广旺矿区大倾角地层中隐伏古岩溶陷落柱的形成机理及时间
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黄祥宽
广旺矿区大倾角地层中隐伏古岩溶陷落柱的形成机理及时间
黄祥宽
（四川川煤华荣能源有限责任公司广元分部，四川 广元 628017）
大倾角地层中的古岩溶陷落柱，是一种特殊的地质现象，如果不作综合地细致研究，容易产生误判为断层的可能。从广旺煤矿区的基本地质情况入手，立足于地壳升降运动是陷落柱形成的主要动力来源，通过对区域地质构造的演化与区域地层的对应关系，分析阐明了大倾角地层中古岩溶陷落柱的形成机理，以及对形成和定型时间的厘定。分析认为广旺煤矿区大倾角地层中的古岩溶陷落柱形成的基本条件和形成的初期机理，与一般地层中发育的陷落柱是一致的。其最终成型，相较于水平或缓倾斜地层中的陷落柱，是在地质构造运动的叠加作用下，增加掀斜过程。其起始发育于中侏罗世和早白垩世早期，于始新世晚期完全停止发育，直至定型。
大倾角地层；
陷落柱；
形成机理；
广旺矿区
广旺煤矿区位于川北广元、旺苍、南江一带，含煤岩系主要为上三叠统须家河组、中下侏罗统白田坝组，煤层露头线自西向东在平面上呈反写的缓S型展布（图1）。在区域构造位置上处于上扬子古陆块米仓山-大巴山逆冲带（三级构造单元）西段的米仓山基底逆冲带，西端跨北东向的龙门前山盖层逆冲带北段。含煤地层赋存于东西向秦岭褶皱系南缘及北东向龙门山褶皱带前缘。矿区主体构造西为盐井背斜、东为大两会背斜，各井田构造以单斜为主，总体上自西向东倾角逐渐增大，最大近60°，一般30°～45°，属于大倾角地层（黄祥宽，2010）。矿区出露地层以三叠系、侏罗系为主，含煤地层为三叠系上统须家河组和侏罗系下统白田坝组（表1）。
图1 广旺矿区主要构造及井田分布简图
表1 广旺矿区含煤地层与灰岩地层简表
在多年的开采过程中，广旺矿区划分为近二十个井田或矿段。处于矿区中、东部的唐家河、赵家坝、代池坝及石洞沟煤矿，在实施巷道掘进过程中，相继在含煤地层段揭露出陷落柱。陷落柱内充填物紧实，似胶结状，不含水。陷落柱周边裂隙发育，在砂岩段有裂隙水涌出。经研究判断，均为停止发育的古岩溶陷落柱。大倾角地层中的岩溶陷落柱的形成机理及出露形态，有一定的特殊性，如不作细致研究和讨论，让人难以理解和接受。
在矿井生产时期，在含煤地层底板砂岩中掘进+555m水平运输大巷（标高+570m）时，于14号勘探线以东附近两次穿过数十米宽的岩层破碎带。在掘进+620m水平运输大巷时，在倾向上相对应于+555m水平运输大巷破碎带的位置上仅见3m左右的破碎带。在+660m水平底板大巷相应位置根本见不到破碎带，但从含煤地层底板往顶板方向作穿层石门时，揭穿底部的12号煤层后，突然沿倾向方向遇到42m的破碎带，12号煤层之上的11号、10号、9号等 3层煤层缺失，被大小不一的砾石（块径0.03～0.80m）和砂质、泥质混合物替代，继而揭穿8号煤层（黄祥宽，2006）。根据各生产工程揭露点情况，绘制成剖面图（图3左），其形态与勘探线剖面图上形态类似。
图2 根据钻孔揭露的地层情况制作的勘探线剖面图
图3 生产工程揭露剖面示意图（右为充填物照片）
在对破碎带的充填物、岩层断面产状、破碎带展布状况以及下部地层岩溶发育等情况进行综合分析后认为，上述岩层破碎带在空间上看似错乱的展布特征，实为存在于大倾角地层中的古岩溶陷落柱特有的展布形态。在此认识的基础上,赵家坝煤矿组织实施了沿煤层走向布置的探巷工程，分别在+555m水平和+620m水平沿8号和9号煤层掘进了58162、59162、58164、59164四条煤层平巷。除59164煤巷尾部遇上破碎带外，其余3条煤巷均未遇上破碎带。4条煤巷加两条沿8号、9号煤层倾向掘进的开切眼, 形成8号煤层的58162采煤工作面、9号煤层的59162采煤工作面,实现了安全正常回采。无断层展布痕迹，且破碎带未对附近的煤层沿倾向或走向方向形成大面积的破坏，反证了前述破碎带属古岩溶陷落柱而非断层所致。
图4 代池坝煤矿320西大巷陷落柱井下钻探验证图
2.1 现场实录
代池坝煤矿+320m西大巷遇陷落柱前，围岩破碎，发育张性裂隙，裂隙大部分斜交与岩层，左帮出现明显的涌水现象，涌水顺锚杆眼涌出，逐渐减少至无水。陷落柱内无水，充填较紧实，陷落柱内岩石碎块棱角明显，形状不规则，排列混乱，大小不一，岩块间为泥沙胶结物（图3右）。该陷落柱与周边围岩的接触面呈现不整合接触，个别岩层近于直立。
石洞煤矿+300m水平31325运输巷施工至K237m时揭露陷落柱。揭露遇陷落柱前，周围煤层光泽变暗、强度降低、煤层破碎，周边张性裂隙大部分与岩层斜交。陷落柱内部不含水，内部砂岩块呈棱角状充填紧凑，充填物为顶板方向垮落的零乱岩块及沙泥物质。底板砂岩裂隙有少量水渗透。
唐家河煤矿在掘进3864巷道时，也揭露一小型陷落柱。其状态与前述类似。
2.2 井下钻探验证
在通过物探手段，确认所揭露陷落柱内无水威胁的情况下，为更加确定陷落柱的规模，实施了钻探验证。经综合各钻孔探测情况，其平面上形状为不规则近椭圆，规模较小。对周边安全无威胁（图4，图5）。
图5 石洞沟煤矿31325运输巷陷落柱井下钻探验证图
位于含煤地层底部的三叠系中统雷口坡组及其下的嘉陵江组、飞仙关组、吴家坪组、茅口组、栖霞组，沉积形成了厚度1000m以上的灰岩地层，是岩溶发育的物质基础。广旺矿区含煤地层以须家河组为主，次为白田坝组，属滨海河流沼泽相。须家河组与其下的雷口坡组呈角度不整合接触。陆相沉积的含煤地层与下部巨厚的海相灰岩地层，这样的地层组合，其形成岩溶陷落机理与一般的水平或缓倾斜地层中岩溶陷落机理是相同的，在此就不赘述。根据现有地质资料分析认为，大倾角地层中的古岩溶陷落柱，只是在水平或缓倾斜状态下形成陷落柱后，经历了一个“掀斜”的过程（图6）。这个“掀斜”过程，是区域地层的一个总趋势过程，理论上称为“掀斜运动”或者“翘起运动”，是区域地层相对于某一水平面，一端相对上升而另一端相对下降的运动，是地质构造运动中垂直运动方式之一。在须家河组、白田坝组含煤地层形成过程及以后，广旺矿区经历了三叠纪中、晚期至侏罗纪前的印支运动, 侏罗纪中、晚期开始的燕山运动，第三纪中期发生的喜马拉雅运动。数次地质构造运动的叠加，主要表现为地层的抬升、下降、抬升、加剧抬升，在龙门山—大巴山台褶带形成线型及过渡型褶皱，广旺煤矿区的主体控制构造大两会背斜就在此褶皱带中。如此，须家河含煤地层及其中的岩溶陷落柱，逐步被抬升“掀斜”。
图6 岩溶陷落柱“掀斜”前后示意图
基于上述认识，我们不妨运用赤平投影的原理，将勘探线剖面图旋转，让地层处于大致水平状态，不难看出所谓的断层更类似于一个陷落柱在剖面上的形态（图7），反证了该陷落柱经过了一个“掀斜”过程。另外，根据赵家坝煤矿、唐家河煤矿、代池坝煤矿、石洞沟煤矿所揭露陷落柱在剖面上展布特征来看，均体现出下部采掘工程揭露有陷落柱，其上部垂向一定范围内，无陷落柱的存在，而是沿地层倾向上延展一定距离，才会揭露出陷落柱体。说明这些陷落柱呈现出的是一种沿地层倾向方向大角度倾斜的立体状态。根据重力作用原理，这种特殊形态也只有地层在近水平或缓倾斜状态下形成陷落柱后，通过构造运动的“掀斜”才能产生。
地壳升降运动是陷落柱形成的主要动力来源（尹尚先等，2019），广旺煤矿区大倾角地层中的陷落柱，较水平或缓倾角地层中的陷落柱的差别在于，多了一个地层掀斜的过程。那这个掀斜的时间和动力源，实际上是与广旺矿区所在的川东北区域地质构造演化息息相关的。因此，厘清广旺煤矿区含煤地层形成以来的历次地质构造运动，可以基本确定该区域大倾角煤系地层中古岩溶陷落柱的发育及形成时间。
图7 运用赤平投影原理恢复的古地层剖面
4.1 发育时间
总体上讲，四川盆地及相邻地区如龙门山以西的川西高原、川北大巴山弧形褶皱束与秦岭—大别山山地、四川盆地东部的鄂西—湘西山地、云贵高原等构造地貌的形成除了燕山运动、四川运动的影响以外，还有喜山运动晚期青藏高原末次快速隆升的影响（葛肖虹等，2010）。α石英热活化ESR定年法结果显示，北大巴山经历了三个主要构造演化阶段，分别为 243.7～201.5Ma（晚印支期）、165.6～91.2Ma（中晚燕山期）、68.6Ma至今（喜山期）（程万强等，2009）。川东北地区自白垩纪以来的抬升剥蚀历史又分：沉积埋藏阶段（92Ma以前）、快速的隆升剥露阶段（92～67Ma）、缓慢隆升的阶段（67～15Ma）、次快速剥蚀阶段（15Ma以来），说明川东北地区可能分别在晚白垩世和中新世受两次大的构造作用的影响（胡迪等，2016）。
米仓山构造带中-新生代构造演化史可以概括为：晚三叠世之前的前碰撞期、晚三叠世至早侏罗世的同碰撞期、中侏罗-早白垩世早期的构造平静期、白垩纪期间的陆内变形期、古新世至始新世早期的叠加构造变形期、新世晚期以来的整体隆升期，等6个主要阶段（孙东，2011）。据此，处于米仓山南麓的广旺煤矿区构造背景演化大致可以体现为：成煤期前的特提斯南秦岭洋南侧的扬子板块北部的被动大陆边缘→成煤期的微水下隆起同生沉积→成煤期末的由北向南的轻微掀斜→成煤期后的强烈掀斜褶皱系的陆内变形→复合叠加构造变形沉积→整体隆升遭受剥蚀。在志留纪至晚三叠早期，上扬子地台为张性构造环境，至印支运动晚期转变为挤压构造环境（周文等，1994）。志留系、下泥盆统、中三叠统雷口坡组、上侏罗统蓬莱镇组等各地层中发育多套滑脱层（金文正等，2018）。喜山期印度板块与欧亚板块的强烈碰撞，引起"三江"造山带与扬子陆块西缘抬升和地壳加厚（刘军等，2019）。
广旺煤矿区形成于晚三叠世、早侏罗世的含煤地层，在中侏罗世和早白垩世早期，处于一个构造平静期，地层受到轻微掀斜，其下地层中经过多次张拉、挤压构造作用后裂隙广泛发育的巨厚灰岩，溶蚀积极发育，覆岩垮落，陷落柱相继形成。其后白垩纪期间，扬子板块向秦岭造山带的楔入作用，导致米仓山构造带发生强烈的陆内变形，形成由北而南冲断构造级的东西向褶皱构造，米仓山主体构造基本定型，广旺煤矿区中、东段的主体构造大两会背斜，也在此时段基本定型。含煤岩系地层与灰岩地层，从上下位置关系变为南北位置关系，岩溶及陷落柱的发育进入迟滞状态。
4.2 定型时间
川东北地区缺失第三系和中、上白垩统，第四纪砂砾层与下白垩统、下白垩统与侏罗系地层呈超覆不整合接触。龙门山和米仓山，经历了燕山期和喜山期的一系列改造后，须家河组已经被掀斜、褶皱（孙衍鹏等，2013）。始新世晚期以来，受青藏高原隆升的影响，米仓山构造带及毗邻盆地整体性由西向东隆升，整个区域构造格局几乎完全定格。广旺煤矿区的含煤地层，以及更老的地层，均遭受剥蚀。空间关系从未抬升前的上下关系，呈现为前后关系或南北关系。尽管灰岩地层出露区依然会存在岩溶发育现象，但含煤地层内的古岩溶陷落柱，已失去进一步发育的条件。广旺煤矿区含煤地层中的岩溶陷落柱，于始新世晚期完全停止发育，直至定型。
（1）大倾角地层中的古岩溶陷落柱，其形成的基本条件和形成的初期机理，与一般地层中发育的陷落柱是一致的。
（2）大倾角地层中的古岩溶陷落柱，其最终成型，相较于水平或缓倾斜地层中的陷落柱，是在形成末期及形成后，在地质构造运动的叠加作用下，伴随地层的抬升、挤压，增加了一个掀斜的过程。
（3）作为一种特殊的地质现象，对大倾角地层中的古岩溶陷落柱，必须结合区域地层分布及区域地质构造演化，以及现场破碎带与周边地层的接触关系，进行综合研究分析，方能作出正确判断。
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Formation Mechanism and Time of Buried Paleokarst Collapse Column in Steeply Dipping Strata in Guangwang Coal Mine Area
HUANG Xiang-kuan
(Guangyuan Branch of Sichuan Chuanmei Huarong Energy Co. Ltd., Guangyuan 628017)
Paleokarst collapse column in steeply dipping stratum is a special geological phenomenon, which may be misjudged as fault if it is not studied comprehensively and carefully. Starting with the basic geological characteristics of Guangwang coal mine area, based on the fact that the crustal movement is the main power source for the formation of collapse columns, through the evolution of regional geological structure and regional strata, this paper analyzes the formation mechanism of paleokarst collapse columns in steeply dipping strata and the determination of formation and finalization time. The analysis shows that the basic conditions and initial mechanism of the formation of paleokarst collapse columns in steeply dipping strata in Guangwang coal mine area are consistent with the collapse columns developed in general strata. Compared with the collapse column in horizontal or gently inclined strata, its final formation is an increasing tilting process under the superposition of geological tectonic movement. It developed in the Middle Jurassic and early Early Cretaceous, and completely stopped in the late Eocene until it was finalized.
steeply dipping strata; paleokarst collapse columns; formation mechanism; Guangwang coal mine area
P542
A
1006-0995（2022）04-0547-05
10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.001
2021-11-15
黄祥宽(1966— ），男，四川泸县人，教授级高级工程师，硕士，研究方向：煤矿地质
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