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      陷落柱的成因、危害及其勘察預測

       

       

      錢學溥 (國土資源部)

        

       

        要: 文章探討了有關陷落柱成因3種主要的假說,敘述了我國最嚴重的3起陷落柱突水事故。根據多數地質工作者支持的“膏溶說”及實踐的經驗,文章論述了陷落柱的勘察和預測。

      關鍵詞:陷落柱;成因;危害;勘察預測

       

      一、 陷落柱的成因

       陷落柱在世界其它各地少有發現,在我國,則是一種比較發育的地質現象。陷落柱分布在煤系地層中,高度可超過500米,直徑多在20米至200米,組成陷落柱的塊石,是上覆地層的巖石。陷落柱分布的密度,一般是0.2~2個每平方公里,在陽泉最大密度可達100個每平方公里。陷落柱廣泛分布在我國的山西、陜西、內蒙、河北、河南、山東、安徽、江蘇、遼寧、北京市和重慶市的煤田中,全國發現的陷落柱總數約有6000個。關于陷落柱的成因有許多假說,主要有“溶洞說”、“膏溶說”、“真空說”。

      1、1944年,日本小貫義男提出“溶洞說”,認為陷落柱是奧陶系石灰巖溶洞塌陷形成的產物。這種假說難以接受:首先,在陷落柱最為發育的山西,看不到奧陶系地層發育有大型垂直的溶洞。其次,奧陶系上覆有煤系地層,奧陶系承壓水水平流動,不可能形成大型垂直的溶洞。

      2、1960年,錢學溥提出“膏溶說”。這種假說認為:奧陶系中統峰峰組石灰巖中,賦存有厚度大于30米的硬石膏(已被1976年,山西省沁水盆地石油普查鉆探等所證實)。地殼不斷地上升,當硬石膏層被抬升至距地面1500米左右,在地下水的作用下,硬石膏(CaSO4)水化形成含水石膏(CaSO4?2H2O)(簡稱石膏)。硬石膏水化變成石膏(已被1959年,山西省陽泉市供水水文地質詳查鉆探所證實)體積膨脹了55.6%。體積巨大具有可塑性的石膏,沿著破碎帶的交線擠入上覆的巖層。石膏的溶解速度是石灰巖、白云巖的5~10倍。這種柱狀的石膏體不斷被地下水溶蝕,上覆巖層塌陷充填形成了陷落柱。

        四川盆地地下深處三疊系中統雷口坡組地層中,賦存有厚度大于30米的硬石膏層(已被大量的石油鉆探所證實),在重慶市、合川縣,三疊系中統雷口坡組上覆的須家河組煤系地層中,同樣也發現了大量的陷落柱。

      3、1978年,徐衛國提出“真空說”。這種假說認為:地下水穿過溶洞流動,形成真空,在真空吸附的作用下,上覆地層塌陷形成了陷落柱。這種假說難以成立:第一,地下水可以穿過溶洞,空氣當然也可以進入溶洞,難以形成真空的溶洞。第二,即使形成了真空的溶洞,其負壓最大也只相當于大氣的壓力,也就是1.03千克每平方厘米,這樣小的負壓力,肯定不足以形成幾百米高的陷落柱。

      4、2005年,賀可強、王濱、杜汝霖著《中國北方巖溶塌陷》,稱陷落柱的形成機制,目前仍處于探索階段,其中1960年錢學溥提出的“膏溶說”得到較多地質工作者的支持。

       

      二、 陷落柱的危害

      陷落柱的存在,不僅減少了煤炭的儲量,影響了煤炭的機械化生產,并且可能構成導水的通道,造成嚴重的突水事故。在我國,突水量較大的陷落柱約有50個,突水量一般是0.1~2立方米每秒,最大可達34立方米每秒。其中突水量最大的是河北唐山范各莊煤礦、安徽淮北煤田任樓煤礦、內蒙古烏海市駱駝山煤礦,其突水量都遠遠大于知名的南非德律芳天金礦6立方米每秒的涌水量,造成了淹井停產、人員傷亡和重大的經濟損失。

      1、 1984年,河北唐山范各莊煤礦9號陷落柱突水,陷落柱高大于250米,頂部有32米空洞,最大突水量34立方米每秒,殃及附近5座礦山,遇難礦工11人。參加處理的人員有3500人,用時750天。共施工灌漿鉆孔37孔,進尺34303米,注入水泥68569噸,注入骨料30950立方米。該突水事故,造成的直接經濟損失達5億元。

      2、 1996年,安徽淮北煤田任樓煤礦陷落柱突水,陷落柱高大于450米,陷落柱已發育至第四系地層,最大突水量10立方米每秒。參加處理的人員有200人,用時202天。共施工灌漿鉆孔13孔,進尺5543米,注入水泥15032噸,注入骨料130立方米。該突水事故,造成的直接經濟損失達1.2億元。

      3、 2010年,內蒙古烏海市駱駝山煤礦陷落柱突水,陷落柱斷面呈橢圓形,長軸6米,最大突水量18立方米每秒,遇難礦工31人。由于突水十分猛烈,少數礦工被來水拍到坑道壁上,肢體破碎,十分慘烈。該突水事故,造成的直接經濟損失有5千萬元。治理該突水的陷落柱,參加處理的人員有100人,用時60天。共施工灌漿孔10孔,進尺4200米,注入水泥120000噸,注入骨料400立方米。

      2005年,《駱駝山煤礦煤炭資源儲量核實報告》送交國土資源部礦產資源儲量評審中心評審。該礦所在的桌子山煤田沒有發現過陷落柱,奧陶系地層不發育,各礦礦井涌水量也不大,報告認定該礦水文地質條件簡單,也沒有提到陷落柱問題。評估師錢學溥根據奧陶系的沉積旋回,在評審意見書中,第三節建議的第一條,寫到“陷落柱可以構成奧陶系承壓巖溶地下水的充水通道……”??上н@條建議沒有受到礦方的重視,2010年,發生了重大的礦難。

       

      三、 陷落柱的勘察和預測

      陷落柱是不能實驗復制的地質體,只能采取“排除法”推斷它的成因。目前“膏溶說”得到較多地質工作者的支持,我們根據這個假說以及大量的實踐經驗,論述陷落柱的勘察及預測如下:

      1、  區域調查——與陷落柱形成有關的厚層石膏,應該是海相的化學沉積,或是海水蒸發的產物,它的分布面積比較大,可能有數千乃至數萬平方公里。根據“膏溶說”,陷落柱的分布具有區域性的特點。在我國,寒武奧陶系膏溶陷落柱大體是以山西太原、陽泉為中心,向四周的發育逐漸減弱。因此,在煤田的勘查階段,必須認真調查研究附近煤礦陷落柱發育的情況。

          在陷落柱發育的地區,除隱伏的陷落柱以外,在剝蝕的作用下,地表也可以直接觀察到陷落柱中充填的碎石。這些碎石易于風化,往往在地表形成低洼的淺坑。

      2、  根據“膏溶說”,地下深處賦存有厚層的硬石膏,是陷落柱形成的必要條件。在我國,已知煤系地層下伏石灰巖層中,賦存有硬石膏層的有:

      (1) 1957年,在四川盆地施工的石油普查鉆孔,揭露地下3000米以下深處,三疊系中統雷口坡組石灰巖中,賦存有硬石膏,厚度大于30米。四川省合川縣全濟煤礦、重慶市南江等煤礦揭露的陷落柱,推測與上述硬石膏層有關。

      (2) 1975年,山西沁水盆地施工的石油普查鉆孔,揭露地下1000米以下,奧陶系中統峰峰組石灰巖中,賦存有厚層的硬石膏,揭露硬石膏厚度大于10米。山西太原市、靈石縣石膏普查鉆孔揭露奧陶系中統峰峰組石膏厚度大于30米。在山西、陜西、河北、河南、山東、安徽、江蘇、北京等地,煤礦中揭露的數以千計的陷落柱,推測都與奧陶系中統峰峰組厚層硬石膏有關。

      (3) 2005年,內蒙古伊金霍洛旗施工的巖鹽普查鉆孔,在地下3200米深處奧陶系下統馬家溝組,揭露硬石膏層厚度大于40米。內蒙古準格爾煤田窯溝、牛連溝煤礦發現有陷落柱,該礦地下沒有奧陶系中統峰峰組地層,其陷落柱的形成,可能與當地地下深處奧陶系下統馬家溝組硬石膏層有關。內蒙古烏海市駱駝山煤礦,地下沒有奧陶系中統峰峰組地層,2010年,發生嚴重的陷落柱突水事故,其陷落柱的形成,可能也與當地地下深處奧陶系下統馬家溝組硬石膏層有關。安徽淮南煤田地下沒有奧陶系中統峰峰組地層,其陷落柱的形成,可能也與當地地下深處奧陶系下統馬家溝組硬石膏層有關。

      (4) 2010年,在遼寧省遼陽市進行石膏礦的勘探,在地下1000米左右的寒武系下統饅頭組地層中,揭露有硬石膏層7層,單層最大厚度7米。遼寧省遼陽市、本溪市發現的一些陷落柱,可能與上述的寒武系下統硬石膏層有關。

      (5) 相反,貴州二疊系茅口灰巖沒有硬石膏夾層,其上覆龍潭組煤系地層也沒有陷落柱發現。新疆沒有厚層的石灰巖,開采侏羅系煤層也沒有陷落柱發現。在內蒙烏審旗開采的是侏羅系煤層,該煤層距離下伏的奧陶系石灰巖超過一千米,當然也不會受到陷落柱的威脅。

      3、  沉積旋回——石膏是海相沉積旋回的產物,比如我國北方的奧陶系地層,可以分為38段,說明奧陶系有3個沉積旋回。每個完整的沉積旋回都有沉積碳酸鹽(石灰巖、白云巖)---硫酸鹽(石膏)---氯化物(巖鹽、鉀石鹽)的規律。石膏很容易被水溶解,除了山西太原、陽泉、靈石地表可以看到奧陶系殘留的石膏以外,我國其它各地地表都看不到古生界地層殘留的石膏。硬石膏層是石灰巖沉積旋回后期的產物。因此,如果發現有沉積旋回的跡象,比如有白云巖、白云質頁巖、角礫狀石灰巖、泥灰巖、頁巖、石英砂巖等巖層,那么地下深處就有賦存石膏層的可能,當地就不能排除出現陷落柱的可能性。

      4、  角礫狀石灰巖——角礫狀石灰巖有兩種,一種是同生的角礫狀石灰巖,比如我國北方的寒武系竹葉狀石灰巖,它的角礫比較小,是在石灰巖沉積時一起形成的。另一種是后生的角礫狀石灰巖,比如我國四川三疊系中統雷口坡組角礫狀石灰巖,角礫的直徑可以達到1米,厚度可達40米,這種角礫狀石灰巖就是厚層石膏層溶解后,石灰巖巖層塌陷形成的產物。在我國北方的奧陶系中統峰峰組地層中,同樣可以見到這種后生的角礫狀石灰巖。如果在地表或地下見到這種“膏溶角礫狀石灰巖”,發現陷落柱的可能性就比較大。

      5、  地質構造——硬石膏水化形成石膏,體積膨脹55.6%,在地層的壓力下,體積巨大具有可塑性的石膏向上沖入上覆的地層,石膏被地下水溶蝕后塌陷形成了陷落柱。通過實踐總結,可以認識到:

      1)巖層平緩,發生陷落柱的可能性比較大;巖層傾角較大,石膏可能沿著層面流失,形成陷落柱的可能性比較小。

      2)在平緩折曲的背斜頂部和向斜的翼部,張節理比較發育,陷落柱的密度相對較大。

      3)斷層發育的地區,石膏可能沿著斷層面流失,形成陷落柱的可能性比較小。

      4)巖漿巖發育的地區,受到巖漿巖高溫高壓的影響,形成陷落柱的可能性比較小。

      5)下伏石灰巖賦存的硬石膏層厚度越大,產生陷落柱的密度和尺度也越大。

      6)在大型構造盆地的腹部,如四川盆地的腹部、山西沁水盆地的腹部,地下水處于滯留的狀態,硬石膏沒有水化形成石膏,當然也不會形成陷落柱。

      6、水文地質

      1從地文期的角度考慮,陷落柱形成的時代是從中新世直到近代,只有形成時代較新,約占總數1~2%尚未固結的陷落柱,才具有導水的作用。

      在缺水的太行山石灰巖山區,有出露地表面積較大的陷落柱,其中的土砂和碎石一般是相對的隔水層,往往賦存有少量的地下水,每天可以開采5~30擔地下水,是當地寶貴的飲用水源。

      2陷落柱的形成與地下水的活動有關,在大型構造盆地的腹部,地下水處于滯留的狀態,地下水多屬于氯化物水,礦化度多大于10克每升,這一地帶不可能有陷落柱產生。在接近盆地邊緣的地帶,石灰巖埋深在1500米左右,例如重慶附近10多處溫泉,地下水屬于飽和的硫酸鈣水,礦化度2克多每升,是典型的與石膏溶解有關的溫泉,可以名為石膏溫泉,這一地帶是陷落柱正在形成的地帶。在盆地的邊緣地帶,石灰巖埋深小于1500米,地下水屬于重碳酸鹽水,礦化度小于1克每升,是可能存在陷落柱的地帶。

      3在帶壓開采的條件下,才有可能發生陷落柱突水事故。下伏石灰巖的承壓水頭越高,突水的危害性越大。下伏石灰巖的水文地質單元越大,突水的危害性越大。開采區越靠近地下水的強徑流帶,突水的危害性越大。開采區距離排泄區巖溶大泉越近,突水的危害性越大。如山西霍西煤田霍縣白龍煤礦,靠近流量達7立方米每秒的巖溶大泉郭莊泉,該礦發現突水陷落柱4個。

      4)靠近石膏層層位的煤系地層發生陷落柱突水的可能性比較大,遠離石膏層層位的煤系地層發生陷落柱突水的可能性比較小。如在我國北方,開采奧陶系上覆的石炭系煤層,發生陷落柱突水的可能性比較大;開采二疊系煤層,發生陷落柱突水的可能性比較小。

      5) 陷落柱可能引發嚴重的突水事故,斷層和底板遭到變形破壞,同樣也可能發生比較嚴重的突水事故。例如內蒙古準格爾煤田唐家會煤礦,斷層引發奧陶系石灰巖含水層突水,突水量1000立方米每小時。又如安徽淮北煤田楊莊煤礦,底板破壞引發石炭系及奧陶系石灰巖含水層突水,突水量3150立方米每小時,造成二水平被淹,治理工作超過2個月,直接經濟損失1.5億元。突水發生以后,石炭系及奧陶系石灰巖含水層水位大幅度下降,分別達到61.4米和11.8米。

      7、物探及鉆探——存在陷落柱突水危險的勘查區,需要進行一些必要的勘察工作:

      (1) 根據四川省地勘單位的經驗,采用二維地震和瞬變電磁進行陷落柱的勘察,是有效的。

      (2) 根據我國北方各省地勘單位的經驗,煤炭先期開采地段進行三維地震勘察,對斷層和隱伏的陷落柱都有較明顯的反映。如內蒙古準格爾煤田老三溝井田,三維地震勘察共發現了7個疑似陷落柱,面積分別達到185~45814平方米。

      (3) 在我國北方,為了查明井田奧陶系地下水的水位、富水性以及沉積旋回和產生陷落柱的可能性,應施工1~2水文地質孔??讖讲灰诵∮?span lang="EN-US">150毫米,揭露奧陶系地層不宜少于250米,抽水試驗應配合使用井下流速儀,以確定含水層的位置和厚度。

      (4) 為了確定陷落柱的導水性,可以施工水文地質抽水孔,以了解陷落柱的導水性。

      (5) 存在陷落柱突水危險的礦山,生產過程中應先探后采,在工作面可以施工超前鉆孔或電法勘察,了解是否有陷落柱的存在。

       

       

      參考文獻:

      [1] 小貫義男  1944年,關于河北省井陘煤田陷落柱的報告,北支那開發株式會社調查局,中國地質資料館

      [2] 錢學溥  1959年,四川東南三疊系中統角礫狀石灰巖的成因,《水文地質工程地質》1959年第1期,地質出版社

      [3] 錢學溥  1960年,山西高原喀斯特發育特征,《水文地質工程地質》1960年第8期,地質出版社

      [4] 錢學溥  1988年,石膏喀斯特陷落柱的形成及其水文地質意義,《中國巖溶》第7卷第4

      [5] 錢學溥  1988年,THE FORMATION OF GYPSUM KARST COLLAPSE-COLUMN,21IAH國際會議論文集

      [6] 賀可強、王濱、杜汝霖  2005年,《中國北方巖溶塌陷》,地質出版社

       

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