水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降機理分析及防治措施

李力宏

摘??要：隨著我國國內(nèi)采用水溶法開采鹽礦的進(jìn)一步普及，地面沉降地質(zhì)災(zāi)害亦屢屢發(fā)生。因鹽礦地面沉降一般具持續(xù)周期長、影響規(guī)模大、破壞性大、突發(fā)性強、發(fā)生具反復(fù)性、發(fā)生前后通常伴隨地面冒鹵等特點，總結(jié)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)造成溶腔頂板失穩(wěn)、巖石節(jié)理裂隙或斷層發(fā)育、溶腔頂板巖體承載力低是水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的三種主要因素，文章從事前預(yù)防、事中控制以及事后補救三方面提出了相關(guān)的地面沉降治理措施建議。

關(guān)鍵詞：?鹽礦?水溶法開采?地面沉降地質(zhì)災(zāi)害?事前預(yù)防?事中控制?事后補救

中圖分類號：TD327

Mechanism?Analysis?and?Prevention?Measures?of?the?Ground?Settlement?of?Salt?Mines?Induced?by?Water-Solution?Mining

LI?Lihong*

（Hunan?Provincial?Geological?Disaster?Survey?and?Monitoring?Institute，?Hengyang，?Hunan?Province，?410004?China）

Abstract：?With?the?further?popularization?of?using?the?water-solution?method?to?mine?salt?mines?in?China，?geological?disasters?caused?by?ground?subsidence?have?also?occurred?repeatedly.?Due?to?the?characteristics?of?the?long?duration，?large?impact?scale，?high?destructiveness，?strong?suddenness，?repetitive?occurrence?and?ground?brine?before?and?after?occurrence，?and?it?is?concluded?that?the?instability?of?the?solution?cavity?roof，?the?development?of?rock?joint?cracks?or?faults?and?the?low?bearing?capacity?of?the?solution?cavity?roof?caused?by?goaf?are?the?three?main?factors?of?the?ground?subsidence?of?salt?mines?induced?by?water-solution?mining.?This?article?puts?forward?suggestions?on?ground?subsidence?control?measures?from?three?aspects：?beforehand?prevention，in-process?control?and?ex-post?remediation.

Key?Words：?Salt?mine;?Water-solution?mining;?Ground?subsidence;?Geological?hazard;?Prevention?in?advance;?Control?in?the?process;?Remediation?afterwards

采用鉆井進(jìn)行水溶法開采鹽礦相對傳統(tǒng)巷道掘進(jìn)式開采鹽礦具有施工工藝和操作方法簡單、所需勞動力少和生產(chǎn)成本低、開采效率高的特點，目前已成為我國鹽礦普遍采用的采礦方式[1]，特別是在近十年來進(jìn)一步普及。但水溶法開采鹽礦隨著鹽礦層陸續(xù)被采出，原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)隨之會被打破，采空區(qū)上覆巖土層在開采過后必將產(chǎn)生垂直方向和水平方向的位移，反映在地表上將出現(xiàn)不同程度的地面變形。故鹽礦地面沉降地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象現(xiàn)今易發(fā)生，已成為對人民群眾生命財產(chǎn)安全造成重大威脅的一種地質(zhì)災(zāi)害，已引發(fā)社會廣泛關(guān)注。

國內(nèi)外許多學(xué)者對水溶法開采誘發(fā)鹽礦地面沉降地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了不同程度的研究，并已獲得較多有價值的成果[1-3]，但以往的研究多數(shù)往往只從定性上闡述鹽礦地面沉降發(fā)生的過程，而對其發(fā)生機理未做出系統(tǒng)分析和總結(jié)。通過找尋地面沉降發(fā)生的特點，分析和總結(jié)地面沉降的發(fā)生機理，對于在以后的采礦工作中最大限度地將鹽礦地面沉降控制在允許范圍內(nèi)，防止發(fā)生大面積地面沉降甚至是地面塌陷的現(xiàn)象，對于鹽礦可持續(xù)發(fā)展、防止誘發(fā)大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全等具有重大意義。

1?水溶法開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的特點

分析近幾十年來國內(nèi)鹽礦發(fā)生的一些較大的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害實例[4]，發(fā)現(xiàn)水溶法開采誘發(fā)鹽礦地面沉降一般具災(zāi)害持續(xù)周期長、影響規(guī)模大、破壞性大、突發(fā)性較強、易反復(fù)發(fā)生、發(fā)生前后通常伴隨地面冒鹵等幾個顯者特點。

1.1災(zāi)害持續(xù)周期長，影響規(guī)模大

一旦地面沉降發(fā)生，必將對上覆巖土體造成破壞，相應(yīng)巖土體的承載力會出現(xiàn)下降，而隨著地表長時間持續(xù)移動，地面沉降影響范圍勢必將持續(xù)擴(kuò)大。例如：1992年湖北應(yīng)城鹽礦發(fā)生沉降后，直到1999年地面變形都在發(fā)生[4]。由于鹽礦開采深度一般較深，故地表沉降影響規(guī)模一般亦較大，地表影響范圍在幾千平方米比較常見。

1.2破壞性大，突發(fā)性較強

鹽礦地面沉降一般均具有突發(fā)性，且因發(fā)生時位移劇烈，故帶來的破壞性亦比較強烈。地面沉降往往造成地面工業(yè)設(shè)施和居民房屋等建筑物的變形或損壞，房屋不能居住，周邊水井干涸，地質(zhì)環(huán)境遭受極大破壞。同時，地面沉降時噴出的鹵水對地下水與土壤環(huán)境會造成長期污染，使地面沉降區(qū)周邊長時間的土地鹽堿化，造成農(nóng)作物減產(chǎn)，地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)十分困難，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。

據(jù)部分監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果，地面沉降區(qū)垂直位移多在1～2?mm/d，極個別的可超過100?mm/d以上[4]。一般在地面沉降出現(xiàn)之前較長的一段時期內(nèi)，發(fā)生災(zāi)害的一些預(yù)兆未能被發(fā)現(xiàn)甚至完全被忽視，導(dǎo)致及時預(yù)警或預(yù)報災(zāi)害的發(fā)生十分困難，故災(zāi)害突發(fā)性強。

1.3沉降易反復(fù)發(fā)生

地面沉降往往對上覆巖土層造成毀壞，致使其結(jié)構(gòu)破壞，容許承載力隨之會大大減小，同時會破壞采鹵鉆井或井管，而鉆井受到破壞后井中的鹵水會浸入上覆巖土體中，又會加速軟化上覆巖土體，這樣在外力及其它各種因素的綜合作用下極易發(fā)生再次地面沉降。例如：云南鳳崗鹽礦在十八年內(nèi)發(fā)生過三起較大規(guī)模的地面沉降，安徽定遠(yuǎn)鹽礦在四個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生過兩次較大的地面沉降，1992年和1999年湖北應(yīng)城鹽礦14～15井組區(qū)發(fā)生過兩起大的地面沉降[4]。

1.4地面沉降發(fā)生前后通常伴隨地面冒鹵

通常情況下，發(fā)生地面沉降的區(qū)域或周邊均會伴隨地面冒鹵。當(dāng)?shù)叵裸@井中的鹵水上涌進(jìn)入到上覆巖土層時，因鹵水具有較高的壓力，同時會通過井孔或巖層裂隙形成的地下通道攜帶一定數(shù)量的泥沙至地面，隨著上覆巖土層中的泥沙不斷被帶走，久而久之地下通道不斷擴(kuò)大，地而沉降隨之加劇。如湖南湘澧鹽礦一采區(qū)地面沉降發(fā)生時，有7處地面出現(xiàn)冒鹵現(xiàn)象，鹵水噴出井口的高度超過3米；應(yīng)城鹽礦1992年地面沉降發(fā)生時，一個月內(nèi)噴冒達(dá)兩萬多方鹵水。

2?水溶法開采誘發(fā)地面沉降的機理分析

水溶法開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的影響因素眾多[5]，歸納起來一般有下述三方面原因。

2.1采空區(qū)造成溶腔頂板失穩(wěn)是發(fā)生地面沉降的根本原因

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)鹽礦區(qū)鹽礦層的埋藏深度多介于200～600?m間，埋藏深度均不大。在實際開采過程中，隨著開采的不斷持續(xù)，采空區(qū)亦不斷擴(kuò)大，一旦開采不規(guī)范，例如沒有按設(shè)計要求的井距、井?dāng)?shù)開采，未留足礦柱安全距離或采高過大，致使溶腔頂板面積過大，導(dǎo)致溶腔頂板失穩(wěn)造成頂板垮塌，冒落帶和裂隙帶不斷發(fā)展貫通至地表，從而造成地面沉降。

2.2巖石節(jié)理裂隙或斷層的發(fā)育是加劇地面沉降發(fā)生的重要因素

鹽礦地面沉降的發(fā)生與巖石節(jié)理裂隙或斷層的發(fā)育有著十分密切的聯(lián)系，可以說巖石節(jié)理裂隙或斷層的發(fā)育程度在一定程度上控制著地面沉降的發(fā)生規(guī)模。在實際開采過程中，應(yīng)在勘察階段查明礦井附近的巖石節(jié)理裂隙和斷層的分布。一旦礦井布設(shè)在斷層附近或巖石節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，采用水溶法采礦則可能因井管破（斷）裂或鉆井施工等各種原因?qū)⒌叵碌母邏蝴u水滲入到周圍巖土層中。滲入到周圍巖土層中的高壓鹵水又通過附近斷層或巖石中發(fā)育的節(jié)理裂隙，不斷侵蝕軟化巖土體，巖土體承載力降低，加之采空區(qū)的存在，久而久之致使頂板坍塌，誘發(fā)地面沉降。因此，礦井附近地質(zhì)構(gòu)造條件應(yīng)作為設(shè)計開采方案的重要依據(jù)，應(yīng)盡量避免在斷層附近或節(jié)理裂隙發(fā)育地帶布設(shè)礦井。

2.3溶腔頂板巖體承載力低是導(dǎo)致地面沉降發(fā)生的另一重要因素

國內(nèi)鹽礦溶腔頂板巖體一般多為泥巖、砂頁巖等，屬軟質(zhì)類巖石，其本身抗壓強度低、抗剪強度不高、承載力低，加之遇水易軟化，易崩易塌，是導(dǎo)致地面沉降發(fā)生的另一重要因素。例如湖南湘衡鹽礦溶腔頂板為下第三系泥巖夾砂頁巖，于2022年9月頂板發(fā)生垮塌進(jìn)而發(fā)生地面沉降。

3?水溶開采誘發(fā)地面沉降的防治措施

水溶開采誘發(fā)鹽礦采區(qū)地面沉降的防治是一個系統(tǒng)工程，防治難度是非常大的。在礦井開采前、開采施工過程中、地面沉降災(zāi)害后三個不同的階段，應(yīng)采取事前預(yù)防、事中控制、事后補救的針對性措施，防止地面沉降的發(fā)生。

3.1事前預(yù)防措施

3.1.1注重礦井選址

首先在鹽礦開采之前，設(shè)計階段要對擬布設(shè)礦井的區(qū)域周邊的地質(zhì)構(gòu)造特別是斷層和節(jié)理裂隙的發(fā)育和分布情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，查明礦井區(qū)隱伏斷層和節(jié)理裂隙的發(fā)育和分布。鉆井布設(shè)時應(yīng)盡量避開隱伏斷層和節(jié)理裂隙等不穩(wěn)定區(qū)域，避免因鉆井布設(shè)在隱伏斷層附近和節(jié)理裂隙地帶進(jìn)而影響到溶腔頂板穩(wěn)定。

3.1.2注重科學(xué)設(shè)計

國內(nèi)鹽礦大多屬于淺埋型，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)往往相對復(fù)雜，因此開采設(shè)計時要注重合理設(shè)計開采方式，控制好溶腔跨度。應(yīng)嚴(yán)格設(shè)計控制好鉆井的距離和位置，采用先開采深處的鹽層再開采淺處的鹽層即自下往上開采的工藝，要嚴(yán)格控制采空頂板的跨度，保證合理的溶腔高度，設(shè)計預(yù)留好足夠厚度的安全礦柱，防止開采時因溶腔頂板不穩(wěn)定而造成垮塌，發(fā)生地面沉降地質(zhì)災(zāi)害。

3.1.3注重安全預(yù)案

為防范突發(fā)性災(zāi)害發(fā)生，施工前應(yīng)制訂好安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案，對管理層和作業(yè)人員全面普及安全生產(chǎn)和自救知識，提高全員安全意識。

3.2事中控制措施

3.2.1嚴(yán)格按設(shè)計組織礦井施工

在采用水溶法鉆井施工時，施工單位應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計方案布置的井組距進(jìn)行施工。若井組距過大勢必會造成溶腔頂板不穩(wěn)定，增加地面沉降潛在風(fēng)險；若井組距過小將造成資源上的浪費，降低企業(yè)利潤水平。

3.2.2防止鹵水滲透到巖土層中

由于巖石中可能發(fā)育節(jié)理裂隙，為防止地下的高壓鹵水沿井管或溶腔滲入到周圍巖土層中，侵蝕軟化巖土體，應(yīng)保持溶腔和井管良好的密閉性。保持溶腔和井管良好的密閉性不但可避免鹵水流入到周圍巖土層，還可維持注、采井系統(tǒng)的高壓，使上覆巖土層得到支撐。

3.2.3嚴(yán)格鹵井報廢措施

為確保溶腔的密閉性，要求鉆井采鹵結(jié)束后對鹵井及時進(jìn)行妥善處置。方法是先用水泥封堵礦層頂板及礦層上覆巖土層，再將鉆井內(nèi)充滿鹵水，利用鹵水和沉渣來起到支撐上覆巖土層的作用，減輕巖土層變形和地表變形，防止地面沉降的發(fā)生。

3.2.4做好注水井和采鹵井管的檢測維修工作

因巖層與第四系土層上下地層變形不一致，其交界處井管通常會因此導(dǎo)致井管斷裂，定期對此處的采鹵井管進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)井管破損要及時進(jìn)行處理。同時注意監(jiān)測注水井和采鹵井的出水量或濃度異常等情況，發(fā)現(xiàn)出水量不一致或濃度異常時，分析原因，找出解決辦法。

3.3事后補救措施

3.3.1做好沉降監(jiān)測

包括布置自動化智能監(jiān)測設(shè)備GNSS進(jìn)行沉降與位移監(jiān)測，地下水與地表水的長期動態(tài)監(jiān)測（水位動態(tài)變化、取樣進(jìn)行化驗分析等），派專人進(jìn)行巡視與簡易監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)變化及時預(yù)警預(yù)報。

3.3.2做好搬遷避讓

對沉降區(qū)內(nèi)受威脅對象宜應(yīng)搬盡搬，堅決杜絕人員群死群傷事故。

3.3.3科學(xué)應(yīng)對應(yīng)急突發(fā)情況

對地面變形出現(xiàn)的裂縫及時采用粘性土進(jìn)行夯實填埋處理，對因地面沉降誘發(fā)的次生災(zāi)害及時消除安全隱患。

4?水溶法開采誘發(fā)鹽礦地面沉降預(yù)測

造成鹽礦地面沉降的原因及控制因素較多，表現(xiàn)各不相同。由于鹽礦地面沉降在時間上和空間上一般具有不連續(xù)性的特征，與連續(xù)性的變形是完全不同的。目前，國內(nèi)雖然制定了井礦鹽礦山開采安全操作規(guī)程作為鹽礦開采行業(yè)的統(tǒng)一開采安全規(guī)范，同時利用三帶理論進(jìn)行定性分析預(yù)測，但要從理論上預(yù)測鹽礦地面沉降仍具有一定的難度。為進(jìn)一步分析和探索鹽礦地面沉降的機理，采取針對性措施減少地面沉降帶來的損失，利用前人在材料試驗、數(shù)值模擬、三帶理論等方面的研究成果，利用微地震檢測技術(shù)[6-7]、自動化智能監(jiān)測等技術(shù)設(shè)備進(jìn)行地面沉降預(yù)報預(yù)警是十分必要的。

4.1材料試驗

在水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降機理及預(yù)測研究方面，以任松的材料試驗為代表。對水溶開采的鹽礦地面沉降過程，任松利用相似材料試驗進(jìn)行模擬，分析了溶腔的變形破壞發(fā)展規(guī)律與巖土層的移動間關(guān)系，系統(tǒng)總結(jié)了控制鹽礦地面沉降的幾大因素，指出在鹽礦開采過程中要嚴(yán)格控制井?dāng)?shù)與井組距，保護(hù)好溶腔頂板，防止溶腔頂板垮塌。此外，對溶腔頂板的力學(xué)性質(zhì)開展室內(nèi)研究，摸清溶腔頂板的強度特征和蠕變機理，有助于查明地面沉降發(fā)生的內(nèi)在原因。

4.2數(shù)值模擬

和室內(nèi)材料試驗不同的是，采用數(shù)值模擬能更快捷地分析了解誘發(fā)沉降的更多機理，如礦井距離、鹵水壓力與濃度、溶腔頂板跨度及多井開采效應(yīng)等。任松開發(fā)了針對鹽礦水溶開采誘發(fā)地面沉降的2D-Sink研究軟件，研究了角度效應(yīng)、斷層效應(yīng)、層理效應(yīng)等與開采沉降的關(guān)系，總結(jié)分析了各因素對地面沉降的影響；此外，范育青、李學(xué)峰等通過?AN-SYS數(shù)值模擬[8]，分析研究了溶腔頂板跨度及溶腔內(nèi)鹵水壓力等對溶腔上覆巖層的影響，驗證了溶腔內(nèi)鹵水壓力對于頂板的保護(hù)作用，說明鹽礦在淺層開采時要注意控制好溶腔頂板跨度，在深部開采時則可適當(dāng)相對加大溶腔頂板跨度。

4.3三帶理論分析

按照以往在礦山開采工程中常用的三帶理論應(yīng)用經(jīng)驗，當(dāng)裂隙帶和冒落帶總厚度超過巖層總厚度時，則可初步判斷礦山開采會引發(fā)巖層失穩(wěn)，從而發(fā)生地面沉降。但總的來說，礦山開采的三帶理論只能粗略分析判斷開采誘發(fā)的地面沉降范圍且精度不夠，一般在礦山開采初期階段可用作地面沉降初步評價依據(jù)。

4.4災(zāi)害預(yù)報預(yù)警

地面沉降發(fā)生之前常會有一些預(yù)兆，例如：礦井地表或附近區(qū)域、水井出現(xiàn)冒鹵現(xiàn)象，注采井鹵水濃度及壓力異常變化，地下出現(xiàn)沉悶的巖層斷裂聲，甚至局部地面下沉、建筑物開裂變形等現(xiàn)象，均可作為地面沉降發(fā)生前的預(yù)兆。

同時，在鹽礦開采過程中，利用微地震檢測技術(shù)、電震成像技術(shù)[9]、地震波勘探等方法可以查看地下采空區(qū)域的分布，還可以利用自動化智能監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行地面沉降與位移監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的溶腔頂板失穩(wěn)和地表變形進(jìn)行危險性預(yù)測分析[10]，在沉降發(fā)生之前采取相關(guān)措施進(jìn)行智能監(jiān)測與預(yù)警[11]，以減少地面沉降帶來的損失。

5??結(jié)論

水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的機理復(fù)雜多樣，本文總結(jié)了水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的三種主要發(fā)生機理，得出以下結(jié)論。

（1）水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降一般具災(zāi)害持續(xù)周期長、影響規(guī)模大、破壞性大、突發(fā)性較強、易反復(fù)發(fā)生、發(fā)生前后通常伴隨地面冒鹵等幾個顯者特點。

（2）總結(jié)了水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的三種主要發(fā)生機理：采空區(qū)造成溶腔頂板失穩(wěn)、巖石節(jié)理裂隙或斷層發(fā)育、溶腔頂板巖體承載力低是水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的三種主要機理。

（3）通過對水溶開采誘發(fā)鹽礦地面沉降的機理分析，提出在礦井開采不同階段，應(yīng)采取針對性措施，防止地面沉降的發(fā)生。建議在方案設(shè)計中注重礦井選址，注重科學(xué)合理設(shè)計，做好安全預(yù)案；要嚴(yán)格按設(shè)計組織礦井施工，防止鹵水滲透到巖土層中，做好注水井和采鹵井管檢測維修；布置自動化智能監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行沉降監(jiān)測、做好搬遷避讓等。

（4）為進(jìn)一步分析和探索鹽礦地面沉降的機理，采取針對性措施減少地面沉降帶來的損失，利用前人在材料試驗、數(shù)值模擬、三帶理論等方面的研究成果，利用微地震檢測技術(shù)、自動化智能監(jiān)測等技術(shù)設(shè)備進(jìn)行地面沉降預(yù)報預(yù)警是十分必要的。

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