岩溶陷落柱是地球表层岩溶水系统演化的产物，广泛镶嵌于华北煤系地层中，是集矿井突水、瓦斯突出、煤质风氧化、矿井构造于一体的复杂地质体。综采机切割过一个面积30 m×40 m的陷落柱，损失在千万元左右，若遇突水淹井，单次损失过亿，严重危害着矿井的安全高效生产。
岩溶陷落柱柱体形态与组构特征严重影响着华北煤田物探解译、采掘工作开展和水文地质预测预报。针对矿井带压开采导致的煤层底板突水问题，近年来诸多学者提出了“关键层”、“突水系数”、“薄板结构”、“原位张裂和零位破坏”、“强渗流通道”、“下三带”等带压开采底板突水理论[1-3];按照柱体充填物质特征、压实胶结程度以及其充水和导水特征，将陷落柱划分为全充水强导水型、边缘充水导水型和不导水或微弱导水疏干型3种类型[4];根据地下水系统广义三重介质渗流模型构建了矿井地下水系统广义多重介质渗流模型，提出了陷落柱概化模式及突水力学判据[5]，并对陷落柱影响采场围岩破坏和底板突水的数值模拟分析[6]，认为陷落柱导水性主要取决于柱体内物质组成、压实和胶结情况以及承受水压大小[4]。
近年来通过地表及井下观测、钻探、物探、多层面叠置对比等方法，探究过多个陷落柱的形态与组构特征，如对开滦范各庄矿特大突水导水陷落柱“蜂窝煤”式钻探，揭示了其空间形态特征[7-8];运用二维、三维地震手段可查明直径>20 m的陷落柱形态特征[9];通过陷落柱柱体内岩块体岩性与煤系地层特征对比，判断柱体岩块的来源层位[10]。此外，还构建了诸如柱壁角、柱林、陷落柱面积密度、陷落柱个数密度等[11]表征岩溶陷落柱柱体形态特征的术语体系。然而，岩溶陷落柱柱体形态千姿百态，因地而异，即便是同一柱体不同部位的物质组构特征也不同。
目前，岩溶陷落柱研究面临的挑战主要表现在柱体地质模型构建、柱体地质信息挖掘与大数据分析、深部开采与煤系气抽采引发的新问题、多学科交叉融合研究、类比研究等方面。随着我国地质科学迈向“深海”、“深空”、“深地”、“地球表层系统”“四樑八柱”研究的新阶段，作为地球表层岩溶水系统演化产物的岩溶陷落柱研究，也面临着契机与挑战，有必要梳理岩溶陷落柱柱体这一复杂地质体的形态与组构特征。
华北煤系岩溶陷落柱90%左右集中分布在山西汾河沿岸和太行山东麓的一些煤田内[12]，太原西山地表出露及井下揭露的陷落柱数量已超过5 000个，位列全国之最。通过野外观测、井下编录、叠置对比和统计分析，表征太原西山岩溶陷落柱柱体空间形态与组构特征，有助于进一步推动隐伏于煤系中这一特殊地质体的深入研究。
1 岩溶陷落柱地表出露特征
镶嵌于华北煤系地质体中的岩溶陷落柱，有很少一部分能出露地表，更多的是隐伏在煤系地质体中，或出露地表后被新生界地层覆盖，地表可观测到的陷落柱多分布在煤系地层分布的侵蚀山区。太原西山山高谷深、地形切割剧烈，在沟谷侧畔出露了大量岩溶陷落柱。
1.1 柱体形态与组构特征
柱顶上覆地层遭受侵蚀或人类工程揭露的陷落柱，多出露在山坡上或公路侧畔，形态多样。如在以P1—C2t太原组晋祠段上部炭质泥岩为围岩的公路侧畔，突兀出露1个由30 cm×40 cm灰白色粗粒石英砂岩碎块、10 cm×20 cm炭质泥岩碎块及煤块密实镶嵌的陷落柱柱体(北纬37.90°，东经112.33°，1 134 m高程)，砂岩碎块体与泥岩碎块体分界明显，抗风化能力强于围岩，在地表呈丘状凸起(图1(a))。如人工开挖的P1—C2t毛儿沟段边坡上揭露的陷落柱(北纬37.89°，东经112.36°，1 195 m高程)，柱体中间由1.0 m×1.5 m的砂岩碎块体集群组成，柱体边缘则为20 cm×40 cm的砂泥岩及煤碎块镶嵌充填，由于柱体岩块分布不均，导致边坡易坍塌(图1(b))。以上2个陷落柱均接近柱体顶部，同种岩性岩块呈似层状镶嵌充填于柱体中。
图1 P1—C2t地层中的岩溶陷落柱
Fig.1 karst collapse pillars in P1—C2t
在奥陶系峰峰组O2f顶部出露一岩溶陷落柱(北纬37.90°，东经112.33°，1 085 m高程)，柱围灰岩略向柱体方向倾斜，柱体一侧残留，由30 cm×40 cm的灰白色中粗粒石英砂岩块、5 cm×10 cm的炭质泥岩碎块及零星煤块和零星20 cm×20 cm的生物碎屑灰岩碎块密实镶嵌(图2(b))，柱体另一侧则遭受侵蚀形成冲沟(图2(a))。私挖乱采揭露的1个陷落柱(北纬37.90°，东经112.33°，1 158 m高程)，来自二叠系下石盒子组P1x地层中的20 cm×30 cm大小的柱体碎屑岩块，以宽1.0～1.5 m、长6 m的楔状，顺层插入到P1—C2t毛儿沟段8号煤层中上部(图3)。以上2个陷落柱在地表出露面积较大，柱体岩块粒径较小，杂乱镶嵌，若围岩坚硬，则柱壁平直，若围岩软弱，柱体岩块则呈楔状顺层插入软弱围岩。
图2 O2f灰岩中的岩溶陷落柱
Fig.2 Karst collapse pillar in O2f
图3 插入煤层中的岩溶陷落柱楔状体
Fig.3 wedge-shaped karst collapse pillar body Inserted into coal seam
在宽3.6 m的王封北断层带内及侧畔，发育一陷落柱(北纬37.90°，东经112.33°，1 121 m高程;图4(a),(c))，断层两侧围岩分别为石炭系本溪组C2b畔沟段和P1—C2t晋祠段下部。在断层带内，柱体被平整的断层面围割(图4(a),(c))，由大小4.0 m×1.5 m的灰白色石英砂岩块体、20 cm×40 cm大小的煤块、4.0 m×2.0 m的泥岩碎块体组成(图4(a))，界限分明;在靠近沟谷一侧的断层带侧畔残留有砂泥岩碎块组成陷落柱柱体，由来自P1x地层的、大小多在20 cm×30 cm黄绿色砂岩碎块、5 cm×10 cm的泥岩碎块组成，大小明显小于断层带内岩块，且杂乱堆积。断层带内充填岩块来自P1—C2t七里沟砂岩及以下地层，来源层位高度明显低于柱体内部岩块来源层位高度，以陷落柱与断层的充填关系推断，此陷落柱形成于王封北断层形成之后，形成断层与陷落柱共生现象。陷落柱侧畔的畔沟灰岩呈透镜状，周围被白色质纯次生淋滤淀积的高岭土包裹，且下部包裹的厚度是上部的2～3倍(图4(b))。
图4 王封北断层与陷落柱
Fig.4 Wangfeng North Fault and collapse pillar
调查显示，太原西山陷落柱发育的最高层位位于三叠系刘家沟组T1l上部(北纬37.73°，东经112.10°，1 516 m高程)，柱体充填岩块较松散(图5(a));陷落柱发育的最低层位位于O2f中下部(北纬37.73°，东经112.10°，1 064 m高程)，柱体岩块分选较好，密实镶嵌充填(图5(b))。
1.2 柱体中的次生矿物与岩块风化
太原西山出露地表的陷落柱，柱体岩块一般镶嵌密实且新鲜，偶尔可看到呈全风化状态锈黄色的灰岩(北纬37.73°，东经112.10°，1 110 m高程)，如图6所示，可能与局部裂隙水浸润有关。在个别陷落柱柱体岩块间，可见到方解石晶体(北纬37.68°，东经111.88°，1 383 m高程)，如图7(a)所示，或石膏晶体(北纬37.88°，东经112.66°，895 m高程)，如图7(b),(c)所示。沿塌落岩块边缘垂直向块体间生长。方解石晶体往往不能完全充填岩块间缝隙，石膏晶体则完全充填岩块间缝隙。
2 井下揭露特征
高低参差不齐的陷落柱隐伏于煤系地质体中，井工开采可能揭露不同陷落柱柱体的不同部位。陷落柱柱体不同部位充填岩块的密实程度不同，对矿井生产的危害也各异。
2.1 柱体顶部特征
在工作面推进过程中，有时会遇见煤层下陷呈“锅底”状小型构造盆地，如在太原西山煤田马兰矿南三采区12409工作面，煤层倾角为3°，推进过程中，2号煤层顶板裂隙密度逐渐增大，从顶板裂隙中滴淋水量也逐渐增大，煤层由四周向一点下凹倾斜，倾角达28°，形成直径10 m左右的“锅底”状小型构造盆地，这种现象在太原西山其他矿区采煤过程中也时有出现，探测表明，“锅底”小型构造盆地下方隐伏陷落柱柱顶。
图5 太原西山最高层位与最低层位揭露的岩溶陷落柱
Fig.5 Karst collapse pillar of the highest and lowest strata found on the surface,Xishan coalfield
图6 柱体中的全风化灰岩块
Fig.6 Completely weathered limestone in collapse pillar
在陷落柱顶部有时可见10～15 m的空洞，多有积水，为陷落柱柱顶空腔，在太原西山马兰矿、内蒙古薛家湾矿区，陷落柱柱顶空腔偶有揭露，1984-06-02范各庄矿突水陷落柱顶部有8.7～32.1 m的空洞[13]。
柱体直径小于15 m的陷落柱，顶部岩块之间空隙较发育，其间往往生长有方解石、重晶石、石膏、钟乳状黄铁矿晶体。如马兰矿12402运输巷，在掘进距一直径15 m的陷落柱柱体2 m时发生突水，突水量620 m3，淹没运输巷80 m，损坏了掘进设备;马兰矿28103工作面揭露一直径15 m陷落柱，柱体岩块较松散，工作面割过后冒顶8 m;再如马兰矿北一采区8号下山炮掘时揭露一直径15 m的陷落柱柱体，排水200 m3。
图7 柱体中的次生矿物
Fig.7 Secondary minerals in the collapse pillar
图8 综采机切割过西山煤田西曲矿12602工作面陷落柱系列剖面[11]
Fig.8 Profile of cutting collapse pillar series in 12602 working face of Xiqu Mine,Xishan coalfield[11]
以太原西山煤田实际揭露的2 793个陷落柱为样本，筛选出各矿2号、8号层面上柱截面最小的陷落柱可知，8号煤层中揭露的最小跨度:西峪矿为9.80 m、杜儿坪矿为10.30 m、西铭矿为10.80 m;2号煤层中揭露的最小跨度:西峪矿为7.55 m、东曲矿为8.00 m、马兰矿为9.44 m、屯兰矿为7.11 m、西曲矿为7.38 m、炉峪口矿为7.50 m。以此推断，隐伏陷落柱柱顶最小跨度在砂岩、灰岩等硬岩层中约为7 m，在泥岩、煤等软岩层中略小于7 m。
2.2 柱体中部特征
太原西山西曲矿综采机切割过2号、3号煤层中一截面43 m×25 m、截面积809 m2、柱体岩块采出2 832 m3的陷落柱(图8，图中数字表示支架序号)，柱体周缘5～10 m范围煤层特征是:发育多条倾斜于柱体方向的大角度裂隙，煤层及夹矸时有弯曲或呈台阶状错断，煤层向柱体倾斜5°～10°;煤质变差，由破碎块状逐渐变为粒状结构，光泽变暗，采掘极易推进;煤壁以2～3 m纵深、2～4 m宽的片帮时有发生。柱体边部特征是:柱体与煤层分界明显，岩块和煤层呈锯齿状接触;岩块多与煤混杂，多呈雁形斜列，密实，干燥，岩块表面有时出现镜面，擦痕构造，时有错断和蠕变现象。柱体中部特征是:岩块与岩块之间镶嵌接触，大岩块之间被碎屑岩块及煤粉充填，密实、干燥、无冒顶;长3 m左右的规律性岩块体与杂乱岩块体以1.5～2.0 m的间距相间排列;岩块表面镜面与擦痕发育。
2.3 平均柱壁角
陷落柱柱体斜边与柱体截面之间的夹角称为柱壁角，常等效为圆锥体计算平均柱壁角。选择西山煤田2号煤层和8号煤层综采同时揭露的22个陷落柱为样本，通过对上下煤组揭露的截面形态叠置，发现陷落柱的平面形态不规则，柱心往往发生偏移，上下煤组陷落柱平面形态的相似性差，上组煤层中揭露的陷落柱截面面积<下组煤揭露的陷落柱的截面面积。有时发育树杈状陷落柱，即下组煤揭露一个陷落柱，在上组煤层中揭露2个或2个以上陷落柱(表1)。依据这22个岩溶陷落柱计算出岩溶陷落柱的平均柱壁角为82.2°，依据西铭矿2号与8号煤层综采揭露的4个陷落柱的跟踪观测结果，计算出陷落柱的平均柱壁角为84.7°;由此可见，西山煤田岩溶陷落柱的平均柱壁角在82°～85°。
表1 太原西山煤田陷落柱截面叠置特征[11]
Table 1 Cross section superposition characteristics of typical collapse pillars in Xishan coalfield,Taiyuan[11]
注:红色为2号煤层揭露陷落柱截面形态，蓝色为8号煤层揭露陷落柱截面形态。
3 岩溶陷落柱的空间形态特征
依据太原西山煤田采掘揭露陷落柱的截面面积和区域地层厚度，以83.5°为平均柱壁角，以7 m为隐伏陷落柱封顶跨度，可推算出陷落柱的塌陷高度和封顶层位。以太原西山矿区揭露的2 793个岩溶陷落柱为样本，推算的奥灰顶面直径多在40～110 m(图9)，在2号及8号煤层中揭露陷落柱的直径多集中在30～50 m。若以奥灰顶面算起，陷落柱的高度多分布在150～350 m，占69.4%(图10);51.3%的陷落柱可塌至二叠系上石盒子组P2s，36.5%的陷落柱塌至P1x，10.8%的陷落柱塌至P1—C2t及二叠系山西组P1s地层(图11)。
图9 西山煤田岩溶陷落柱奥灰顶等效直径与揭露个数统计[11]
Fig.9 Statistical curve of equivalent diameter and exposed number of karst collapse pillars and Ordovician roof in ishan coalfield[11]
图10 西山煤田陷落柱高度与揭露个数百分数统计[11]
Fig.10 Statistical curve of different exposed collapse pillars heights and percentages in Xishan coalfield[11]
图11 西山煤田陷落柱封顶层位和揭露个数百分数统计[11]
Fig.11 Statistical curve of number percentage of layers and intervals of collapse pillars capping in Xishan coalfield[11]
根据上述陷落柱参数，可勾勒出太原西山煤田岩溶陷落柱柱体特征是:隐伏于煤系地层中的一种煤层开采界面上直径30～50 m、自奥灰顶面算起的高度多在150～350 m、平均柱壁角82°～85°、高低参差不齐的柱状岩块堆积体;在与柱顶接触的上覆泥岩层中多形成“锅底状”小型构造盆地，柱体顶部岩块间往往空洞发育、松散、富水、生长次生矿物晶体;柱体中部组构密实、干燥，岩块镶嵌接触或碎屑流以基质形式填充于大岩块之间，大块体与大块体之间分段相间，岩块表面多发育镜面及擦痕构造;柱体下部岩块分选变好、粒径变小，且密实镶嵌充填。
4 讨 论
岩溶陷落柱是岩溶水系统长期演化的产物。华北克拉通石炭二叠煤系下伏近千米厚的寒武—奥陶系可溶岩，是岩溶陷落柱形成的物质基础。只有具备补给、径流、排泄条件的岩溶水系统，再叠加足够长的岩溶水系统运行时间，就有可能形成岩溶陷落柱。华北克拉通破坏产生的盆山分异，是岩溶水系统能够运转的动力。在华北克拉通经历破坏的过程中，不同区域构造地貌演化的历程不同，导致不同区域地壳表层岩溶水系统演化的进程不同，进而导致不同煤田岩溶陷落柱的形成时间、发育密度、柱体形态与组构特征也各异。
4.1 柱壁角与柱体高度
野外观测表明，太原西山出露于不同岩组段的陷落柱柱壁角不同，柱面在剖面上一般呈凹凸状、锯齿状或折线状，与华北其他矿区观测结果一致[12-13]，在一些厚煤层中还可以以楔状碎屑流形式顺层插入。在一些煤系上覆松散层中，岩溶陷落柱的剖面形状多呈上大下小的漏斗状，柱壁角为-40°～-50°[12]，而这种现象，在以基岩为主的侵蚀剥蚀山区的太原西山，未曾发现。太原西山煤田岩溶陷落柱在剖面上整体呈柱状，不同于巨厚新生界地层覆盖区的岩溶陷落柱。通过上下煤层综采揭露的截面形态计算出太原西山煤田陷落柱的平均柱壁角为82°～85°，与阳煤集团新景矿区岩溶陷落柱平均柱壁角为80°～85°一致[14]。
在陷落柱柱体揭露面上，柱体中的岩块均来自柱体围岩及上覆不同组段的地层，其中，柱体围岩与来自上覆最高层位地层中的柱体岩块之间的垂距，称为岩溶陷落柱柱体岩块的最大塌落距。根据柱体岩块的最大塌落距，可在柱体揭露层面判定陷落柱柱体高度。太原西山地表出露的20个陷落柱剖面观测结果表明，岩溶陷落柱在O2s—T1l地层中均有发育，柱体中最大岩块可达3 m×2.5 m，一般岩块多在20～30 cm，最小岩块多为1 cm左右，柱体岩块最大塌落距有时可达300 m以上，柱体高度自然在300 m以上。新鲜柱体岩块上存在的擦痕、阶步以及折断现象表明，塌落在柱体中的岩块，在陷落柱形成过程中还经历了压实、运移等变形变位过程。
自奥灰顶面算起，华北C—P煤系实际揭露的岩溶陷落柱塌陷高度多在100 m以上，最大可达500～600 m[12]。1984-06-02范各庄矿突水陷落柱高280 m，北徐楼煤矿陷落柱柱体岩块的最大塌落距逾150 m[13]，陷落柱高度大于150 m。若以区域地层累计厚度计算，自奥灰顶面算起，太原西山塌至T1l地层中的陷落柱高度超过了600 m，而更多陷落柱高度分布在150～350 m。
4.2 柱体形成时间
在华北克拉通破坏过程中，太原西山煤田经历了两期岩溶水系统演化。古近纪时，随着吕梁山的隆升[17]以及太行山前断裂的形成[18]，岩溶水系统补给区与排泄区灰岩地层的出露，以及地势高差的拉动，开启了华北第1期岩溶水补给-径流-排泄系统;新近纪末，随着吕梁山的隆升[19]以及汾渭地堑的形成，裂解了华北第1期岩溶水系统[15]，启动了太原西山第2期岩溶水系统。尽管陷落柱柱体中可能蕴含着形成、压实、胶结和改造过程的信息，迄今还未能辨识出太原西山煤田中哪个陷落柱是第1期岩溶水系统演化的产物，哪个陷落柱是第2期岩溶水系统演化的产物，或者是两期叠加的产物。平顺老马岭陷落柱与太原东山大窑头陷落柱是华北第1期岩溶水系统演化的产物[10,15]，霍州南下庄煤矿揭露的柱体内发现N2j红黏土层，并含有动植物化石[13]，应是华北第2期岩溶水系统演化的产物。运用大同塔山平硐切割过寒武系大型溶洞中的方解石铀系同位素年代测试结果，类比太原西山岩溶陷落柱形成于30～40万年前[23]，是太原西山岩溶水系统的产物(图12)，也是华北第2期岩溶水系统演化的产物。
图12 太原西山岩溶水系统与岩溶陷落柱林发育特征示意
Fig.12 Sketch Map of karst water system and development characteristics of karst collapse pillar forest in Xishan,Taiyuan
近年来，在地下岩溶洞穴形态探测、洞穴沉积物年代测试、洞穴系统形成过程的计算机模拟，以及岩溶天坑研究方面取得了长足进展，如GABROVEK等运用二维裂隙网络遗传模型计算潜水区岩溶塌陷，结果表明100万年的时间，就能形成200 m×200 m的岩溶天坑[20]。太原西山岩溶陷落柱直径多在30～50 m，若以陷落直径大小与时间成正比类比，1个稳定的岩溶水系统历经20万年时间，就可以形成1个直径40 m×40 m陷落柱。
GABROV
EK和HILL等提出了碳酸盐岩大峡谷的联通模式是:地下岩溶水系统在径流通道上形成多个大跨度溶洞，多个大跨度溶洞垮落形成串珠状陷穴，串珠状陷穴相间的天生桥被侵蚀后形成地表岩溶沟谷[19-20]，表明岩溶塌陷主要分布在地下岩溶水系统的径流通道上。笔者曾经对发育在奥陶系灰岩地层中的太原西山“一线天”景观进行了实地测量，结果表明“一线天”嶂谷沿着2组节理呈“之”字型展布，岩溶水系统的径流路径也应是沿着灰岩先成的破裂面溶蚀发育。太原东山大窑头陷落柱群沿背斜轴部呈“串珠状”发育[15]，北徐楼陷落柱群则呈“串珠状”发育于向斜轴部[13]，太原西山王封北断层带上发育多个陷落柱，表明在特定条件下，背斜轴部、向斜轴部及断层带均有可能成为地下岩溶水系统的径流路径，形成大跨度的溶洞，进而形成岩溶陷落柱。现在展现在我们面前的构造形迹，是自岩层形成以后多期构造运动的叠加结果，如何恢复地质历史时期不同期次的构造-地貌-岩溶水系统面貌，探索与陷落柱分布规律的耦合程度，刻画不同期次岩溶水系统的径流路径，是分辨形成于不同时期岩溶陷落柱的有效途径。
4.3 柱体活化
岩溶陷落柱突水淹井事故发生区域多分布在新生界地层覆盖、承压水头较高的河北、安徽、河南、山东、江苏矿区，在山西霍州、内蒙桌子山矿区也发生过突水淹井，但这些矿区同样存在着大量不导水或弱导水的陷落柱。在已探明的陷落柱中，导水者占不到总数的5%，而真正形成突水灾害的，占不到0.5%[12]。在一个区域，岩溶水系统形成演化一致，岩溶陷落柱形成的时间也类似，即便在承压大小、地质环境与采掘条件一致的情况下，还是有的陷落柱导水，有的陷落柱不导水或弱导水，这种个体差异是什么原因导致的呢？陷落柱导水与否可能与陷落柱柱体是否活化密切相关。
陷落柱柱体活化最主要的一个特征是柱体岩块发生了风化。不同陷落柱或同一陷落柱的不同部位风化程度不同，同一陷落柱同一部位不同岩性岩块的抗风化能力也各异。泥岩风化成泥土状、砂岩风化成黄色细砂[13]，灰岩在煤系酸性水的淋泡下极易风化，风化后呈疏松多孔的褐黄色岩块(图6)，采掘揭露时易出现黄泥汤现象。北徐楼煤矿陷落柱柱体岩石碎块表面及空隙间常有矿物质淀积，出现红色铁质、白色钙质或高岭土质“锈斑”或薄膜[13]。在太原西山西曲矿，综采机切割到5个风化陷落柱时，柱体中渗流出黄泥汤。这些现象表明，一些陷落柱柱体可通过地下水介质与大气沟通，而野外及井下新揭露的陷落柱柱体岩块多密实镶嵌，形成“阻水塞”，不足以成为联通奥灰承压水及地表裂隙水的通道。那么，是什么原因导致一些陷落柱柱体与大气相通形成开放环境遭受风化呢？若是地震，则所有赋存于煤系中的陷落柱均应遭受其破坏活化，而事实是太原西山风化陷落柱仅仅集群出现于位于补给区附近的、后山古交矿区的西曲矿，在西山煤田其他区域井下揭露的柱体岩块还未发现上述风化现象。
如前所述，西山煤田经历了两期岩溶水系统的叠加，随着盆山分异的加剧，分布于寒武奥陶系灰岩中的岩溶洞穴上老下新，在第1期岩溶水系统形成的陷落柱柱根下方，若再遭受第2期岩溶水系统的溶蚀形成空洞垮落，则会导致柱体再次垮落活化，若塌透地表，则形成加速柱体岩块风化的开放环境。随着盆岭分异的加剧，以太原盆地为侵蚀基准的太原西山岩溶水系统的径流路径也在不断下切，形成陷落柱的基底溶洞也在不断下移，煤系下伏灰岩中的岩溶陷落柱柱根自上而下由老渐新，形成年代越晚的陷落柱，其柱根离奥灰顶面的垂距越大(图12)。据此，若利用地球物理方法探测到岩溶陷落柱柱根位置，就可对比与分辨区域煤系新老陷落柱，找到可能发生活化的陷落柱。柱体组构遭受风化的陷落柱，在采掘、承压、地震等因素的诱发下，极易突水。
陷落柱的存在，影响了煤层产出水的矿化度、离子类型、氢氧同位素[21]，改造了现今运转的岩溶水系统。矿井突水等灾难性事件，是历史时期岩溶水系统形成的陷落柱，与现今的岩溶水系统以及人类采掘活动相互耦合的结果。随着煤炭资源采掘活动向更深处延伸，目标煤层多位于上覆采空区与下伏承压岩溶含水层之间带压开采区，双重压力可能诱发陷落柱柱体成为联通上覆采空区和下伏奥灰岩溶承压水的通道，也可使柱体活化。现阶段，各矿区运用压裂法进行井上下抽采煤层气与煤系气，以及采掘扰动和地震活动，均可改造陷落柱柱体及围岩应力场环境[16]，破坏陷落柱柱体组构，致使陷落柱柱体由密实变为松散，或柱缘裂隙贯通，成为联通奥灰承压水、上覆老空水以及煤系裂隙水的通道，导致矿井突水事故发生。
5 结 论
(1)隐伏于太原西山岩溶陷落柱柱体组构特征是:柱体中最大岩块直径可达3 m，一般岩块直径多在20～30 cm，最小岩块直径多在1 cm左右，棱角分明;柱体边缘煤层多向柱体倾斜、煤质变差、倾向柱体的裂隙发育;柱体岩块最大塌落距多在40～200 m;柱体顶部往往空洞发育、富水、多生长次生矿物晶体;柱体中部组构密实、干燥，岩块镶嵌接触或碎屑流以基质形式填充于大岩块之间，块体与块体之间分段相间，岩块表面多发育镜面及擦痕构造;柱体下部岩块分选变好，密实镶嵌。
(2)太原西山岩溶陷落柱形态特征是:在煤层开采界面上直径多在30～50 m，自奥灰顶面算起高度多在150～350 m;柱壁角为82°～85°，高低参差不齐，在柱顶上覆软岩层上多发育直径10 m左右“锅底”状小型构造盆地的柱状岩块堆积体。
(3)不同区域岩溶陷落柱形态与组构特征不同的原因，是不同区域岩溶水系统演化的差异导致。柱体岩块风化是陷落柱柱体活化的重要表现，柱体活化是陷落柱导水的重要因素之一。寻找与对比岩溶陷落柱柱根位置，可作为地球物理方法探测与分辨区域煤系新老陷落柱的依据。
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