東莞東騰鹽礦開發對地表及公路橋梁的安全性評價

李君福 劉俊波

摘要：本文通過鹽礦開發利用方案、采區地質條件、采空推演及采區與公路橋梁關系等方面論述了開采對地表公路橋梁的安全性。

關鍵詞：鹽礦開采；公路橋梁；采空推演；安全性

1.中堂東騰鹽礦基本情況

1.1地理位置及區域地質概況

東騰鹽礦位于廣東省東莞市中堂鎮。距廣州市中心50km，距東莞市區中心約11km。東莞盆地區域大斷裂不發育，地質構造簡單，是一個較為完整且封閉的泥質粉砂巖、泥巖地層盆地。礦區主要沉積了第四系及老第三系砂礫巖、泥質粉砂巖、泥巖地層，沉積厚度在800m以上。主采18、19號礦層埋深在800m～900m，主采鹽層厚度約30m。允采標高-789m～-870m，允采面積0.6234km2。采礦二十幾年來地質環境相對比較安全穩定。

1.2東騰巖鹽礦的地下開采方式及流程

開采方法為鉆井水溶法。本礦區的開采生產井是Φ177.8×12mm的J55石油套管，耐壓強度可達50MPa以上（實際生產壓力在3MPa左右）。開采方式為利用高壓采鹵泵將淡水注入井管，通過地下溶腔循環，經回鹵管匯集至礦部的儲鹵池，鹵水經儲鹵池從碼頭直接由船運出銷往鄰近的用戶。優點為采鹵工藝簡單、鹵水開采全程封閉，無副產品排出。高壓水充填在溶腔內，可以保持地層壓力的平衡，減少開采對地層應力影響。本礦區生產規模為年產NaCl35萬噸。自1994年建礦以來，共開采約400余萬噸NaCl。礦區至2018年底實際回采率為14%。

2.東騰鹽礦開采分析及采空推演

（1）礦區礦床埋藏較深，開采的下巖鹽段埋深大于780m，相對隔水層較厚，區內又無斷裂帶及裂隙發育，主要含水層-第四系含水層與巖鹽段之間有較厚的隔水層，其間無水力聯系溝通。

（2）鹽礦開采設計按相關行業標準留有足夠保安礦柱，鹽礦開發回采率最終最大值為25%，70%以上的鹽層永久保留，為地表公路橋梁的安全能起到保護與支撐作用。采空區有注水回填，可減少開采坍塌。

（3）開采礦層頂底板地質構造評價及采空沉降情況經過嚴格推演，不會影響到地表設施，鹽礦開采引起的地面沉降很輕微。

A.頂板冒落計算經驗公式推算法：

結合本區巖性及巖石力學性質，參考《煤炭工業設計規范》中計算頂板冒落帶，導水裂隙帶最大高度經驗公式：

Hc=4M

Hf={100M/（3.3N+3.8）}+5.1

對中1等三井進行計算，結果如表1。

計算結果，冒落帶最大高度181.7m，裂隙導水影響最大高度336.7m，導水裂隙均未上延至第四系松散層。據此評價應屬安全。

B.頂板坍塌堵塞估算法

一般認為洞（溶）穴的頂板坍塌為穹窿狀，當洞腔被完全堵塞，頂板即不坍塌，坍塌高度h1可用下式估算。

V1k=V0+V1；V1=Fh1/2；V0=Fh0；h1=2h0/k-1=10h0

式中：V0—溶腔體積；V1—坍塌巖石體積；K—巖石漲余系數（泥質巖類1.2）；h0—溶腔高度；F—溶腔頂面積。

從公式可知，對于泥巖類則有坍塌高度為溶腔的10倍。但針對鹽礦床水溶開采，在水溶過程中，其礦石中水不溶物及礦層夾石則充填溶腔。如果按純鹽厚度10倍計算，假定各井所有礦層都被開采，則井區坍塌高度最大仍距地表有338m。若考慮垂直可采系數0.8及溶腔回采率0.7，則h1=5.6h0，坍塌高度更小。

C.采空塌陷范圍預測

巖鹽礦石被采出后，地下形成一定的溶洞，原巖原始應力平衡遭到破壞，上覆巖層可能產生垮塌從而引起地面沉降。本礦條件為：

開采深度：793.77m～860m，將來開采總厚度：46.4m，目前開采厚度：14m。

三層礦相互間夾層厚：4.96m～5.36m，10.02m～10.1m，預計采深采厚比：17.24

現開采范圍：0.3km2，采空區面積：0.13km2，首采層采深采厚比：61.4

按65°的基巖移動角，采礦許可證0.6234km2的開采范圍，預測可能發生沉降的范圍為以開采區為中心的外推401m圈定的2.25km2范圍。這只是理論預測，根據同類礦山對比，在保安礦柱作用下，實際情況為可能發生沉降的范圍要小得多。

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：

計算開采后引起的地表最大沉降為9.4mm，可見該礦引起的地面變形較輕微。

（4）地面形變監測。共計布設25個地面變形監測點以及3個水文觀測點。每一季度監測一組數據，并與前期數據對比分析。從近兩年的觀測數據可以看出：地表形變在正負5mm左右浮動，沒有持續下降的觀測點，判斷數據浮動是由于地面豐枯水期軟基地層及儀器誤差引起，鹽礦開采對地表無影響（如圖1）。

3.開采區對公路橋梁的影響情況

3.1經過礦區附近公路橋梁情況

省道公路S120經過礦區，礦區附近的東江支流跨接大橋名稱為槎滘大橋（如圖2），是中麻公路、北王公路的交叉，跨越倒運海水道。始建于1988年，2011年改擴建。設計新建槎滘大橋主橋為45+2×70+45）四跨預應力連續鋼構，采用分離的上下行橋，半幅采用單箱單室斷面，箱梁根部梁高H=4.0m，跨中及邊跨端部梁高H=2.0m，引橋為30m標準跨徑的先簡支后連續預應力小箱梁。

主要技術標準為：

道路等級：公路一級

設計時速：主線80km/h，匝道30/40km/h

凸線內最小半徑：主線4600m，匝道150/4050m

道路設計載荷：公路一級

路面結構類型：新建橋梁

抗震設計烈度：地震6級

3.2橋梁與礦區位置關系情況

中堂槎滘大橋東部從中穿過中堂東騰鹽礦開采礦區，在垂直深度上距離約800m。大橋橋樁固定在地表下35m處，采礦鹽層位置離橋樁位置直線距離700m以上（如圖2）。

3.3鹽礦開發對地表的安全穩定性評估結論及建議

經現場觀察及綜合分析研判，鹽礦開采深度為-789m以下，槎滘大橋橋墩在離地表35m基巖處，二者相距垂深達754m，開采對橋墩無影響，是較為穩定和安全的。槎滘大橋始建于1988年，2011年改擴建至今，橋梁本身堅固，橋臺及橋墩未見位移及裂縫。

綜上，本礦區生產井不對地表及地面構筑設施產生擾動，不產生危及地表公路橋梁的不安全因素，開采礦層埋深和鹽層厚度理想，開采較為安全。

建議：

（1）生產布井應離公路橋梁大于50m；

（2）建立系統地面沉降監測網絡，增加對橋梁地基基巖變形沉降和橋樁沉降監測點，并與公路部門實現監測數據共享。

參考文獻：

[1]《廣東省東莞市中堂鎮中堂鹽礦區東向塊段巖鹽礦床儲量地質報告》1994年廣東省儲量委員會（粵儲量決字〔1995〕16號文）