岩溶陷落柱探查与治理

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1、岩溶陷落柱探查与治理主讲人：南生辉研究员2012年10月主要内容1概论1.1陷落柱的概念与基本特征1.2陷落柱分类1.3陷落柱对煤矿安全的危害1.4典型陷落柱突水淹井案例2陷落柱探查方法2.1“中间层”综合水文地质试验2.2物理探查2.3陷落柱发育区预测技术2.4巷道掘进与工作面回采陷落柱探测3陷落柱治理技术3.1三段式封堵3.2“堵水塞”建造3.3陷落柱与突水水源封堵3.4不（含）导水陷落柱处理3.5效果评价1.1陷落柱的概念与基本特征1）基本概念陷落柱是1937年德国人在井陉煤矿误作“环形断层”首先提出的，后因其无序的内部结构，而被称为“矸子窝”、“无炭

2、柱”、“塌陷柱”。1944年日本技术人员将其定名为“陷落柱”。岩溶陷落柱：在石灰岩等可溶性岩石地区，由于地下水的溶蚀作用形成洞穴，上覆非可溶性岩层向岩溶洞穴中塌陷的一种地质现象，因形成的塌陷体多呈环形柱状，俗称岩溶陷落柱。1概论1.1陷落柱的概念与基本特征2）形成机理与成因岩溶陷落柱形成机理的代表性学说有6种：重力说，康颜仁（1992）陷落柱形成分三个阶段：首先是岩溶洞穴形成阶段，地下水沿着可溶性岩石的节理裂隙和断层运动，使裂隙逐渐扩大。于是大量岩溶水汇集其中，不但进行化学溶蚀，而且进行机械侵蚀作用，顶部和两侧岩层坍塌形成溶洞；第二阶段是溶洞再扩大并形成第二

3、层溶洞，由于地壳上升溶洞也随之扩大，还会发育第三、四层溶洞；第三阶段是上覆非可溶性岩层的塌陷，形成陷落柱。当地壳继续上升，地下水位下降，不仅第一层溶洞坍塌，第二层溶洞也开始坍塌。这样坍塌不断增长，当两层溶洞的位置接近一条垂直线时，则有可能连接起来，陷落柱的高度增大，这就是为什么有些陷落柱高度达数百米的原因。强调溶蚀与重力作用1概论1.1陷落柱的概念与基本特征膏岩说，钱学博（1960）陷落柱是石膏喀斯特产物。在中奥陶统马家沟组灰岩中赋存有很厚的硬石膏，峰峰组灰岩中也夹有石膏层。由于地壳不断上升，在地下水的作用下，硬石膏水化变成石膏。体积膨胀64%，膨胀后的石膏

4、沿着破碎带的挤入上覆的岩层。然后，这种柱状的石膏体不断地被地下水溶蚀，周围的岩石塌落形成陷落柱。1概论循环说，王锐（1982）第—阶段：为于水平循环带成虹吸循环带的岩溶洞隙逐渐形成并扩大，产生顶板和两侧岩层塌陷，形成十分复杂的溶洞。第二阶段：由于地壳的上升，溶洞继续扩大上升，地下水向下运动，沿着裂隙进一步加深，且在深部形成第二层溶洞。开始了第二循环、以后还可以出现第三循环、第四个循环第三阶段：第一层溶洞继续坍塌扩大．上覆非可溶性岩层塌陷。形成岩溶陷落柱，当地壳继续上升，地下水位继续下降时，第二层溶洞也可能开始坍塌、这样，两层溶洞坍塌连接起来，使非可溶性岩层塌

5、陷更深。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论真空吸蚀说，徐卫国（1972）在相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于地下水的排泄或地壳局部的升降等，引起岩溶腔内地下水大幅度下降，当水位低于岩溶腔口表面，即岩溶腔内水体由承压转为无压时，在岩溶腔内水面与岩溶盖层之间出现空穴，即岩溶空腔。逐渐增大的岩溶空腔必定转化为低气压状态，形成真空腔（或称负压腔），在真空腔内不断下降的水面犹如巨型吸盘，强有力的抽吸着上面岩层向下塌落，最终形成陷落柱。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论热力岩溶说，陈尚平（1993）燕山期火成岩体和热液的侵入，造成残热水和地下水复杂的循环和溶蚀作用。高

6、温高压的热水可极大地提高碳酸钙的溶解度。热水岩溶的起始点是从矽卡岩成矿热液生成铁矿后残热水进入碳酸盐岩开始的，这样就可以生成高度极大的岩溶洞穴，而且不受地壳升降与侵蚀基准面变化的影响。当地层褶皱隆起时，洞穴塌陷形成陷落柱。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论1.1陷落柱的概念与基本特征CaCO3溶解试验主要结论：（1）CaCO3溶解度随温度的升高而降低，但达到超临界状态时，溶解度又大幅度提高；CaCO3溶解速度随温度的升高而升高，当升高到超临界状态时，升高速度剧增。（2）超临界水对CaCO3溶解度是近临界水的近2倍，又因为超临界水对CaCO3的溶解度与时间无关

7、，可以推测超临界水对石灰岩的溶解几乎是在瞬间完成的。实验条件：超临界水387～389℃，26～28MPa；近临界水301～303℃，28MPa。常温水18℃，2MPa。常温条件下加入2MPa的纯CO2。1概论构造控制说陷落柱一般沿断层、向斜轴部发育。1.1陷落柱的概念与基本特征1概论向斜轴部陷落柱成因分析示意图背斜轴部陷落柱成因分析示意图岩溶陷落柱的成因是以奥灰岩层中地下水的强烈交替为条件，岩溶发育为基础，岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、间歇、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始过程，分阶段逐步形成陷落柱。1.1陷落柱的

8、概念与基本特征1概论1.1陷落柱的概念与基本特征3）