岩溶陷落柱突水是华北煤田主要的水害类型之一,一旦突水造成的后果十分严重。充水条件不同的陷落柱,将影响煤矿开采工作面涌突水威胁程度及其防治工程的设计。淮北煤田揭露的岩溶陷落柱多为干燥无水或弱淋水,但也发生过陷落柱特大突水事故,造成了巨大的财产损失。随着淮北煤田进入深部勘探与开采,岩溶陷落柱水害威胁程度将增大。淮北煤田构造和水文地质条件均较复杂,不同构造单元岩溶发育规律、陷落柱的揭露特征、分布规律、充水性特征等差异较大。因此,系统地开展淮北煤田岩溶陷落柱发育特征、发育模式、充水性及其控制机理研究,不仅具有重要的理论意义,而且具有重大的应用价值。本文以淮北煤田岩溶陷落柱为研究对象,采用野外勘查、现场测试、室内试验、模型预测等方法和手段,全面地研究了淮北煤田岩溶陷落柱的揭露方式、发育规律、充水性特征,分析了陷落柱与灰岩地层组合、煤田地质构造、地质(水文地质)单元、古径流场、现今地温场、现代径流场、岩溶发育、构造演化等之间的关系,在此基础上,建立了陷落柱的发育模式,揭示了陷落柱充水性的主要控制因素,并对淮北煤田典型发育模式陷落柱进行了预测研究。取得主要成果如下:1)依据淮北煤田地质构造、基岩面和松散层沉积特征、含水层水化学特征等,将淮北煤田地质(水文地质)单元划分为2个一级水文地质单元和5个二级水文地质亚单元。淮北煤田受徐-宿弧形构造中段和南段影响明显,具有南北分区、东西分段的特点,推覆构造西部外缘地带或锋带位置上的濉肖-闸河矿区和宿县矿区,揭露的陷落柱数量相对较多。2)综合研究了淮北煤田灰岩地层沉积组合类型、岩性特征,灰岩组成成分、灰岩地层测井特征等,确定了中奥陶统灰岩地层为岩溶陷落柱发育的基底地层。系统地研究了淮北煤田岩溶发育特征,总结了灰岩含水层岩溶发育规律。中奥陶统灰岩地层经历了沉积岩溶期、风化壳岩溶期、埋藏岩溶期、构造(半埋藏)岩溶期、二次埋藏岩溶期等5个岩溶作用期次,半埋藏岩溶期为淮北煤田岩溶发育和陷落柱形成的主要期次。3)系统地整理分析了淮北煤田陷落柱的揭露资料,从几何学特征、空间位置和分布规律、充填特征、充水性特征等方面,结合物探探查和放水试验等成果,构建了陷落柱特征分类体系。淮北煤田陷落柱揭露方式主要包括采掘直接揭露、突水显现和综合判定三种类型。揭露的陷落柱平面截面多为椭圆形,剖面为圆锥体,几何学特征差异较大;柱顶层位发育于太原组灰岩第2层段至松散层地层。根据陷落柱柱体充填特征,将其划分为压实和未压实两类。根据充水性将陷落柱分为不充水型、柱缘裂隙弱充水型和强充水型;结合陷落柱发育构造位置特征,厘定了陷落柱发育的四个期次。4)基于淮北煤田构造系统、灰岩地层沉积特征、岩溶发育规律、现代径流条件、古径流场恢复、地温分布规律、陷落柱发育特征及其充水性特征等研究基础上,建立了淮北煤田岩溶陷落柱的岩溶接触带型、向斜构造控制型、断裂构造控制型、内循环控制型、灰岩地层半裸露外循环控制型和灰岩地层隐伏外循环控制型6种典型发育模式。5)通过研究陷落柱与构造特征、灰岩含水层富水性、含水层间水力联系、边界断层性质、补径排条件、煤田构造演化、水质水位异常和地温场规律性之间的关系,论证了不充水型、柱缘裂隙弱充水型和强充水型三类陷落柱充水性的主要控制因素。不充水或弱充水型均为古陷落柱,分别是印支～早燕山期、早燕山期和晚燕山期岩溶作用的产物;强充水型陷落柱包括外循环控制发育型和内循环控制发育型,为现代岩溶作用的结果。灰岩地层岩溶发育程度高和含水层富水性强的位置,多揭露强充水型陷落柱。6)依据陷落柱空间位置特征和充水性控制因素研究结果,针对典型陷落柱发育模式的煤矿,基于GIS空间数据多源信息复合技术,定量地统计了内循环控制型、外循环控制型和向斜构造控制型发育模式下陷落柱发育特征参数,分别采用决策树分级归类法、多源信息复合预测法,对深部岩溶陷落柱空间位置及其充水性进行了预测,通过对比预测结果和已揭露陷落柱实际情况,验证了陷落柱发育模式和充水性控制机理结论的准确性,为深部岩溶陷落柱防治工作提供了空间靶区。图[121]表[45]参[205]