新澧卤盐矿地面塌陷机理浅析

　　摘要：本文通过对新澧卤盐矿地面塌陷现状进行调查研究，对矿区地面塌陷机理进行了理论分析和实际验证，并对矿区地面塌陷治理和今后的预防措施提出了合理化建议。
　　关键词：新澧卤盐矿地面塌陷塌陷机理研究
　　引言
　　我们国家卤盐资源比较丰富，主要分布在中南、西南等省份，据相关资料表明，我国已经探明的矿藏储量有44500亿吨，目前我国卤盐开采技术主要是采用的钻井水溶采矿方法，因此卤盐水溶开采引起的地面塌陷则成为卤盐开采主要的塌陷类型。给生态环境和地质环境造成的不小的损害，加强卤盐水溶开采塌陷的理论研究和安全开采技术的研究，建立矿山采区监测网，并经过理论研究和实际运用，形成区域性的地面塌陷预测模型，可有效预防地表塌陷而引起的安全事故和环境灾害的发生。对矿山安全生产与持续发展、矿产资源的合理开采与人文生态环境的协调统一、矿区生态环境灾害的预防、矿区生态环境的保护和恢复治理等有十分重要的工程和现实意义。
　　一、矿区概况
　　新澧卤盐矿是一家投资2亿，年总产元明粉达80万吨规模的元明粉专业生产企业。矿井开采对象为矿区I号井田三矿组，设计年采卤量为830km3，日采卤量2767m3，设计井距为40m，组距为80m，排距为80m，首采区布置B组矿田中，基建井段八组24口（3口井一组）井，组生产能力为38.16千吨，设计采用热水热溶三管油垫法开采，通过初期建槽使井组连通形成井组开采。纵向上采取自上而下地对三矿组进行组合开采，年采卤总量为830km3。
　　二、矿区地面塌陷现状
　　新澧卤盐矿2003年底投产，2005年5月份矿山开采区就发现产生了地裂缝、民房开裂等地面塌陷问题，主要表现在：
　　⑴首采区附近民房的硬化操坪、室内地坪以及硬化路面上，见有开裂现象，裂缝宽度一般几毫米至十几毫米，长度大多贯通整个硬化范围。
　　⑵根据调查，晴天在J08-2西南约70m的棉地内（干枯无水）见到地裂缝，宽度3～5mm，长度2～3m，阴雨潮湿天则无。
　　⑶首采区有两处凭肉眼辨别出的地面凹地特征：其一是大致以J08井组为中心，有一个较大的凹地存在。进入该凹地内，可以看到J08-2南部原栽种的水稻农田明显倾斜；J08-1南部水塘（大堰）的倾斜更为直观，由于靠近开采井的北部下沉较多，水向北汇集，使得南部的水侵线向上“翘起”约0.3m，其二是大致以J05－1井为中心，存在局部小凹地，雨天积水形成泥潭。
　　三、矿区塌陷机理研究
　　1、地面塌陷成因定性分析
　　对于非充分采动的水溶开采，采矿对地表的影响程度与溶腔的大小密切相关。当溶腔宽度小于某一极限宽度时，受采动影响的最上部基岩控制层（坚硬岩层）发生最大可能的弯曲，但不出现断裂[1]。通常用岩梁理论（或称托板理论）来计算采空区的极限宽度，以此判断下沉类型是弯曲型还是断裂型。新澧卤盐矿的初步设计说明书中应用该理论公式算得的采空区极限跨度为80.6m[2]，而设计跨度取40m。根据“油垫法开采在澧县芒硝矿的应用”（刘勇等，《中国盐矿》，2005年第1期），2003年3月已投产的J08-1、J08-2的采空区半径约为17~18m，即当时直径已达34~36m[3]。此后该井组还经历了近两年的生产期，其实际采空区跨度大于40m，但超过极限跨度80.6m的可能性不大。按此分析，新澧卤盐矿矿区由采动引起的地表下沉应属于弯曲型下沉。
　　按照传递岩梁理论，采空区上覆岩体的移动与变形破坏主要由其中的控制层（坚硬岩层）起决定作用，其上部软弱岩层随控制层的移动而移动，因此分析时需要将上覆岩层分为若干岩组。分组原则是硬岩层与上部软岩层组成一个岩层组，作为一个运动整体，其变形破坏受下部硬岩层的控制。
　　根据勘探报告，矿层直接顶板平均厚度53.21m，平均抗压强度19MPa；间接顶板（基岩部分）平均厚度52.68m，平均抗压强度15MPa。因此，上覆岩层的控制层应为较硬的直接顶板，其厚度m=52.68m[4]。
　　按有关理论，采空区的极限跨度L为：
　　式中：St为岩梁（控制层）的抗拉强度，因未实测，近似取其抗压强度的10%；p为上覆岩层作用在岩梁上的荷载与岩梁底部所受水的浮托力之差，其值为：
　　P=γsｈs+γrｈr-pw
　　式中γs、ｈs、γr、ｈr分别为岩梁上部松散层和岩层（包括岩梁）的重度和厚度；pw为水的浮托力。在注水生产期间，pw=γw（ｈs+ｈr）+p0，停产（注）之后，pw=γw（ｈs+ｈr）。这里，γw为水的重度；p0为井口注水压力，本矿为2MPa。
　　取γs=20.0kN/m3、ｈs=92.89m、γr=26.3kN/m3、ｈr=128.25m、St=1.9MPa。求得注水生产期Lmax1=101.7m；停产（注）之后，Lmax2=59.1m。
　　计算结果表明：因为有注水压力的顶托，采空区的极限跨度比停产（注）之后的大很多，所以停产（注）之后，采空区更容易垮塌。停产（注）之后采空区所能维持的极限跨度仍然大于设计跨度40m，但差值较小，如果企业严格按设计开采，地表只会出现弯曲型下沉。
　　2、地面塌陷成因半定量分析
　　前述新澧卤盐矿采空区为弯曲型下沉，按弯曲型下沉计算地表移动、变形值。计算所用地质参数与勘探报告采用的相同，即：沿矿层走向为79.22m，顺矿层倾向82.89m，反矿层倾向74.39m。主要影响半径是指从采空区的外边界至主要影响区边界的直线距离，如果用最外侧的开采井划界，其数值应该加上20m左右（设计采空区跨度的一半）。如果用此值划定保护区，还应该加上5~20m左右（考虑到采空区的不规则性）。同样采用修正下沉系数的概率积分法计算地表移动和变形值。下沉系数的修正方法按极不充分采动情况考虑，修正公式为：
　　式中：qf为双向非充分采动时的下沉系数；q为充分采动时的下沉系数，根据勘探报告，其值为0.867；D1、D2为倾向和走向开采宽度，分别为设计值40m和120m；H0为平均采深，取224.79m；K1、K2为系数，一般取0.8；n为系数，取值为2~3，此处取2。如此得到qf=0.214。最后得到如下结果：
　　最大下沉值1664mm；
　　最大水平位移549mm；
　　最大倾斜值（沿走向）21.00mm/m；
　　最大水平变形（沿走向）10.53mm/m；
　　最大曲率变形（沿走向）0.27×10-3/m；
　　上述理论计算结果是指地表移动和变形稳定后的数值。与前面列出的砖石结构房屋的临界变形值相比，各项指标均超出。这说明，新澧卤盐矿即使是严格按设计开采，主要影响区内的民房也将肯定会受到损坏。由此可见，目前首采区及周边的民房开裂，是开采引起的地表沉降进行到一定阶段的必然结果。
　　首采区及周边地裂缝和民房开裂的时间和位置、启动和发展规律、分布和形态特征，力学性质与规模等，都与矿床开采引起的地表损害相吻合。
　　四、结论与建议
　　新澧卤盐矿首采区地裂缝和周边的民房开裂，是浅层卤盐矿开采引起的地表沉降进行到一定阶段的必然结果；首采区地面塌陷范围与预测模型的计算值基本相吻合，可以采用这种模型对矿区的今后的开采区地面塌陷进行有效的圈定和预测。
　　新澧卤盐矿矿区的采深比小，顶板软弱，松散层厚，容易产生地表变形与破坏，建议矿山尽快建立地表移动观测网，并认真开展监测和研究，发现问题及时处理；对位于首采区塌陷盆地中心的房屋以及周边受损严重的房屋，建议企业和有关管理部门尽快组织搬迁，以预防人员伤亡，减少财产损失。对塌陷较大的J08、J05等井附近，应采取预防地表塌陷的措施，并视发展趋势，考虑部分充填的必要性；建议立项开展地质环境和地下水资源保护措施、地质灾害防治技术等方面的研究。
　　参考文献
　　[1]曹幼元等，钻进水溶法开采矿区地表移动随机介质理论预计研究中国锰业，2006（4）
　　[2]化工部长沙设计研究院，湖南澧县150kt/a元明粉项目矿山工程初步设计第一部分：说明书2001-6
　　[3]刘勇等，油垫法开采在澧县芒硝矿的应用中国盐矿，2005年（1）
　　[4]湖南省地勘局403队，湖南省澧县涔南乡曾家河矿区Ⅰ井田无水芒硝矿勘探地质报告1992-12