陷落柱的成因、危害及其勘察預測
錢學溥 (國土資源部)
摘 要： 文章探討了有關陷落柱成因3種主要的假說，敘述了我國最嚴重的3起陷落柱突水事故。根據多數地質工作者支持的“膏溶說”及實踐的經驗，文章論述了陷落柱的勘察和預測。
關鍵詞：陷落柱；成因；危害；勘察預測
一、 陷落柱的成因
陷落柱在世界其它各地少有發現，在我國，則是一種比較發育的地質現象。陷落柱分布在煤系地層中，
1、1944年，日本小貫義男提出“溶洞說”，認為陷落柱是奧陶系石灰巖溶洞塌陷形成的產物。這種假
2、1960年，錢學溥提出“膏溶說”。這種假說認為：奧陶系中統峰峰組石灰巖中,賦存有厚度大于30
四川盆地地下深處三疊系中統雷口坡組地層中，賦存有厚度大于30米的硬石膏層（已被大量的石油鉆
3、1978年，徐衛國提出“真空說”。這種假說認為：地下水穿過溶洞流動，形成真空，在真空吸附的作用下，上覆地層塌陷形成了陷落柱。這種假說難以成立：第一，地下水可以穿過溶洞，空氣當然也可以進入溶洞，難以形成真空的溶洞。第二，即使形成了真空的溶洞，其負壓最大也只相當于大氣的壓力，也就是1.03千克每平方厘米，這樣小的負壓力，肯定不足以形成幾百米高的陷落柱。
4、2005年，賀可強、王濱、杜汝霖著《中國北方巖溶塌陷》，稱陷落柱的形成機制，目前仍處于探索
二、 陷落柱的危害
陷落柱的存在，不僅減少了煤炭的儲量，影響了煤炭的機械化生產，并且可能構成導水的通道，造成嚴重的突水事故。在我國，突水量較大的陷落柱約有50個，突水量一般是0.1~2立方米每秒，最大可達34立方米每秒。其中突水量最大的是河北唐山范各莊煤礦、安徽淮北煤田任樓煤礦、內蒙古烏海市駱駝山煤礦，其突水量都遠遠大于知名的南非德律芳天金礦6立方米每秒的涌水量，造成了淹井停產、人員傷亡和重大的經濟損失。
1、 1984年，河北唐山范各莊煤礦9號陷落柱突水，陷落柱高大于250米，頂部有32米空洞，最大突水量34立方米每秒，殃及附近5座礦山，遇難礦工11人。參加處理的人員有3500人，用時750天。共施工灌漿鉆孔37孔，進尺34303米，注入水泥68569噸，注入骨料30950立方米。該突水事故，造成的直接經濟損失達5億元。
2、 1996年，安徽淮北煤田任樓煤礦陷落柱突水，陷落柱高大于450米，陷落柱已發育至第四系地層，最大突水量10立方米每秒。參加處理的人員有200人，用時202天。共施工灌漿鉆孔13孔，進尺5543米，注入水泥15032噸，注入骨料130立方米。該突水事故，造成的直接經濟損失達1.2億元。
3、 2010年，內蒙古烏海市駱駝山煤礦陷落柱突水，陷落柱斷面呈橢圓形，長軸6米，最大突水量18立方米每秒，遇難礦工31人。由于突水十分猛烈，少數礦工被來水拍到坑道壁上，肢體破碎，十分慘烈。該突水事故，造成的直接經濟損失有5千萬元。治理該突水的陷落柱，參加處理的人員有100人，用時60天。共施工灌漿孔10孔，進尺4200米，注入水泥120000噸，注入骨料400立方米。
2005年，《駱駝山煤礦煤炭資源儲量核實報告》送交國土資源部礦產資源儲量評審中心評審。該礦所在的桌子山煤田沒有發現過陷落柱，奧陶系地層不發育，各礦礦井涌水量也不大，報告認定該礦水文地質條件簡單，也沒有提到陷落柱問題。評估師錢學溥根據奧陶系的沉積旋回，在評審意見書中，第三節建議的第一條，寫到“陷落柱可以構成奧陶系承壓巖溶地下水的充水通道……”?？上н@條建議沒有受到礦方的重視，2010年，發生了重大的礦難。
三、 陷落柱的勘察和預測
陷落柱是不能實驗復制的地質體，只能采取“排除法”推斷它的成因。目前“膏溶說”得到較多地質工
1、 區域調查——與陷落柱形成有關的厚層石膏，應該是海相的化學沉積，或是海水蒸發的產物，它的分布面積比較大，可能有數千乃至數萬平方公里。根據“膏溶說”，陷落柱的分布具有區域性的特點。在我國，寒武奧陶系膏溶陷落柱大體是以山西太原、陽泉為中心，向四周的發育逐漸減弱。因此，在煤田的勘查階段，必須認真調查研究附近煤礦陷落柱發育的情況。
在陷落柱發育的地區，除隱伏的陷落柱以外，在剝蝕的作用下，地表也可以直接觀察到陷落柱中充填的碎石。這些碎石易于風化，往往在地表形成低洼的淺坑。
2、 根據“膏溶說”，地下深處賦存有厚層的硬石膏，是陷落柱形成的必要條件。在我國，已知煤系地層下伏石灰巖層中，賦存有硬石膏層的有：
(1) 1957年，在四川盆地施工的石油普查鉆孔，揭露地下3000米以下深處，三疊系中統雷口坡組石灰巖中，賦存有硬石膏，厚度大于30米。四川省合川縣全濟煤礦、重慶市南江等煤礦揭露的陷落柱，推測與上述硬石膏層有關。
(2) 1975年，山西沁水盆地施工的石油普查鉆孔，揭露地下1000米以下，奧陶系中統峰峰組石灰巖中，賦存有厚層的硬石膏，揭露硬石膏厚度大于10米。山西太原市、靈石縣石膏普查鉆孔揭露奧陶系中統峰峰組石膏厚度大于30米。在山西、陜西、河北、河南、山東、安徽、江蘇、北京等地，煤礦中揭露的數以千計的陷落柱，推測都與奧陶系中統峰峰組厚層硬石膏有關。
(3) 2005年，內蒙古伊金霍洛旗施工的巖鹽普查鉆孔，在地下3200米深處奧陶系下統馬家溝組，揭露硬石膏層厚度大于40米。內蒙古準格爾煤田窯溝、牛連溝煤礦發現有陷落柱，該礦地下沒有奧陶系中統峰峰組地層，其陷落柱的形成，可能與當地地下深處奧陶系下統馬家溝組硬石膏層有關。內蒙古烏海市駱駝山煤礦，地下沒有奧陶系中統峰峰組地層，2010年，發生嚴重的陷落柱突水事故，其陷落柱的形成，可能也與當地地下深處奧陶系下統馬家溝組硬石膏層有關。安徽淮南煤田地下沒有奧陶系中統峰峰組地層，其陷落柱的形成，可能也與當地地下深處奧陶系下統馬家溝組硬石膏層有關。
(4) 2010年，在遼寧省遼陽市進行石膏礦的勘探，在地下1000米左右的寒武系下統饅頭組地層中，揭露有硬石膏層7層，單層最大厚度7米。遼寧省遼陽市、本溪市發現的一些陷落柱，可能與上述的寒武系下統硬石膏層有關。
(5) 相反，貴州二疊系茅口灰巖沒有硬石膏夾層，其上覆龍潭組煤系地層也沒有陷落柱發現。新疆沒有厚層的石灰巖，開采侏羅系煤層也沒有陷落柱發現。在內蒙烏審旗開采的是侏羅系煤層，該煤層距離下伏的奧陶系石灰巖超過一千米，當然也不會受到陷落柱的威脅。
3、 沉積旋回——石膏是海相沉積旋回的產物，比如我國北方的奧陶系地層，可以分為3組8段，說明奧陶系有3個沉積旋回。每個完整的沉積旋回都有沉積碳酸鹽（石灰巖、白云巖）---硫酸鹽（石膏）---氯化物（巖鹽、鉀石鹽）的規律。石膏很容易被水溶解，除了山西太原、陽泉、靈石地表可以看到奧陶系殘留的石膏以外，我國其它各地地表都看不到古生界地層殘留的石膏。硬石膏層是石灰巖沉積旋回后期的產物。因此，如果發現有沉積旋回的跡象，比如有白云巖、白云質頁巖、角礫狀石灰巖、泥灰巖、頁巖、石英砂巖等巖層，那么地下深處就有賦存石膏層的可能，當地就不能排除出現陷落柱的可能性。
4、 角礫狀石灰巖——角礫狀石灰巖有兩種，一種是同生的角礫狀石灰巖，比如我國北方的寒武系竹葉狀石灰巖，它的角礫比較小，是在石灰巖沉積時一起形成的。另一種是后生的角礫狀石灰巖，比如我國四川三疊系中統雷口坡組角礫狀石灰巖，角礫的直徑可以達到1米，厚度可達40米，這種角礫狀石灰巖就是厚層石膏層溶解后，石灰巖巖層塌陷形成的產物。在我國北方的奧陶系中統峰峰組地層中，同樣可以見到這種后生的角礫狀石灰巖。如果在地表或地下見到這種“膏溶角礫狀石灰巖”，發現陷落柱的可能性就比較大。
5、 地質構造——硬石膏水化形成石膏，體積膨脹55.6%，在地層的壓力下，體積巨大具有可塑性的石膏向上沖入上覆的地層，石膏被地下水溶蝕后塌陷形成了陷落柱。通過實踐總結，可以認識到：
（1）巖層平緩，發生陷落柱的可能性比較大；巖層傾角較大，石膏可能沿著層面流失，形成陷落柱的可
（2）在平緩折曲的背斜頂部和向斜的翼部，張節理比較發育，陷落柱的密度相對較大。
（3）斷層發育的地區，石膏可能沿著斷層面流失，形成陷落柱的可能性比較小。
（4）巖漿巖發育的地區，受到巖漿巖高溫高壓的影響，形成陷落柱的可能性比較小。
（5）下伏石灰巖賦存的硬石膏層厚度越大，產生陷落柱的密度和尺度也越大。
（6）在大型構造盆地的腹部，如四川盆地的腹部、山西沁水盆地的腹部，地下水處于滯留的狀態，硬石膏沒有水化形成石膏，當然也不會形成陷落柱。
6、水文地質
（1）從地文期的角度考慮，陷落柱形成的時代是從中新世直到近代，只有形成時代較新，約占總數1~2%尚未固結的陷落柱，才具有導水的作用。
在缺水的太行山石灰巖山區，有出露地表面積較大的陷落柱，其中的土砂和碎石一般是相對的隔水層，往往賦存有少量的地下水，每天可以開采5~30擔地下水，是當地寶貴的飲用水源。
（2）陷落柱的形成與地下水的活動有關，在大型構造盆地的腹部，地下水處于滯留的狀態，地下水多屬于氯化物水，礦化度多大于10克每升，這一地帶不可能有陷落柱產生。在接近盆地邊緣的地帶，石灰巖埋深在1500米左右，例如重慶附近10多處溫泉，地下水屬于飽和的硫酸鈣水，礦化度2克多每升，是典型的與石膏溶解有關的溫泉，可以名為石膏溫泉，這一地帶是陷落柱正在形成的地帶。在盆地的邊緣地帶，石灰巖埋深小于1500米，地下水屬于重碳酸鹽水，礦化度小于1克每升，是可能存在陷落柱的地帶。
（3）在帶壓開采的條件下，才有可能發生陷落柱突水事故。下伏石灰巖的承壓水頭越高，突水的危害性越大。下伏石灰巖的水文地質單元越大，突水的危害性越大。開采區越靠近地下水的強徑流帶，突水的危害性越大。開采區距離排泄區巖溶大泉越近，突水的危害性越大。如山西霍西煤田霍縣白龍煤礦，靠近流量達7立方米每秒的巖溶大泉郭莊泉，該礦發現突水陷落柱4個。
（4）靠近石膏層層位的煤系地層發生陷落柱突水的可能性比較大，遠離石膏層層位的煤系地層發生陷落柱突水的可能性比較小。如在我國北方，開采奧陶系上覆的石炭系煤層，發生陷落柱突水的可能性比較大；開采二疊系煤層，發生陷落柱突水的可能性比較小。
（5） 陷落柱可能引發嚴重的突水事故，斷層和底板遭到變形破壞，同樣也可能發生比較嚴重的突水事故。例如內蒙古準格爾煤田唐家會煤礦，斷層引發奧陶系石灰巖含水層突水，突水量1000立方米每小時。又如安徽淮北煤田楊莊煤礦，底板破壞引發石炭系及奧陶系石灰巖含水層突水，突水量3150立方米每小時，造成二水平被淹，治理工作超過2個月，直接經濟損失1.5億元。突水發生以后，石炭系及奧陶系石灰巖含水層水位大幅度下降，分別達到61.4米和11.8米。
7、物探及鉆探——存在陷落柱突水危險的勘查區，需要進行一些必要的勘察工作：
(1) 根據四川省地勘單位的經驗，采用二維地震和瞬變電磁進行陷落柱的勘察，是有效的。
(2) 根據我國北方各省地勘單位的經驗，煤炭先期開采地段進行三維地震勘察，對斷層和隱伏的陷落柱都有較明顯的反映。如內蒙古準格爾煤田老三溝井田，三維地震勘察共發現了7個疑似陷落柱，面積分別達到185~45814平方米。
(3) 在我國北方，為了查明井田奧陶系地下水的水位、富水性以及沉積旋回和產生陷落柱的可能性，應施工1~2水文地質孔?？讖讲灰诵∮?span lang="EN-US">150毫米，揭露奧陶系地層不宜少于250米，抽水試驗應配合使用井下流速儀，以確定含水層的位置和厚度。
(4) 為了確定陷落柱的導水性，可以施工水文地質抽水孔，以了解陷落柱的導水性。
(5) 存在陷落柱突水危險的礦山，生產過程中應先探后采，在工作面可以施工超前鉆孔或電法勘察，了解是否有陷落柱的存在。
參考文獻：
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[4] 錢學溥 1988年，石膏喀斯特陷落柱的形成及其水文地質意義，《中國巖溶》第7卷第4期
[5] 錢學溥 1988年，THE FORMATION OF GYPSUM KARST COLLAPSE-COLUMN，21屆IAH國際會議論文集
[6] 賀可強、王濱、杜汝霖 2005年，《中國北方巖溶塌陷》，地質出版社
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