摘要：某地膏盐矿资源开采历史较长，但由于在以往的开采过程中，原地方国有制盐企业采卤盐井质量差，废井未经处理封堵，造成废井周围地面冒卤涌水，使浅部地层风化带粘土岩受到侵蚀软化和冲蚀掏空，造成废井周围地面塌陷、地面沉降及地下水污染等地质灾害。笔者在地质灾害调查基础上，研究盐矿区地面塌陷机理，为后期的治理工作作参考。
关键词：塌陷；机理
1盐矿区塌陷现状
某地地下膏盐储量丰富，开采时间较长，是我国主要的膏、盐化工业基地之一，在早期的老国营矿山开采过程中，盐井、管材质量差，套管固井质量不好，生产技术管周边串水，卤水外漏，污染耕地；卤水采完后，盐井也未按规程封堵处理，形成废井。废井井管长期受盐水氧化而破裂，使上部第三系半固结的砂岩、砂砾岩、粘土岩及第四系砂质粘土、含砾中粗砂沿井管破裂处冲蚀掏空，形成与地下溶腔联通，极易造成地面塌陷和地面沉降等地质灾害（图1、2）。
图2采卤区地面裂缝
2盐矿区塌陷勘查
2.1采卤区地面塌陷
为了能全面调查与分析该塌陷区的形成原因，地面塌陷勘查范围为一对开采井的影响范围及对周边可能有影响的范围，面积约84142.46m2。
（1）盐井相关参数
开采层位岩层顶板埋深约470m，底板埋深约490m，开采量约20吨/年。根据收集的相关资料，盐井采用定向水平井连通水溶开采法（见图3），开采对井井距：299米，井深：768.41米，开采井表层套管：244.5x10.03，下深：128.38m，1开采井技术套管：177.8x8.05下深：486m，1开采井表层套管：244.5x10.03，下深：125.66m，16井技术套管：177.8x8.05，下深：479.71m，造斜深度380m。
图3 定向井开采法示意图
（2）钻探及室内实验成果分析
根据收集资料，塌陷区共布置钻孔2个，钻孔深度90-100m左右，并采取土样、扰动样进行易溶盐试验，测定各含水层含盐量，试验发现，塌陷区位置地表水被污染，随时间的推移，矿化度增大，塌陷区北侧地表水由于与塌陷坑连通，也被污染，属咸水。观测井中地下水污染不严重，矿化度较低，属微咸水。
（3）综合成果分析
根据地质测绘、直流电测深、瞬变电磁法、陆地声纳、可视电视、钻探及收集资料显示，塌陷区覆盖层为耕植土、粘土、含泥沙卵砾石层，厚度100m左右。下伏基岩为泥岩、泥质粉砂岩、膏盐岩等，采矿区顶板稳定性较好。该井技术套管107米以上，未见明显破损和移位。第四系地层受盐水浸染呈东西向展布，主要为WT5、WT6、WT7测线，塌陷范围以内水质污染较严重，污染面积约22769.76m2，居民区范围内地下水未见明显污染。
（4）塌陷成因分析
根据勘察资料，前期对开采井进行测井，仅能测到297m，由此分析：技术套管297m以上未见明显断裂、位移，16#井技术套管于297m处断裂、位移；受条件限制，井下电视仅能测107m，由井下电视可见技术套管107m以上未断裂、位移；由本次物探资料显示：采空区顶板稳定性较好，开采井附近20-50m有明显含盐层，钻孔亦对其进行了验证。年初采盐过程中，已经出现明显异常：采压起不来，注水井边采盐井等现象。
综合分析该塌陷区成因：首先过度开采导致溶腔过大、开采深度偏大，在技术套管下部周围盐层开采溶解掏空后导致技术套管在重力作用下于297m左右断裂、位移，此后在盐井开采过程中，297m左右处形成溶腔、孔洞，同时水流沿井壁外侧向上进一步侵蚀掏空井周及水泥环，沿优势面一直侵蚀到50m左右，注水过程中，盐分进入第④、第⑥、第⑧层第四系孔隙含水层，抽水过程中，水流将细粒物质带走，形成空洞，其规模不断扩大，空洞上部土层首先应力增长，最后导致地面塌陷。经过调查分析，勘察区地面塌陷的形成主要原因：①开采导致溶腔过大；②套管过短，16#井表层套管下深125.66m。
2.2采卤区农田自流冒卤
某采卤井附近稻田发现秧苗枯萎，巡查时发现稻田内有自流冒卤现象，有两个主要冒卤点。根据现场工作条件和勘查技术工作的需要，针对性地布置物探工作，南北向布置测线5条，东西向布置测线5条。综合高密度电法、瞬变电磁、地震面波勘探资料成果，推测冒卤点和YⅢ-4井下30～60米范围内有含卤水松软地层或空腔现象，综合分析推测高度2～8米。
2.3采卤区地面塌陷
为了能全面调查与分析该塌陷区的形成原因，本次勘查范围为采卤井的影响范围及对周边可能有影响的范围，面积约0.16km2，勘查工作运用多种技术手段作业，包括资料收集、塌陷区变形监测、地下水监测、地形图测量、地面调绘、工程物探、钻探、原位测试、室内土工试验、水质分析等。根据实验结果，四个钻孔易溶盐试验都具有明显的规律性，地表以下65-95m左右在砂类土（岩）地层中，含盐量显示异常，含量突然增高，也比正常地层高得多，其下部含盐量也显示正常，说明该段明显有卤水侵入，造成了含盐量变化，形成了土洞，因无前期钻孔地质资料，这些砂土层原本厚度不详，无法判断塌陷前形成的土洞高度；
本次物探采用瞬变电磁、直流电测深和高密度电法、地震面波法相结合的方法，相互验证，根据物探成果，塌陷区下部存在含卤水空腔；钻探表明，塌陷区土层为压缩性小的土层，塌陷区主要塌陷部位为采卤井向周围进行扩张发展。土样易溶盐实验结果，地表以下70-99m左右地层被卤水入侵；地面变形监测显示塌陷区仍在缓慢变形；地下水监测可排除由于开采地下水引起的地面塌陷。
3水裂法采盐引起的地面塌陷成因机制分析
水裂法采盐引起的地面塌陷具有突发性特点，主要受矿区地层结构，采卤井密度和使用情况，以及地面荷载条件等因素控制。这些因素决定了地面塌陷及地面沉降的分布规律和活动强度。此外，人类在采盐生产中违反规程，疏于管理也是造成地面沉降的主要因素之一。
3.1地面沉陷形成条件
（1）矿区地质条件与地面沉陷的关系
矿区处于扬子准地台上扬子台坪的两湖断陷，为一平缓向斜构造，褶皱断裂不发育。地层产状较稳定，走向74°～83°，倾向南东，倾角3°。地貌单元属岗地，地势东高西低，地面高程43～55m，为岗地与坳沟的过渡地带。地层0～14.6m为第四系中更新统棕黄色粘土，14.6～90.9m为上第三系粘土岩、砂岩、砂砾岩互层，90.9～270m为下第三系云应群文峰塔组泥岩和泥灰岩，其下为膏盐组地层。目前开采盐层深度为300～800m，开采层位共计13个采层，采层一般厚3～7m，已在地下不同层位形成规模和形态各异的溶腔数百个。
区内上第三系地层透水性较好，地表出露第四系中更新统粘土，透水性差，构成其相对隔水顶板，是注入水和高压卤水上涌至浅部地层形成淡卤高压区必备的盖层条件。
（2）采卤井的使用情况与地面沉陷的关系
目前采用钻井水溶水力压裂法开采地下岩盐，正常采卤时注水压力为2～3Mpa。沉降区采卤井在地面沉降发生前均在正常开采取卤，经长期开采，部分井管腐蚀严重；加之，受采动等因素的影响，浅部地层应力平衡受到破坏，在应力重分布过程中，对井管产生横向或纵向的剪切或拉伸作用，进而，在地表以下78～395m范围内出现多处井管错断现象（据测井资料），浅部井管错断，为注入水和高压卤水串入上部地层提供了便利的条件。
（3）地面荷载与地面沉陷的关系
沉陷区内有数个反应罐和净化池以及地面建筑设施。其中反应罐运行时，施加于基础底部土层的平均静荷载约210Kpa（不含动荷载）；而区内地基土层在0～3.5m处承载力250Kpa，两者相当接近，较大的地面荷载是加剧地面沉降的主要外在因素。
3.2地面沉陷形成机理
综上所述，采卤区地面沉陷产生主要原因是：
（1）浅部地层受卤水井开采等因素的影响，原有地应力平衡遭到破坏，在应力重分布过程中，浅部地层产生水平和纵向位移，对采卤井的井管产生横向的挤压和剪切作用，使套管产生变形或断裂；加之采卤井使用时间过长，容易使井管腐蚀穿漏。
（2）采卤井内注入水或高压卤水沿井管裂口串出套管外，通过井壁与岩层之间错动裂缝与上第三系含水层沟通，在第四系中更新统岩层底部，即相对隔水层以下地层中形成淡卤高压区，与盐矿水采地下岩盐形成的溶腔形成一个闭合体。在风化带及粘土岩受淡卤侵蚀软化层位，地层强度急剧降低。
（3）地下井管错断，采卤井照常开采，致使周围的土体经侵蚀软化后随管内水流冲入溶腔或被携带至地表，长此以往，逐渐在断管周围形成空洞。尤其以浅部断管形成的空洞极易引发地面沉陷。
（4）采卤井卸压作用是地面沉陷的诱发因素之一。在正常条件下，浅部地层在地下淡卤水体高压浮托力支撑下具有较强的承载力，突然卸压，上部岩土体失去水体浮托力，浅部被软化地层在自重及地面荷载作用下被压密；浅部高压淡卤通过上覆第四纪地层裂隙或民井涌出，并携带大量泥砂和砾石，在浅部地层中形成空洞，最终导致地面沉陷的发生。
4结束语
事实上，水采法采盐在国内诱发的地面沉陷有三种模式，除目前该市发生的地面沉陷外，还有由于采高过大，层层溶腔顶板跨塌或崩落和由于构造发育，矿层较浅，注水采卤引起断层活化，造成的地表阶梯状塌陷。从目前该市水采盐矿的实际情况分析，溶腔之间的串通和局部跨塌是存在的，因此不能排除进一步开采造成溶腔扩大，溶腔顶板跨落，从而诱发地面沉陷的可能。
作者简介：赵菊花，女，1987年02月生，海南省东方市人，汉族，本科，中级工程师，从事水工环地质专业工作。
论文作者:赵菊花,盛灿
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
标签：地面论文; 地层论文; 套管论文; 卤水论文; 盐井论文; 粘土论文; 盐矿论文; 《基层建设》2018年第36期论文;