水溶開采誘發鹽礦地面沉降機理分析及防治措施

李力宏

摘??要：隨著我國國內采用水溶法開采鹽礦的進一步普及，地面沉降地質災害亦屢屢發生。因鹽礦地面沉降一般具持續周期長、影響規模大、破壞性大、突發性強、發生具反復性、發生前后通常伴隨地面冒鹵等特點，總結發現采空區造成溶腔頂板失穩、巖石節理裂隙或斷層發育、溶腔頂板巖體承載力低是水溶開采誘發鹽礦地面沉降的三種主要因素，文章從事前預防、事中控制以及事后補救三方面提出了相關的地面沉降治理措施建議。

關鍵詞：?鹽礦?水溶法開采?地面沉降地質災害?事前預防?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

采用鉆井進行水溶法開采鹽礦相對傳統巷道掘進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一步普及。但水溶法開采鹽礦隨著鹽礦層陸續被采出，原有的地應力平衡狀態隨之會被打破，采空區上覆巖土層在開采過后必將產生垂直方向和水平方向的位移，反映在地表上將出現不同程度的地面變形。故鹽礦地面沉降地質災害現象現今易發生，已成為對人民群眾生命財產安全造成重大威脅的一種地質災害，已引發社會廣泛關注。

國內外許多學者對水溶法開采誘發鹽礦地面沉降地質災害進行了不同程度的研究，并已獲得較多有價值的成果[1-3]，但以往的研究多數往往只從定性上闡述鹽礦地面沉降發生的過程，而對其發生機理未做出系統分析和總結。通過找尋地面沉降發生的特點，分析和總結地面沉降的發生機理，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，防止發生大面積地面沉降甚至是地面塌陷的現象，對于鹽礦可持續發展、防止誘發大規模地質災害發生，保障人民群眾生命財產安全等具有重大意義。

1?水溶法開采誘發鹽礦地面沉降的特點

分析近幾十年來國內鹽礦發生的一些較大的地面沉降地質災害實例[4]，發現水溶法開采誘發鹽礦地面沉降一般具災害持續周期長、影響規模大、破壞性大、突發性較強、易反復發生、發生前后通常伴隨地面冒鹵等幾個顯者特點。

1.1災害持續周期長，影響規模大

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

1.2破壞性大，突發性較強

鹽礦地面沉降一般均具有突發性，且因發生時位移劇烈，故帶來的破壞性亦比較強烈。地面沉降往往造成地面工業設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，地質環境遭受極大破壞。同時，地面沉降時噴出的鹵水對地下水與土壤環境會造成長期污染，使地面沉降區周邊長時間的土地鹽堿化，造成農作物減產，地質環境恢復十分困難，造成的經濟損失巨大。

據部分監測統計結果，地面沉降區垂直位移多在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之前較長的一段時期內，發生災害的一些預兆未能被發現甚至完全被忽視，導致及時預警或預報災害的發生十分困難，故災害突發性強。

1.3沉降易反復發生

地面沉降往往對上覆巖土層造成毀壞，致使其結構破壞，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生再次地面沉降。例如：云南鳳崗鹽礦在十八年內發生過三起較大規模的地面沉降，安徽定遠鹽礦在四個月內連續發生過兩次較大的地面沉降，1992年和1999年湖北應城鹽礦14～15井組區發生過兩起大的地面沉降[4]。

1.4地面沉降發生前后通常伴隨地面冒鹵

通常情況下，發生地面沉降的區域或周邊均會伴隨地面冒鹵。當地下鉆井中的鹵水上涌進入到上覆巖土層時，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大，地而沉降隨之加劇。如湖南湘澧鹽礦一采區地面沉降發生時，有7處地面出現冒鹵現象，鹵水噴出井口的高度超過3米；應城鹽礦1992年地面沉降發生時，一個月內噴冒達兩萬多方鹵水。

2?水溶法開采誘發地面沉降的機理分析

水溶法開采誘發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采空區造成溶腔頂板失穩是發生地面沉降的根本原因

據有關數據統計，國內鹽礦區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，采空區亦不斷擴大，一旦開采不規范，例如沒有按設計要求的井距、井數開采，未留足礦柱安全距離或采高過大，致使溶腔頂板面積過大，導致溶腔頂板失穩造成頂板垮塌，冒落帶和裂隙帶不斷發展貫通至地表，從而造成地面沉降。

2.2巖石節理裂隙或斷層的發育是加劇地面沉降發生的重要因素

鹽礦地面沉降的發生與巖石節理裂隙或斷層的發育有著十分密切的聯系，可以說巖石節理裂隙或斷層的發育程度在一定程度上控制著地面沉降的發生規模。在實際開采過程中，應在勘察階段查明礦井附近的巖石節理裂隙和斷層的分布。一旦礦井布設在斷層附近或巖石節理裂隙發育地帶，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將地下的高壓鹵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育的節理裂隙，不斷侵蝕軟化巖土體，巖土體承載力降低，加之采空區的存在，久而久之致使頂板坍塌，誘發地面沉降。因此，礦井附近地質構造條件應作為設計開采方案的重要依據，應盡量避免在斷層附近或節理裂隙發育地帶布設礦井。

2.3溶腔頂板巖體承載力低是導致地面沉降發生的另一重要因素

國內鹽礦溶腔頂板巖體一般多為泥巖、砂頁巖等，屬軟質類巖石，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，是導致地面沉降發生的另一重要因素。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月頂板發生垮塌進而發生地面沉降。

3?水溶開采誘發地面沉降的防治措施

水溶開采誘發鹽礦采區地面沉降的防治是一個系統工程，防治難度是非常大的。在礦井開采前、開采施工過程中、地面沉降災害后三個不同的階段，應采取事前預防、事中控制、事后補救的針對性措施，防止地面沉降的發生。

3.1事前預防措施

3.1.1注重礦井選址

首先在鹽礦開采之前，設計階段要對擬布設礦井的區域周邊的地質構造特別是斷層和節理裂隙的發育和分布情況進行詳細勘察，查明礦井區隱伏斷層和節理裂隙的發育和分布。鉆井布設時應盡量避開隱伏斷層和節理裂隙等不穩定區域，避免因鉆井布設在隱伏斷層附近和節理裂隙地帶進而影響到溶腔頂板穩定。

3.1.2注重科學設計

國內鹽礦大多屬于淺埋型，其地質結構往往相對復雜，因此開采設計時要注重合理設計開采方式，控制好溶腔跨度。應嚴格設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，要嚴格控制采空頂板的跨度，保證合理的溶腔高度，設計預留好足夠厚度的安全礦柱，防止開采時因溶腔頂板不穩定而造成垮塌，發生地面沉降地質災害。

3.1.3注重安全預案

為防范突發性災害發生，施工前應制訂好安全生產應急預案，對管理層和作業人員全面普及安全生產和自救知識，提高全員安全意識。

3.2事中控制措施

3.2.1嚴格按設計組織礦井施工

在采用水溶法鉆井施工時，施工單位應嚴格按設計方案布置的井組距進行施工。若井組距過大勢必會造成溶腔頂板不穩定，增加地面沉降潛在風險；若井組距過小將造成資源上的浪費，降低企業利潤水平。

3.2.2防止鹵水滲透到巖土層中

由于巖石中可能發育節理裂隙，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、采井系統的高壓，使上覆巖土層得到支撐。

3.2.3嚴格鹵井報廢措施

為確保溶腔的密閉性，要求鉆井采鹵結束后對鹵井及時進行妥善處置。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致井管斷裂，定期對此處的采鹵井管進行檢測，發現井管破損要及時進行處理。同時注意監測注水井和采鹵井的出水量或濃度異常等情況，發現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做好沉降監測

包括布置自動化智能監測設備GNSS進行沉降與位移監測，地下水與地表水的長期動態監測（水位動態變化、取樣進行化驗分析等），派專人進行巡視與簡易監測，發現變化及時預警預報。

3.3.2做好搬遷避讓

對沉降區內受威脅對象宜應搬盡搬，堅決杜絕人員群死群傷事故。

3.3.3科學應對應急突發情況

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

4?水溶法開采誘發鹽礦地面沉降預測

造成鹽礦地面沉降的原因及控制因素較多，表現各不相同。由于鹽礦地面沉降在時間上和空間上一般具有不連續性的特征，與連續性的變形是完全不同的。目前，國內雖然制定了井礦鹽礦山開采安全操作規程作為鹽礦開采行業的統一開采安全規范，同時利用三帶理論進行定性分析預測，但要從理論上預測鹽礦地面沉降仍具有一定的難度。為進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、數值模擬、三帶理論等方面的研究成果，利用微地震檢測技術[6-7]、自動化智能監測等技術設備進行地面沉降預報預警是十分必要的。

4.1材料試驗

在水溶開采誘發鹽礦地面沉降機理及預測研究方面，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行模擬，分析了溶腔的變形破壞發展規律與巖土層的移動間關系，系統總結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格控制井數與井組距，保護好溶腔頂板，防止溶腔頂板垮塌。此外，對溶腔頂板的力學性質開展室內研究，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生的內在原因。

4.2數值模擬

和室內材料試驗不同的是，采用數值模擬能更快捷地分析了解誘發沉降的更多機理，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等。任松開發了針對鹽礦水溶開采誘發地面沉降的2D-Sink研究軟件，研究了角度效應、斷層效應、層理效應等與開采沉降的關系，總結分析了各因素對地面沉降的影響；此外，范育青、李學峰等通過?AN-SYS數值模擬[8]，分析研究了溶腔頂板跨度及溶腔內鹵水壓力等對溶腔上覆巖層的影響，驗證了溶腔內鹵水壓力對于頂板的保護作用，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用經驗，當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巖層失穩，從而發生地面沉降。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。

4.4災害預報預警

地面沉降發生之前常會有一些預兆，例如：礦井地表或附近區域、水井出現冒鹵現象，注采井鹵水濃度及壓力異常變化，地下出現沉悶的巖層斷裂聲，甚至局部地面下沉、建筑物開裂變形等現象，均可作為地面沉降發生前的預兆。

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

5??結論

水溶開采誘發鹽礦地面沉降的機理復雜多樣，本文總結了水溶開采誘發鹽礦地面沉降的三種主要發生機理，得出以下結論。

（1）水溶開采誘發鹽礦地面沉降一般具災害持續周期長、影響規模大、破壞性大、突發性較強、易反復發生、發生前后通常伴隨地面冒鹵等幾個顯者特點。

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

（3）通過對水溶開采誘發鹽礦地面沉降的機理分析，提出在礦井開采不同階段，應采取針對性措施，防止地面沉降的發生。建議在方案設計中注重礦井選址，注重科學合理設計，做好安全預案；要嚴格按設計組織礦井施工，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；布置自動化智能監測設備進行沉降監測、做好搬遷避讓等。

（4）為進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、數值模擬、三帶理論等方面的研究成果，利用微地震檢測技術、自動化智能監測等技術設備進行地面沉降預報預警是十分必要的。

參考文獻

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