淺論陷落柱的基本特征

王衛(wèi)光

【摘要】文章主要從陷落柱區(qū)域分布及形態(tài)特征、陷落柱地面地貌特征、陷落柱巖體特征三個方面闡述了陷落柱的基本特征。

【關(guān)鍵詞】陷落柱；形態(tài)特征；地貌特征；巖體特征。

一、陷落柱區(qū)域分布及形態(tài)特征

巖溶陷落柱的形成，由于受地質(zhì)構(gòu)造運動、水文地質(zhì)條件、地下水侵蝕作用等因素的控制，反映出巖溶陷落柱平面展布具有不均衡特征。從生產(chǎn)礦區(qū)巖溶陷落柱平面展布情況來看，巖溶陷落柱呈群分片出現(xiàn)。從井下揭露情況來看，陷落柱比較集中分布于井田的中部區(qū)域，自南往北陷落柱數(shù)量增多、密度變大。但每個陷落柱的具體位置分布沒有明顯的規(guī)律性，從煤層底板上看，陷落柱群的大致方向為NW-SE向，且在巨溝村背斜、煙咀-高家溝-常家溝向斜和楊家峪-紅簡溝-周家山背斜有大量陷落柱發(fā)育，占總數(shù)80%以上。

陷落柱的形態(tài)特征是指陷落柱的三度空間形狀?，F(xiàn)以3#煤層揭露的陷落柱為例，從陷落柱的平面和剖面形態(tài)、高度和中心軸等方面揭示整個陷落柱的形態(tài)特征。

（1）平面形態(tài)

它是指陷落柱與地面、水平切面或煤層面的交線形態(tài)。一般呈橢圓形，也可呈圓形、蠶豆形或長條形等。本礦井田內(nèi)的陷落柱在煤層底板上的平面投影形狀大多呈橢圓形，極少數(shù)為不規(guī)則形或似圓形。陷落柱的直徑大小相差懸殊，最大的直徑為385m，最小的僅為10m。陷落柱長軸方向性不太明顯，但大體上可以看出有三組方向較為發(fā)育。即320°～330°一組較為發(fā)育，以10°～20°、80°～90°兩組次之。

通過對3#煤層揭露的陷落柱長軸方向進行統(tǒng)計，可以得出：陷落柱長軸方向以北西方向為主，占總數(shù)的47%。

（2）剖面形態(tài)

它是指沿陷落柱中心軸切剖面的陷落柱形態(tài)。剖面形態(tài)與所穿透的各巖層的巖石性質(zhì)有關(guān)，如果陷落柱穿過極易塌陷的含水松軟巖層（如第四紀沖積層或裂隙發(fā)育的泥質(zhì)巖層），則剖面形態(tài)多至上大下小的漏斗狀；如果穿過不易塌陷的、巖性均一的堅硬巖層（如砂巖、砂礫巖、礫巖和石灰?guī)r層），則剖面形態(tài)多至上小下大的錐形，錐面與水平面的交角為60-80°；如果穿過巖性不均一的巖層，則剖面形態(tài)很不規(guī)則，但總體仍是錐形柱狀。

陷落柱的柱體形態(tài)并不很規(guī)則，根據(jù)揭露的情況來看，陷落柱在剖面上呈切頂錐體形態(tài)出現(xiàn)，陷落角一般為78°～80°，一般下部比上部大。且柱體多傾斜，傾斜方向不一。

（3）陷落柱的高度

陷落柱的高度是指從溶洞底到塌陷頂?shù)拇怪本嚯x。它與溶洞的大小，地下水的排泄條件，巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，以及裂隙的發(fā)育程度有密切關(guān)系。陷落柱高度有幾十米到幾百米不等，有的一直塌陷到地面，稱之為通天陷落柱。這種陷落柱的規(guī)模較大，數(shù)量不多。大多數(shù)的陷落柱只塌陷到巖層的某一層位，稱之為隱伏陷落柱。在煤系地層中，上部巖層揭露的陷落柱，下部地層一定有；反之下部巖層揭露的陷落柱，上部地層不一定有。這種陷落柱的探測預(yù)報和對生產(chǎn)布置和開采的影響難度最大。有的陷落柱只塌陷到煤系地層的底部，稱之為下伏陷落柱。

（4）陷落柱的中心軸

陷落柱的中心軸是指陷落柱各平面形態(tài)的中心點的連線。通常，中心軸垂直于所穿過的巖層層面。由于陷落柱穿過的各巖層的產(chǎn)狀、巖石性質(zhì)和裂隙發(fā)育程度常有變化，因此，中心軸大多不是垂直的，而是歪斜的，甚至呈扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。究其原因有二：一是受后期構(gòu)造運動（層滑構(gòu)造）的影響，柱體部分層段產(chǎn)生了水平方向的位移。尤其是在煤系地層較軟弱或裂隙較發(fā)育的巖層段，如煤層中，陷落柱常沿煤層頂?shù)装寮皧A石層產(chǎn)生水平方向的位移。二是由于陷落時，上覆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)在豎向上的不均性和力學(xué)結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、裂隙、層理、斷層等）在不同方向上的切割，造成陷落柱向巖層相對軟弱或裂隙相對發(fā)育的一側(cè)偏移。因此柱體中心軸形態(tài)表現(xiàn)為歪斜、彎曲、扭轉(zhuǎn)形態(tài)。從剖面上幾個煤層揭露同一個陷落柱的情況分析，大多數(shù)中軸線位置都有不同程度的偏移，3號～12號煤層（層間距90米）的偏移距離最大為30～40米，12號～15號煤層（層間距40米）的偏移距離最大為20米。

掌握中心軸的傾伏向、傾伏角及其變化規(guī)律，對于準確預(yù)測下部煤層、下部水平陷落的平面位置非常重要。

二、陷落柱地面地貌特征

陷落柱在地表出露時，表現(xiàn)為各種地貌異?，F(xiàn)象，主要有盆狀凹陷、柱狀破碎帶和丘狀突起等。有時在地表形成大小不等的裂隙，呈圓弧狀分布。另外，陷落柱出露在溝谷側(cè)面時，遭受風(fēng)化剝蝕，結(jié)構(gòu)更為松散，容易再次崩塌，形成類似倒石堆地貌。

（1）盆狀凹陷

陷落柱在基巖裸露區(qū)常呈盆狀凹陷，區(qū)內(nèi)巖層遭受破壞，其周圍的巖層層位正常，裂隙比較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀稍有變化，向凹陷中心傾斜。凹陷坑內(nèi)常被黃土覆蓋，在坑的周圍有基巖出露。陷落柱頂部覆蓋的黃土層植物茂密，這是由于陷落柱內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)比較疏松，含水性較好，有利于植物生長。

（2）丘狀突起

在地表出露的由粉砂巖和泥質(zhì)巖組成的山西組地層中，有時能見到局部隆起的石盒子組和石千峰組的砂巖碎塊的堆積。這些砂巖體的層序己遭破壞，塊體大小不一，巖性雜亂摻和，而其周圍的巖層則正常。這是一種風(fēng)化地貌。巖性是影響風(fēng)化作用的內(nèi)在因素，由于砂巖較泥質(zhì)巖堅硬，抗風(fēng)化能力強，所以在后期的風(fēng)化剝蝕過程中，陷落柱周圍的山西組的地層破壞嚴重，致使柱體內(nèi)的石盒子組或石千峰組的砂巖體猶似鑲嵌在山西組地層中，呈現(xiàn)出隆起的丘狀地貌。

（3）柱狀破碎帶

在研究區(qū)東部，由于地表黃土覆蓋和植被的影響，目前地表所能見到的陷落柱較少。在溝谷兩側(cè)或者公路兩側(cè)的人工剖面上，能夠看到一些柱狀破碎帶，這是陷落柱在地表出露的剖面形態(tài)。

三、陷落柱巖體特征

陷落柱由塌落巖塊堆積組合而成。與周圍正常巖層相比，塌落巖塊層位較新，并具有雜亂無章、形狀極不規(guī)則、大小懸殊、棱角明顯、混雜堆積，常為松軟巖屑、煤屑和粉粒充填粘結(jié)等特點。巖性均為上覆地層的砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等，呈灰色或黃綠色?？紫抖啾凰閹r石充填，含黃鐵礦晶體，但在柱體內(nèi)從未發(fā)現(xiàn)有黃土成分。陷落柱中塌落巖塊膠結(jié)的好壞，與陷落柱形成的早晚，地下水的活動情況，以及塌落巖層的巖石性質(zhì)有關(guān)。早期陷落柱一般均已膠結(jié)，晚期的則混雜粘合，膠結(jié)較差，比較松散；有地下水長期活動的陷落柱，塌落巖塊表面及其間隙常有鐵質(zhì)、碳酸鈣質(zhì)或高嶺土等礦物質(zhì)沉淀，連同煤粉和巖屑組成的軟泥，把巖塊粘結(jié)起來。