岩溶陷落柱

第四章 岩溶陷落柱

陷落柱：由于下伏易溶岩层，经地下水强烈溶蚀，形成大量空洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落，塌陷所形成的筒状柱体，简称陷落柱

第一节岩溶陷落柱的特征

一、地表特征 1、盆状塌陷 2、丘状凸起 3、柱状破碎带

山西西山和汾西矿区的沟谷两侧或道路两旁的天然或人工剖面上，常可见到一些柱状破碎锻，这即是陷落住的剖面形态。 4、特殊地貌形态

在黄土覆盖区，基岩个的陷落柱可导致表层黄土产生圆形陷坑或弧形阶梯状裂缝。裂缝窄的仅几厘米，宽的可掉进耕牛，在山西汾西矿区有“跌牛缝”之称。此外，陷落柱还可引起黄土滑坡。 二、陷落柱井下特征 1、陷落柱的形态特征 它是指陷落住柱的三度空间形状。现从它的平面和刻而形态、高度和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。

(1)陷落柱的平面形态 它是指陷落柱与地面、水平切面或

煤层面的交线形态。一般呈椭圆形，也可呈圆形、鞋底形或长条形等。 根据山西阳泉三矿已揭露的133个陷落柱的平面形态统计资料，椭圆形的92个，占69％；圆形的13个，占10％；其它形状的28个，占31％。为了描述陷落柱的平面形态，应标出长轴和短轴，计算出长短轴的比值。一个矿区，陷落住长轴往往具有一定的方向性。

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(2)陷落柱的剖面形态 它是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落拄形态。如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层(如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层)，则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层(如砂岩、砂砾岩、砾

岩和石灰岩层)，则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水乎面的交角为60- 80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍里，锥形柱状。

( 3)陷落柱的高度 它是指从溶洞底到塌陷顶的垂宜距离。它与溶洞的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有密切关系．一般高度由几十米到l 00-200m，但也有高达几百米的巨型陷落和仅数米的小型坍塌。

(4)陷落柱的中心轴 它是指陷落柱各平面形态的中心点的联线。通常，中心轴垂直于所穿过的岩层层面。由于陷落柱穿过的各岩层的产状、岩石性质和裂隙发育程度常有变化，因此，中心轴大多不是垂立的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。掌握中心轴的倾

伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、下部水平陷落的平面位置非常重要。

一般情况下，下部煤层和下部水平陷落柱的平面位置向煤层上山方向、即煤层倾向相反方向移动。

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2．陷落柱的柱面特征 陷落柱的柱面是指陷落柱与周围正常岩层的接触面。它受岩层的岩石性质和结构构造的控制。岩性均一的坚硬岩层柱面多呈直立的平面，松软岩层与坚硬岩层互层，柱面为凹凸不平的锯齿状曲面，软岩层凹入，硬岩层凸出，上部岩层松软多水，裂隙发育，下部岩层坚硬完整，柱面也可呈滑坡状曲面。

3．陷落柱的柱体组成特征

陷落柱由塌落岩块堆积组合而成。与周围正常岩层相比，塌落岩块层位较新，并具有大小悬殊、棱角明显、形状各异、混杂堆积，常为松软岩屑、煤屑和粉粒充填粘结等特点。陷落柱中塌落岩块胶结的好坏，与陷落往形成的早晚，地下水的活动情况，以及塌落岩层的岩石性质有关。早期陷落柱一般均已胶结，晚期的则混杂粘合，胶结较差，比较松散；有地下水长期活动的陷落注，塌落岩块表面及其间隙常有铁质、碳酸钙质或高的土等矿物质沉淀，连同煤粉和岩屑组成的软泥，招岩块粘结起来。

根据江苏徐州大黄山矿的研究表明，陷落往内的塌落岩块并非杂乱无章，塌菠岩块的层面多向往内歪斜，同一层位的岩块在水平方向上呈现有规律的对称性分布。

第二节 陷落柱的成因

研究陷落校的形成原因，主要是研究煤系及其下伏地层中导致岩镕发育的地质条件，引起岩溶洞穴塌陷的机理，以便切实掌握陷落柱的发育和分布规律，为煤矿开采过程中预测和探查陷落拄提供重要理论依据。

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一、岩溶发育的地质条件

岩溶发育必须具备下列四个条件，缺一不可。

(1)煤系或其下部地层中含有可溶性岩、矿层，如石灰岩、白云岩或石膏矿等。由于这些岩层或矿层极易被地下水溶蚀形成溶孔、溶隙和镕洞，并随着地下水的不断活动镕蚀空间逐步扩大。

(2)含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断层和裂隙，尤其是透水性好的张性或张扭性断裂。它们沟通地面水系、地下含水层段与可溶性岩、矿层之间的水力联系，因此陷落柱常沿岩溶化断裂带、褶曲轴部，特别是断裂交汇处呈串珠密集分布

(3)地下水交替循环快，排泄流场，具有良好的地下水动力条件。一个地区的侵蚀基准面控制着地下水的交替和流动。侵蚀基准面以下，地下水流动缓慢，排泄困难，岩溶不发育。岩溶发育最有利的地带，是地下水面以下、侵蚀基准面以上的饱水带。这带地下水向侵蚀基准面作水平运动，形成水平连通的溶洞。因岩溶陷落柱集中分布在地下水强滞留带内。

(4)地下水源丰富，具有溶蚀性较强的酸根和较大的侵蚀“掏空”能力。应该指出，有极少部分的陷落柱的塌落空间不是由于地下水的溶蚀作用造成的，而是由于地下水的机械作用把泥砂透镜体、断层泥堆积体等松软岩体冲刷带走造成的。

二、溶洞塌陷机理

1、重力塌陷观点

重力致塌观点以天然洞穴和人工裸体硐室的自然塌落为基础，有一定的理论和实践依据。但是，当认真考查这一观点时，却发现与之有矛盾的客观现象如下：

(1)按陷落核上小下大的特点推算，溶洞的底面积应远大于煤层的塌陷面积，然而，从野外考查和钻孔揭露资料来看，通常溶洞规模不大。所以，要形成煤层陷落面积达几十到几千平方米的大溶洞是十分困难的。

(2)按陷落高度为悬空高度的2．5—3倍推算，要形成陷落高度在100m以上、甚至500-600m的陷落柱，必须要有近50-200m高的巨大溶洞。这在溶洞发育地区尚未发现过，模拟验证也将十分困难。

(3)岩溶受断裂构造的控制，因此地下的溶孔、溶隙或溶洞彼此相连，组合

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成管状和网络状的岩溶体。但实际揭露的陷落柱平面形态为椭圆形和似圆形，极少出现长条形。

2．真空吸蚀塌陷的观点

相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于某些原因，如地下的补给和排泄条件的改变等，引起浅部充水岩溶腔内地下水位大幅度下降。当水位低于岩溶腔口表面时，在岩溶盖层与岩溶腔内水面之间出现无水空腔，这时腔内水体由承压转为无压。根据波义耳—马略特定律，即pV＝常数，当体积V增大时，压力p必然减小。因此，由于地下水位不断下降而逐渐增大的岩溶空腔，必定转化为低气压状态，近似于真空腔，或称负压腔。它象巨大吸盘一样，强有力地抽吸着上面盖层，使之快速剥落和下陷，直至坍塌破坏。与此同时，由于岩溶空腔内外的压差效应，使腔外大气压力对盖层表面产生冲压作用，加速盖层平衡的破坏，导致地面塌陷。

第三节、陷落柱的探测和预测

一、陷落柱的观测

无论在地表或井下遇见陷落柱，都应进行详细的观测和编录。根据生产矿井对陷落柱观测和判断的基本要可归结为五查、五看和五定的工作方法。

五查包括：查陷落柱周围煤、岩层中裂隙的发育情况和充填物性质，查陷落柱周围煤质的变化范围和风化程度，查临近陷落柱处水和瓦斯的变化情况；查陷落柱周围小型断层的发育情况和产状特征；查矿区内陷落柱的发育和分布规律。

五看包括：看陷落柱与煤、岩层接触面的形态；看陷落柱与煤、岩层接触带的充填物性质和特征；看陷落柱内岩块的性质、形状、大小、排列方式和层位时代，看陷落柱周围煤、岩层的产状变化；看陷落柱面与巷顶交线的弯曲方向和曲率。

五定包括：定巷道理陷落柱的部位；定陷落柱的形状；定陷落柱的大小；定巷道穿避陷落柱的距离；定处理陷落柱的措施。 二、陷落柱出现前的预兆

(1)煤、岩层产状发生变化。一般情况下，在临近陷落校时，煤、岩层产状稍有变化，倾向陷落柱中心，倾角增大或减小，倾角变化多在3—6°之间，个

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