衡陽市某鹽礦地面沉降形成機制分析研究

衡陽地區地下巖鹽資源儲量豐富，某鹽礦作為當地重要的巖鹽開采基地，在推動國民經濟發展中貢獻顯著。然而，長期采用水溶開采方式，使地下溶腔持續擴張，引發了較嚴重的地面沉降問題。2023年6月，以402號鹽井為中心的區域突發地面變形，并伴隨地面沉降及房屋墻面大量開裂變形，對周邊環境與基礎設施造成嚴重破壞，直接威脅礦區生產生活安全。

國內外學者圍繞鹽礦地面沉降已開展諸多研究。在監測技術上，運用水準測量、GPS監測、衛星遙感監測和地下水位觀測等方法獲取數據，分析地面沉降的時空變化[1-7]。在機制研究方面，普遍認為溶腔形成與擴展、上覆巖層力學性質改變、地下水動力條件變化及地質構造等是主要原因[8-I1]。然而，不同鹽礦的地質條件、開采方式差異顯著，針對衡陽紅層盆地特殊地質環境地面沉降形成機制研究仍有待深化，以制定更具針對性的防治策略。

鑒于此，深入探究某鹽礦地面沉降形成機制，對保障礦區安全、促進區域可持續發展具有重要現實意義。本研究綜合運用現場遙感監測地面變形、物探、水文觀測及數值模擬等方法，全面剖析了該區域地面變形特征，深入探尋地面沉降形成機制，以期為礦區及周邊受影響區域的地質災害預警與防治提供科學依據。

1區域地質與開采條件

1.1 地質背景

1.1.1地層與構造特征

衡陽盆地是中生代末期形成的內陸湖盆地，其大地構造位置位于新華夏系構造第二沉降帶之間，洞庭凹陷以南，耒陽-臨武南北向構造帶、祁陽弧形構造、龍山-白馬山和塔山-陽明山東西向構造帶的復合部位。衡陽巖鹽礦區東穿湘江底部達金甲嶺，西至107國道，北抵茶山坳，南達衡陽市郊。

茶山坳(某鹽礦)位于衡陽紅層盆東北部盆地氯化物沉積區(衡陽鹽礦區)的南緣，面積約 4.051km² O區內出露地層簡單，除第四系外，僅見下第三系霞流市組茶山坳段( E₂X^l )和高嶺段( E₂X² )，巖性以紫紅色泥巖和泥質粉砂巖為主，夾薄層青灰色泥巖、泥灰巖和薄層長石石英砂巖、細砂巖。

礦床地質構造簡單，總體為走向近東西、傾向北的單斜構造。礦層傾向北北西，礦體形態呈層狀、似層狀產出，主礦層厚達 200～300m ，其下為副礦層，埋深距地表 500m 以下，產狀平緩，傾角 5^°～ 10^° ，屬內陸湖相沉積層狀硫酸鹽氯化鈉型巖鹽礦床。

1.1.2 水文地質特征

區內地下水類型主要包括孔隙水、裂隙水和巖溶水。孔隙水主要賦存于第四系松散沉積物中，水量較小，且水位變化受大氣降水影響較大；裂隙水主要分布于基巖裂隙中，與鹽礦層水力聯系密切；巖溶水主要發育于碳酸鹽巖地層中，具有較強的徑流能力和溶蝕作用。地下水的補給來源主要為大氣降水和地表水的入滲，排泄方式主要為人工開采和側向徑流排泄。在鹽礦開采過程中，地下水的流動狀態發生改變，加速了溶腔的發育并影響上覆巖層穩定性。

1.1.3工程地質特征

某鹽礦區礦層頂板蓋層主要由青灰色泥巖、紫紅色泥巖等軟質巖類組成，巖石的工程力學性質較差，抗壓強度( 15～30MPa )和抗剪強度（ (2～5MPa) 相對較低。開采過程中，頂板蓋層承受著上覆巖層的壓力以及開采活動引起的附加應力，其力學性質不佳，容易發生變形和破壞。

1.2 開采技術與現狀

某鹽礦早期采用的水溶開采方法為單井對流采鹵，通過向地下鹽礦層注入淡水，溶解鹽礦形成鹵水，然后將鹵水抽出地面進行加工。20世紀90年代開始增加雙(多)井定向連通采鹵，開采工藝選用水平對接井組連通采鹵和單井對流采鹵，至2015年全面實現雙(多)井定向連通采鹵。

礦山共設有6個采區，2(N)3、4、5采區為現生產采區。本次變形核心區401-402井組為雙井定向連通采鹵，停采前溶腔深度 277.62～456.11m ，采空高度達 178.49m ，頂板懸落跨距超過臨界值( 30m ），導致巖層頂板應力過于集中，加劇了地面沉降的風險。

2某鹽礦地面沉降特征分析

為全面準確地掌握某鹽礦地面沉降的特征，本研究綜合運用了多種先進的監測方法，包括INSAR遙感解譯、物探解譯以及鉆孔驗證等，并通過嚴謹的數據采集，獲取了豐富而可靠的數據，為后續的深入分析奠定了堅實基礎。

在地面沉降監測中，INSAR遙感解譯技術發揮了關鍵作用。本研究主要采用Sentinel雷達衛星數據、陸探數據以及SBAS-InSAR時序形變監測技術，借助高分辨率衛星遙感影像和激光雷達數據，運用SBAS方法對數據進行精心處理，從而成功獲取災害區時間形變序列[3.7]。通過該技術，能夠對研究區域進行大范圍、高精度的監測，有效揭示地面沉降的時空分布特征。

物探解譯是獲取地面沉降相關信息的重要手段。本次物探采用音頻大地電磁法（AMT)和天然電場選頻法（NFS），對地層結構、節理裂隙密集帶、斷層以及低電阻率或低電位異常區的分布情況進行推測。通過鉆孔施工驗證，更深入揭露地下孔洞、溶腔發育分布情況。這些驗證結果為進一步研究地面沉降的形成機制提供了重要線索。

3某鹽礦地面沉降形成機制

3.1 災害成因分析

3.1.1溶腔不穩定造成的垮塌

在鉆孔注水采鹽過程中，若溶腔處于密閉狀態，且溶腔內液體的支撐壓力等于溶腔頂板巖層壓力，即 q-P=0 時，溶腔頂板處于穩定狀態。然而，當溶腔的封閉性遭到破壞，溶腔側壁局部抵抗力減弱，水體發生變形， p 值衰減。停止采鹽后，注水壓力消失， P 進一步降低，溶腔內液體支撐壓力逐漸減弱。

初期，頂板巖層會出現蠕變彎曲變形；后期，當其他頂板巖層參數相對穩定不變時，隨著 q-P 逐漸增大到一定程度，達到溶腔頂板巖層失穩的突變點，頂板巖層內會產生巨大的剪切應力，導致溶腔頂板切斷，在短時間內局部的頂板巖層失穩會牽引著整個溶腔頂板垮塌。

根據塌落拱理論，可以概算溶腔頂板塌落影響高度 H ，公式為：

H₀ 為采空高度（m）； K 為巖石堅固系數。

某鹽礦礦層總厚 51～355m ，一般厚 220m 左右，其中單礦層厚 20～40m ，累計厚 33～296m ，平均厚 187.52m ，礦層埋深 212～399m 。根據JD01鉆孔揭露，溶腔發育范圍為 277.62～456.11m ，采空高度(H) 為 178.49m 。將這些數據代入公式計算可得，H=450.73m， 。 401-402 井組停采后，產生溶腔冒落帶為 78.62～277.62m ，冒落帶高度為 199m 。計算結果表明，礦山溶腔頂板塌落影響高度大于礦層埋深，這意味著溶腔頂板塌落對地表產生了影響。

3.1.2地下水動力條件變化的影響

當溶腔頂板發生垮塌，冒落帶隨之形成，對溶腔頂板隔水層的完整性造成了嚴重破壞，頂板隔水層的破壞使上部基巖裂隙含水層與下部溶腔之間的水力聯系發生改變，上部基巖裂隙含水層中的水開始向下漏失，導致地下水位下降，對地層結構產生了深遠影響。

地下水位下降引發了一系列連鎖反應。水位下降導致地下水對裂隙的沖刷作用增強，大量泥沙被地下水帶走排出，使裂隙常處于半充填狀態，甚至無充填狀態。這種狀態進一步削弱了巖土體的結構穩定性，降低了其抗變形能力。隨著地下水位的降低，降水入滲、地表水滲漏及第四系孔隙水下滲補給下部溶腔的水量增加。上層水經巖層至巖溶洞穴時，由于水流的動力作用和化學作用，對巖層產生滲透變形破壞。隨著上、下兩層水的水頭差增加，滲透變形破壞作用不斷增強，這不僅加劇了巖層的結構破壞，還引發并加速了上部巖體的變形與破壞。在水流的長期作用下，巖層中的顆粒被逐漸沖走，孔隙不斷擴大，導致巖體的強度降低，最終引發地面沉降。

3.1.3上覆巖土體侵蝕后承載力降低

在鹽礦開采過程中，由于施工質量和地質結構等原因，鉆井水溶開采容易在淺部發生井管斷裂事故。一旦井管斷裂，高壓鹵水會從斷裂口涌出，噴入周圍的巖土體中。高壓鹵水的沖刷和掏空作用會對巖土體造成嚴重侵蝕破壞[2]。鹵水中的鹽分和化學物質會與巖土體中的礦物成分發生化學反應，使巖土體的結構和性質發生改變[6。鹵水的沖刷會帶走巖土體中的細顆粒物質，導致巖土體的孔隙度增大，結構變得松散，從而降低了巖土體的承載力。在地表外力荷載的作用下，如建筑物的自重、交通荷載等，受侵蝕后的巖土體無法承受這些荷載，其結構會遭到進一步破壞，導致地面劇烈塌陷。地面塌陷會進一步加劇地面沉降，對周邊環境和建筑物造成嚴重影響。據調研，區內未發現噴鹵現象，亦未發生過井管斷裂事故。因此，某鹽礦當前因高壓鹵水噴涌入巖土體導致地面變形的可能性相對較小，但這并不意味著可以忽視這一因素的潛在影響。

4結論

通過綜合運用多種先進技術手段，對某鹽礦地面沉降問題進行了全面、深入的研究，取得了一系列重要成果。

在地面沉降特征分析方面：通過INSAR遙感解譯、物探解譯和鉆孔驗證等技術手段，精準界定了地面沉降的分布范圍、形變速率及累計沉降量。研究區域呈現顯著地面形變，2023年4-6月形變速率尤為突出，形變程度自采礦權邊界向礦井中心方向逐步加劇，衡陽市珠暉區范圍內最大形變速率達

0.39m 年。長期監測數據顯示，東三環路沿線區域年變形量穩定在 0.35m ，且越接近402號采鹵井，變形量呈顯著遞增趨勢。物探解譯結果與鉆孔驗證數據高度契合，均明確指向溶腔發育區域的空間分布。

在地面沉降形成機制分析方面：明確了溶腔失穩垮塌是導致地面沉降的核心致災因素。某鹽礦因鹽層埋藏較深，并且存在采高過大及頂板暴露面積超限等問題，導致溶腔頂板穩定性大幅降低。在地下水動力與地應力的共同作用下，加劇了巖土體漸進破壞，極易誘發垮塌災害。基于尖點突變模型與塌落拱理論的定量分析表明，401-402井組溶腔形成的冒落帶高達 199m ，其頂板坍塌影響范圍已直接波及地表層。盡管在當前開采條件下，上覆巖土體因侵蝕作用導致承載力下降的因素尚未成為變形主要原因，但其長期累積效應仍需納入持續監測范疇。在鹽礦開采過程中，應充分認識到這些因素的相互作用，采取有效的措施來預防和控制地面沉降的發展，以保障鹽礦的安全生產和周邊環境的穩定。

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