水溶开采诱发盐矿地面沉降机理分析及防治措施

李力宏

摘  要：隨着我国国内采用水溶法开采盐矿的进一步普及，地面沉降地质灾害亦屡屡发生。因盐矿地面沉降一般具持续周期长、影响规模大、破坏性大、突发性强、发生具反复性、发生前后通常伴随地面冒卤等特点，总结发现采空区造成溶腔顶板失稳、岩石节理裂隙或断层发育、溶腔顶板岩体承载力低是水溶开采诱发盐矿地面沉降的三种主要因素，文章从事前预防、事中控制以及事后补救三方面提出了相关的地面沉降治理措施建议。

关键词： 盐矿 水溶法开采 地面沉降地质灾害 事前预防 事中控制 事后补救

中图分类号：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

采用钻井进行水溶法开采盐矿相对传统巷道掘进式开采盐矿具有施工工艺和操作方法简单、所需劳动力少和生产成本低、开采效率高的特点，目前已成为我国盐矿普遍采用的采矿方式[1]，特别是在近十年来进一步普及。但水溶法开采盐矿随着盐矿层陆续被采出，原有的地应力平衡状态随之会被打破，采空区上覆岩土层在开采过后必将产生垂直方向和水平方向的位移，反映在地表上将出现不同程度的地面变形。故盐矿地面沉降地质灾害现象现今易发生，已成为对人民群众生命财产安全造成重大威胁的一种地质灾害，已引发社会广泛关注。

国内外许多学者对水溶法开采诱发盐矿地面沉降地质灾害进行了不同程度的研究，并已获得较多有价值的成果[1-3]，但以往的研究多数往往只从定性上阐述盐矿地面沉降发生的过程，而对其发生机理未做出系统分析和总结。通过找寻地面沉降发生的特点，分析和总结地面沉降的发生机理，对于在以后的采矿工作中最大限度地将盐矿地面沉降控制在允许范围内，防止发生大面积地面沉降甚至是地面塌陷的现象，对于盐矿可持续发展、防止诱发大规模地质灾害发生，保障人民群众生命财产安全等具有重大意义。

1 水溶法开采诱发盐矿地面沉降的特点

分析近几十年来国内盐矿发生的一些较大的地面沉降地质灾害实例[4]，发现水溶法开采诱发盐矿地面沉降一般具灾害持续周期长、影响规模大、破壞性大、突发性较强、易反复发生、发生前后通常伴随地面冒卤等几个显者特点。

1.1灾害持续周期长，影响规模大

一旦地面沉降发生，必将对上覆岩土体造成破坏，相应岩土体的承载力会出现下降，而随着地表长时间持续移动，地面沉降影响范围势必将持续扩大。例如：1992年湖北应城盐矿发生沉降后，直到1999年地面变形都在发生[4]。由于盐矿开采深度一般较深，故地表沉降影响规模一般亦较大，地表影响范围在几千平方米比较常见。

1.2破坏性大，突发性较强

盐矿地面沉降一般均具有突发性，且因发生时位移剧烈，故带来的破坏性亦比较强烈。地面沉降往往造成地面工业设施和居民房屋等建筑物的变形或损坏，房屋不能居住，周边水井干涸，地质环境遭受极大破坏。同时，地面沉降时喷出的卤水对地下水与土壤环境会造成长期污染，使地面沉降区周边长时间的土地盐碱化，造成农作物减产，地质环境恢复十分困难，造成的经济损失巨大。

据部分监测统计结果，地面沉降区垂直位移多在1～2 mm/d，极个别的可超过100 mm/d以上[4]。一般在地面沉降出现之前较长的一段时期内，发生灾害的一些预兆未能被发现甚至完全被忽视，导致及时预警或预报灾害的发生十分困难，故灾害突发性强。

1.3沉降易反复发生

地面沉降往往对上覆岩土层造成毁坏，致使其结构破坏，容许承载力随之会大大减小，同时会破坏采卤钻井或井管，而钻井受到破坏后井中的卤水会浸入上覆岩土体中，又会加速软化上覆岩土体，这样在外力及其它各种因素的综合作用下极易发生再次地面沉降。例如：云南凤岗盐矿在十八年内发生过三起较大规模的地面沉降，安徽定远盐矿在四个月内连续发生过两次较大的地面沉降，1992年和1999年湖北应城盐矿14～15井组区发生过两起大的地面沉降[4]。

1.4地面沉降发生前后通常伴随地面冒卤

通常情况下，发生地面沉降的区域或周边均会伴随地面冒卤。当地下钻井中的卤水上涌进入到上覆岩土层时，因卤水具有较高的压力，同时会通过井孔或岩层裂隙形成的地下通道携带一定数量的泥沙至地面，随着上覆岩土层中的泥沙不断被带走，久而久之地下通道不断扩大，地而沉降随之加剧。如湖南湘澧盐矿一采区地面沉降发生时，有7处地面出现冒卤现象，卤水喷出井口的高度超过3米；应城盐矿1992年地面沉降发生时，一个月内喷冒达两万多方卤水。

2 水溶法开采诱发地面沉降的机理分析

水溶法开采诱发盐矿地面沉降的影响因素众多[5]，归纳起来一般有下述三方面原因。

2.1采空区造成溶腔顶板失稳是发生地面沉降的根本原因

据有关数据统计，国内盐矿区盐矿层的埋藏深度多介于200～600 m间，埋藏深度均不大。在实际开采过程中，随着开采的不断持续，采空区亦不断扩大，一旦开采不规范，例如没有按设计要求的井距、井数开采，未留足矿柱安全距离或采高过大，致使溶腔顶板面积过大，导致溶腔顶板失稳造成顶板垮塌，冒落带和裂隙带不断发展贯通至地表，从而造成地面沉降。

2.2岩石节理裂隙或断层的发育是加剧地面沉降发生的重要因素

盐矿地面沉降的发生与岩石节理裂隙或断层的发育有着十分密切的联系，可以说岩石节理裂隙或断层的发育程度在一定程度上控制着地面沉降的发生规模。在实际开采过程中，应在勘察阶段查明矿井附近的岩石节理裂隙和断层的分布。一旦矿井布设在断层附近或岩石节理裂隙发育地带，采用水溶法采矿则可能因井管破（断）裂或钻井施工等各种原因将地下的高压卤水渗入到周围岩土层中。渗入到周围岩土层中的高压卤水又通过附近断层或岩石中发育的节理裂隙，不断侵蚀软化岩土体，岩土体承载力降低，加之采空区的存在，久而久之致使顶板坍塌，诱发地面沉降。因此，矿井附近地质构造条件应作为设计开采方案的重要依据，应尽量避免在断层附近或节理裂隙发育地带布设矿井。

2.3溶腔顶板岩体承载力低是导致地面沉降发生的另一重要因素

国内盐矿溶腔顶板岩体一般多为泥岩、砂页岩等，属软质类岩石，其本身抗压强度低、抗剪强度不高、承载力低，加之遇水易软化，易崩易塌，是导致地面沉降发生的另一重要因素。例如湖南湘衡盐矿溶腔顶板为下第三系泥岩夹砂页岩，于2022年9月顶板发生垮塌进而发生地面沉降。

3 水溶开采诱发地面沉降的防治措施

水溶开采诱发盐矿采区地面沉降的防治是一个系统工程，防治难度是非常大的。在矿井开采前、开采施工过程中、地面沉降灾害后三个不同的阶段，应采取事前预防、事中控制、事后补救的针对性措施，防止地面沉降的发生。

3.1事前预防措施

3.1.1注重矿井选址

首先在盐矿开采之前，设计阶段要对拟布设矿井的区域周边的地质构造特别是断层和节理裂隙的发育和分布情况进行详细勘察，查明矿井区隐伏断层和节理裂隙的发育和分布。钻井布设时应尽量避开隐伏断层和节理裂隙等不稳定区域，避免因钻井布设在隐伏断层附近和节理裂隙地带进而影响到溶腔顶板稳定。

3.1.2注重科学设计

国内盐矿大多属于浅埋型，其地质结构往往相对复杂，因此开采设计时要注重合理设计开采方式，控制好溶腔跨度。应严格设计控制好钻井的距离和位置，采用先开采深处的盐层再开采浅处的盐层即自下往上开采的工艺，要严格控制采空顶板的跨度，保证合理的溶腔高度，设计预留好足够厚度的安全矿柱，防止开采时因溶腔顶板不稳定而造成垮塌，发生地面沉降地质灾害。

3.1.3注重安全预案

为防范突发性灾害发生，施工前应制订好安全生产应急预案，对管理层和作业人员全面普及安全生产和自救知识，提高全员安全意识。

3.2事中控制措施

3.2.1严格按设计组织矿井施工

在采用水溶法鉆井施工时，施工单位应严格按设计方案布置的井组距进行施工。若井组距过大势必会造成溶腔顶板不稳定，增加地面沉降潜在风险；若井组距过小将造成资源上的浪费，降低企业利润水平。

3.2.2防止卤水渗透到岩土层中

由于岩石中可能发育节理裂隙，为防止地下的高压卤水沿井管或溶腔渗入到周围岩土层中，侵蚀软化岩土体，应保持溶腔和井管良好的密闭性。保持溶腔和井管良好的密闭性不但可避免卤水流入到周围岩土层，还可维持注、采井系统的高压，使上覆岩土层得到支撑。

3.2.3严格卤井报废措施

为确保溶腔的密闭性，要求钻井采卤结束后对卤井及时进行妥善处置。方法是先用水泥封堵矿层顶板及矿层上覆岩土层，再将钻井内充满卤水，利用卤水和沉渣来起到支撑上覆岩土层的作用，减轻岩土层变形和地表变形，防止地面沉降的发生。

3.2.4做好注水井和采卤井管的检测维修工作

因岩层与第四系土层上下地层变形不一致，其交界处井管通常会因此导致井管断裂，定期对此处的采卤井管进行检测，发现井管破损要及时进行处理。同时注意监测注水井和采卤井的出水量或浓度异常等情况，发现出水量不一致或浓度异常时，分析原因，找出解决办法。

3.3事后补救措施

3.3.1做好沉降监测

包括布置自动化智能监测设备GNSS进行沉降与位移监测，地下水与地表水的长期动态监测（水位动态变化、取样进行化验分析等），派专人进行巡视与简易监测，发现变化及时预警预报。

3.3.2做好搬迁避让

对沉降区内受威胁对象宜应搬尽搬，坚决杜绝人员群死群伤事故。

3.3.3科学应对应急突发情况

对地面变形出现的裂缝及时采用粘性土进行夯实填埋处理，对因地面沉降诱发的次生灾害及时消除安全隐患。

4 水溶法开采诱发盐矿地面沉降预测

造成盐矿地面沉降的原因及控制因素较多，表现各不相同。由于盐矿地面沉降在时间上和空间上一般具有不连续性的特征，与连续性的变形是完全不同的。目前，国内虽然制定了井矿盐矿山开采安全操作规程作为盐矿开采行业的统一开采安全规范，同时利用三带理论进行定性分析预测，但要从理论上预测盐矿地面沉降仍具有一定的难度。为进一步分析和探索盐矿地面沉降的机理，采取针对性措施减少地面沉降带来的损失，利用前人在材料试验、数值模拟、三带理论等方面的研究成果，利用微地震检测技术[6-7]、自动化智能监测等技术设备进行地面沉降预报预警是十分必要的。

4.1材料试验

在水溶开采诱发盐矿地面沉降机理及预测研究方面，以任松的材料试验为代表。对水溶开采的盐矿地面沉降过程，任松利用相似材料试验进行模拟，分析了溶腔的变形破坏发展规律与岩土层的移动间关系，系统总结了控制盐矿地面沉降的几大因素，指出在盐矿开采过程中要严格控制井数与井组距，保护好溶腔顶板，防止溶腔顶板垮塌。此外，对溶腔顶板的力学性质开展室内研究，摸清溶腔顶板的强度特征和蠕变机理，有助于查明地面沉降发生的内在原因。

4.2数值模拟

和室内材料试验不同的是，采用数值模拟能更快捷地分析了解诱发沉降的更多机理，如矿井距离、卤水压力与浓度、溶腔顶板跨度及多井开采效应等。任松开发了针对盐矿水溶开采诱发地面沉降的2D-Sink研究软件，研究了角度效应、断层效应、层理效应等与开采沉降的关系，总结分析了各因素对地面沉降的影响；此外，范育青、李学峰等通过 AN-SYS数值模拟[8]，分析研究了溶腔顶板跨度及溶腔内卤水压力等对溶腔上覆岩层的影响，验证了溶腔内卤水压力对于顶板的保护作用，说明盐矿在浅层开采时要注意控制好溶腔顶板跨度，在深部开采时则可适当相对加大溶腔顶板跨度。

4.3三带理论分析

按照以往在矿山开采工程中常用的三带理论应用经验，当裂隙带和冒落带总厚度超过岩层总厚度时，则可初步判断矿山开采会引发岩层失稳，从而发生地面沉降。但总的来说，矿山开采的三带理论只能粗略分析判断开采诱发的地面沉降范围且精度不够，一般在矿山开采初期阶段可用作地面沉降初步评价依据。

4.4灾害预报预警

地面沉降发生之前常会有一些预兆，例如：矿井地表或附近区域、水井出现冒卤现象，注采井卤水浓度及压力异常变化，地下出现沉闷的岩层断裂声，甚至局部地面下沉、建筑物开裂变形等现象，均可作为地面沉降发生前的预兆。

同时，在盐矿开采过程中，利用微地震检测技术、电震成像技术[9]、地震波勘探等方法可以查看地下采空区域的分布，还可以利用自动化智能监测设备进行地面沉降与位移监测，对可能出现的溶腔顶板失稳和地表变形进行危险性预测分析[10]，在沉降发生之前采取相关措施进行智能监测与预警[11]，以减少地面沉降带来的损失。

5  结论

水溶开采诱发盐矿地面沉降的机理复杂多样，本文总结了水溶开采诱发盐矿地面沉降的三种主要发生机理，得出以下结论。

（1）水溶开采诱发盐矿地面沉降一般具灾害持续周期长、影响规模大、破坏性大、突发性较强、易反复发生、发生前后通常伴随地面冒卤等几个显者特点。

（2）总结了水溶开采诱发盐矿地面沉降的三种主要发生机理：采空区造成溶腔顶板失稳、岩石节理裂隙或断层发育、溶腔顶板岩体承载力低是水溶开采诱发盐矿地面沉降的三种主要机理。

（3）通过对水溶开采诱发盐矿地面沉降的机理分析，提出在矿井开采不同阶段，应采取针对性措施，防止地面沉降的发生。建议在方案设计中注重矿井选址，注重科学合理设计，做好安全预案；要严格按设计组织矿井施工，防止卤水渗透到岩土层中，做好注水井和采卤井管检测维修；布置自动化智能监测设备进行沉降监测、做好搬迁避让等。

（4）为进一步分析和探索盐矿地面沉降的机理，采取针对性措施减少地面沉降带来的损失，利用前人在材料试验、数值模拟、三带理论等方面的研究成果，利用微地震检测技术、自动化智能监测等技术设备进行地面沉降预报预警是十分必要的。

参考文献

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[8]  范育青，李学峰.水溶开采沉陷三维有限元模拟研究[J].化工矿物与加工，2008，37（9）：22-24，29.

[9]  王康东.基于地震成像技术的矿山采空区探测研究和应用[D].合肥：中国科学技术大学，2023.

[10]  王联军.采空区地面塌陷危险性预测[J].新疆有色金属，2019，42（1）：62-63.

[11]  王社光，杨志强，王立杰，等.采空区地表沉降智能监测与预警系统研究及应用[J].现代矿业，2023， 39（4）：132-134，139.