娄庄矿段稳定性评价及其引发矿山地质环境问题分析

胡河民，李志国

河南省有色金属地质矿产局第四地质大队， 河南郑州 450016

0 引言

平顶山盐田位于河南省中部的叶县和舞阳县境内，西起叶县任店乡，东至舞阳县姜店乡，东西长40km，宽约10km，含盐面积400km2。尽管全国盐业生产已近饱和，但河南省工业盐近90%需从外省调入，制盐业发展余地大。盐业开采多采用盐溶水采。井下连通方法过去主要以自然连通法、压裂连通为主，矿石回收率18%～20%，随着钻探技术的发展，双井定向连通及多井组定向连通已日渐成熟，成为主要的开采方式。压裂法产生的压裂缝不可控制，可能产生垂向裂缝，破坏顶底板及矿层，当压裂不成功时，对固井井管有破坏作用，风险大。定向连通可以在盐层底部连通，建槽时间短，产量大。随着开采技术的发展，矿山开采产生矿山地质环境问题也随着发生了改变，岩盐地下开采，除了常规地下开采矿山采空区（溶腔）稳定性问题，并且岩盐开采与煤矿开采多有不同，如采空区（溶腔）形状不同，溶腔的充填状态，还有因地下开采失稳造成污染问题。需要客观的评价盐矿开采采区的稳定性及产生的矿山地质环境问题，为企业提供矿山地质环境保护、监测与恢复治理提供重要科学依据，同时为矿山生产提供服务。

1 矿区地质

1.1 区域地质构造条件

平顶山盐田位于河南省叶县境内的舞阳凹陷内，河南省叶县平顶山盐田娄庄矿段，属于平顶山盐田的一部分，位于盐田东部，矿段西部与田庄矿段相邻，面积为6.62km2，舞阳凹陷位于周口坳陷的西部，属坳陷中的二级负向构造单元。该凹陷东邻平舆凸起，北以叶鲁大断裂为界与平顶山凸相连，西南部为豫西隆起区。

舞阳凹陷是在海西期侵蚀面基础上，在嵩箕、伏牛山两个古复背斜之间的古复向斜上发育起来的新生代凹陷。该凹陷东西长120km，南北宽15km ～20km，面积1900km2。

1.2 矿区地质构造条件

娄庄矿段位于舞阳凹陷西南部斜坡带，为向北倾斜的单斜构造。倾向7°左右，倾角9°～17°，断层不发育，构造复杂程度简单。

1.3 矿区地层条件

舞阳凹陷是以新生界为主体的沉积凹陷。地层自下而上分别为古近系玉皇顶组、大仓房组、核桃园组、廖庄组、新近系上寺组、第四系。矿区地表为第四系平原组Qp 覆盖，岩性主要是杂色砂砾层，浅棕黄色粘土层。表层为浅褐色种植土、砂土。穿见厚度135.50m ～169.20m；古近系玉皇顶组（E2y）岩性为砂泥岩、白云岩与泥岩互层，本段地层厚1943m；古近系大仓房组（E2d）岩性为杂色砂砾岩、砾岩、局部夹棕红色、紫色砂质泥岩、粉—细砂岩，本段厚度大于1200m；古近系核桃园组（E2h）分来三段，核三段（E2h3）岩性为杂色砂泥层互层。本段地层厚783.9m ～986.0m。核二段（E2h2）岩性为灰色泥岩、石盐岩、含膏泥岩，厚度489m ～1070m。核一段（E3h1）岩性为灰色泥岩、石盐岩、含膏泥岩，厚度200m ～1138m；古近系廖庄组（E3l）岩性为杂色粗粒状砂泥岩互层，厚315m ～869m；新近系上寺组（Nsh）岩性为浅黄色、灰黄色、杂色细砾岩、砾状砂岩与灰黄色、棕红色泥岩呈不等厚互层。厚度为300m ～800m。

2 矿体特征

岩盐矿区面积6.62km2，东西长约4.6km，南北宽约1.85km。矿段矿层仅赋存于古近系核桃园组一段，埋深935.00m ～1381.05m，矿体分布稳定，盐矿层自然单层厚度最小0.35m，最大17.65m。单矿层厚度一般在2.00m 以上。共划分了44 个工业矿层21 个盐群。

矿体产状比较平缓，倾向7 ° 左右，倾角一般9 ～17°，矿体顶底板为泥岩、膏质泥岩。泥岩类抗压强度平均17.59MPa；抗拉强度平均1.39MPa；抗剪强度 为2.00MPa ～11.00MPa，平 均 为5.10MPa；凝 聚 力为2.00MPa ～11.0MPa，平均为5.10MPa；内摩擦角为32°31′～37°02′，平均34°39′；膏质泥岩类抗压强度平均31.89MPa；抗拉强度为0.70 ～2.43MPa，平均1.44Mpa；抗剪强度为3.10MPa ～8.70MPa，平均为5.48Mpa；凝聚力为1.00MPa ～2.40MPa，平均为1.59MPa；内摩擦角为32°44′～37°42′，平均34°31′。

3 矿区水文地质条件

3.1 含水层

主要含水层为古近系核桃园核二段、核一段、廖庄组、新近系上寺组、第四系含水层，其特征如下：

1）核二段砂岩含水岩层：主要由中粒砂岩、细粒砂岩组成，间夹于泥岩中，顶板埋深1518m，厚度大于280m；

2）核一段砂岩含水层：为盐矿底板含水层，由细粒砂岩、中粒砂岩组成，埋深平均1169m，底板埋深平均1180m。厚度平均10.75m，富水性弱；

3）廖庄组砂岩含水层：为盐矿顶板含水层，主要以粉砂岩为主，间夹于砂质泥岩、泥岩之间，富水性微弱；

4）新近系上寺组砂岩含水层：主要细粒砂岩组成，单层厚度平均11.08m，累计厚度平均40.0m，单井涌水量为1000t /d ～3000t／d，渗透系数1m/d ～5m/d，富水性中～强；

5）第四系砂砾石含水层：由砾石、砂砾石层、细粒砂岩组成，单层厚度平均7.9m，累计厚度平均58.2m。单位涌水量0.9652l/s•m，渗透系数3.07m/d。

3.2 隔水岩组

1）核二段顶部隔水层：隔水层岩性含膏泥岩、泥岩、砂质泥岩、页岩和含灰泥岩。隔水能力强；

2）核一段隔水层：隔水层岩性顶部以泥岩、砂质泥岩为主，局部夹粉砂岩，中下部为上述泥岩类岩石与盐岩互层。隔水能力较强；

3）廖庄组顶部隔水层：隔水层岩性为泥岩，砂质泥岩隔水性能较好；

4）上寺组顶部隔水层：隔水层岩性为泥岩。由于上寺组和下更新统角度不整合接触，使部分地带上下含水岩组直接接触，产生一定的水力联系；

5）第四系隔水层：隔水层岩性为粉质粘土、砂质粘土。隔水层厚度占第四系厚度的50%以上，隔水性能稳定，可有效地阻断第四系含水层水的下渗。

3.3 盐矿层水文地质特征

1）本矿段含盐层系为泥岩类岩石与石盐岩互层；石盐岩结构致密，泥岩中发育有层面裂隙和垂向张裂隙，张裂隙不穿过不同岩性的相邻岩层，而且张裂隙多被石盐和石膏充填，除局部含裂隙水外，一般不含自由重力水，对开采没有影响；

2）含盐层系直接顶板为核一段（E3h1）顶部的泥岩，砂质泥岩，为很好的隔水层。在保持顶板稳定的情况下，上覆廖庄组（E3l）地下水对开采无影响；

3）含盐层系直接底板为砂质泥岩、泥岩，据相邻田庄矿段资料，厚度平均13.65m；含盐层系直接底板以下50m 深度内为砂质泥岩夹粉砂岩，粉细砂岩厚度平均10.25m，结构致密，颗粒细，微含地下水，对盐矿床开采影响甚微。

3.4 充水因素分析

矿体埋藏深度为935m ～1381m，矿体封闭条件好，矿体内部无含水层，未见矿体受地下水溶蚀破坏现象。矿区北有叶鲁大断裂，东有姜店断层，西南有坟台断层所封隔，这些断裂均为高角度正断层，断层两盘为泥质岩或塑性岩相接，导水性弱，使矿床处于封闭环境中。

地表水对矿床无充水现象。据地震剖面资料，矿区范围内未见断层通过，在含盐地层内局部见垂直层面的裂隙，此裂隙延伸不远，且受控于顶、底板的泥质岩隔水层，矿床充水条件差。

矿山开采方法为钻井水溶法，采用双井定向连通的生产工艺，随着时间及开采的深入，会形成裂隙带及冒落带，可能会沟通矿体上部的含水层，生产过程中对地下水产生疏排作用。

4 矿山地质环境的影响分析

矿山采矿活动，形成了开采溶腔，破坏了原有岩体稳定条件及应力分布情况，溶腔内充满高压卤水，一但溶腔内的力学平衡遭到破坏，造成上覆岩体失稳，形成陷落，冒落带及裂隙带的扩展，一方面卤水进入上覆岩层，会对上覆岩层的含水层造成污染，另一方面抽取卤水过程中在含水层与溶腔被导水裂隙沟通后，采矿过程中会对上部含水层有疏排作用，过度对地下水的抽取，会造成区域性地面沉降地质灾害；同时，卤水对抽卤井及注水井的腐蚀，破坏了井壁，卤水由井壁破裂处进入岩层的含水层，对地下水造成污染。另外溶腔上覆岩体失稳造成上覆岩体移动、变形，在溶腔范围及周边形成地面沉陷，直接影响到地面建筑及工程设施的安全。对于矿山地质环境的影响我们可以从多方面综合分析，首先是矿山开采稳定性，主要是失稳后对矿山地质环境的破坏，涉及到失稳造成的地质灾害（地面塌陷）问题，可以从矿床开采技术条件、开采工程布置及参数的合理性（主要是溶腔的稳定性），上覆岩层稳定性及变形等方面来考虑；其次是失稳或破坏后造成的环境问题，这个主要是环境污染问题，主要是矿山开采造成的变形，破坏了卤井及运输管道的完整性后，随之而来的是对环境的污染问题。

4.1 矿山开采稳定性分析

4.1.1 开采技术条件

当前国内常用的水采方法可分为单井对流法和双井(多井)连通法，强制连通又可分为定向钻井连通法和压裂连通法。

平顶山盐矿的特点主要表现为矿层厚度大，埋深大，品位较好，夹层少，属于开采条件较好矿床。以往多采用单井对流为主、双井连通为辅的水采工艺，存在很多问题，主要是卤井使用寿命短，堵管埋管事故时有发生。主要原因是盐层迅速上溶，侧向溶解不够，致使溶盐后的泥质沉碴迅速堆积，可能埋管堵管，上溶还造成技术套管暴露悬空，注水时的振动造成井管之间碰撞疲劳而折断。即使最后自然连通，但连通往往在盐层上部，形成下部盐层的埋矿损失，井组采出量大为减少。

本矿山采用直井和水平井组合的定向钻进连通水采法。这样矿山开采对溶腔的大小，矿山生产井自身的安全处于可控状态，有效避免了因矿山开采技术条件引发的矿山地质环境问题。

4.1.2 溶腔稳定性评价分析

水溶开采盐矿，形成拱状形态的溶腔，破坏了原有围岩体的受力状态，顶板受力超过顶板强度时，顶板会失去稳定性，产生了破裂和坍塌、冒落等现象，从而影响到水溶开采。溶腔的稳定性除与其埋藏深度、围岩强度有关外，还受到溶腔跨度的制约。需确定合理的溶腔跨度及保安矿柱宽度。

4.1.3 溶腔最大跨度

1）溶腔顶板完整，产状平缓，根据弹性理论，按固端梁公式估算溶腔最大跨度（b）：

式中，b-溶腔最大跨度（单位m）；

σ 拉-顶板岩石抗拉强度（单位MPa）；

r-顶板岩石密度（单位t/m3）；

H-溶腔顶板埋深（单位m）。

2）溶腔顶板中间有裂缝时，稳定性最差，其最大跨度根据弹性理论按悬臂梁公式估算：

4.1.3.3 采用小窑采空区顶板稳定性评价方法，估算溶腔最大跨度：

式中，Φ-顶板岩石内摩擦角，

H-溶腔顶板埋深。L032 井为935.00m，L072 井为1009.05m

按上述3 个公式估算结果，溶腔最大跨度为86.4 ～219.6m，矿山开采溶蚀直径为100m,满足开采最大溶腔的要求。

4.1.4 上覆岩层稳定性影响分析

1）地层条件

含盐层系为核一段地层。矿层呈固态产出，钻探未发现卤水层。单层厚度4.50m ～17.65m。含盐层本身没有含水层。含盐段直接顶底板均为含膏泥岩，厚48.5m ～63.98m，具有良好的隔水性，使含盐层形成一个自身的封闭体系，泥岩类岩石结构致密，水平层理发育，层间连结能力差，垂向张裂隙发育，且多被石盐或石膏充填。

2）区域地壳稳定性

根据国家质量技术监督局发布的中华人民共和国国家标准GB18306-2001《中国地震动参数区划图》（河南省部分），本区地震动峰值加速度为0.05g，相应的基本烈度为Ⅵ度，区域地壳属稳定区。

3） 开采临界深度（安全深度）分析

矿体开采后，顶板受力发生改变，顶板在重力作用下产生变形，形成下沉。当其埋藏深度达到了某一深度时，顶板上方岩层恰好能保持自然平衡而不沉陷，此时顶板上承受压力等于0，这时的深度称为临界深度H0，此厚度为矿体开采上部岩层安全厚度。

据《工程地质手册》中考虑内水压影响时顶板处于自然平衡状态不塌陷的临界深度公式：

式中H0-临界深度(m)

B -最大溶腔宽度，120m

ρe-卤水密度，1.2g/cm3

ρ-上覆岩层完整岩块密度，2.4g/cm3

-盐层顶板内摩擦角，40°

计算当溶腔宽度为120m 时，H0=328m，H ＞H0，顶板厚度大于临界厚度。

《工程地质手册》提供了利用H0 与H（顶板埋深）评价顶板稳定性经验公式

A、H＜H0 不稳定

B、H0＜H＜1.5H 稳定性差

C、H＞1.5H0 稳定

矿区顶板埋深935m ～1395m，1.5H0=492m，H＞1.5H0 因此顶板稳定。

综上所述从矿体开采临界深度来看，矿体的开采不会对矿体顶板稳定性造成影响。

4）上覆岩层影响带高度预测

根据矿山矿体顶板的岩性来看，顶板泥岩中充填有石盐及石膏，顶板吸水后稳定性差，开采过程中易松动，形成冒落，地下开采对冒落带、导水裂隙带的计算多采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》公式，但岩盐开采与煤矿开采有着很大区别，冒落带高度计算《规程》中只考虑了矿体开采的厚度因素，没有考虑到矿山开采中顶板岩层的强度。普氏松散介质破裂拱理论认为当顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，顶板将成拱状塌落，这与盐岩开采形成溶腔形态比较接近，而其上部荷载及岩体则由拱自身承担，借用普氏松散介质破裂拱理论[5]，此时破裂拱高H 计算如下：

式中：b-洞体跨度（260m）；

H1-洞体高度（100m）；

Φ-洞壁岩体的内摩擦角（35°）；

f-洞体围岩的坚实系数，对松散介质，f=tanΦ。

经计算洞体高度H1=388m，综上所述，本矿岩盐矿体开采时，上覆岩层顶板最小厚度等于安全开采厚度和破裂拱高之和即H0+H1=H，H 计算结果为716m，这个厚度小于矿区岩盐顶板埋深935 ～1395m，据此评价矿区开采不会影响到地表，对地表影响小。

5）地表移动变形预测

如果地下开采影响达到地表后，会在矿区上方地表形成一个塌陷区，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如下:

式中：ηmax――最大下沉值（mm）；

q0-下沉系数取0.8mm/m；

M-盐群纯盐开采厚度，取200m；

α-矿层倾角，取10°。

n1•n2-分别为矿层倾向与走向的采动程度系数

式中：D1-倾向控制长度360m；

D2-走向控制长度100m；

H-开采深度（1381m）。

计算条件为，计算两井一组开采矿层倾向及走向分别合计采空740×1100m2，盐群纯盐开采厚度取200m 时，开采后引起的地表最大沉降为35.14mm，且沉降是在开采后期及完成后较长时期内发生的，可见该矿引起的地面沉降较轻微。

按《工程地质分析原理》中处于非充分采动情况下的最大曲率值、最大倾斜值、最大水平移动值、最大水平变形值预测公式如下：

式中：b-水平移动系数0.25 ～0.35 取0.3；

ηmax-最大下沉值（mm）；

由式中估算可见，由于地面下沉值只有35.14mm，其它变形都非常小。

5）矿山开采稳定性评价

矿区所处区域地壳属稳定区，开采后岩层变形非常小，因地面下沉及变形造成采卤井的破裂及运输管路的变形及破坏的可能性小。并且开采形成的破裂拱高度388m，盐层顶板厚度935m ～1381m，大于破裂拱的高度，对盐层上部地下含水层造成破坏和污染的可能性小。

此类岩盐水溶开采矿山，特点是开采深度大，盐矿体产状平稳，倾角小，开采工程合理布局的情况下，即溶腔稳定的情况下，引发地面变形量都非常小。但是近年来，部分矿山开采引发了地面塌陷地质灾害，如湖北省盐矿水采基地的地面塌陷，该区水采区开采深度大于400m，经过高分辨率地震探测结果表明，该区盐矿水采基地引发地面沉陷地层位于埋深100m 左右以上地层，在埋深300m ～450m 处地层连续性好，即溶腔顶板及上部岩层完整，溶腔无垮塌显示，因此盐矿开采形成的地下溶腔不是直接导致地面沉陷的原因[3]。

此类矿山产生塌陷的原因主要在于溶腔对上部岩层产生了破坏，主要表现在开采形成溶腔使原岩应力平衡重新进行了分布。应力的重新分布使岩土层在水平和纵向上产生变形，这样的变形无疑会对采卤井壁产生挤压，由于岩层的不均一性，各个岩层产生的变形量不一致，导致采卤井水平受到剪切，采卤井一般用油井水泥固井，允许的水平变形小，采卤井管在不同的地层分界处、井管薄弱部位产生断裂和错位。通过借助超声波测井仪进行定位测井来检测，这一点在湖北省盐矿水采基地14 号采卤井及应城市卤水公司211 号井超声波检测中得应证，深部断裂点基本上处于岩层界面处。

可见盐岩开采不是直接对地层及上覆岩层造成了很大破坏，而是在盐矿开采过程中逐渐形成的，这个过程是从一个开采环节到另外一个开采环节，其中一个开采环节发生变化时，导致另一个环节产生影响，各个环节共同作用时，才会产生较大的危害，会随着时间的推移，发生变化可能性较大。湖北省盐矿水采基地1975 年建矿生产，1992 年发生地面塌陷，时隔17 年，主要原因为卤井井管破裂，高压注水与卤水进入浅部岩土层，在采卤过程中由于长时间的注水与采卤水的循环作用，上部岩土体受到冲蚀、潜蚀和溶蚀，其固体物质被携带至地下溶腔，使浅部岩土层松散或产生空洞。因此矿山开采稳定性也是相对的，要一分为二的看待，不能说盐矿开采是稳定的（相对某一时间段是稳定的），鉴于地下岩层的各向异性，只能说盐矿开采在开采的某一时段内是稳定的，开采达到一定程度时，开采开始变得不稳定。按照理论计算，本矿山开采是稳定的、安全的，但条件随着开采时间会发生变化，如果说非要界定一个时间的话，笔者认为开采可分为前期、中期、后期，在矿山开采前期由于是新建矿山，开采不存在较大问题，可能在中后期，由于矿山工程在使用一段时间后，因为设备老化、卤水的侵蚀、开采条件（溶腔的大小，塌落拱的高度、导水裂隙的高度）发生变化，溶腔的受力情况发生着变化，这就意味着我们需要对矿山稳定性重新评价，这时中后期的矿山监测（测井）工作就显得尤其重要了，这是我们了解矿山开采稳定性变化的唯一途径。

4.2 矿山引发矿山地质环境问题分析

中国平煤神马集团联合盐化有限公司娄庄矿段盐层埋深大，含盐层厚度大，据前述矿山开采虽然引起地面变形量小，引发地面塌陷及地裂缝的可能性小，但在中后期矿山开采存在不稳定因素。因此，虽然前期矿山开采不会直接导致一些环境问题，但是随着矿山开采范围扩大，时间的延续，会间接导致此类矿山特有的一些问题。首先是对地下水的影响，其次是产生地质灾害影响。

4.2.1 矿山开采对地下水的影响分析

矿山开采形成拱状塌落高度388m，古近系廖庄组砂岩裂隙孔隙含水岩组位于矿体上120m ～300m， 新近系上寺组砂岩裂隙孔隙含水岩组距离矿体420m ～740m 左右，拱状塌落将直破坏古近系廖庄组砂岩裂隙孔隙含水层，在导水裂隙的影响下，对新近系上寺组砂岩裂隙孔隙含水层也会间接造成影响，高压卤盐水进入到含水层中，对地下水造成污染。

4.2.2 地质灾害问题分析

矿山开采形成的拱状塌落带及导水裂隙带的存在，高压卤水进入上部岩层，矿层的顶板为古近系廖庄组杂色粗粒状砂泥岩互层，间接顶板为新近系上寺组细砾岩、砾状砂岩与泥岩。这些岩层在卤水冲蚀、潜蚀和溶蚀作用下，岩层中孔隙充填物被携带至采卤溶腔中，致使上部岩层变得松散或者形成孔洞，破坏了上部岩层结构，随着裂隙及孔洞不断发育，一旦高压卤水卸压，岩层失去支撑，应力平衡受到破坏，支撑力小于上部荷载，随即会引发地面沉陷。这种塌陷不是因为开采溶腔的扩大直接导致形成的，而是在开采过程中逐步形成的，初期变形不明显，突发性很强，这是为什么大多数发生地面塌陷的盐矿采区出现冒卤后随即发生了地面塌陷。

4.3 结论

据上述经验及公式计算，合理布设开采工程，盐矿开采在前期基本是稳定和安全的，中后期随着溶腔的增大，破裂拱上扩，上覆岩层产生变形，变形对卤井及运输管道造成破坏，一方面卤水对地下水造成污染，一方面在高压卤水的影响下，上部地层被冲蚀、潜蚀和溶蚀，在浅部岩层形成空洞，采卤井卸压，应力平衡被破坏，形成地面沉陷。所以此类岩盐矿山开采中后期应加强对卤井完整性及溶腔监测工作，同时加强浅部地下水质监测，一旦发生异常应引起高度重视，做到防患于未然。

[1]浙江省地球物理技术应用研究所.湖北省应城市盐矿水采区高分辨率地震勘查测试报告[R]，1993.

[2]华东石油局地质研究所.湖北省应城市卤水公司大田采段勘查、整改技术改造设计规划[R]，1994.

[3]肖尚德.云-应盆地薄层复层岩盐矿水采区地面沉陷机理研究[J]地质科技情报，2003(2)：91-94.

[4]《工程地质手册》编写组.工程地质手册[S].2版，北京：中国建筑工业出版社，1984：783-786.

[5]高大钊，李镜培. 注册土木工程师（岩土）专业考试辅导教程[M].北京：同济大学出版，2003：423-425.