东莞东腾盐矿开发对地表及公路桥梁的安全性评价

李君福 刘俊波

摘要：本文通过盐矿开发利用方案、采区地质条件、采空推演及采区与公路桥梁关系等方面论述了开采对地表公路桥梁的安全性。

关键词：盐矿开采；公路桥梁；采空推演；安全性

1.中堂东腾盐矿基本情况

1.1地理位置及区域地质概况

东腾盐矿位于广东省东莞市中堂镇。距广州市中心50km，距东莞市区中心约11km。东莞盆地区域大断裂不发育，地质构造简单，是一个较为完整且封闭的泥质粉砂岩、泥岩地层盆地。矿区主要沉积了第四系及老第三系砂砾岩、泥质粉砂岩、泥岩地层，沉积厚度在800m以上。主采18、19号矿层埋深在800m～900m，主采盐层厚度约30m。允采标高-789m～-870m，允采面积0.6234km2。采矿二十几年来地质环境相对比较安全稳定。

1.2东腾岩盐矿的地下开采方式及流程

开采方法为钻井水溶法。本矿区的开采生产井是Φ177.8×12mm的J55石油套管，耐压强度可达50MPa以上（实际生产压力在3MPa左右）。开采方式为利用高压采卤泵将淡水注入井管，通过地下溶腔循环，经回卤管汇集至矿部的储卤池，卤水经储卤池从码头直接由船运出销往邻近的用户。优点为采卤工艺简单、卤水开采全程封闭，无副产品排出。高压水充填在溶腔内，可以保持地层压力的平衡，减少开采对地层应力影响。本矿区生产规模为年产NaCl35万吨。自1994年建矿以来，共开采约400余万吨NaCl。矿区至2018年底实际回采率为14%。

2.东腾盐矿开采分析及采空推演

（1）矿区矿床埋藏较深，开采的下岩盐段埋深大于780m，相对隔水层较厚，区内又无断裂带及裂隙发育，主要含水层-第四系含水层与岩盐段之间有较厚的隔水层，其间无水力联系沟通。

（2）盐矿开采设计按相关行业标准留有足够保安矿柱，盐矿开发回采率最终最大值为25%，70%以上的盐层永久保留，为地表公路桥梁的安全能起到保护与支撑作用。采空区有注水回填，可减少开采坍塌。

（3）开采矿层顶底板地质构造评价及采空沉降情况经过严格推演，不会影响到地表设施，盐矿开采引起的地面沉降很轻微。

A.顶板冒落计算经验公式推算法：

结合本区岩性及岩石力学性质，参考《煤炭工业设计规范》中计算顶板冒落带，导水裂隙带最大高度经验公式：

Hc=4M

Hf={100M/（3.3N+3.8）}+5.1

对中1等三井进行计算，结果如表1。

计算结果，冒落带最大高度181.7m，裂隙导水影响最大高度336.7m，导水裂隙均未上延至第四系松散层。据此评价应属安全。

B.顶板坍塌堵塞估算法

一般认为洞（溶）穴的顶板坍塌为穹窿状，当洞腔被完全堵塞，顶板即不坍塌，坍塌高度h1可用下式估算。

V1k=V0+V1；V1=Fh1/2；V0=Fh0；h1=2h0/k-1=10h0

式中：V0—溶腔体积；V1—坍塌岩石体积；K—岩石涨余系数（泥质岩类1.2）；h0—溶腔高度；F—溶腔顶面积。

从公式可知，对于泥岩类则有坍塌高度为溶腔的10倍。但针对盐矿床水溶开采，在水溶过程中，其矿石中水不溶物及矿层夹石则充填溶腔。如果按纯盐厚度10倍计算，假定各井所有矿层都被开采，则井区坍塌高度最大仍距地表有338m。若考虑垂直可采系数0.8及溶腔回采率0.7，则h1=5.6h0，坍塌高度更小。

C.采空塌陷范围预测

岩盐矿石被采出后，地下形成一定的溶洞，原岩原始应力平衡遭到破坏，上覆岩层可能产生垮塌从而引起地面沉降。本矿条件为：

开采深度：793.77m～860m，将来开采总厚度：46.4m，目前开采厚度：14m。

三层矿相互间夹层厚：4.96m～5.36m，10.02m～10.1m，预计采深采厚比：17.24

现开采范围：0.3km2，采空区面积：0.13km2，首采层采深采厚比：61.4

按65°的基岩移动角，采矿许可证0.6234km2的开采范围，预测可能发生沉降的范围为以开采区为中心的外推401m圈定的2.25km2范围。这只是理论预测，根据同类矿山对比，在保安矿柱作用下，实际情况为可能发生沉降的范围要小得多。

按《工程地质分析原理》中处于非充分采动情况下的最大沉降预测公式：

计算开采后引起的地表最大沉降为9.4mm，可见该矿引起的地面变形较轻微。

（4）地面形变监测。共计布设25个地面变形监测点以及3个水文观测点。每一季度监测一组数据，并与前期数据对比分析。从近两年的观测数据可以看出：地表形变在正负5mm左右浮动，没有持续下降的观测点，判断数据浮动是由于地面丰枯水期软基地层及仪器误差引起，盐矿开采对地表无影响（如图1）。

3.开采区对公路桥梁的影响情况

3.1经过矿区附近公路桥梁情况

省道公路S120經过矿区，矿区附近的东江支流跨接大桥名称为槎滘大桥（如图2），是中麻公路、北王公路的交叉，跨越倒运海水道。始建于1988年，2011年改扩建。设计新建槎滘大桥主桥为45+2×70+45）四跨预应力连续钢构，采用分离的上下行桥，半幅采用单箱单室断面，箱梁根部梁高H=4.0m，跨中及边跨端部梁高H=2.0m，引桥为30m标准跨径的先简支后连续预应力小箱梁。

主要技术标准为：

道路等级：公路一级

设计时速：主线80km/h，匝道30/40km/h

凸线内最小半径：主线4600m，匝道150/4050m

道路设计载荷：公路一级

路面结构类型：新建桥梁

抗震设计烈度：地震6级

3.2桥梁与矿区位置关系情况

中堂槎滘大桥东部从中穿过中堂东腾盐矿开采矿区，在垂直深度上距离约800m。大桥桥桩固定在地表下35m处，采矿盐层位置离桥桩位置直线距离700m以上（如图2）。

3.3盐矿开发对地表的安全稳定性评估结论及建议

经现场观察及综合分析研判，盐矿开采深度为-789m以下，槎滘大桥桥墩在离地表35m基岩处，二者相距垂深达754m，开采对桥墩无影响，是较为稳定和安全的。槎滘大桥始建于1988年，2011年改扩建至今，桥梁本身坚固，桥台及桥墩未见位移及裂缝。

综上，本矿区生产井不对地表及地面构筑设施产生扰动，不产生危及地表公路桥梁的不安全因素，开采矿层埋深和盐层厚度理想，开采较为安全。

建议：

（1）生产布井应离公路桥梁大于50m；

（2）建立系统地面沉降监测网络，增加对桥梁地基基岩变形沉降和桥桩沉降监测点，并与公路部门实现监测数据共享。

参考文献：

[1]《广东省东莞市中堂镇中堂盐矿区东向块段岩盐矿床储量地质报告》1994年广东省储量委员会（粤储量决字〔1995〕16号文）