第1章绪论
　　1.1研究背景与意义
　　陷落柱突水是煤矿生产中最严重的水害事故类型之一。陷落柱具有隐蔽、分散分布、规模相对较小、不易探查、难以预判、易活化突水、突水量大、治理工程大等特点，是煤矿开采过程中重点防范的地质构造体。
　　近年来，在我国北方神华、开滦等矿区发生过多起陷落柱突水事故（吴文金，2006b；曹阳勃，2016；张勃阳等，2016；尹尚先等，2019），有关陷落柱的研究一直都是华北型煤田水害防治的重点与难点（表1.1）。表1.1华北煤田特大突水陷落柱特征事故时间事故地点水压/MPa最大涌水量/（m3/min）水温/℃损失情况1964.04.13河北井陉三矿3.401.8040m处，断裂带导通1965.08.25河南铜冶矿103工作面25.30淹井1967.01.28山西霍州圣佛矿483m水平大巷7.80巷道报废，淹井1967.03.29河南焦作李封矿东18南区120.00淹井1978.03河北开滦范各庄矿204二水平工作面59.70裂隙沟通，淹没-310m水平1983.01.15江苏徐州庞庄东城井1.60部分巷道被淹没1983.06.03河北开滦范各庄矿2176工作面14.08导水陷落柱进入断层0.2～0.5m导通奥灰水后淹井1984.04山西霍州圣佛矿-500m大巷3.30部分巷道被淹没1984.06.02河北开滦范各庄矿2171工作面6.042053.00384个矿淹井，减产煤炭1141.7万t，损失近5亿元，多人遇难1993.01.05山东郭家庄矿-210m北大巷550.00淹井1996.03.04安徽任楼煤矿7222工作面6.90576.1743断层沟通，淹井，直接损失2亿元1997.02.18江苏徐州张集矿-300m水平轨道下山4.50401.6033淹井，损失约6880万元1997.04.22山东肥城杨庄煤矿8701工作面40.00部分巷道被淹没1999.11.25河南辉县吴村矿32031工作面40.00淹采区2003.04.12河北邢台东庞矿2903工作面5.201167.0036淹井，损失3.8亿元2009.01河北峰峰集团九龙矿14123N工作面7.50120.00淹井2010.03内蒙古乌海骆驼山矿16煤层回风大巷870m水平2.301000.00淹井，损失约4853万元，32人遇难，7人受伤2011.12河北黄沙矿1102106工作面380.00淹井2013.02安徽淮北桃园煤矿6.35166.6735淹井，1人失踪2014.07河北峰峰集团梧桐庄矿底板隐伏陷落柱突水2017.05.23安徽淮南潘二矿242.00淹没部分巷道
　　淮北煤田位于华北板块南缘，为典型的华北隐伏型煤田，主采二叠系煤层，且煤系地层被较厚新生界松散层所覆盖。淮北煤田从上到下含水系统包括：第四系松散含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组灰岩（简称太灰）含水层和奥陶系岩溶含水层（徐德金，2009）。淮北煤田二叠系山西组下组煤距其下伏太原组灰岩含水层平均距离60m左右，距奥陶系灰岩（简称奥灰）地层100m以上，正常情况下下组煤回采不受奥灰含水层影响。但若存在岩溶陷落柱，可造成太原组灰岩、煤系地层与奥灰含水层间产生水力联系，从而导致严重突水事故（梁红书和秦万能，2016；Zeng et al.，2016）。
　　淮北煤田水文地质条件极为复杂，已于10个生产煤矿揭露陷落柱32个。揭露的陷落柱数量虽不多，但不充水、弱充水、强充水甚至突水的陷落柱均有揭露，空间分布差异明显。淮北煤田曾揭露突水陷落柱4个，其中特大突水事故2次，损失巨大，分别为1996年任楼煤矿7222工作面陷落柱突水，最大突水量34571m3/h，直接经济损失2亿元（张瑞钢，2008）；2013年桃园煤矿1035工作面隐伏陷落柱突水，*大突水量29000m3/h，损失严重。
　　随着煤矿开采深度和下组煤开采规模不断地加大，开采过程中煤层底板承受下伏岩溶含水层水压逐步增大，若存在陷落柱，在采动影响下，形成充水导水通道，可能诱发突水（Sevil et al.，2017）。陷落柱充水性，是判断陷落柱发育阶段、控制陷落柱附近煤炭开采是否导突水的重要条件，对于不同充水条件的陷落柱，在探查出基本特征后，会采用相应的治理与防治水工程，因此，陷落柱发育特征及充水性研究是防治水的重要依据和基础工作。淮北煤田前期研究多集中于揭露陷落柱形态和出露特征、突水特征、突水过程和突水机理等；研究对象多为揭露陷落柱所在煤矿，需加强系统的岩溶发育规律、陷落柱空间位置、发育特征、充水性等方面的研究，缺少空间差异性与规律性研究。本书针对淮北煤田，研究内容主要为陷落柱的发育空间规律、发育期次、发育模式和充水性等，在此基础上，对岩溶陷落柱水害的综合治理技术进行系统总结。
　　系统地研究淮北煤田陷落柱分布规律、发育模式与机理、充水性控制机理，是深部开采、陷落柱防治工作的基础。开展淮北煤田岩溶陷落柱发育特征及充水性控制机理研究，对于淮北煤田煤炭资源安全、高效开采具有重要指导意义。研究成果对华北煤田陷落柱发育模式和充水性控制机理研究及其治理也具有重要参考价值。
　　1.2国内外研究现状
　　1.2.1国外研究现状
　　由于煤层与灰岩地层特殊的地层组合特征，发育了华北煤田和华南煤田特殊的陷落柱构造地质异常体，国外仅有岩溶塌陷和采矿垮落的理论作为研究借鉴（尹尚先等，2019）。国外研究中与陷落柱成因相似的陷坑（sinkhole）等有相关研究较多，多矿坑或工程隧道陷落问题（Sevil et al.，2017；Song et al.，2012）。坑穴、岩溶塌陷研究方面，多涉及的地质构造、水文地质条件分析等，如Osipov等（2017）研究在产钾矿岩溶天坑形成时的水动力条件和地质力学结构原因；Siska等（2016）研究了溶洞和塌陷的稳定性与灾害评价研究；Santo等（2017）对于岩溶塌陷区域进行预测评估；Lny等（2020）在古岩溶洞穴和岩溶角砾岩的形态特征描述基础上进行地质模型绘制，以上多涉及塌陷体危险性评价和古岩溶地貌的描述。相关的古岩溶研究方面，多涉及塌陷坑的演化与过程，如Georg和Douchko（2016）研究了德国哈尔茨山脉南部一个典型的塌陷坑，利用地球物理测量（重力、电阻率层析成像、自然电位、磁学）来识别局部塌陷坑信号，恢复岩溶岩石中流动和溶解的三维岩溶演化模型。国外关于岩溶塌陷或岩溶陷落的研究内容总体上集中在岩溶地貌、塌陷坑和古岩溶的储层特征和岩溶三维模型重塑等方面，有关岩溶陷落柱或沉煤地层环境岩溶的研究内容相对较少。
　　1.2.2国内研究现状
　　国内于20世纪40年代发现并提出岩溶陷落柱（karst collapse column）概念，研究该地质异常构造体已有70余年的历史，其主要揭露于华北煤田，华南煤田也有零星揭露。陷落柱被发现后，一段时间内困扰着煤田地质和矿业工程专家。于1987年召开了华北地区岩溶陷落柱学术交流会，研讨了陷落柱形成机制、时期及其特殊地质现象等内容，自此以后陷落柱研究系统性增强。现阶段陷落柱研究已深入至岩溶发育模式、突水机理、工程应用等领域（宋卫华等，2019；开滦矿务局，1986a，1986b）。通过对陷落柱的研究也加强了对煤田地层沉积、构造特征、水文地质条件、构造演化等方面的研究。
　　采矿界、基础地质和岩溶水文地质等领域的专家，一直长期致力于煤田岩溶作用和陷落柱构造体及其相关领域的研究，取得了较为系统和全面的研究成果，很好地指导了工程应用和理论创新等领域，如尹尚先等（2019）长期研究岩溶陷落柱及致灾理论技术体系，全面系统地从陷落柱发育特征、分类、分布规律、成因、充水性，突水模式及机理、预测、综合探查治理等方面进行研究，取得了较为完善的理论和技术体系，在该研究领域成果丰硕。李永军和彭苏萍（2006）、赵金贵和郭敏泰（2014）、赵金贵等（2020）等以陷落柱密集发育的山西西山煤田岩溶陷落柱为主要研究对象，系统地研究陷落柱的发育特征、充填组成、发育模式、形成时代等。经过长期的探索与研究，众多团队取得了丰硕成果，各自发挥着专业优势，形成百家争鸣、学科融合的发展态势，不断促进陷落柱研究及相关领域的发展。
　　以下针对华北煤田陷落柱研究相关内容，从陷落柱几何形态特征、柱体充填特征、陷落柱分布规律、陷落柱成因与发育、陷落柱充水性与导突水特征、陷落柱探测与识别、陷落柱的工程治理等方面，系统地介绍陷落柱研究的相关成果。在陷落柱研究内容介绍基础上，分析淮北煤田陷落柱的研究现状及研究基础。
　　1.陷落柱发育特征与发育规律研究现状
　　1）陷落柱形态特征及伴生特征研究方面
　　陷落柱的水平截面多呈椭圆形，剖面多圆锥状。揭露的陷落柱发育至松散层—灰岩层段，大多发育于奥陶系或寒武系灰岩地层。柱内充填物压实胶结，少数填充松散，极少数洞顶置空现象等。柱体横截面积数百至数万平方米，多数高达100～300m，少数高达600m。陷落柱发育密度、柱内上覆岩层垮落距离、堆积状态、围岩构造与围岩裂隙发育程度、柱体方解石充填状况、胶结程度、柱轴倾斜程度等差异明显（李俊杰等，2010）。
　　牛磊（2015）、张永双等（1998）等学者，就华北煤田特殊的陷落柱构造，从岩溶形成时间、形成时代、灰岩地层基底条件、构造演化、地下水径流场的变化等方面，对陷落柱特征进行了全面、系统地分类与概述。张永双等（1998）采用陷落柱不同的特征指标，对陷落柱进行系统的分类研究。李振华等（2014）采用理论分析、现场观测的手段从几何参数、发育特征、出现前兆和分布特征等4个方面分析归纳双柳煤矿陷落柱的基本特征，认为陷落柱主要发育在浅部，附近通常伴有小断层，周围煤岩层产状发生变化，主要分布在奥灰岩溶溶孔、溶洞发育比较强烈的区域。
　　2）空间发育规律研究方面
　　基底为巨厚可溶地层、上覆松软地层组合、古岩溶或现代岩溶强发育，上述三点是陷落柱发育的必要条件（赵金贵和郭敏泰，2013；王彦仓等，2010）。构造控制灰岩地层的赋存和地下水的补给条件，因此陷落柱的发育与构造关系极为密切。陷落柱多分布于埋藏型灰岩含水层浅部位置，或向斜轴部附近地层浅部（尹尚先等，2004a，2008）。中奥陶统中，构造体集中发育处、岩溶泉域排泄带或强径流带，为陷落柱主要的发育构造位置（施龙青等，2015）。陷落柱多揭露于古径流带上，唐攀等（2015）指出岩溶多发育于地势低洼处，地下水排泄位置附近。
　　李成（2015）在研究阳泉矿区陷落柱发育特征基础上，研究区域褶皱和断裂构造体系，结合区域地震规律，给出相关性分析，得出构造控制的主要结论。曹鹤（2017）在应用分形、底板曲率等方法对研究区陷落柱的发育规律和成因进行了研究。断层落差较大地带，可以增强岩溶水的径流，是陷落柱发育主要地段（张茂林和尹尚先，2007）。
　　张书林等（2011）总结出陷落柱多位于断层应力集中部位或向斜轴部，其受岩溶水和构造裂隙的共同影响。蒋勤明（2008）、吴基文等（1998）等得出陷落柱分布具有集群性、网格状、似等距和构造控制性等特征。同时，在垂直方向看，陷落柱分布浅部多于深部（乔伟，2011；贺志宏，2012）。Ennes等（2016）得出岩溶作用的向斜控制机理，同时分析了岩溶的构造控制作用。Silva等（2017）研究了河流的岩溶控制作用，以及岩溶空间位置与河流的空间的一致性。
　　地面和井下探查相结合，是确定陷落柱范围和空间位置的方法之一，定位和定性精度均较高（李振华等，2009）。
　　2.陷落柱形成机理与发育模式研究现状
　　陷落的形成条件：可溶性岩层、丰富的地下水补给和有利于地下水沟通的通道、强径流条件（段中稳，2004；王首同等，2010）。公认的形成机理理论有：重力塌陷（李振华等，2014）、石膏溶蚀（钱学溥，1988）、真空吸蚀（张鑫，2017）、热液成因（陈尚平，1993）、向斜“倒楔形”裂隙发育（尹尚先等，2004a）、“水岩共振”（徐卫国和赵桂荣，1990；代群力，1991）、溶洞循环扩溶形成论（渗流效应）（赵金贵和郭敏泰，2013；Ma