余吾井田南五采區(qū)陷落柱成因分析

韓瑞達

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 地質勘查大隊,山西 長治 046204)

長期以來,煤炭都是我國能源結構的主體,并在未來相當長一段時間內仍將處于重要地位[1-4]。煤礦開采的安全問題一直是大家關注的重點。陷落柱不僅會造成煤層缺失,而且會導通地下水和巖溶水,是煤礦開采的重大安全隱患[5-6]。巖溶陷落柱是中國華北地區(qū)特有的巖溶地質現象,據2005年統(tǒng)計,華北陷落柱已超過3 650個[7],據2010年統(tǒng)計,僅山西省內陷落柱就揭露了3 571個[8]。因此,研究井田內陷落柱的發(fā)育過程及形成原因意義重大。

1 地質概況

余吾井田地處山西省長治市屯留縣及襄垣縣境內,潞安礦區(qū)西部。南五采區(qū)位于井田西南部,主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組,含煤地層平均厚度為167.84 m,含煤1—16層,自上而下依次編號為:1、2、3、5、6、7、8-1、8-2、9上、9、11、12、12-1、12-2、13、14、15-1、15-2、15-3號煤層,單孔煤層平均厚度為12.50 m,含煤系數為7.45%?？刹擅簩訛?、15-3號煤層。采區(qū)構造總體以NNE、SN向寬緩褶曲為主,斷距大于20 m的斷層2條,小于20 m的斷層20條,逆斷層走向近SN,正斷層走向NE(圖1)。

圖1 南五采區(qū)構造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Southern 5th mining area

2 南五采區(qū)陷落柱特征

南五采區(qū)內目前發(fā)現陷落柱共42個,主要分布在褶皺軸部附近,其中鉆探發(fā)現3個,三維地震解釋39個。其中控制可靠陷落柱為15個,控制較可靠陷落柱為11個,控制程度較差陷落柱16個。平面上陷落柱形狀為圓形、橢圓形和不規(guī)則形三種形態(tài)(圖2),長軸長度范圍40 m～339 m,短軸長度范圍10 m～190 m,陷落柱長軸走向以NW和SN為主,NE向次之(圖3)。

3 構造演化背景

區(qū)內自奧陶紀灰?guī)r沉積以來,經歷了加里東期、印支期、燕山期以及喜馬拉雅期四次影響深遠的構造運動[9],形成了現今的構造組合形式。加里東運動近S-N向擠壓,使整個華北地塊處于隆升狀態(tài),中石炭統(tǒng)地層假整合于中奧陶統(tǒng)地層;三疊中后期的印支運動,使區(qū)內遭受S-N向擠壓應力控制,主要剝蝕了三疊系中上統(tǒng)地層;受太平洋板塊向亞洲大陸的俯沖作用,侏羅紀末期的燕山運動主要表現為近NWW-SEE向擠壓,并在區(qū)內形成一系列近NE-SW、S-N向的褶皺,在區(qū)域上并伴隨有巖漿活動;中新世的喜山期運動,受印度板塊與亞歐板塊的匯聚,山西地區(qū)發(fā)生應力反轉,形成NNW-SSE向的張應力。

圖2 南五采區(qū)陷落柱平面圖Fig.2 Collapse columns plan in Southern 5th mining area

圖3 陷落柱長軸走向玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of major axis direction of collapse columns

4 成因分析

陷落柱的形成通常是一個復雜的過程,在構造活動復雜以及地下水發(fā)育的地方容易形成陷落柱。余吾井田位于華北構造復雜區(qū),在多期構造活動改造下,區(qū)內奧陶灰?guī)r受改造作用顯著。區(qū)域上,構造活動存在兩次強烈的抬升以及兩次構造應力反轉。第一期抬升為加里東晚期,導致整個華北地區(qū)處于隆升過程,使奧陶紀灰?guī)r長期暴露于地表,遭受風化剝蝕且隆升過程使奧陶灰?guī)r發(fā)生破碎,這一期抬升過程并未形成規(guī)模的巖溶洞穴,僅是形成溶洞雛形;第二期抬升是燕山運動中期,這一期構造運動在整個山西地塊伴隨有巖漿活動,導致地下水溫度升高,使地下水溶蝕沖刷能力增強,前期形成的溶洞雛形在這一時期進一步發(fā)展擴大,為后期陷落柱發(fā)育以及上覆巖層坍塌奠定了基礎。兩期應力反轉進一步加強了陷落柱的發(fā)展,第一期反轉是燕山早期,構造應力由近E-W向擠壓轉變?yōu)镹E-SW向拉張,導致巖石進一步破碎,裂隙發(fā)育程度增強,增強了地下水溝通能力,并使前期形成的一定規(guī)模的陷落柱上覆地層發(fā)生坍塌,但陷落柱在這一時期并未發(fā)育完整;第二期應力反轉是在喜山期,區(qū)域應力由NW-SE向擠壓轉換為NNW-SSE拉張應力,這一期反轉增強了前期因應力反轉形成的陷落柱規(guī)模,巖體進一步破碎,這一時期山西境內的汾河和桑干河也已發(fā)育完成,加強了對灰?guī)r溶洞的溶蝕作用,這一時期也是區(qū)域上陷落柱大規(guī)模形成的主要時期。

因此,余吾井田南五采區(qū)陷落柱成因與區(qū)域上陷落柱一致,主要經歷了四個時期的發(fā)展,分別是加里東晚期擠壓抬升溶蝕,燕山早期構造反轉、巖體破碎、溶蝕作用增強,燕山晚期擠壓并伴隨巖漿活動、地下水溶蝕作用增強,以及喜山期構造反轉、陷落柱大量發(fā)育。

5 結論

1)南五采區(qū)內陷落柱平面特征為圓形、橢圓形和不規(guī)則形,陷落柱長軸走向以NW和SN為主,NE向次之。

2)加里東運動、印支運動、燕山運動以及喜馬拉雅運動四次構造運動對區(qū)域上陷落柱的形成影響深遠。

3)余吾井田南五采區(qū)陷落柱成因與區(qū)域上一致,經歷了加里東期抬升溶蝕、燕山早期反轉擴展、燕山晚期地下水溶蝕增強以及喜山期反轉大量形成四個階段。