婁莊礦段穩定性評價及其引發礦山地質環境問題分析

胡河民，李志國

河南省有色金屬地質礦產局第四地質大隊， 河南鄭州 450016

0 引言

平頂山鹽田位于河南省中部的葉縣和舞陽縣境內，西起葉縣任店鄉，東至舞陽縣姜店鄉，東西長40km，寬約10km，含鹽面積400km2。盡管全國鹽業生產已近飽和，但河南省工業鹽近90%需從外省調入，制鹽業發展余地大。鹽業開采多采用鹽溶水采。井下連通方法過去主要以自然連通法、壓裂連通為主，礦石回收率18%～20%，隨著鉆探技術的發展，雙井定向連通及多井組定向連通已日漸成熟，成為主要的開采方式。壓裂法產生的壓裂縫不可控制，可能產生垂向裂縫，破壞頂底板及礦層，當壓裂不成功時，對固井井管有破壞作用，風險大。定向連通可以在鹽層底部連通，建槽時間短，產量大。隨著開采技術的發展，礦山開采產生礦山地質環境問題也隨著發生了改變，巖鹽地下開采，除了常規地下開采礦山采空區（溶腔）穩定性問題，并且巖鹽開采與煤礦開采多有不同，如采空區（溶腔）形狀不同，溶腔的充填狀態，還有因地下開采失穩造成污染問題。需要客觀的評價鹽礦開采采區的穩定性及產生的礦山地質環境問題，為企業提供礦山地質環境保護、監測與恢復治理提供重要科學依據，同時為礦山生產提供服務。

1 礦區地質

1.1 區域地質構造條件

平頂山鹽田位于河南省葉縣境內的舞陽凹陷內，河南省葉縣平頂山鹽田婁莊礦段，屬于平頂山鹽田的一部分，位于鹽田東部，礦段西部與田莊礦段相鄰，面積為6.62km2，舞陽凹陷位于周口坳陷的西部，屬坳陷中的二級負向構造單元。該凹陷東鄰平輿凸起，北以葉魯大斷裂為界與平頂山凸相連，西南部為豫西隆起區。

舞陽凹陷是在海西期侵蝕面基礎上，在嵩箕、伏牛山兩個古復背斜之間的古復向斜上發育起來的新生代凹陷。該凹陷東西長120km，南北寬15km ～20km，面積1900km2。

1.2 礦區地質構造條件

婁莊礦段位于舞陽凹陷西南部斜坡帶，為向北傾斜的單斜構造。傾向7°左右，傾角9°～17°，斷層不發育，構造復雜程度簡單。

1.3 礦區地層條件

舞陽凹陷是以新生界為主體的沉積凹陷。地層自下而上分別為古近系玉皇頂組、大倉房組、核桃園組、廖莊組、新近系上寺組、第四系。礦區地表為第四系平原組Qp 覆蓋，巖性主要是雜色砂礫層，淺棕黃色粘土層。表層為淺褐色種植土、砂土。穿見厚度135.50m ～169.20m；古近系玉皇頂組（E2y）巖性為砂泥巖、白云巖與泥巖互層，本段地層厚1943m；古近系大倉房組（E2d）巖性為雜色砂礫巖、礫巖、局部夾棕紅色、紫色砂質泥巖、粉—細砂巖，本段厚度大于1200m；古近系核桃園組（E2h）分來三段，核三段（E2h3）巖性為雜色砂泥層互層。本段地層厚783.9m ～986.0m。核二段（E2h2）巖性為灰色泥巖、石鹽巖、含膏泥巖，厚度489m ～1070m。核一段（E3h1）巖性為灰色泥巖、石鹽巖、含膏泥巖，厚度200m ～1138m；古近系廖莊組（E3l）巖性為雜色粗粒狀砂泥巖互層，厚315m ～869m；新近系上寺組（Nsh）巖性為淺黃色、灰黃色、雜色細礫巖、礫狀砂巖與灰黃色、棕紅色泥巖呈不等厚互層。厚度為300m ～800m。

2 礦體特征

巖鹽礦區面積6.62km2，東西長約4.6km，南北寬約1.85km。礦段礦層僅賦存于古近系核桃園組一段，埋深935.00m ～1381.05m，礦體分布穩定，鹽礦層自然單層厚度最小0.35m，最大17.65m。單礦層厚度一般在2.00m 以上。共劃分了44 個工業礦層21 個鹽群。

礦體產狀比較平緩，傾向7 ° 左右，傾角一般9 ～17°，礦體頂底板為泥巖、膏質泥巖。泥巖類抗壓強度平均17.59MPa；抗拉強度平均1.39MPa；抗剪強度 為2.00MPa ～11.00MPa，平 均 為5.10MPa；凝 聚 力為2.00MPa ～11.0MPa，平均為5.10MPa；內摩擦角為32°31′～37°02′，平均34°39′；膏質泥巖類抗壓強度平均31.89MPa；抗拉強度為0.70 ～2.43MPa，平均1.44Mpa；抗剪強度為3.10MPa ～8.70MPa，平均為5.48Mpa；凝聚力為1.00MPa ～2.40MPa，平均為1.59MPa；內摩擦角為32°44′～37°42′，平均34°31′。

3 礦區水文地質條件

3.1 含水層

主要含水層為古近系核桃園核二段、核一段、廖莊組、新近系上寺組、第四系含水層，其特征如下：

1）核二段砂巖含水巖層：主要由中粒砂巖、細粒砂巖組成，間夾于泥巖中，頂板埋深1518m，厚度大于280m；

2）核一段砂巖含水層：為鹽礦底板含水層，由細粒砂巖、中粒砂巖組成，埋深平均1169m，底板埋深平均1180m。厚度平均10.75m，富水性弱；

3）廖莊組砂巖含水層：為鹽礦頂板含水層，主要以粉砂巖為主，間夾于砂質泥巖、泥巖之間，富水性微弱；

4）新近系上寺組砂巖含水層：主要細粒砂巖組成，單層厚度平均11.08m，累計厚度平均40.0m，單井涌水量為1000t /d ～3000t／d，滲透系數1m/d ～5m/d，富水性中～強；

5）第四系砂礫石含水層：由礫石、砂礫石層、細粒砂巖組成，單層厚度平均7.9m，累計厚度平均58.2m。單位涌水量0.9652l/s?m，滲透系數3.07m/d。

3.2 隔水巖組

1）核二段頂部隔水層：隔水層巖性含膏泥巖、泥巖、砂質泥巖、頁巖和含灰泥巖。隔水能力強；

2）核一段隔水層：隔水層巖性頂部以泥巖、砂質泥巖為主，局部夾粉砂巖，中下部為上述泥巖類巖石與鹽巖互層。隔水能力較強；

3）廖莊組頂部隔水層：隔水層巖性為泥巖，砂質泥巖隔水性能較好；

4）上寺組頂部隔水層：隔水層巖性為泥巖。由于上寺組和下更新統角度不整合接觸，使部分地帶上下含水巖組直接接觸，產生一定的水力聯系；

5）第四系隔水層：隔水層巖性為粉質粘土、砂質粘土。隔水層厚度占第四系厚度的50%以上，隔水性能穩定，可有效地阻斷第四系含水層水的下滲。

3.3 鹽礦層水文地質特征

1）本礦段含鹽層系為泥巖類巖石與石鹽巖互層；石鹽巖結構致密，泥巖中發育有層面裂隙和垂向張裂隙，張裂隙不穿過不同巖性的相鄰巖層，而且張裂隙多被石鹽和石膏充填，除局部含裂隙水外，一般不含自由重力水，對開采沒有影響；

2）含鹽層系直接頂板為核一段（E3h1）頂部的泥巖，砂質泥巖，為很好的隔水層。在保持頂板穩定的情況下，上覆廖莊組（E3l）地下水對開采無影響；

3）含鹽層系直接底板為砂質泥巖、泥巖，據相鄰田莊礦段資料，厚度平均13.65m；含鹽層系直接底板以下50m 深度內為砂質泥巖夾粉砂巖，粉細砂巖厚度平均10.25m，結構致密，顆粒細，微含地下水，對鹽礦床開采影響甚微。

3.4 充水因素分析

礦體埋藏深度為935m ～1381m，礦體封閉條件好，礦體內部無含水層，未見礦體受地下水溶蝕破壞現象。礦區北有葉魯大斷裂，東有姜店斷層，西南有墳臺斷層所封隔，這些斷裂均為高角度正斷層，斷層兩盤為泥質巖或塑性巖相接，導水性弱，使礦床處于封閉環境中。

地表水對礦床無充水現象。據地震剖面資料，礦區范圍內未見斷層通過，在含鹽地層內局部見垂直層面的裂隙，此裂隙延伸不遠，且受控于頂、底板的泥質巖隔水層，礦床充水條件差。

礦山開采方法為鉆井水溶法，采用雙井定向連通的生產工藝，隨著時間及開采的深入，會形成裂隙帶及冒落帶，可能會溝通礦體上部的含水層，生產過程中對地下水產生疏排作用。

4 礦山地質環境的影響分析

礦山采礦活動，形成了開采溶腔，破壞了原有巖體穩定條件及應力分布情況，溶腔內充滿高壓鹵水，一但溶腔內的力學平衡遭到破壞，造成上覆巖體失穩，形成陷落，冒落帶及裂隙帶的擴展，一方面鹵水進入上覆巖層，會對上覆巖層的含水層造成污染，另一方面抽取鹵水過程中在含水層與溶腔被導水裂隙溝通后，采礦過程中會對上部含水層有疏排作用，過度對地下水的抽取，會造成區域性地面沉降地質災害；同時，鹵水對抽鹵井及注水井的腐蝕，破壞了井壁，鹵水由井壁破裂處進入巖層的含水層，對地下水造成污染。另外溶腔上覆巖體失穩造成上覆巖體移動、變形，在溶腔范圍及周邊形成地面沉陷，直接影響到地面建筑及工程設施的安全。對于礦山地質環境的影響我們可以從多方面綜合分析，首先是礦山開采穩定性，主要是失穩后對礦山地質環境的破壞，涉及到失穩造成的地質災害（地面塌陷）問題，可以從礦床開采技術條件、開采工程布置及參數的合理性（主要是溶腔的穩定性），上覆巖層穩定性及變形等方面來考慮；其次是失穩或破壞后造成的環境問題，這個主要是環境污染問題，主要是礦山開采造成的變形，破壞了鹵井及運輸管道的完整性后，隨之而來的是對環境的污染問題。

4.1 礦山開采穩定性分析

4.1.1 開采技術條件

當前國內常用的水采方法可分為單井對流法和雙井(多井)連通法，強制連通又可分為定向鉆井連通法和壓裂連通法。

平頂山鹽礦的特點主要表現為礦層厚度大，埋深大，品位較好，夾層少，屬于開采條件較好礦床。以往多采用單井對流為主、雙井連通為輔的水采工藝，存在很多問題，主要是鹵井使用壽命短，堵管埋管事故時有發生。主要原因是鹽層迅速上溶，側向溶解不夠，致使溶鹽后的泥質沉碴迅速堆積，可能埋管堵管，上溶還造成技術套管暴露懸空，注水時的振動造成井管之間碰撞疲勞而折斷。即使最后自然連通，但連通往往在鹽層上部，形成下部鹽層的埋礦損失，井組采出量大為減少。

本礦山采用直井和水平井組合的定向鉆進連通水采法。這樣礦山開采對溶腔的大小，礦山生產井自身的安全處于可控狀態，有效避免了因礦山開采技術條件引發的礦山地質環境問題。

4.1.2 溶腔穩定性評價分析

水溶開采鹽礦，形成拱狀形態的溶腔，破壞了原有圍巖體的受力狀態，頂板受力超過頂板強度時，頂板會失去穩定性，產生了破裂和坍塌、冒落等現象，從而影響到水溶開采。溶腔的穩定性除與其埋藏深度、圍巖強度有關外，還受到溶腔跨度的制約。需確定合理的溶腔跨度及保安礦柱寬度。

4.1.3 溶腔最大跨度

1）溶腔頂板完整，產狀平緩，根據彈性理論，按固端梁公式估算溶腔最大跨度（b）：

式中，b-溶腔最大跨度（單位m）；

σ 拉-頂板巖石抗拉強度（單位MPa）；

r-頂板巖石密度（單位t/m3）；

H-溶腔頂板埋深（單位m）。

2）溶腔頂板中間有裂縫時，穩定性最差，其最大跨度根據彈性理論按懸臂梁公式估算：

4.1.3.3 采用小窯采空區頂板穩定性評價方法，估算溶腔最大跨度：

式中，Φ-頂板巖石內摩擦角，

H-溶腔頂板埋深。L032 井為935.00m，L072 井為1009.05m

按上述3 個公式估算結果，溶腔最大跨度為86.4 ～219.6m，礦山開采溶蝕直徑為100m,滿足開采最大溶腔的要求。

4.1.4 上覆巖層穩定性影響分析

1）地層條件

含鹽層系為核一段地層。礦層呈固態產出，鉆探未發現鹵水層。單層厚度4.50m ～17.65m。含鹽層本身沒有含水層。含鹽段直接頂底板均為含膏泥巖，厚48.5m ～63.98m，具有良好的隔水性，使含鹽層形成一個自身的封閉體系，泥巖類巖石結構致密，水平層理發育，層間連結能力差，垂向張裂隙發育，且多被石鹽或石膏充填。

2）區域地殼穩定性

根據國家質量技術監督局發布的中華人民共和國國家標準GB18306-2001《中國地震動參數區劃圖》（河南省部分），本區地震動峰值加速度為0.05g，相應的基本烈度為Ⅵ度，區域地殼屬穩定區。

3） 開采臨界深度（安全深度）分析

礦體開采后，頂板受力發生改變，頂板在重力作用下產生變形，形成下沉。當其埋藏深度達到了某一深度時，頂板上方巖層恰好能保持自然平衡而不沉陷，此時頂板上承受壓力等于0，這時的深度稱為臨界深度H0，此厚度為礦體開采上部巖層安全厚度。

據《工程地質手冊》中考慮內水壓影響時頂板處于自然平衡狀態不塌陷的臨界深度公式：

式中H0-臨界深度(m)

B -最大溶腔寬度，120m

ρe-鹵水密度，1.2g/cm3

ρ-上覆巖層完整巖塊密度，2.4g/cm3

-鹽層頂板內摩擦角，40°

計算當溶腔寬度為120m 時，H0=328m，H ＞H0，頂板厚度大于臨界厚度。

《工程地質手冊》提供了利用H0 與H（頂板埋深）評價頂板穩定性經驗公式

A、H＜H0 不穩定

B、H0＜H＜1.5H 穩定性差

C、H＞1.5H0 穩定

礦區頂板埋深935m ～1395m，1.5H0=492m，H＞1.5H0 因此頂板穩定。

綜上所述從礦體開采臨界深度來看，礦體的開采不會對礦體頂板穩定性造成影響。

4）上覆巖層影響帶高度預測

根據礦山礦體頂板的巖性來看，頂板泥巖中充填有石鹽及石膏，頂板吸水后穩定性差，開采過程中易松動，形成冒落，地下開采對冒落帶、導水裂隙帶的計算多采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》公式，但巖鹽開采與煤礦開采有著很大區別，冒落帶高度計算《規程》中只考慮了礦體開采的厚度因素，沒有考慮到礦山開采中頂板巖層的強度。普氏松散介質破裂拱理論認為當頂板巖體被密集裂隙切割呈塊狀或碎塊狀時，頂板將成拱狀塌落，這與鹽巖開采形成溶腔形態比較接近，而其上部荷載及巖體則由拱自身承擔，借用普氏松散介質破裂拱理論[5]，此時破裂拱高H 計算如下：

式中：b-洞體跨度（260m）；

H1-洞體高度（100m）；

Φ-洞壁巖體的內摩擦角（35°）；

f-洞體圍巖的堅實系數，對松散介質，f=tanΦ。

經計算洞體高度H1=388m，綜上所述，本礦巖鹽礦體開采時，上覆巖層頂板最小厚度等于安全開采厚度和破裂拱高之和即H0+H1=H，H 計算結果為716m，這個厚度小于礦區巖鹽頂板埋深935 ～1395m，據此評價礦區開采不會影響到地表，對地表影響小。

5）地表移動變形預測

如果地下開采影響達到地表后，會在礦區上方地表形成一個塌陷區，按《工程地質分析原理》中處于非充分采動情況下的最大沉降預測公式如下:

式中：ηmax――最大下沉值（mm）；

q0-下沉系數取0.8mm/m；

M-鹽群純鹽開采厚度，取200m；

α-礦層傾角，取10°。

n1?n2-分別為礦層傾向與走向的采動程度系數

式中：D1-傾向控制長度360m；

D2-走向控制長度100m；

H-開采深度（1381m）。

計算條件為，計算兩井一組開采礦層傾向及走向分別合計采空740×1100m2，鹽群純鹽開采厚度取200m 時，開采后引起的地表最大沉降為35.14mm，且沉降是在開采后期及完成后較長時期內發生的，可見該礦引起的地面沉降較輕微。

按《工程地質分析原理》中處于非充分采動情況下的最大曲率值、最大傾斜值、最大水平移動值、最大水平變形值預測公式如下：

式中：b-水平移動系數0.25 ～0.35 取0.3；

ηmax-最大下沉值（mm）；

由式中估算可見，由于地面下沉值只有35.14mm，其它變形都非常小。

5）礦山開采穩定性評價

礦區所處區域地殼屬穩定區，開采后巖層變形非常小，因地面下沉及變形造成采鹵井的破裂及運輸管路的變形及破壞的可能性小。并且開采形成的破裂拱高度388m，鹽層頂板厚度935m ～1381m，大于破裂拱的高度，對鹽層上部地下含水層造成破壞和污染的可能性小。

此類巖鹽水溶開采礦山，特點是開采深度大，鹽礦體產狀平穩，傾角小，開采工程合理布局的情況下，即溶腔穩定的情況下，引發地面變形量都非常小。但是近年來，部分礦山開采引發了地面塌陷地質災害，如湖北省鹽礦水采基地的地面塌陷，該區水采區開采深度大于400m，經過高分辨率地震探測結果表明，該區鹽礦水采基地引發地面沉陷地層位于埋深100m 左右以上地層，在埋深300m ～450m 處地層連續性好，即溶腔頂板及上部巖層完整，溶腔無垮塌顯示，因此鹽礦開采形成的地下溶腔不是直接導致地面沉陷的原因[3]。

此類礦山產生塌陷的原因主要在于溶腔對上部巖層產生了破壞，主要表現在開采形成溶腔使原巖應力平衡重新進行了分布。應力的重新分布使巖土層在水平和縱向上產生變形，這樣的變形無疑會對采鹵井壁產生擠壓，由于巖層的不均一性，各個巖層產生的變形量不一致，導致采鹵井水平受到剪切，采鹵井一般用油井水泥固井，允許的水平變形小，采鹵井管在不同的地層分界處、井管薄弱部位產生斷裂和錯位。通過借助超聲波測井儀進行定位測井來檢測，這一點在湖北省鹽礦水采基地14 號采鹵井及應城市鹵水公司211 號井超聲波檢測中得應證，深部斷裂點基本上處于巖層界面處。

可見鹽巖開采不是直接對地層及上覆巖層造成了很大破壞，而是在鹽礦開采過程中逐漸形成的，這個過程是從一個開采環節到另外一個開采環節，其中一個開采環節發生變化時，導致另一個環節產生影響，各個環節共同作用時，才會產生較大的危害，會隨著時間的推移，發生變化可能性較大。湖北省鹽礦水采基地1975 年建礦生產，1992 年發生地面塌陷，時隔17 年，主要原因為鹵井井管破裂，高壓注水與鹵水進入淺部巖土層，在采鹵過程中由于長時間的注水與采鹵水的循環作用，上部巖土體受到沖蝕、潛蝕和溶蝕，其固體物質被攜帶至地下溶腔，使淺部巖土層松散或產生空洞。因此礦山開采穩定性也是相對的，要一分為二的看待，不能說鹽礦開采是穩定的（相對某一時間段是穩定的），鑒于地下巖層的各向異性，只能說鹽礦開采在開采的某一時段內是穩定的，開采達到一定程度時，開采開始變得不穩定。按照理論計算，本礦山開采是穩定的、安全的，但條件隨著開采時間會發生變化，如果說非要界定一個時間的話，筆者認為開采可分為前期、中期、后期，在礦山開采前期由于是新建礦山，開采不存在較大問題，可能在中后期，由于礦山工程在使用一段時間后，因為設備老化、鹵水的侵蝕、開采條件（溶腔的大小，塌落拱的高度、導水裂隙的高度）發生變化，溶腔的受力情況發生著變化，這就意味著我們需要對礦山穩定性重新評價，這時中后期的礦山監測（測井）工作就顯得尤其重要了，這是我們了解礦山開采穩定性變化的唯一途徑。

4.2 礦山引發礦山地質環境問題分析

中國平煤神馬集團聯合鹽化有限公司婁莊礦段鹽層埋深大，含鹽層厚度大，據前述礦山開采雖然引起地面變形量小，引發地面塌陷及地裂縫的可能性小，但在中后期礦山開采存在不穩定因素。因此，雖然前期礦山開采不會直接導致一些環境問題，但是隨著礦山開采范圍擴大，時間的延續，會間接導致此類礦山特有的一些問題。首先是對地下水的影響，其次是產生地質災害影響。

4.2.1 礦山開采對地下水的影響分析

礦山開采形成拱狀塌落高度388m，古近系廖莊組砂巖裂隙孔隙含水巖組位于礦體上120m ～300m， 新近系上寺組砂巖裂隙孔隙含水巖組距離礦體420m ～740m 左右，拱狀塌落將直破壞古近系廖莊組砂巖裂隙孔隙含水層，在導水裂隙的影響下，對新近系上寺組砂巖裂隙孔隙含水層也會間接造成影響，高壓鹵鹽水進入到含水層中，對地下水造成污染。

4.2.2 地質災害問題分析

礦山開采形成的拱狀塌落帶及導水裂隙帶的存在，高壓鹵水進入上部巖層，礦層的頂板為古近系廖莊組雜色粗粒狀砂泥巖互層，間接頂板為新近系上寺組細礫巖、礫狀砂巖與泥巖。這些巖層在鹵水沖蝕、潛蝕和溶蝕作用下，巖層中孔隙充填物被攜帶至采鹵溶腔中，致使上部巖層變得松散或者形成孔洞，破壞了上部巖層結構，隨著裂隙及孔洞不斷發育，一旦高壓鹵水卸壓，巖層失去支撐，應力平衡受到破壞，支撐力小于上部荷載，隨即會引發地面沉陷。這種塌陷不是因為開采溶腔的擴大直接導致形成的，而是在開采過程中逐步形成的，初期變形不明顯，突發性很強，這是為什么大多數發生地面塌陷的鹽礦采區出現冒鹵后隨即發生了地面塌陷。

4.3 結論

據上述經驗及公式計算，合理布設開采工程，鹽礦開采在前期基本是穩定和安全的，中后期隨著溶腔的增大，破裂拱上擴，上覆巖層產生變形，變形對鹵井及運輸管道造成破壞，一方面鹵水對地下水造成污染，一方面在高壓鹵水的影響下，上部地層被沖蝕、潛蝕和溶蝕，在淺部巖層形成空洞，采鹵井卸壓，應力平衡被破壞，形成地面沉陷。所以此類巖鹽礦山開采中后期應加強對鹵井完整性及溶腔監測工作，同時加強淺部地下水質監測，一旦發生異常應引起高度重視，做到防患于未然。

[1]浙江省地球物理技術應用研究所.湖北省應城市鹽礦水采區高分辨率地震勘查測試報告[R]，1993.

[2]華東石油局地質研究所.湖北省應城市鹵水公司大田采段勘查、整改技術改造設計規劃[R]，1994.

[3]肖尚德.云-應盆地薄層復層巖鹽礦水采區地面沉陷機理研究[J]地質科技情報，2003(2)：91-94.

[4]《工程地質手冊》編寫組.工程地質手冊[S].2版，北京：中國建筑工業出版社，1984：783-786.

[5]高大釗，李鏡培. 注冊土木工程師（巖土）專業考試輔導教程[M].北京：同濟大學出版，2003：423-425.