岩溶陷落柱及特征课件.ppt

1、第四章岩溶陷落柱特征及其研究第四章岩溶陷落柱特征及其研究华北煤田煤炭资源分布第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌一、喀斯特一、喀斯特 水对可溶性岩石所进行的作用，统称为喀斯水对可溶性岩石所进行的作用，统称为喀斯特作用。它以溶蚀作用为主，还包括流水的冲蚀、特作用。它以溶蚀作用为主，还包括流水的冲蚀、潜蚀，以及坍陷等机械侵蚀过程。这种作用及其潜蚀，以及坍陷等机械侵蚀过程。这种作用及其产生的现象统称为喀斯特。产生的现象统称为喀斯特。第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌二、喀斯特（岩溶）地貌二、喀斯特（岩溶）地貌具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地具有溶蚀力的水对可溶性岩石进

2、行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称。又称岩溶地貌。表和地下形态的总称。又称岩溶地貌。三、喀斯特地貌的分布三、喀斯特地貌的分布 喀斯特地貌分布在世界各地的可溶性岩石地区。可溶性岩石喀斯特地貌分布在世界各地的可溶性岩石地区。可溶性岩石有有3 3类：类：碳酸盐类岩石碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥灰岩等石灰岩、白云岩、泥灰岩等)。硫酸盐类岩石（石膏、硬石膏和芒硝）。硫酸盐类岩石（石膏、硬石膏和芒硝）。卤盐类岩石（钾、钠、镁盐岩石等）。卤盐类岩石（钾、钠、镁盐岩石等）。第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌四、喀斯特地貌类型四、喀斯特地貌类型喀斯特可划分许多不同的类型。喀斯特可划分许多不同的

3、类型。按出露条件分为：按出露条件分为：裸露型喀斯特、覆盖型喀斯特、埋藏型喀斯特。裸露型喀斯特、覆盖型喀斯特、埋藏型喀斯特。按气候带分为：按气候带分为：热带喀斯特、亚热带喀斯特、温带喀斯特、寒带喀斯特、热带喀斯特、亚热带喀斯特、温带喀斯特、寒带喀斯特、干旱区喀斯特。干旱区喀斯特。按岩性分为：按岩性分为：石灰岩喀斯特、白云岩喀斯特、石膏喀斯特、盐喀斯特。石灰岩喀斯特、白云岩喀斯特、石膏喀斯特、盐喀斯特。第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌桂林 第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌第一节第一节 喀斯特及其

4、地貌喀斯特及其地貌第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）有溶洞、地下河、地下湖等；以及与地表和地下密切相关联的竖井、有溶洞、地下河、地下湖等；以及与地表和地下密切相关联的竖井、芽洞、天生桥等喀斯特地貌。芽洞、天生桥等喀斯特地貌。第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观

5、（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）桂林七星岩溶洞 第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）桂林 穿山岩溶洞 第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）陷落塌陷第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌五、岩溶洞景观（地下喀斯特地貌）陷落塌陷第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌六、岩溶洞的发育与演化六、岩溶洞的发育与演化地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀，形成溶沟（或地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀，形成溶沟

6、（或溶槽），原先成层分布的石灰岩被溶沟分开成石柱或石笋。溶槽），原先成层分布的石灰岩被溶沟分开成石柱或石笋。地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀，形成落水洞。地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀，形成落水洞。从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动，形成溶洞。从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动，形成溶洞。随地下洞穴的形成地表发生塌陷，塌陷的深度大面积小，称坍随地下洞穴的形成地表发生塌陷，塌陷的深度大面积小，称坍陷漏斗，深度小面积大则称陷塘。陷漏斗，深度小面积大则称陷塘。地面上升，原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林，地下地面上升，原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林，地下水的溶蚀作用在旧日的

7、溶洞和地下河之下继续进行水的溶蚀作用在旧日的溶洞和地下河之下继续进行 第一节第一节 喀斯特及其地貌喀斯特及其地貌七、岩溶洞成因和类型七、岩溶洞成因和类型 渗流带洞穴渗流带洞穴 饱水带洞穴饱水带洞穴 承压水带洞穴承压水带洞穴 第二节、岩溶陷落柱的概念及分布第二节、岩溶陷落柱的概念及分布1古岩溶陷落柱的概念古岩溶陷落柱的概念 岩溶陷落柱系指坚硬的非可溶性岩层向下伏岩溶陷落柱系指坚硬的非可溶性岩层向下伏岩溶洞穴的老基岩塌陷的现象，即埋藏岩溶区岩溶洞穴的老基岩塌陷的现象，即埋藏岩溶区的地下溶洞的顶部岩层及覆盖层失去支撑，塌的地下溶洞的顶部岩层及覆盖层失去支撑，塌陷和剥落所产生的柱状陷落体。陷和剥落所产

8、生的柱状陷落体。第二节、岩溶陷落柱的概念及分布第二节、岩溶陷落柱的概念及分布2、华北地区古岩溶陷落柱的分布、华北地区古岩溶陷落柱的分布第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征一、一、陷落柱平面形态特征陷落柱平面形态特征 大多呈椭园形其次为圆形，少量为不规则图形，直径大大多呈椭园形其次为圆形，少量为不规则图形，直径大小不等小不等 一般是几十米至几百米以上，目前揭露的最大直径一般是几十米至几百米以上，目前揭露的最大直径达达300300米。米。第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征一、一、陷陷落落柱柱平平面面形形态态特特征征第三节第三节

9、岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征二、陷落柱剖面形态特征二、陷落柱剖面形态特征沿陷落柱中心点相连的轴线，垂直切开主体的形状有四沿陷落柱中心点相连的轴线，垂直切开主体的形状有四类：类：园锥体，园锥体，筒状，上下大小相近；筒状，上下大小相近；斜塔状斜塔状 ；不规则状。不规则状。岩层含泥质较少易形成圆锥状、如含泥质较高岩层岩层含泥质较少易形成圆锥状、如含泥质较高岩层松软易形成筒体状松软易形成筒体状;在岩层起伏较大地区在岩层起伏较大地区,沿顺岩层倾沿顺岩层倾向方向塌陷向方向塌陷第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征二、陷落柱剖面形态特征二、陷落柱剖

10、面形态特征第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征二、陷落柱剖面形态特征二、陷落柱剖面形态特征第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征三、陷落柱的塌陷高度三、陷落柱的塌陷高度 指溶洞到柱体顶端的距离指溶洞到柱体顶端的距离 小者仅几米一般是白小者仅几米一般是白余米，大者余米，大者300300400m400m，最大可达，最大可达500500600m600m。它与溶。它与溶洞的大小，地下水的排泄条件，岩层的物理力学性质，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。以及裂隙的发育程度有密切关系。第三节第三节

11、岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征四、陷落柱内部结构特征及陷落深度四、陷落柱内部结构特征及陷落深度 陷落深度处指与同岩层相比下陷的距离，一般为陷落深度处指与同岩层相比下陷的距离，一般为几米或几十米，个别达几米或几十米，个别达300300多米。多米。柱内岩层杂乱无章，层位秩序无法确定，有的可柱内岩层杂乱无章，层位秩序无法确定，有的可见到层状结构，但产状不一，极度倾斜，形成相互错见到层状结构，但产状不一，极度倾斜，形成相互错开的大碎块。其成分是由上部岩层及煤层的碎块、粉开的大碎块。其成分是由上部岩层及煤层的碎块、粉末及粘土组成。末及粘土组成。五、陷落柱的中心轴五、陷落柱的中心

12、轴 它是指陷落柱各它是指陷落柱各平面形态的中心平面形态的中心点的联线。通常，点的联线。通常，中心轴垂直于所中心轴垂直于所穿过的岩层层面。穿过的岩层层面。由于陷落柱穿过由于陷落柱穿过的各岩层的产状、的各岩层的产状、岩石性质和裂隙岩石性质和裂隙发育程度常有变发育程度常有变化，因此，中心化，因此，中心轴大多不是垂立轴大多不是垂立的，而是歪斜的，的，而是歪斜的，甚至呈扭转状态。甚至呈扭转状态。第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征六、陷落柱的柱面特征六、陷落柱的柱面特征陷落柱的柱面是指陷落柱与周围正常岩层的接触面。陷落柱的柱面是指陷落柱与周围正常岩层的接触面。它受岩层的

13、岩石性质和结构构造的控制。它受岩层的岩石性质和结构构造的控制。第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征七、陷落柱周围煤层和岩性结构特征七、陷落柱周围煤层和岩性结构特征 1)1)煤层层理和岩层有向陷落柱中心倾斜的现象煤层层理和岩层有向陷落柱中心倾斜的现象 2)2)陷落柱周围的煤层和岩层，产生大量的张性节陷落柱周围的煤层和岩层，产生大量的张性节理甚至山现小的断层错动理甚至山现小的断层错动 3)3)陷落柱周围几米范围内发生不同程度的氧化，煤层陷落柱周围几米范围内发生不同程度的氧化，煤层裂隙面上有棕色铁锈膜，煤层中的夹矸表现最明显。裂隙面上有棕色铁锈膜，煤层中的夹矸表现最

14、明显。第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征八、八、陷落柱的分布特征陷落柱的分布特征 1、成群集中分布、成群集中分布 第三节第三节 岩溶陷落柱的形态及其结构特征岩溶陷落柱的形态及其结构特征七、七、陷落柱的分布特征陷落柱的分布特征2成带状定向分布成带状定向分布第四节第四节 陷落柱的成因陷落柱的成因 一、岩溶发育的地质条件一、岩溶发育的地质条件 1 1地层结构条件（可溶性岩层）地层结构条件（可溶性岩层）2 2构造条件（发育有良好的地下水通道）构造条件（发育有良好的地下水通道）3 3、良好的地下水动力条件良好的地下水动力条件 4 4、具有丰富具有侵蚀性的地下水源、具有

15、丰富具有侵蚀性的地下水源 5 5、新构造运动条件、新构造运动条件1地层结构条件（可溶地层结构条件（可溶性岩层）性岩层）陷落柱地带围岩地层陷落柱地带围岩地层均为一大套完整的多均为一大套完整的多层次的煤系地层，其层次的煤系地层，其下为巨厚的单一的可下为巨厚的单一的可溶性（灰岩）地层。溶性（灰岩）地层。2构造条件（发育有构造条件（发育有良好的地下水通道）良好的地下水通道）含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断含煤区域内，发育有良好的地下水通道，主要是指断层和裂隙，尤其是透水性好的张性或张扭性断裂。它层和裂隙，尤其是透水性好的张性或张扭性断裂。它们沟通地面水系、地下含水层段与可溶性岩、矿层之们

16、沟通地面水系、地下含水层段与可溶性岩、矿层之间的水力联系，因此陷落柱常沿岩溶化断裂带、褶曲间的水力联系，因此陷落柱常沿岩溶化断裂带、褶曲轴部，特别是断裂交汇处呈串珠密集分布。轴部，特别是断裂交汇处呈串珠密集分布。3、良好的地下水动力条件良好的地下水动力条件 地下水交替循环快，排泄流杨，具有良地下水交替循环快，排泄流杨，具有良好的地下水动力条件。一个地区的侵蚀好的地下水动力条件。一个地区的侵蚀基准面控制着地下水的交替和流动。侵基准面控制着地下水的交替和流动。侵蚀基准面以下，地下水流动缓慢，排泄蚀基准面以下，地下水流动缓慢，排泄困难，岩镕不发育。困难，岩镕不发育。4、具有丰富具有侵蚀性的地下水源、

17、具有丰富具有侵蚀性的地下水源 地下水源丰富，具有溶蚀性较强的酸根地下水源丰富，具有溶蚀性较强的酸根和较大的侵蚀和较大的侵蚀“掏空掏空”能力能力。应该指出，有极少部分的陷落柱的塌落空间不是由于地下水的溶蚀作用造成的，而是由于地下水的机械作用把沈砂透镜体、断层泥堆积体等松软岩体冲刷带走造成的 5、新构造运动条件、新构造运动条件 新构造运动除了激发断层、裂隙的复活，新构造运动除了激发断层、裂隙的复活，此外还控制着岩溶水侵蚀基准面的变化。此外还控制着岩溶水侵蚀基准面的变化。地壳上升，地下水位随之下降。地壳下降，地壳上升，地下水位随之下降。地壳下降，地下水位便上升，例如霍县煤出、峰峰煤地下水位便上升，例

18、如霍县煤出、峰峰煤田等地区以自中生代以来都经历多次升降田等地区以自中生代以来都经历多次升降运动影响，地下水位时而上升时而下降，运动影响，地下水位时而上升时而下降，为在溶洞为在溶洞(裂隙裂隙)发生频繁的垂直运动或其他发生频繁的垂直运动或其他效应创造了条件。新构造运动是引起煤矿效应创造了条件。新构造运动是引起煤矿导水岩陷落柱的主要原因之一。导水岩陷落柱的主要原因之一。二、华北地区陷落柱形成主要时期 华北地区岩溶陷落柱发育时期始于晚古代二叠纪末，主要形成中生代燕山运动期间，结束新生代第三纪。三三 岩溶陷落柱溶洞塌陷机理岩溶陷落柱溶洞塌陷机理1、膏溶说、膏溶说2、循环说、循环说3重力塌陷说重力塌陷说4

19、真空吸蚀塌陷说真空吸蚀塌陷说膏溶说膏溶说 这是最早提出的学说，得到较多人的支这是最早提出的学说，得到较多人的支持；早在持；早在19601960年，山西钱学博年，山西钱学博(1960)(1960)就提就提小了柱状陷落小了柱状陷落(陷落柱陷落柱)是与石膏层溶浊及是与石膏层溶浊及喀斯特塌陷有关的论点喀斯特塌陷有关的论点 循环说循环说 第第阶段：为于阶段：为于水平循环带成虹水平循环带成虹吸循环带的岩溶吸循环带的岩溶洞隙逐渐形成并洞隙逐渐形成并扩大，产生顶板扩大，产生顶板和两侧岩层塌陷，和两侧岩层塌陷，形成十分复杂的形成十分复杂的溶洞。溶洞。循环说循环说 第二阶段：由于地第二阶段：由于地壳的上升，溶洞继

20、壳的上升，溶洞继续扩大上升，地下续扩大上升，地下水向下运动，沿着水向下运动，沿着裂隙进一步加深，裂隙进一步加深，且在深部形成第二且在深部形成第二层溶洞。开始了第层溶洞。开始了第二循环、以后还可二循环、以后还可以出现第三循环、以出现第三循环、第四个循环。第四个循环。循环说循环说 第三阶段：第一层溶洞第三阶段：第一层溶洞继续坍塌扩大上覆非继续坍塌扩大上覆非可溶性岩层塌陷。形成可溶性岩层塌陷。形成岩溶陷落柱，当地壳继岩溶陷落柱，当地壳继续上升，地下水位继续续上升，地下水位继续下降时，第二层溶洞也下降时，第二层溶洞也可能开始坍塌、这样，可能开始坍塌、这样，两层溶洞坍塌连接起来，两层溶洞坍塌连接起来，使

21、非可溶性岩层塌陷更使非可溶性岩层塌陷更深，深，由于溶蚀和水流的冲蚀作用，使地层下由于溶蚀和水流的冲蚀作用，使地层下部奥陶系的马家沟组石灰岩岩溶强烈发部奥陶系的马家沟组石灰岩岩溶强烈发育，逐渐形成了较大的岩溶洞穴空间。育，逐渐形成了较大的岩溶洞穴空间。在进入中个代以后，受印支运动和燕山在进入中个代以后，受印支运动和燕山运功的影响，地壳强烈上升，形成岩溶运功的影响，地壳强烈上升，形成岩溶水强迳流带古岩溶洞进一步溶蚀扩大。水强迳流带古岩溶洞进一步溶蚀扩大。重力塌陷说重力塌陷说重力塌陷说重力塌陷说溶洞顶板在重力的作用下，产生了应力的重新分布，沿结构面张裂隙滑动。岩块脱落下沉，下沉堆积物部分又被流水冲刷

22、溶蚀搬运带走，部分留在原地经地下合自重力作用逐渐被压缩密实，下部空间重新又增大再次失去平衡，岩层继续向下塌陷，反复多次形成现今的陷落柱。真空吸蚀塌陷说真空吸蚀塌陷说真空吸蚀塌陷说真空吸蚀塌陷说相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于某相对密封的承压岩溶网络地下水中，由于某些原因，如地下的补给和排泄条件的改变等，些原因，如地下的补给和排泄条件的改变等，引起浅部充水岩溶腔内地下水位大幅度下降。引起浅部充水岩溶腔内地下水位大幅度下降。当水位低于岩溶腔口表面时，在岩溶盖层与当水位低于岩溶腔口表面时，在岩溶盖层与岩溶腔内水面之间出现无水空腔，这时腔内岩溶腔内水面之间出现无水空腔，这时腔内水体由承压转为无压。

23、水体由承压转为无压。一、一、井下陷落柱出现前的预兆井下陷落柱出现前的预兆 1、煤、岩层产状发生变化、煤、岩层产状发生变化 2、裂隙和小断层增多、裂隙和小断层增多 3、煤出现风氧化现象、煤出现风氧化现象 4、煤层中挤入破碎岩块、煤层中挤入破碎岩块 5、地下水涌出量增大、地下水涌出量增大 6、地温异常、地温异常第五节第五节 陷落柱的探测陷落柱的探测二、陷落柱的观测二、陷落柱的观测 无论在地表或井下遇见陷落柱，都应进行详细的观测和编录。根据生产矿井对陷落柱观测和判断的基本要可归结为五五查、五看和五定查、五看和五定的工作方法。五查包括五查包括：1.查陷落柱周围煤、岩层中裂隙的发育情况和充填物性质；2.

24、查陷落柱周围煤质的变化范围和风化程度；3.查临近陷落柱处水和瓦斯的变化情况；4.查陷落柱周围小型断层的发育情况和产状特征；5.查矿区内陷落柱的发育和分布规律。五看包括五看包括：1.看陷落柱与煤、岩层接触面的形态；2.看陷落柱与煤、岩层接触带的充填物性质和特征；3.看陷落柱内岩块的性质、形状、大小、排列方式和层位时代，4.看陷落柱周围煤、岩层的产状变化；5.看陷落柱面与巷顶交线的弯曲方向和曲率。五定包括五定包括：1.定巷道理陷落柱的部位；2.定陷落柱的形状；3.定陷落柱的大小；4.定巷道穿避陷落柱的距离；.5.定处理陷落柱的措施。三、陷落柱的探测三、陷落柱的探测一、钻探一、钻探三、陷落柱的探测三

25、、陷落柱的探测一、钻探一、钻探三、陷落柱的探测三、陷落柱的探测一、物理探测一、物理探测1、高分辨率地震探测技术、高分辨率地震探测技术（地面三维地震）（地面三维地震）山西省阳泉矿区五矿煤山西省阳泉矿区五矿煤层陷落柱探测层陷落柱探测三、陷落柱的探测三、陷落柱的探测一、物理探测一、物理探测1、高分辨率地震探测技术、高分辨率地震探测技术（地面三维地震）（地面三维地震）许疃煤矿许疃煤矿8煤层煤层 三、陷落柱的探测三、陷落柱的探测一、物理探测一、物理探测1、高分辨率地震探测技术、高分辨率地震探测技术（地面三维地震）（地面三维地震）许疃煤矿许疃煤矿8煤层煤层 三、陷落柱的探测三、陷落柱的探测一、物理探测一、物理探测2、坑道无线电波透视法、坑道无线电波透视法 皖北矿区某煤矿皖北矿区某煤矿7218工工作面作面 三、陷落柱的探测三、陷落柱的探测一、物理探测一、物理探测2、坑道无线电波透视法、坑道无线电波透视法 皖北矿区某煤矿皖北矿区某煤矿7218工工作面作面