岩溶陷落柱充填特征及活化导水分析

中国岩溶第20卷第4期2001年12月Vol.20No.4Dec.2001CARSOLOGICASINICA4810(2001)04-0279-05文章编号:1001-①岩溶陷落柱充填特征及活化导水分析杨为民1,2,周治安2,李智毅1(1.中国地质大学工程技术学院,北京100083;2.淮南工业学院资源与环境工程系,淮南232001)摘要:基于对华北煤田内岩溶陷落柱充填特征的研究,本文提出泥石浆型堆积是煤系段陷落柱的主要充填物。泥石浆不仅充填陷落主腔体,同时也封堵腔壁裂隙带,“结石体”成泥砾结构,渗透性极低,是柱腔内最主要的“堵水塞”,而柱旁贯通性节理由于高压水楔渗透劈入,可成为最优导水通道,它能将动水切入陷落柱,进而引发活化突水。关键词:岩溶陷落柱;泥石浆型充填;堵水;活化导水;贯通性节理中图分类号:P641.254;X141文献标识码:A0引言后,我国华北地区因陷落柱活化导水而发生的又一起特大突水灾害事故,它再次唤起了人们对陷落柱突水的高度关注。近年来,一些研究人员对研究陷落柱形成的岩体力学背景、水动力条件、渗流通道的贯通等方面研究,对陷落柱的导水、突水机理进行了探索,获岩溶陷落柱是我国华北煤田广泛发育的一种极富区域特色的地质现象。陷落柱所在岩体呈双层结构,下段为岩溶地层即奥陶纪灰岩(O2,以下简称奥灰),在山西等地可见陷落柱底界在O2内石膏带1,7～10得了一些重要认识。本文通过对山西、陕西、安徽等地大量陷落柱的野外和井下调查,注意到煤田陷落柱的充填物蕴含着丰富的、尚待进一步发掘的地质及岩石力学信息,它对进一步认识陷落柱自身堵水以及活化导水问题有重要意义。处1;上段是石炭-二叠纪煤系(C-P),主体为非岩溶地层。陷落由奥灰中发育的溶洞引起。如果覆岩陷落限于O2灰岩内,属一般岩溶塌陷。只有当覆岩陷落越过O2顶界灰岩,使C-P煤系物质陷落到灰岩溶洞中,同时煤系内形成一段竖井状腔体,腔体再被上方冒落物填充,这才出现真正意义上的煤田陷落柱,有些陷落柱向上可穿入三叠系内,陷落柱高度由数十米至500～600m,多为200～300m。回采煤层时,在煤层附近可见其截面为圆、椭圆形,并呈现“无炭柱”、“矸子窝”。在山西,由于奥灰、C-P煤系大片裸露,可见到由底到顶处各种不同层段的陷落柱露头。由于它影响采面正常布置,限制采掘机械使用,故在20世纪50～80年代,人们主要围绕开采地质问题对其成因、形态、分布和探查手段进行研究2～6①。1996年3月4日皖北任楼煤矿7222工作面发生突水淹井,这是继1984年开滦范各庄2171工作面突水淹井陷落柱充填特征1华北煤田中的陷落柱具有独特的沉积建造,它不应仅视为岩层(固相)破碎、再堆积的简单过程。现根据对露头及巷揭情况的观察,将陷落柱的沉积充填特征初步总结如下。1.1奥灰溶洞中塌落堆积在山西某些采O2石膏硐坑内或是奥灰溶洞中,有时可见到属于C-P煤系砂页岩块、煤砾、灰岩块等洞穴塌积物,这是煤田陷落柱的底部物质。就岩体①基金项目:安徽省教育厅自然科学基金项目(2001kj211)作者简介:杨为民(1965-),男,毕业于淮南工业学院,现为中国地质大学博士研究生,副教授,从事水文地质和工程地质、岩土工程等方面的教学与研究工作,已发表论文16篇。收稿日期:2001-09-02①赵全福等.煤矿水灾事故典型案例汇编(内部)。煤炭科技情报所,1992。280中国岩溶2001年力学而言,岩溶陷落柱形成前,行将陷落的岩体底部需有较大的溶蚀空间,形成向下临空面,周围由先存构造节理围成的切割面或滑动面,顶部存在层间剥离面,以上网络共同构成致塌岩体的边界条件。陷落时岩体在重力及流体动力的作用下,克服剥离面上的粘结力、切割面上的抗张力及滑动面上的抗滑阻力,使岩体发生塌陷和坠落。随溶洞的形成和扩大,致塌岩体发生陷落,塌落岩块在溶洞内形成混杂堆积。由于岩块的碎胀性11,它可填满洞底。但随着奥灰岩溶作用的持续进行,在一些洞穴内存在有管道流12,其水动力作用可将陷落物质中较小的岩块和岩屑带走。砂、泥岩中的软弱岩块,经水化、水解作用后发生崩解、泥化、溶解,泥化物及易溶组分也在地下水循环中被移出,使堆积物分散,溶洞因岩溶水的循环作用而处于扩大或蚀空-再陷落充填-再蚀空的动态变化之中。持续的水动力条件为进一步向下陷落提供自由空间。因此,在陷落柱底部溶洞中所见的堆积物多为大中型坚硬的砂岩、灰岩岩块,它们是柱底垫托层的主要成分。1.2煤系中泥石浆型堆积这是煤系段陷落柱最主要的充填物,它有以下特点:1.2.1具泥砾结构泥砾中的大角砾和块石来自上覆岩层,主要为坚硬的砂岩、灰岩块,以砂岩块居多,大小相差悬殊,从数厘米、十几厘米至数十厘米,其中巨大板条状块石长可达8～10m左右,这种条石有的斜歪、有的竖直、有的平卧,姿态多样。基质由较细至极细的岩屑、岩粉、粘粒组成,含量较高,通常60%,它们包裹着大大小小的岩块,胶结紧密,不少大岩块恰似悬浮在基质中,堆积物无分选,无层理显示。这种泥砾与山区粘性泥石流的结构相似,估计冒落时石、泥、水俱下,落底后又被充分搅混,由于固体物质含量大,粘粒成分高,泥石浆粘稠,浮力大,推测容重约2tƒm3左右,泥石浆析水固结时结构保持稳定,形成泥砾。边缘“泥浆”渗入陷落柱围岩的开启裂隙中,透入深度可达3～5m,将裂隙封堵。1.2.2腔壁淘蚀现象在煤层、弱岩层特别是软弱夹层部位陷落腔壁存在明显淘蚀现象。淘蚀部位被泥石浆充填取代,故陷落柱在软弱岩层中往往有:柱径增大(图12a)、向腔壁嵌入或楔入煤层现象(图12b),淘蚀深度1至数米不等。该特征可与跌水在跌落后,翻卷起的水流对崖壁的淘蚀作用相类比。由于陷落腔内快速充填,岩体图1泥石浆型充填堆积特征Thecharacteristicsofmud2brecciatypefillingsFig.1被淘蚀的部位也随之抬升。1.2.3其它动力现象泥砾堆积物内曾见到直径为20～40cm以,陷落柱的泥砾堆积是以煤系砂、泥岩为物源,由致塌岩体坠落时的重力和巨型垂直管道内的水动力共同作用下形成的建造。1.3干式顶冒堆积在山西,见到有一些陷落柱的充填特征是:(1)堆积物具有“似层位”,即根据岩性、化石特征,岩块原层位可辨,并且同层岩块多数断续排列成层,依据围岩层位和陷落物的“似层位”,可算出该处岩层的冒落距离。这样落下的岩层虽已开裂、分离,但岩层连续性仍可勾划,表明它在堆积时未受水力紊流作用,基本上为干式塌落堆积(图2)。(2)与开放条件下山区的崩塌堆积物相比,这种堆积物内岩屑、岩粉含量较大,常占总体积的50%以上,这可能与陷落腔处在岩体内部,属封闭环境有关,的“煤球”或“石球”(图12c),滚圆程度为圆到极圆,上有擦痕。它是煤块和中等强度的岩块在滚翻的泥石浆中被打磨的产物,也是固结前浆液曾遭类似旋涡式搅动的证明。综上所述,当岩体在封闭的陷落腔内发生陷落时,岩体中出现竖井式垂直通道,使柱腔上、下不同含水层发生贯通,由于水动力加入,必然引发腔内流体(液、气)同时发生流动,故在陷落堆积中保存着固、液、气三相动力作用记录;另外在煤系中含有许多易于分散溶解于水中的泥岩、页岩,可成为造浆的物源,它们在陷落、粉碎及水动力作用下便可造出泥浆。所281第20卷第4期杨为民等:岩溶陷落柱充填特征及活化导水分析膨胀变形能力,故能使较小陷落柱终止上升。2陷落柱堵水作用分析煤田中的陷落柱对所在的含水岩体来说,曾起过“塌窟窿,自补洞”的双重作用。具体来说,岩体致塌后产生陷落腔,它们如同一个个深度大、截面大的天然竖井,这些“窟窿”可贯通岩体上、下数个含水层,其中包括奥灰及太原统灰岩岩溶含水层以及砂岩裂隙含水层等。此后,进一步的塌陷和充填则起到“自补洞”作用。即腔体围岩以其自身的岩土物质,造成“补洞”所需的天然“灌浆”材料——泥石浆,它们填入腔内,形成规模巨大的“堵水塞”即陷落柱。从各个探有陷落柱的矿区水文资料上看,陷落柱确已有效地封堵了不同含水层间的巨型越流通道,岩体的含水层重被修复。现在尚难了解这“先塌后堵”的具体时间和历程,但可初步肯定充填前的腔空时段是有长有短的。若腔空时间较长,往往在该段柱壁周边煤、岩层内留下氧化和浸水痕迹,如柱边煤层变暗、变软,成鳞片状、粉末状,柱边次生裂隙发育异常,有铁锈色沉淀等,这是围绕陷落腔的风氧化带,宽度可达2～8m。如果腔空时段很短,则腔壁围岩就没有这种风氧化带。从陷落柱整体充填特征来看,它的自堵水阻水作用有以下几种:2.1奥灰内岩块阻水段在奥灰段,溶洞是陷落腔的最底部,由于致塌岩体陷落时存在着较强的动水压力,细小岩屑、泥质物被带走,留下的塌落堆积物主要为大中型岩块,该段腔体靠这些岩块自重封堵,形成柱底垫托层。它将奥灰水巨型管道流向上变为岩块间的小股细流,削弱了动水能量。由洞底向上随着腔体内岩溶水的动压逐渐降低,充填物中小岩块、岩屑、岩粉含量逐渐变多,岩溶水流由小股管道流变为渗透流,由动水条件变为静水条件,进而形成类似防渗的反滤结构。陷落柱底部岩块阻水与水利工程中的堆石截流可类比。2.2“泥砾”堵水塞当进入煤系段后,陷落腔体就被泥石浆封堵。对于塌陷形成的空腔来说,倾注而下含有大量固体物质的泥石浆,起到平衡地压、抑制围岩变形和阻水、堵水多种作用,其作用类似石油钻探中的高固相泥浆压井15。灌入的泥石浆首先阻断了奥灰水上涌通道,也封堵了其它含水层,部分泥浆流向腔体四壁,将泥质物引入过水空隙内充填,进而封死腔壁裂隙,隔绝含水层。灌入腔体内的泥石浆固化结石后,成泥砾柱即陷落柱,这是一种特殊的岩土体:它的粘粒含量高,胶图2上方煤层及夹石层落入开采煤层中Fig2Uppercoalbedsandinterlayersfallingdownintothecoalbedbeingmined就像采煤工作面在突发冒顶时伴有高压气流、气击之类的事件产生,往往形成超量粉尘,并可吹入空隙、裂隙并将其充填。因此,这种冒顶式堆积也具有“泥砾结构”。但它是在空腔高度不大条件下的陷落充填,故可依顶板逐层冒落方式堆积起来。1.4柱内开放水体沉积在霍县、汾西一带矿井内除了见到陷落柱泥砾堆积外,有时在陷落柱内还存在一套新第三纪砂、泥岩堆积,它们与静水湖泊沉积相似,层理、微细层理十分清晰,其中还发现淡水瓣鳃及龟类化石。它表明这类陷落腔已与地表水体相通,导入湖相沉积物。在这类陷落柱内,有时见有“套锥体”、柱缘泥质充填带及小断层斜切陷落柱等多次活动现象,隐含有受水浸泡及古地震活动的遗迹。但这类陷落柱在别的地方尚未见报导。1.5柱顶情况大多数陷落柱顶端都终止在岩体内部不同深度上,如侵蚀不到位,即使在暴露煤田内也主要为地表无露头的“盲柱”。因此,野外调查时,能直接观察到陷落柱顶部及终止层位的机遇和寻求见底的机遇同样事属罕见。有些矿区陷落柱虽成群发育,勘探钻孔也很多,但从上部正常岩层钻入陷落柱顶部的钻孔寥寥无几,在采掘巷道内能实见柱顶的例子更属鲜见。这里仅将个例介绍一下。太原西山矿区一些向下钻遇的陷落柱,多是从北岔沟砂岩下始见,其上岩层完整;也有的是在上石盒子组K6砂岩下始见。该地曾在庙口灰岩下十五尺煤层中见陷落柱柱顶空洞,洞底不深,由洞口向下看去能见到已陷落的煤层,而顶板庙口灰岩完整。以上岩层多为致密坚硬,弹性模量大,强度高,节理平均间距大的岩层,它们可阻止断面较小的陷落柱向上发展。另外,还见一种情况,如汾西张家庄矿下部10#煤中所见陷落柱,有的可塌穿上部4#煤,有的却在4#煤相当位置上变为放射状正断层,呈现“裂而不陷”。4#煤底板为铝土页岩和多层海相泥岩,后者吸水膨胀为水敏岩岩层13,具较强塑性变形和282中国岩溶2001年理,整体性好。它具有很高的阻水强度16内最主要的“堵水塞”(图3)。结紧密,渗透率极低,不含水,不透水,抗渗厚度大、抗,是陷落腔渗能力强。泥砾具有弹-塑性,结石体内无裂隙,无节图3陷落柱自身堵水及活化突水示意图Fig.3Schematicrepresentationofwaterburstingbypillarcollapseanditsreactivationinducedwaterconducting2