巖溶陷落柱充填特征及活化導(dǎo)水分析

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1、中國巖溶第20卷第4期2001年12月Vol.20No.4Dec.2001CARSOLOGICASINICA4810(2001)04-0279-05文章編號(hào):1001-①巖溶陷落柱充填特征及活化導(dǎo)水分析楊為民1,2,周治安2,李智毅1(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.淮南工業(yè)學(xué)院資源與環(huán)境工程系,淮南232001)摘要:基于對華北煤田內(nèi)巖溶陷落柱充填特征的研究,本文提出泥石漿型堆積是煤系段陷落柱的主要充填物。泥石漿不僅充填陷落主腔體,同時(shí)也封堵腔壁裂隙帶,“結(jié)石體”成泥礫結(jié)構(gòu),滲透性極低,是柱

2、腔內(nèi)最主要的“堵水塞”,而柱旁貫通性節(jié)理由于高壓水楔滲透劈入,可成為最優(yōu)導(dǎo)水通道,它能將動(dòng)水切入陷落柱,進(jìn)而引發(fā)活化突水。關(guān)鍵詞:巖溶陷落柱;泥石漿型充填;堵水;活化導(dǎo)水;貫通性節(jié)理中圖分類號(hào):P641.254;X141文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言后,我國華北地區(qū)因陷落柱活化導(dǎo)水而發(fā)生的又一起特大突水災(zāi)害事故,它再次喚起了人們對陷落柱突水的高度關(guān)注。近年來,一些研究人員對研究陷落柱形成的巖體力學(xué)背景、水動(dòng)力條件、滲流通道的貫通等方面研究,對陷落柱的導(dǎo)水、突水機(jī)理進(jìn)行了探索,獲巖溶陷落柱是我國華北煤田廣泛發(fā)育的一種極富區(qū)域

3、特色的地質(zhì)現(xiàn)象。陷落柱所在巖體呈雙層結(jié)構(gòu),下段為巖溶地層即奧陶紀(jì)灰?guī)r(O2,以下簡稱奧灰),在山西等地可見陷落柱底界在O2內(nèi)石膏帶1,7～10得了一些重要認(rèn)識(shí)。本文通過對山西、陜西、安徽等地大量陷落柱的野外和井下調(diào)查,注意到煤田陷落柱的充填物蘊(yùn)含著豐富的、尚待進(jìn)一步發(fā)掘的地質(zhì)及巖石力學(xué)信息,它對進(jìn)一步認(rèn)識(shí)陷落柱自身堵水以及活化導(dǎo)水問題有重要意義。處1;上段是石炭-二疊紀(jì)煤系(C-P),主體為非巖溶地層。陷落由奧灰中發(fā)育的溶洞引起。如果覆巖陷落限于O2灰?guī)r內(nèi),屬一般巖溶塌陷。只有當(dāng)覆巖陷落越過O2頂界灰?guī)r,使C-P

4、煤系物質(zhì)陷落到灰?guī)r溶洞中,同時(shí)煤系內(nèi)形成一段豎井狀腔體,腔體再被上方冒落物填充,這才出現(xiàn)真正意義上的煤田陷落柱,有些陷落柱向上可穿入三疊系內(nèi),陷落柱高度由數(shù)十米至500～600m,多為200～300m?；夭擅簩訒r(shí),在煤層附近可見其截面為圓、橢圓形,并呈現(xiàn)“無炭柱”、“矸子窩”。在山西,由于奧灰、C-P煤系大片裸露,可見到由底到頂處各種不同層段的陷落柱露頭。由于它影響采面正常布置,限制采掘機(jī)械使用,故在20世紀(jì)50～80年代,人們主要圍繞開采地質(zhì)問題對其成因、形態(tài)、分布和探查手段進(jìn)行研究2～6①。1996年3月4日

5、皖北任樓煤礦7222工作面發(fā)生突水淹井,這是繼1984年開灤范各莊2171工作面突水淹井陷落柱充填特征1華北煤田中的陷落柱具有獨(dú)特的沉積建造,它不應(yīng)僅視為巖層(固相)破碎、再堆積的簡單過程。現(xiàn)根據(jù)對露頭及巷揭情況的觀察,將陷落柱的沉積充填特征初步總結(jié)如下。1.1奧灰溶洞中塌落堆積在山西某些采O2石膏硐坑內(nèi)或是奧灰溶洞中,有時(shí)可見到屬于C-P煤系砂頁巖塊、煤礫、灰?guī)r塊等洞穴塌積物,這是煤田陷落柱的底部物質(zhì)。就巖體①基金項(xiàng)目:安徽省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2001kj211)作者簡介:楊為民(1965-),男,畢業(yè)于

6、淮南工業(yè)學(xué)院,現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)博士研究生,副教授,從事水文地質(zhì)和工程地質(zhì)、巖土工程等方面的教學(xué)與研究工作,已發(fā)表論文16篇。收稿日期:2001-09-02①趙全福等.煤礦水災(zāi)事故典型案例匯編(內(nèi)部)。煤炭科技情報(bào)所,1992。280中國巖溶2001年力學(xué)而言,巖溶陷落柱形成前,行將陷落的巖體底部需有較大的溶蝕空間,形成向下臨空面,周圍由先存構(gòu)造節(jié)理圍成的切割面或滑動(dòng)面,頂部存在層間剝離面,以上網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成致塌巖體的邊界條件。陷落時(shí)巖體在重力及流體動(dòng)力的作用下,克服剝離面上的粘結(jié)力、切割面上的抗張力及滑動(dòng)面上的抗滑

7、阻力,使巖體發(fā)生塌陷和墜落。隨溶洞的形成和擴(kuò)大,致塌巖體發(fā)生陷落,塌落巖塊在溶洞內(nèi)形成混雜堆積。由于巖塊的碎脹性11,它可填滿洞底。但隨著奧灰?guī)r溶作用的持續(xù)進(jìn)行,在一些洞穴內(nèi)存在有管道流12,其水動(dòng)力作用可將陷落物質(zhì)中較小的巖塊和巖屑帶走。砂、泥巖中的軟弱巖塊,經(jīng)水化、水解作用后發(fā)生崩解、泥化、溶解,泥化物及易溶組分也在地下水循環(huán)中被移出,使堆積物分散,溶洞因巖溶水的循環(huán)作用而處于擴(kuò)大或蝕空-再陷落充填-再蝕空的動(dòng)態(tài)變化之中。持續(xù)的水動(dòng)力條件為進(jìn)一步向下陷落提供自由空間。因此,在陷落柱底部溶洞中所見的堆積物多為大

8、中型堅(jiān)硬的砂巖、灰?guī)r巖塊,它們是柱底墊托層的主要成分。1.2煤系中泥石漿型堆積這是煤系段陷落柱最主要的充填物,它有以下特點(diǎn):1.2.1具泥礫結(jié)構(gòu)泥礫中的大角礫和塊石來自上覆巖層,主要為堅(jiān)硬的砂巖、灰?guī)r塊,以砂巖塊居多,大小相差懸殊,從數(shù)厘米、十幾厘米至數(shù)十厘米,其中巨大板條狀塊石長可達(dá)8～10m左右,這種條石有的斜歪、有的豎直、有的平臥,姿態(tài)多樣?；|(zhì)由較細(xì)至極細(xì)的巖屑、