陷落柱的成因、危害及其勘察预测

 

 

钱学溥 (国土资源部)

  

 

  要: 文章探讨了有关陷落柱成因3种主要的假说,叙述了我国最严重的3起陷落柱突水事故。根据多数地质工作者支持的“膏溶说”及实践的经验,文章论述了陷落柱的勘察和预测。

关键词:陷落柱;成因;危害;勘察预测

 

一、 陷落柱的成因

 陷落柱在世界其它各地少有发现,在我国,则是一种比较发育的地质现象。陷落柱分布在煤系地层中,高度可超过500米,直径多在20米至200米,组成陷落柱的块石,是上覆地层的岩石。陷落柱分布的密度,一般是0.2~2个每平方公里,在阳泉最大密度可达100个每平方公里。陷落柱广泛分布在我国的山西、陕西、内蒙、河北、河南、山东、安徽、江苏、辽宁、北京市和重庆市的煤田中,全国发现的陷落柱总数约有6000个。关于陷落柱的成因有许多假说,主要有“溶洞说”、“膏溶说”、“真空说”。

11944年,日本小贯义男提出“溶洞说”,认为陷落柱是奥陶系石灰岩溶洞塌陷形成的产物。这种假说难以接受:首先,在陷落柱最为发育的山西,看不到奥陶系地层发育有大型垂直的溶洞。其次,奥陶系上覆有煤系地层,奥陶系承压水水平流动,不可能形成大型垂直的溶洞。

21960年,钱学溥提出“膏溶说”。这种假说认为:奥陶系中统峰峰组石灰岩中,赋存有厚度大于30米的硬石膏(已被1976年,山西省沁水盆地石油普查钻探等所证实)。地壳不断地上升,当硬石膏层被抬升至距地面1500米左右,在地下水的作用下,硬石膏(CaSO4)水化形成含水石膏(CaSO42H2O)(简称石膏)。硬石膏水化变成石膏(已被1959年,山西省阳泉市供水水文地质详查钻探所证实)体积膨胀了55.6%。体积巨大具有可塑性的石膏,沿着破碎带的交线挤入上覆的岩层。石膏的溶解速度是石灰岩、白云岩的5~10倍。这种柱状的石膏体不断被地下水溶蚀,上覆岩层塌陷充填形成了陷落柱。

  四川盆地地下深处三叠系中统雷口坡组地层中,赋存有厚度大于30米的硬石膏层(已被大量的石油钻探所证实),在重庆市、合川县,三叠系中统雷口坡组上覆的须家河组煤系地层中,同样也发现了大量的陷落柱。

31978年,徐卫国提出“真空说”。这种假说认为:地下水穿过溶洞流动,形成真空,在真空吸附的作用下,上覆地层塌陷形成了陷落柱。这种假说难以成立:第一,地下水可以穿过溶洞,空气当然也可以进入溶洞,难以形成真空的溶洞。第二,即使形成了真空的溶洞,其负压最大也只相当于大气的压力,也就是1.03千克每平方厘米,这样小的负压力,肯定不足以形成几百米高的陷落柱。

42005年,贺可强、王滨、杜汝霖著《中国北方岩溶塌陷》,称陷落柱的形成机制,目前仍处于探索阶段,其中1960年钱学溥提出的“膏溶说”得到较多地质工作者的支持。

 

二、 陷落柱的危害

陷落柱的存在,不仅减少了煤炭的储量,影响了煤炭的机械化生产,并且可能构成导水的通道,造成严重的突水事故。在我国,突水量较大的陷落柱约有50个,突水量一般是0.1~2立方米每秒,最大可达34立方米每秒。其中突水量最大的是河北唐山范各庄煤矿、安徽淮北煤田任楼煤矿、内蒙古乌海市骆驼山煤矿,其突水量都远远大于知名的南非德律芳天金矿6立方米每秒的涌水量,造成了淹井停产、人员伤亡和重大的经济损失。

1、 1984年,河北唐山范各庄煤矿9号陷落柱突水,陷落柱高大于250米,顶部有32米空洞,最大突水量34立方米每秒,殃及附近5座矿山,遇难矿工11人。参加处理的人员有3500人,用时750天。共施工灌浆钻孔37孔,进尺34303米,注入水泥68569吨,注入骨料30950立方米。该突水事故,造成的直接经济损失达5亿元。

2、 1996年,安徽淮北煤田任楼煤矿陷落柱突水,陷落柱高大于450米,陷落柱已发育至第四系地层,最大突水量10立方米每秒。参加处理的人员有200人,用时202天。共施工灌浆钻孔13孔,进尺5543米,注入水泥15032吨,注入骨料130立方米。该突水事故,造成的直接经济损失达1.2亿元。

3、 2010年,内蒙古乌海市骆驼山煤矿陷落柱突水,陷落柱断面呈椭圆形,长轴6米,最大突水量18立方米每秒,遇难矿工31人。由于突水十分猛烈,少数矿工被来水拍到坑道壁上,肢体破碎,十分惨烈。该突水事故,造成的直接经济损失有5千万元。治理该突水的陷落柱,参加处理的人员有100人,用时60天。共施工灌浆孔10孔,进尺4200米,注入水泥120000吨,注入骨料400立方米。

2005年,《骆驼山煤矿煤炭资源储量核实报告》送交国土资源部矿产资源储量评审中心评审。该矿所在的桌子山煤田没有发现过陷落柱,奥陶系地层不发育,各矿矿井涌水量也不大,报告认定该矿水文地质条件简单,也没有提到陷落柱问题。评估师钱学溥根据奥陶系的沉积旋回,在评审意见书中,第三节建议的第一条,写到“陷落柱可以构成奥陶系承压岩溶地下水的充水通道……”。可惜这条建议没有受到矿方的重视,2010年,发生了重大的矿难。

 

三、 陷落柱的勘察和预测

陷落柱是不能实验复制的地质体,只能采取“排除法”推断它的成因。目前“膏溶说”得到较多地质工作者的支持,我们根据这个假说以及大量的实践经验,论述陷落柱的勘察及预测如下:

1、  区域调查——与陷落柱形成有关的厚层石膏,应该是海相的化学沉积,或是海水蒸发的产物,它的分布面积比较大,可能有数千乃至数万平方公里。根据“膏溶说”,陷落柱的分布具有区域性的特点。在我国,寒武奥陶系膏溶陷落柱大体是以山西太原、阳泉为中心,向四周的发育逐渐减弱。因此,在煤田的勘查阶段,必须认真调查研究附近煤矿陷落柱发育的情况。

    在陷落柱发育的地区,除隐伏的陷落柱以外,在剥蚀的作用下,地表也可以直接观察到陷落柱中充填的碎石。这些碎石易于风化,往往在地表形成低洼的浅坑。

2、  根据“膏溶说”,地下深处赋存有厚层的硬石膏,是陷落柱形成的必要条件。在我国,已知煤系地层下伏石灰岩层中,赋存有硬石膏层的有:

(1) 1957年,在四川盆地施工的石油普查钻孔,揭露地下3000米以下深处,三叠系中统雷口坡组石灰岩中,赋存有硬石膏,厚度大于30米。四川省合川县全济煤矿、重庆市南江等煤矿揭露的陷落柱,推测与上述硬石膏层有关。

(2) 1975年,山西沁水盆地施工的石油普查钻孔,揭露地下1000米以下,奥陶系中统峰峰组石灰岩中,赋存有厚层的硬石膏,揭露硬石膏厚度大于10米。山西太原市、灵石县石膏普查钻孔揭露奥陶系中统峰峰组石膏厚度大于30米。在山西、陕西、河北、河南、山东、安徽、江苏、北京等地,煤矿中揭露的数以千计的陷落柱,推测都与奥陶系中统峰峰组厚层硬石膏有关。

(3) 2005年,内蒙古伊金霍洛旗施工的岩盐普查钻孔,在地下3200米深处奥陶系下统马家沟组,揭露硬石膏层厚度大于40米。内蒙古准格尔煤田窑沟、牛连沟煤矿发现有陷落柱,该矿地下没有奥陶系中统峰峰组地层,其陷落柱的形成,可能与当地地下深处奥陶系下统马家沟组硬石膏层有关。内蒙古乌海市骆驼山煤矿,地下没有奥陶系中统峰峰组地层,2010年,发生严重的陷落柱突水事故,其陷落柱的形成,可能也与当地地下深处奥陶系下统马家沟组硬石膏层有关。安徽淮南煤田地下没有奥陶系中统峰峰组地层,其陷落柱的形成,可能也与当地地下深处奥陶系下统马家沟组硬石膏层有关。

(4) 2010年,在辽宁省辽阳市进行石膏矿的勘探,在地下1000米左右的寒武系下统馒头组地层中,揭露有硬石膏层7层,单层最大厚度7米。辽宁省辽阳市、本溪市发现的一些陷落柱,可能与上述的寒武系下统硬石膏层有关。

(5) 相反,贵州二叠系茅口灰岩没有硬石膏夹层,其上覆龙潭组煤系地层也没有陷落柱发现。新疆没有厚层的石灰岩,开采侏罗系煤层也没有陷落柱发现。在内蒙乌审旗开采的是侏罗系煤层,该煤层距离下伏的奥陶系石灰岩超过一千米,当然也不会受到陷落柱的威胁。

3、  沉积旋回——石膏是海相沉积旋回的产物,比如我国北方的奥陶系地层,可以分为38段,说明奥陶系有3个沉积旋回。每个完整的沉积旋回都有沉积碳酸盐(石灰岩、白云岩)---硫酸盐(石膏)---氯化物(岩盐、钾石盐)的规律。石膏很容易被水溶解,除了山西太原、阳泉、灵石地表可以看到奥陶系残留的石膏以外,我国其它各地地表都看不到古生界地层残留的石膏。硬石膏层是石灰岩沉积旋回后期的产物。因此,如果发现有沉积旋回的迹象,比如有白云岩、白云质页岩、角砾状石灰岩、泥灰岩、页岩、石英砂岩等岩层,那么地下深处就有赋存石膏层的可能,当地就不能排除出现陷落柱的可能性。

4、  角砾状石灰岩——角砾状石灰岩有两种,一种是同生的角砾状石灰岩,比如我国北方的寒武系竹叶状石灰岩,它的角砾比较小,是在石灰岩沉积时一起形成的。另一种是后生的角砾状石灰岩,比如我国四川三叠系中统雷口坡组角砾状石灰岩,角砾的直径可以达到1米,厚度可达40米,这种角砾状石灰岩就是厚层石膏层溶解后,石灰岩岩层塌陷形成的产物。在我国北方的奥陶系中统峰峰组地层中,同样可以见到这种后生的角砾状石灰岩。如果在地表或地下见到这种“膏溶角砾状石灰岩”,发现陷落柱的可能性就比较大。

5、  地质构造——硬石膏水化形成石膏,体积膨胀55.6%,在地层的压力下,体积巨大具有可塑性的石膏向上冲入上覆的地层,石膏被地下水溶蚀后塌陷形成了陷落柱。通过实践总结,可以认识到:

1)岩层平缓,发生陷落柱的可能性比较大;岩层倾角较大,石膏可能沿着层面流失,形成陷落柱的可能性比较小。

2)在平缓折曲的背斜顶部和向斜的翼部,张节理比较发育,陷落柱的密度相对较大。

3)断层发育的地区,石膏可能沿着断层面流失,形成陷落柱的可能性比较小。

4)岩浆岩发育的地区,受到岩浆岩高温高压的影响,形成陷落柱的可能性比较小。

5)下伏石灰岩赋存的硬石膏层厚度越大,产生陷落柱的密度和尺度也越大。

6)在大型构造盆地的腹部,如四川盆地的腹部、山西沁水盆地的腹部,地下水处于滞留的状态,硬石膏没有水化形成石膏,当然也不会形成陷落柱。

6、水文地质

1从地文期的角度考虑,陷落柱形成的时代是从中新世直到近代,只有形成时代较新,约占总数1~2%尚未固结的陷落柱,才具有导水的作用。

在缺水的太行山石灰岩山区,有出露地表面积较大的陷落柱,其中的土砂和碎石一般是相对的隔水层,往往赋存有少量的地下水,每天可以开采5~30担地下水,是当地宝贵的饮用水源。

2陷落柱的形成与地下水的活动有关,在大型构造盆地的腹部,地下水处于滞留的状态,地下水多属于氯化物水,矿化度多大于10克每升,这一地带不可能有陷落柱产生。在接近盆地边缘的地带,石灰岩埋深在1500米左右,例如重庆附近10多处温泉,地下水属于饱和的硫酸钙水,矿化度2克多每升,是典型的与石膏溶解有关的温泉,可以名为石膏温泉,这一地带是陷落柱正在形成的地带。在盆地的边缘地带,石灰岩埋深小于1500米,地下水属于重碳酸盐水,矿化度小于1克每升,是可能存在陷落柱的地带。

3在带压开采的条件下,才有可能发生陷落柱突水事故。下伏石灰岩的承压水头越高,突水的危害性越大。下伏石灰岩的水文地质单元越大,突水的危害性越大。开采区越靠近地下水的强径流带,突水的危害性越大。开采区距离排泄区岩溶大泉越近,突水的危害性越大。如山西霍西煤田霍县白龙煤矿,靠近流量达7立方米每秒的岩溶大泉郭庄泉,该矿发现突水陷落柱4个。

4)靠近石膏层层位的煤系地层发生陷落柱突水的可能性比较大,远离石膏层层位的煤系地层发生陷落柱突水的可能性比较小。如在我国北方,开采奥陶系上覆的石炭系煤层,发生陷落柱突水的可能性比较大;开采二叠系煤层,发生陷落柱突水的可能性比较小。

5) 陷落柱可能引发严重的突水事故,断层和底板遭到变形破坏,同样也可能发生比较严重的突水事故。例如内蒙古准格尔煤田唐家会煤矿,断层引发奥陶系石灰岩含水层突水,突水量1000立方米每小时。又如安徽淮北煤田杨庄煤矿,底板破坏引发石炭系及奥陶系石灰岩含水层突水,突水量3150立方米每小时,造成二水平被淹,治理工作超过2个月,直接经济损失1.5亿元。突水发生以后,石炭系及奥陶系石灰岩含水层水位大幅度下降,分别达到61.4米和11.8米。

7、物探及钻探——存在陷落柱突水危险的勘查区,需要进行一些必要的勘察工作:

(1) 根据四川省地勘单位的经验,采用二维地震和瞬变电磁进行陷落柱的勘察,是有效的。

(2) 根据我国北方各省地勘单位的经验,煤炭先期开采地段进行三维地震勘察,对断层和隐伏的陷落柱都有较明显的反映。如内蒙古准格尔煤田老三沟井田,三维地震勘察共发现了7个疑似陷落柱,面积分别达到185~45814平方米。

(3) 在我国北方,为了查明井田奥陶系地下水的水位、富水性以及沉积旋回和产生陷落柱的可能性,应施工1~2水文地质孔。孔径不宜小于150毫米,揭露奥陶系地层不宜少于250米,抽水试验应配合使用井下流速仪,以确定含水层的位置和厚度。

(4) 为了确定陷落柱的导水性,可以施工水文地质抽水孔,以了解陷落柱的导水性。

(5) 存在陷落柱突水危险的矿山,生产过程中应先探后采,在工作面可以施工超前钻孔或电法勘察,了解是否有陷落柱的存在。

 

 

参考文献:

[1] 小贯义男  1944年,关于河北省井陉煤田陷落柱的报告,北支那开发株式会社调查局,中国地质资料馆

[2] 钱学溥  1959年,四川东南三叠系中统角砾状石灰岩的成因,《水文地质工程地质》1959年第1期,地质出版社

[3] 钱学溥  1960年,山西高原喀斯特发育特征,《水文地质工程地质》1960年第8期,地质出版社

[4] 钱学溥  1988年,石膏喀斯特陷落柱的形成及其水文地质意义,《中国岩溶》第7卷第4

[5] 钱学溥  1988年,THE FORMATION OF GYPSUM KARST COLLAPSE-COLUMN21IAH国际会议论文集

[6] 贺可强、王滨、杜汝霖  2005年,《中国北方岩溶塌陷》,地质出版社

 

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