average adoption rate of bedrock in boreholes
表2. 各钻孔基岩平均采取率
孔号 |
岩芯采取率(%) |
二叠系地层 |
灰岩地层 |
六T-1 |
76 |
60 |
六T-2 |
83 |
62 |
六T-3 |
83 |
77 |
六T-4 |
75 |
49 |
六T-5 |
85 |
57 |
六T-6 |
87 |
50 |
六T-7 |
78 |
68 |
4.3.2. 岩石的抗压强度特征
物理力学测试结果显示，岩石的抗压强度与其所在的层位、埋藏深度及容重之间的关联性不显著，而主要受控于岩石本身的类型。具体而言，抗压强度从高往低排列依次是：砂岩与细砂岩 > 砂质泥岩与粉砂岩 > 泥岩。本次共从7个钻孔中采集了岩石物理力学试样，涵盖了1煤顶底板试样69组、太原组灰岩试样24组、奥陶纪灰岩试样16组以及寒武纪灰岩试样3组。鉴于2#陷落柱的影响带顶部恰好位于六T-1孔的4煤下骆驼钵砂岩，故精确测定勘查区域内1煤顶底板以及C3I组灰岩的岩石物理力学参数具有重要意义。从1煤层顶底板的取样分析数据来看，陷落柱内岩石所表现出的抗压强度较本矿区岩性相同的正常岩石略有降低，这反映了陷落柱对其造成的潜在影响，具体数据参见表3。
Table 3. General situation of rock compressive strength (unit: MPa)
表3. 岩石抗压强度概况表(单位：MPa)
岩性 |
顾北煤矿 |
六T-1孔 |
六T-3孔 |
六T-4孔 |
六T-6孔 |
1顶 |
1底 |
1顶 |
1底 |
1顶 |
1底 |
1顶 |
1底 |
泥岩 |
6.5~25.4 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
砂质泥岩 |
18.6~99.1 |
/ |
4.713 |
/ |
/ |
13.259 |
/ |
/ |
/ |
粉砂岩 |
25.3~88.5 |
16.893 |
/ |
/ |
/ |
46.54 |
/ |
/ |
/ |
细砂岩 |
51.5~178.4 |
30.47~48.97 |
25.85~33.33 |
83.13~85.12 |
45.46 |
|
73.45 |
60.585~116.92 |
24.30~106.82 |
中砂岩 |
64.4~178.6 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
粗砂岩 |
64.0~65.6 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
5. 结语
顾北煤矿2#陷落柱的形成受多种因素控制，煤系地层下的厚可溶性灰岩为其形成提供了物质基础；东高西低的采区地势加剧了地下水流动，使其具有良好的水动力条件；该区所处的向斜型地下水系统使得地层中裂隙构造发育；该区寒武系灰岩上部厚覆盖为地层陷落柱的形成提供了直接条件。结合陷落柱的发育特征综合分析各控制因素的作用原理，对今后煤矿开采具有指导作用。
基金项目
煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心开放基金资助(EC2023012)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。