盐穴收缩引起的地表下沉监测与预计

姜 岳，杨 伦，马振和

(1. 山东科技大学,山东 青岛 266590； 2. 辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000； 3. 德国SOCON盐穴测量有限公司，下萨克森州 吉森 D-31180)

中国岩盐资源矿产丰富，大部分矿山采用水溶法开采[1-2]。岩盐水溶开采后，在地下形成巨大空间的盐穴，利用深部盐穴存储石油与天然气是国际上广泛认可的储存方法，世界上有多座岩盐盐穴地下储气库在运行。在盐穴的使用过程中，盐穴受到压力与温度的共同作用力，诱发盐穴容积减少，盐穴的收缩最终会反映到地表，使地表下沉，导致地表建筑物、管线、道路及生态环境的损害，甚至发生重大人身伤亡事故和造成财产损失。因此，盐穴收缩引起的地表下沉的监测与预计是十分重要的研究内容，为评估盐穴收缩与地表下沉损害程度及安全预警提供依据[3]。

1 岩盐水溶开采地表下沉监测与移动规律

岩盐水溶开采后，在地下形成巨大空间的盐穴，地下盐穴无论是作为储库还是密封废置，都存在着盐穴容积逐渐变小的可能性[4-5]。盐穴容积的变化受到岩层物理、力学性质、压力及温度等因素的影响，是一个复杂的时空力学过程。盐穴容积逐渐变小，最终会通过岩层移动反映到地表，而形成地表下沉盆地，产生地表移动与变形，甚至引发塌陷型地质灾害，将威胁到矿区的生产和生命财产的安全。岩盐开采引起的地表下沉过程发展比较缓慢，文献给出一个盐穴变化实例[6]：当盐穴压力差为3～8 MPa时，盐穴半径缩小7～25 mm/a，盐穴容积缩小0.17%，地表下沉2～30 mm/a。研究盐穴容积收缩引起的地表下沉规律最有效的方法是通过实地观测[7]，根据固体矿床开采地表移动规律及监测经验，可以采用网状或线状观测站监测盐穴矿区的地表移动变形。为了获得比较准确、可靠、有代表性的观测资料，在观测站设计中，观测线应布设在地表移动盆地主断面上，观测线的长度要大于地表移动盆地范围，观测线上的测点应有一定的密度，变形监测网的布设值得深入研究[8]。常规观测站布设形式如图1所示。

图1 观测站布置形式

因盐矿与煤矿的开采方法不同，相对煤矿开采而言，盐矿开采深度较大，开采空间有限，地表移动变形量较小，移动变形过程缓慢，因此需要更高的观测精度。在欧美国家岩盐水溶开采属于采矿范畴，因此关于它的测量属于矿山测量，如在德国矿山法、矿山测量规程、德国工业标准都有相应的规定[9]。盐穴利用在中国属于新领域，目前还没有专门的监测标准[10]。我国的《煤矿测量规程》于1989年颁布，该规程的精度要求不适用于盐穴移动变形监测。建议采用《工程测量规范》(GB 50026—2007)中第10章变形监测的相关规定作为测量规范[11]。水平移动与下沉的观测技术要求见表1和表2。

表1 测距的主要技术要求

注：计算测距往返较差≤2(a+b×D)；a、b分别为相应等级使用仪器标称的固定误差和比例误差系数；D为测量斜距，单位km。

表2 垂直位移监测基准网的主要技术要求 mm

注：n为测站数。

确保观测精度可为研究地表移动规律及参数分析提供可靠数据。

目前国内外对岩盐水溶开采地表移动变形的监测资料较少，根据国外资料概括性总结岩盐水溶开采地表移动的一般规律如下：

(1) 在一定的条件下盐穴会产生收缩，当盐穴的收缩量传播到地表时，将引起地表移动与变形，形成下沉盆地，地表下沉盆地体积与盐穴收缩量成正比。法国的第一座盐穴储气库1968年建于Tersanne，上覆岩层为黏土岩和砂岩，盐层厚度为650 m，存储库埋藏深度为1500 m。地表下沉盆地体积与盐穴收缩量如图2所示。

(2) 地表水平移动矢量指向下沉盆地中央方向，即指向盐穴集中分布区域的中心方向；德国Oberberg矿区的地表水平移动矢量分布如图3所示。

图2 地表下沉体积与盐穴收缩体积对比曲线[12]

图3 德国观测站地表水平移动矢量分布[13]

(3) 岩盐水溶开采的影响范围较大[14]，以地表下沉值0 mm为边界，走向边界角为37.8°，下山边界角为39.6°，上山边界角为38.7°。

(4) 盐矿开采地表移动发展缓慢，持续时间漫长甚至超过一百年，但在老矿区地表会突然形成较大的塌陷坑，导致灾难性后果[1]。

2 盐穴收缩引起的地表下沉预计

根据对岩盐水溶开采地表移动一般规律的初步总结分析，可以看出岩盐水溶开采与地下煤层开采引起地表移动的规律基本相似。由地下开采引起的岩层与地表移动，是一个十分复杂的时空力学过程，从纯力学角度研究岩层地表移动还存在很多困难。本文把盐穴收敛引起的地表下沉视作一个随机过程，应用影响函数法预计地表下沉，把地表下沉视作地下开采空间向地表传播扩散的结果，盐穴容积收敛引起的地表下沉原理如图4所示。

地表下沉函数S(x,y)可表达为

式中，Q(x,y)为下沉源函数；f(x,y)为下沉传播影响函数；D为开采空间的几何形状。

图4 盐穴容积收敛引起的地表下沉原理示意图

2.1 地表下沉源函数

盐穴容积的收缩是引起地表下沉的根源，盐穴容积的收缩是一个与时间t有关的动态过程。以圆柱形盐穴为例，设盐穴高度H，半径为R，容积平均收缩率为ρ(t)，t时刻的盐穴收缩体积为πR2Hρ(t)，把盐穴收缩量等效为盐层开采体积，忽略盐穴在水平方向的收缩对盐穴容积计算误差的影响，盐穴收缩量与盐层等效开采体积近似关系如下

πR2Me≈πR2Hρ(t)

(1)

由式(1)计算出等效开采厚度Me为

Me=Hρ(t)

(2)

则下沉源函数为

Q(x,y,t)=Meq

(3)

式中，q为地表下沉系数。

2.2 下沉影响传播函数

根据煤矿开采地表移动变形预计的经验，取Knothte函数为下沉影响传播函数，在Z水平处的下沉影响传播函数为

(4)

式中，rz为Z水平处的开采影响半径。

当开采区域D为矩形时，且设地层各项同性，则盐穴收缩引起的地表下沉预计值为

(5)

为了简化计算，采用等效开采面积，把水平截面圆形的盐穴等效为正方形，即πR2=l2，l为正方形边长，并设正方形的左下角为坐标原点，计算坐标系如图5所示。

图5 地表下沉计算坐标系

在图5坐标系下，可求出正方形开采地表任意点下沉值为

MeqC(x)C(y)

(6)

式中，C(x)和C(y)被称为下沉分布系数，可通过式(7)计算或在文献[15]中查取

(7)

3 圆柱形盐穴地表下沉预计

以某盐矿为例，井田含盐系地层位于下第三系阜宁组四段上部，地层平缓，倾角为3°～5°，埋深为860～1050 m，视厚度为190 m。所接露的岩石类型主要为卤化物、硫酸盐岩、泥质岩、粉砂岩及少量碳酸盐岩，属于陆源碎屑沉积—化学沉积相。盐层的顶、底板岩石为含膏粉砂岩、含盐泥岩、含硝泥岩、含膏砂岩。岩石致密，属于半坚硬岩石类型，透水性弱，抗压强度为24.35～37.85 MPa，顶板强度中等，较稳定，适宜水溶法开采，设单井开采，开采深度H0=800 m，盐层开采厚度H=150 m，盐穴半径R=30 m(等效正方形开采宽度l=53 m)，下沉系数q=0.65，主要影响角正切tanβ=1.0，当盐穴收缩率为ρ(t)=10%时，折算等效开采厚度Me=15 m，则下沉源函数Q(x,y,t)=Meq=9750 mm。根据式(6)，计算出距盐穴中心地表点下沉值见表3，下沉预计曲线如图6所示，通过单盐穴叠加计算可以预计多盐穴地表下沉值。

图6 距盐穴中心点地表下沉预计曲线

距盐穴中心距离ρ/m0100200300400500800地表下沉预计值/mm58.556.055.643.826.720.02.5

4 初步结论

在盐穴的建造与使用过程中，盐穴受到压力与温度的共同作用，盐穴容积会逐渐变小，最终会通过岩层移动反映到地表，使地表形成下沉。因盐矿与煤矿的开采方法不同，地表移动变形量较小，移动变形过程缓慢，因此需要更高的观测精度。《煤矿测量规程》(1989年)的测量精度要求不适用盐穴移动变形监测，建议采用国家标准《工程测量规范》(GB 50026—2007)作为行业标准。

岩盐水溶开采与地下煤层开采引起的地表移动规律基本相似，根据煤矿开采地表移动变形预计理论，将盐穴收缩引起的地表下沉视作一个随机过程，将盐穴容积收缩量转换为等效开采厚度，将圆形开采区域等效为正方形，基于克诺特影响函数，建立了圆柱形盐穴地表下沉预计模型。采用叠加计算，可以预计出多盐穴收缩地表的移动变形值。

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