陷落柱的成因、危害及其勘察预测
钱学溥 (国土资源部)
摘 要： 文章探讨了有关陷落柱成因3种主要的假说，叙述了我国最严重的3起陷落柱突水事故。根据多数地质工作者支持的“膏溶说”及实践的经验，文章论述了陷落柱的勘察和预测。
关键词：陷落柱；成因；危害；勘察预测
一、 陷落柱的成因
陷落柱在世界其它各地少有发现，在我国，则是一种比较发育的地质现象。陷落柱分布在煤系地层中，
1、1944年，日本小贯义男提出“溶洞说”，认为陷落柱是奥陶系石灰岩溶洞塌陷形成的产物。这种假
2、1960年，钱学溥提出“膏溶说”。这种假说认为：奥陶系中统峰峰组石灰岩中,赋存有厚度大于30
四川盆地地下深处三叠系中统雷口坡组地层中，赋存有厚度大于30米的硬石膏层（已被大量的石油钻
3、1978年，徐卫国提出“真空说”。这种假说认为：地下水穿过溶洞流动，形成真空，在真空吸附的作用下，上覆地层塌陷形成了陷落柱。这种假说难以成立：第一，地下水可以穿过溶洞，空气当然也可以进入溶洞，难以形成真空的溶洞。第二，即使形成了真空的溶洞，其负压最大也只相当于大气的压力，也就是1.03千克每平方厘米，这样小的负压力，肯定不足以形成几百米高的陷落柱。
4、2005年，贺可强、王滨、杜汝霖著《中国北方岩溶塌陷》，称陷落柱的形成机制，目前仍处于探索
二、 陷落柱的危害
陷落柱的存在，不仅减少了煤炭的储量，影响了煤炭的机械化生产，并且可能构成导水的通道，造成严重的突水事故。在我国，突水量较大的陷落柱约有50个，突水量一般是0.1~2立方米每秒，最大可达34立方米每秒。其中突水量最大的是河北唐山范各庄煤矿、安徽淮北煤田任楼煤矿、内蒙古乌海市骆驼山煤矿，其突水量都远远大于知名的南非德律芳天金矿6立方米每秒的涌水量，造成了淹井停产、人员伤亡和重大的经济损失。
1、 1984年，河北唐山范各庄煤矿9号陷落柱突水，陷落柱高大于250米，顶部有32米空洞，最大突水量34立方米每秒，殃及附近5座矿山，遇难矿工11人。参加处理的人员有3500人，用时750天。共施工灌浆钻孔37孔，进尺34303米，注入水泥68569吨，注入骨料30950立方米。该突水事故，造成的直接经济损失达5亿元。
2、 1996年，安徽淮北煤田任楼煤矿陷落柱突水，陷落柱高大于450米，陷落柱已发育至第四系地层，最大突水量10立方米每秒。参加处理的人员有200人，用时202天。共施工灌浆钻孔13孔，进尺5543米，注入水泥15032吨，注入骨料130立方米。该突水事故，造成的直接经济损失达1.2亿元。
3、 2010年，内蒙古乌海市骆驼山煤矿陷落柱突水，陷落柱断面呈椭圆形，长轴6米，最大突水量18立方米每秒，遇难矿工31人。由于突水十分猛烈，少数矿工被来水拍到坑道壁上，肢体破碎，十分惨烈。该突水事故，造成的直接经济损失有5千万元。治理该突水的陷落柱，参加处理的人员有100人，用时60天。共施工灌浆孔10孔，进尺4200米，注入水泥120000吨，注入骨料400立方米。
2005年，《骆驼山煤矿煤炭资源储量核实报告》送交国土资源部矿产资源储量评审中心评审。该矿所在的桌子山煤田没有发现过陷落柱，奥陶系地层不发育，各矿矿井涌水量也不大，报告认定该矿水文地质条件简单，也没有提到陷落柱问题。评估师钱学溥根据奥陶系的沉积旋回，在评审意见书中，第三节建议的第一条，写到“陷落柱可以构成奥陶系承压岩溶地下水的充水通道……”。可惜这条建议没有受到矿方的重视，2010年，发生了重大的矿难。
三、 陷落柱的勘察和预测
陷落柱是不能实验复制的地质体，只能采取“排除法”推断它的成因。目前“膏溶说”得到较多地质工
1、 区域调查——与陷落柱形成有关的厚层石膏，应该是海相的化学沉积，或是海水蒸发的产物，它的分布面积比较大，可能有数千乃至数万平方公里。根据“膏溶说”，陷落柱的分布具有区域性的特点。在我国，寒武奥陶系膏溶陷落柱大体是以山西太原、阳泉为中心，向四周的发育逐渐减弱。因此，在煤田的勘查阶段，必须认真调查研究附近煤矿陷落柱发育的情况。
在陷落柱发育的地区，除隐伏的陷落柱以外，在剥蚀的作用下，地表也可以直接观察到陷落柱中充填的碎石。这些碎石易于风化，往往在地表形成低洼的浅坑。
2、 根据“膏溶说”，地下深处赋存有厚层的硬石膏，是陷落柱形成的必要条件。在我国，已知煤系地层下伏石灰岩层中，赋存有硬石膏层的有：
(1) 1957年，在四川盆地施工的石油普查钻孔，揭露地下3000米以下深处，三叠系中统雷口坡组石灰岩中，赋存有硬石膏，厚度大于30米。四川省合川县全济煤矿、重庆市南江等煤矿揭露的陷落柱，推测与上述硬石膏层有关。
(2) 1975年，山西沁水盆地施工的石油普查钻孔，揭露地下1000米以下，奥陶系中统峰峰组石灰岩中，赋存有厚层的硬石膏，揭露硬石膏厚度大于10米。山西太原市、灵石县石膏普查钻孔揭露奥陶系中统峰峰组石膏厚度大于30米。在山西、陕西、河北、河南、山东、安徽、江苏、北京等地，煤矿中揭露的数以千计的陷落柱，推测都与奥陶系中统峰峰组厚层硬石膏有关。
(3) 2005年，内蒙古伊金霍洛旗施工的岩盐普查钻孔，在地下3200米深处奥陶系下统马家沟组，揭露硬石膏层厚度大于40米。内蒙古准格尔煤田窑沟、牛连沟煤矿发现有陷落柱，该矿地下没有奥陶系中统峰峰组地层，其陷落柱的形成，可能与当地地下深处奥陶系下统马家沟组硬石膏层有关。内蒙古乌海市骆驼山煤矿，地下没有奥陶系中统峰峰组地层，2010年，发生严重的陷落柱突水事故，其陷落柱的形成，可能也与当地地下深处奥陶系下统马家沟组硬石膏层有关。安徽淮南煤田地下没有奥陶系中统峰峰组地层，其陷落柱的形成，可能也与当地地下深处奥陶系下统马家沟组硬石膏层有关。
(4) 2010年，在辽宁省辽阳市进行石膏矿的勘探，在地下1000米左右的寒武系下统馒头组地层中，揭露有硬石膏层7层，单层最大厚度7米。辽宁省辽阳市、本溪市发现的一些陷落柱，可能与上述的寒武系下统硬石膏层有关。
(5) 相反，贵州二叠系茅口灰岩没有硬石膏夹层，其上覆龙潭组煤系地层也没有陷落柱发现。新疆没有厚层的石灰岩，开采侏罗系煤层也没有陷落柱发现。在内蒙乌审旗开采的是侏罗系煤层，该煤层距离下伏的奥陶系石灰岩超过一千米，当然也不会受到陷落柱的威胁。
3、 沉积旋回——石膏是海相沉积旋回的产物，比如我国北方的奥陶系地层，可以分为3组8段，说明奥陶系有3个沉积旋回。每个完整的沉积旋回都有沉积碳酸盐（石灰岩、白云岩）---硫酸盐（石膏）---氯化物（岩盐、钾石盐）的规律。石膏很容易被水溶解，除了山西太原、阳泉、灵石地表可以看到奥陶系残留的石膏以外，我国其它各地地表都看不到古生界地层残留的石膏。硬石膏层是石灰岩沉积旋回后期的产物。因此，如果发现有沉积旋回的迹象，比如有白云岩、白云质页岩、角砾状石灰岩、泥灰岩、页岩、石英砂岩等岩层，那么地下深处就有赋存石膏层的可能，当地就不能排除出现陷落柱的可能性。
4、 角砾状石灰岩——角砾状石灰岩有两种，一种是同生的角砾状石灰岩，比如我国北方的寒武系竹叶状石灰岩，它的角砾比较小，是在石灰岩沉积时一起形成的。另一种是后生的角砾状石灰岩，比如我国四川三叠系中统雷口坡组角砾状石灰岩，角砾的直径可以达到1米，厚度可达40米，这种角砾状石灰岩就是厚层石膏层溶解后，石灰岩岩层塌陷形成的产物。在我国北方的奥陶系中统峰峰组地层中，同样可以见到这种后生的角砾状石灰岩。如果在地表或地下见到这种“膏溶角砾状石灰岩”，发现陷落柱的可能性就比较大。
5、 地质构造——硬石膏水化形成石膏，体积膨胀55.6%，在地层的压力下，体积巨大具有可塑性的石膏向上冲入上覆的地层，石膏被地下水溶蚀后塌陷形成了陷落柱。通过实践总结，可以认识到：
（1）岩层平缓，发生陷落柱的可能性比较大；岩层倾角较大，石膏可能沿着层面流失，形成陷落柱的可
（2）在平缓折曲的背斜顶部和向斜的翼部，张节理比较发育，陷落柱的密度相对较大。
（3）断层发育的地区，石膏可能沿着断层面流失，形成陷落柱的可能性比较小。
（4）岩浆岩发育的地区，受到岩浆岩高温高压的影响，形成陷落柱的可能性比较小。
（5）下伏石灰岩赋存的硬石膏层厚度越大，产生陷落柱的密度和尺度也越大。
（6）在大型构造盆地的腹部，如四川盆地的腹部、山西沁水盆地的腹部，地下水处于滞留的状态，硬石膏没有水化形成石膏，当然也不会形成陷落柱。
6、水文地质
（1）从地文期的角度考虑，陷落柱形成的时代是从中新世直到近代，只有形成时代较新，约占总数1~2%尚未固结的陷落柱，才具有导水的作用。
在缺水的太行山石灰岩山区，有出露地表面积较大的陷落柱，其中的土砂和碎石一般是相对的隔水层，往往赋存有少量的地下水，每天可以开采5~30担地下水，是当地宝贵的饮用水源。
（2）陷落柱的形成与地下水的活动有关，在大型构造盆地的腹部，地下水处于滞留的状态，地下水多属于氯化物水，矿化度多大于10克每升，这一地带不可能有陷落柱产生。在接近盆地边缘的地带，石灰岩埋深在1500米左右，例如重庆附近10多处温泉，地下水属于饱和的硫酸钙水，矿化度2克多每升，是典型的与石膏溶解有关的温泉，可以名为石膏温泉，这一地带是陷落柱正在形成的地带。在盆地的边缘地带，石灰岩埋深小于1500米，地下水属于重碳酸盐水，矿化度小于1克每升，是可能存在陷落柱的地带。
（3）在带压开采的条件下，才有可能发生陷落柱突水事故。下伏石灰岩的承压水头越高，突水的危害性越大。下伏石灰岩的水文地质单元越大，突水的危害性越大。开采区越靠近地下水的强径流带，突水的危害性越大。开采区距离排泄区岩溶大泉越近，突水的危害性越大。如山西霍西煤田霍县白龙煤矿，靠近流量达7立方米每秒的岩溶大泉郭庄泉，该矿发现突水陷落柱4个。
（4）靠近石膏层层位的煤系地层发生陷落柱突水的可能性比较大，远离石膏层层位的煤系地层发生陷落柱突水的可能性比较小。如在我国北方，开采奥陶系上覆的石炭系煤层，发生陷落柱突水的可能性比较大；开采二叠系煤层，发生陷落柱突水的可能性比较小。
（5） 陷落柱可能引发严重的突水事故，断层和底板遭到变形破坏，同样也可能发生比较严重的突水事故。例如内蒙古准格尔煤田唐家会煤矿，断层引发奥陶系石灰岩含水层突水，突水量1000立方米每小时。又如安徽淮北煤田杨庄煤矿，底板破坏引发石炭系及奥陶系石灰岩含水层突水，突水量3150立方米每小时，造成二水平被淹，治理工作超过2个月，直接经济损失1.5亿元。突水发生以后，石炭系及奥陶系石灰岩含水层水位大幅度下降，分别达到61.4米和11.8米。
7、物探及钻探——存在陷落柱突水危险的勘查区，需要进行一些必要的勘察工作：
(1) 根据四川省地勘单位的经验，采用二维地震和瞬变电磁进行陷落柱的勘察，是有效的。
(2) 根据我国北方各省地勘单位的经验，煤炭先期开采地段进行三维地震勘察，对断层和隐伏的陷落柱都有较明显的反映。如内蒙古准格尔煤田老三沟井田，三维地震勘察共发现了7个疑似陷落柱，面积分别达到185~45814平方米。
(3) 在我国北方，为了查明井田奥陶系地下水的水位、富水性以及沉积旋回和产生陷落柱的可能性，应施工1~2水文地质孔。孔径不宜小于150毫米，揭露奥陶系地层不宜少于250米，抽水试验应配合使用井下流速仪，以确定含水层的位置和厚度。
(4) 为了确定陷落柱的导水性，可以施工水文地质抽水孔，以了解陷落柱的导水性。
(5) 存在陷落柱突水危险的矿山，生产过程中应先探后采，在工作面可以施工超前钻孔或电法勘察，了解是否有陷落柱的存在。
参考文献：
[1] 小贯义男 1944年，关于河北省井陉煤田陷落柱的报告，北支那开发株式会社调查局，中国地质资料馆
[2] 钱学溥 1959年，四川东南三叠系中统角砾状石灰岩的成因，《水文地质工程地质》1959年第1期，地质出版社
[3] 钱学溥 1960年，山西高原喀斯特发育特征，《水文地质工程地质》1960年第8期，地质出版社
[4] 钱学溥 1988年，石膏喀斯特陷落柱的形成及其水文地质意义，《中国岩溶》第7卷第4期
[5] 钱学溥 1988年，THE FORMATION OF GYPSUM KARST COLLAPSE-COLUMN，21届IAH国际会议论文集
[6] 贺可强、王滨、杜汝霖 2005年，《中国北方岩溶塌陷》，地质出版社
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