对于盐矿水溶开采地表塌陷防治措施的探讨

对于盐矿水溶开采地表塌陷防治措施的探讨

许映华

中盐镇江盐化有限公司江苏镇江212000

摘要：近年来盐矿开采地而塌陷事故频繁发生，故深入研究盐矿塌陷的发展过程和规律、把握控制因素，将盐矿地表沉降控制在许可范围内，阻比大范围塌陷的发生，对于盐矿可持续发展、生态环境保护、防比诱发灾害发生等都具有重要意义。

关键词：盐矿；水溶开采；地表塌陷；灾害

1.盐矿水溶开采塌陷实例及其特点

盐矿水溶开采塌陷灾害实例是分析总结塌陷发展过程和特点的基础，表1列举了近几十年来我国发生的较大的典型盐矿塌陷灾害实例，文中还深入分析了其发生的特点和规律。

盐矿地表塌陷一般具有事发突然、剧烈破坏和无法控制等特点，根据上述塌陷灾害实例，并结合盐矿开采资料，总结出盐矿水溶开采地表沉降的几个重要特点：

表1盐矿塌陷灾害汇总表

(1)突发性强、破坏程度大、控制极难

盐矿塌陷事故发生时塌陷剧烈，并带强烈的破坏性，来不及控制；塌陷速度一般可达35mm/d以上，个别盐矿甚至达到了100mm/d。通常在塌陷发生之前有很长的潜伏期，导致很多诱发因素难以没有被及时发现。

(2)持续时间长、影响范围大

塌陷发生后，岩土体遭到强烈破坏，承载力下降，在外载作用下地表会长时间持续移动，并扩大其影响范围。例如，湖北应城盐矿1992年发生塌陷后，截至1999年地表移动仍未停。据表1统计数据，盐矿塌陷影响范围一般都在上千平方米，带来不可忽视的环境破坏。

(3)塌陷发生前后通常伴随地而冒卤

盐矿塌陷过程前后因上覆岩层和采卤管道遭到破坏，致使卤水四处流窜，甚至窜到地表造成冒卤甚至喷卤。如1992年应城盐矿14～15井组区地而塌陷是伴随30天内间断放喷2万余方淡卤而发生的；湖南湘盐矿一采区地面塌陷发生前后，地面7处大量冒卤，从井口喷出的卤水水柱高达3m多。

2.水溶开采诱发地表塌陷机理

一般情况下，盐矿区的地表塌陷都会伴随喷卤现象。卤水上涌至第四系地层，从地下喷出的卤水压力较高，会携带大量泥沙至地表，并冲刷加大溶蚀通道，带走大量填充地层的土沙，加剧了地表的塌陷。这也说明，盐矿塌陷与地下水系统和采卤井有着密切的联系，地下水或高压卤水的侵入和喷出以及采卤井压力的变化一定程度上诱发了盐矿塌陷。

2.1水溶开采地表塌陷的原因

盐矿开采地表塌陷影响因素众多，但具体的塌陷机理大致可以分为以下三种：

(1)溶腔不稳定造成的垮塌

我国盐矿盐层大部分埋深较浅，一般都在200m～600m之间(见表1)。一旦顶板不稳定造成溶腔垮塌，上覆岩土层较浅，过度发展的冒落带和裂隙带则会贯通至地表，造成塌陷灾害。在实际开采过程中，采高过大、矿柱安全距离不够以及顶板而积过大都是导致顶板不稳定的因素。

(2)卤水及地下水侵蚀诱发断层活化

盐矿附近地质构造是合理设计开采方案的重要依据，应避免在矿区断层或是大型节理附近设置矿井。实际开采过程中，由于勘察技术或是施工工艺的问题，没有查明断层和节理的存在和分布，有些矿井被设置在断层附近。一旦采用水力压裂法采矿，则可能因工艺不当或操作失误将高压卤水注入周围地层。

2.2控制水溶开采地表塌陷的工程措施

盐矿采区地表塌陷是一个多因素共同作用的动态过程，在不同的开采条件下，有不同的主要控制因素。把握好控制因素，就可以在合适的阶段采取合理的措施，阻比诱发因素的进一步发展，减缓甚至阻比地表塌陷的发生。基于此给出以下几点建议：

(1)注重盐矿区域地质构造勘察

开采盐矿之前要对周围地质构造进行详细勘察，确定隐伏断层和节理裂隙带的分布，布井时避开上述地质构造复杂区域，避免节理断层受注入卤水或周围地下水的活化作用发生局部断裂活动。

(2)开采方式的合理设计以及溶腔跨度的控制

我国大部分盐矿属于浅埋薄层复层状构造，其地质结构复杂，开采时要注意自下往上开采，即先开采深处的盐层，并控制钻井的位置，防比矿柱错位，并严格控制采厚比和顶板的跨度，预留一定厚度的保护层，保证合理的溶腔高度，避免矿井顶板不稳定而造成溶腔垮塌和上覆岩层过度冒落，进而诱发地表塌陷。

(3)合理控制对井距离和井组距离

在使用水力压裂连通法采矿时，要注意合理布置井距和组距。既要避免井距过大造成资源浪费，又要避免井距过小增加溶腔不稳定性，进而遗留塌陷潜在风险。

3.盐矿水溶开采塌陷预测研究

盐矿地表塌陷影响因素众多，表现形式复杂多样。而且盐矿塌陷多数情况下在时间和空间上都有不连续的特征，这与连续性的地而沉降很不相同，这也给从理论上预测盐矿塌陷带来了一定的难度。目前我国的盐矿开采行业尚未形成统一的开采规程和规范，多数情况下仍是利用矿山开采的三带理论进行定性的分析预测。为了进一步探索盐矿塌陷的机理，系统总结前人成果，并分别从试验研究、物理模拟、数值试验、沉降模型构建、检测等角度探讨了某些关键因素对盐矿塌陷的影响。

3.1试验研究

目前基于盐矿水溶开采的试验研究不多，其中以任松的模型试验较有代表性。任松利用相似材料试验模拟了盐矿水溶开采的塌陷过程，分析了各岩层的移动情况和溶腔的破坏发展规律，总结了盐矿岩层移动的几大影响因素，在盐矿开采生产中要严格控制开采强度，保护溶腔顶板，防比因跨距过大造成溶腔垮塌曰。此外，系统开展相关地层的力学特性室内研究，认清盐岩的蠕变机理和软化特征，也有助于认清塌陷演化的内在机制。

3.2数值试验

相比模型试验和室内试验，数值模拟可以更快速方便地研究更多的影响因素，如卤水压力、溶腔间距以及多溶腔开采效应等。范育青等通过AN-SYS数值模拟试验，研究了溶腔跨度、溶腔间距以及腔内卤水压力对上覆岩层的影响作用，验证了卤水内压对于顶板的保护作用，这也说明浅层开采要注意控制溶腔跨度和开采强度，深部开采则可以适当加大溶腔跨度。任松开发了针对岩盐水溶开采沉陷的2D-Sink软件，研究了层理效应、角度效应、断层效应等因素对开采沉陷的影响，并分析了各个因素对沉陷发展的影响。

3.3沉降模型的构建

根据三带理论在煤矿工程中的应用经验，若冒落带和裂隙带累计高度超过岩层厚度，一般认为开采会引发地层不稳定，诱发地表塌陷。总的来说，三带理论只能粗略判断开采引起的地而塌陷范围和沉降程度，而且只能计算特定的几个指标，准确程度不够，一般在采盐初期阶段用作初步塌陷评价依据。

4.结论

塌陷是地而沉陷最剧烈的一种形式，盐矿水溶开采地表塌陷的原因具有复杂性和多样性，水文地质条件、开采方式不当等都是诱发地表塌陷的因素。分析了盐矿水溶开采地表塌陷的发生机理，就其发生条件、现象及预防控制措施等得出以下结论。

(1)总结了出盐矿塌陷的三种发生机理：溶腔不稳定造成的垮塌、卤水及地下水侵蚀造成断层活化以及上覆岩土体侵蚀后承载力降低。地而塌陷一般伴随着卤水喷出，地表结构被破坏等现象，灾害性较为严重。

(2)通过对诱发塌陷因素的具体分析，总结了开采生产过程中可以控制的因素，如在开采方案设计中，要注意采深、采厚、采高以及开采层位的合理控制，并在前期地质勘查中查明断层及不良地质的分布情况，钻井时要避开这些区域。为了防比盐矿塌陷的发生，将地表移动控制在沉降阶段，开采生产中要注意合理控制井组距，避免井组距过近，保证井管和溶腔的密闭性，并定期检修井管，防比井管破裂造成的卤水侵蚀。