浅论陷落柱的基本特征

王卫光

【摘要】文章主要从陷落柱区域分布及形态特征、陷落柱地面地貌特征、陷落柱岩体特征三个方面阐述了陷落柱的基本特征。

【关键词】陷落柱；形态特征；地貌特征；岩体特征。

一、陷落柱区域分布及形态特征

岩溶陷落柱的形成，由于受地质构造运动、水文地质条件、地下水侵蚀作用等因素的控制，反映出岩溶陷落柱平面展布具有不均衡特征。从生产矿区岩溶陷落柱平面展布情况来看，岩溶陷落柱呈群分片出现。从井下揭露情况来看，陷落柱比较集中分布于井田的中部区域，自南往北陷落柱数量增多、密度变大。但每个陷落柱的具体位置分布没有明显的规律性，从煤层底板上看，陷落柱群的大致方向为NW-SE向，且在巨沟村背斜、烟咀-高家沟-常家沟向斜和杨家峪-红简沟-周家山背斜有大量陷落柱发育，占总数80%以上。

陷落柱的形态特征是指陷落柱的三度空间形状。现以3#煤层揭露的陷落柱为例，从陷落柱的平面和剖面形态、高度和中心轴等方面揭示整个陷落柱的形态特征。

（1）平面形态

它是指陷落柱与地面、水平切面或煤层面的交线形态。一般呈椭圆形，也可呈圆形、蚕豆形或长条形等。本矿井田内的陷落柱在煤层底板上的平面投影形状大多呈椭圆形，极少数为不规则形或似圆形。陷落柱的直径大小相差悬殊，最大的直径为385m，最小的仅为10m。陷落柱长轴方向性不太明显，但大体上可以看出有三组方向较为发育。即320°～330°一组较为发育，以10°～20°、80°～90°两组次之。

通过对3#煤层揭露的陷落柱长轴方向进行统计，可以得出：陷落柱长轴方向以北西方向为主，占总数的47%。

（2）剖面形态

它是指沿陷落柱中心轴切剖面的陷落柱形态。剖面形态与所穿透的各岩层的岩石性质有关，如果陷落柱穿过极易塌陷的含水松软岩层（如第四纪冲积层或裂隙发育的泥质岩层），则剖面形态多至上大下小的漏斗状；如果穿过不易塌陷的、岩性均一的坚硬岩层（如砂岩、砂砾岩、砾岩和石灰岩层），则剖面形态多至上小下大的锥形，锥面与水平面的交角为60-80°；如果穿过岩性不均一的岩层，则剖面形态很不规则，但总体仍是锥形柱状。

陷落柱的柱体形态并不很规则，根据揭露的情况来看，陷落柱在剖面上呈切顶锥体形态出现，陷落角一般为78°～80°，一般下部比上部大。且柱体多倾斜，倾斜方向不一。

（3）陷落柱的高度

陷落柱的高度是指从溶洞底到塌陷顶的垂直距离。它与溶洞的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质，以及裂隙的发育程度有密切关系。陷落柱高度有几十米到几百米不等，有的一直塌陷到地面，称之为通天陷落柱。这种陷落柱的规模较大，数量不多。大多数的陷落柱只塌陷到岩层的某一层位，称之为隐伏陷落柱。在煤系地层中，上部岩层揭露的陷落柱，下部地层一定有；反之下部岩层揭露的陷落柱，上部地层不一定有。这种陷落柱的探测预报和对生产布置和开采的影响难度最大。有的陷落柱只塌陷到煤系地层的底部，称之为下伏陷落柱。

（4）陷落柱的中心轴

陷落柱的中心轴是指陷落柱各平面形态的中心点的连线。通常，中心轴垂直于所穿过的岩层层面。由于陷落柱穿过的各岩层的产状、岩石性质和裂隙发育程度常有变化，因此，中心轴大多不是垂直的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。究其原因有二：一是受后期构造运动（层滑构造）的影响，柱体部分层段产生了水平方向的位移。尤其是在煤系地层较软弱或裂隙较发育的岩层段，如煤层中，陷落柱常沿煤层顶底板及夹石层产生水平方向的位移。二是由于陷落时，上覆岩层的物理力学性质在竖向上的不均性和力学结构面（节理、裂隙、层理、断层等）在不同方向上的切割，造成陷落柱向岩层相对软弱或裂隙相对发育的一侧偏移。因此柱体中心轴形态表现为歪斜、弯曲、扭转形态。从剖面上几个煤层揭露同一个陷落柱的情况分析，大多数中轴线位置都有不同程度的偏移，3号～12号煤层（层间距90米）的偏移距离最大为30～40米，12号～15号煤层（层间距40米）的偏移距离最大为20米。

掌握中心轴的倾伏向、倾伏角及其变化规律，对于准确预测下部煤层、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

陷落柱在地表出露时，表现为各种地貌异常现象，主要有盆状凹陷、柱状破碎带和丘状突起等。有时在地表形成大小不等的裂隙，呈圆弧状分布。另外，陷落柱出露在沟谷侧面时，遭受风化剥蚀，结构更为松散，容易再次崩塌，形成类似倒石堆地貌。

（1）盆状凹陷

陷落柱在基岩裸露区常呈盆状凹陷，区内岩层遭受破坏，其周围的岩层层位正常，裂隙比较发育，岩层产状稍有变化，向凹陷中心倾斜。凹陷坑内常被黄土覆盖，在坑的周围有基岩出露。陷落柱顶部覆盖的黄土层植物茂密，这是由于陷落柱内部岩石结构比较疏松，含水性较好，有利于植物生长。

（2）丘状突起

在地表出露的由粉砂岩和泥质岩组成的山西组地层中，有时能见到局部隆起的石盒子组和石千峰组的砂岩碎块的堆积。这些砂岩体的层序己遭破坏，块体大小不一，岩性杂乱掺和，而其周围的岩层则正常。这是一种风化地貌。岩性是影响风化作用的内在因素，由于砂岩较泥质岩坚硬，抗风化能力强，所以在后期的风化剥蚀过程中，陷落柱周围的山西组的地层破坏严重，致使柱体内的石盒子组或石千峰组的砂岩体犹似镶嵌在山西组地层中，呈现出隆起的丘状地貌。

（3）柱状破碎带

在研究区东部，由于地表黄土覆盖和植被的影响，目前地表所能见到的陷落柱较少。在沟谷两侧或者公路两侧的人工剖面上，能够看到一些柱状破碎带，这是陷落柱在地表出露的剖面形态。

三、陷落柱岩体特征

陷落柱由塌落岩块堆积组合而成。与周围正常岩层相比，塌落岩块层位较新，并具有杂乱无章、形状极不规则、大小悬殊、棱角明显、混杂堆积，常为松软岩屑、煤屑和粉粒充填粘结等特点。岩性均为上覆地层的砂岩、砂质泥岩、泥岩等，呈灰色或黄绿色。孔隙多被碎岩石充填，含黄铁矿晶体，但在柱体内从未发现有黄土成分。陷落柱中塌落岩块胶结的好坏，与陷落柱形成的早晚，地下水的活动情况，以及塌落岩层的岩石性质有关。早期陷落柱一般均已胶结，晚期的则混杂粘合，胶结较差，比较松散；有地下水长期活动的陷落柱，塌落岩块表面及其间隙常有铁质、碳酸钙质或高岭土等矿物质沉淀，连同煤粉和岩屑组成的软泥，把岩块粘结起来。