すみません、理由は分かりませんが自己解決しました。
array_mergeでなく"$配列[] = 値"で追加していったら期待通り格納できました。

$ROWSET = DBからSELECT検索;
$配列 = array();
foreach($ROWSET as $ROW) {
　　$配列[] = $ROW->カラム;
}