東莞東騰鹽礦開發(fā)對地表及公路橋梁的安全性評價(jià)

李君福 劉俊波

摘要：本文通過鹽礦開發(fā)利用方案、采區(qū)地質(zhì)條件、采空推演及采區(qū)與公路橋梁關(guān)系等方面論述了開采對地表公路橋梁的安全性。

關(guān)鍵詞：鹽礦開采；公路橋梁；采空推演；安全性

1.中堂東騰鹽礦基本情況

1.1地理位置及區(qū)域地質(zhì)概況

東騰鹽礦位于廣東省東莞市中堂鎮(zhèn)。距廣州市中心50km，距東莞市區(qū)中心約11km。東莞盆地區(qū)域大斷裂不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡單，是一個較為完整且封閉的泥質(zhì)粉砂巖、泥巖地層盆地。礦區(qū)主要沉積了第四系及老第三系砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖地層，沉積厚度在800m以上。主采18、19號礦層埋深在800m～900m，主采鹽層厚度約30m。允采標(biāo)高-789m～-870m，允采面積0.6234km2。采礦二十幾年來地質(zhì)環(huán)境相對比較安全穩(wěn)定。

1.2東騰巖鹽礦的地下開采方式及流程

開采方法為鉆井水溶法。本礦區(qū)的開采生產(chǎn)井是Φ177.8×12mm的J55石油套管，耐壓強(qiáng)度可達(dá)50MPa以上（實(shí)際生產(chǎn)壓力在3MPa左右）。開采方式為利用高壓采鹵泵將淡水注入井管，通過地下溶腔循環(huán)，經(jīng)回鹵管匯集至礦部的儲鹵池，鹵水經(jīng)儲鹵池從碼頭直接由船運(yùn)出銷往鄰近的用戶。優(yōu)點(diǎn)為采鹵工藝簡單、鹵水開采全程封閉，無副產(chǎn)品排出。高壓水充填在溶腔內(nèi)，可以保持地層壓力的平衡，減少開采對地層應(yīng)力影響。本礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)NaCl35萬噸。自1994年建礦以來，共開采約400余萬噸NaCl。礦區(qū)至2018年底實(shí)際回采率為14%。

2.東騰鹽礦開采分析及采空推演

（1）礦區(qū)礦床埋藏較深，開采的下巖鹽段埋深大于780m，相對隔水層較厚，區(qū)內(nèi)又無斷裂帶及裂隙發(fā)育，主要含水層-第四系含水層與巖鹽段之間有較厚的隔水層，其間無水力聯(lián)系溝通。

（2）鹽礦開采設(shè)計(jì)按相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)留有足夠保安礦柱，鹽礦開發(fā)回采率最終最大值為25%，70%以上的鹽層永久保留，為地表公路橋梁的安全能起到保護(hù)與支撐作用。采空區(qū)有注水回填，可減少開采坍塌。

（3）開采礦層頂?shù)装宓刭|(zhì)構(gòu)造評價(jià)及采空沉降情況經(jīng)過嚴(yán)格推演，不會影響到地表設(shè)施，鹽礦開采引起的地面沉降很輕微。

A.頂板冒落計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式推算法：

結(jié)合本區(qū)巖性及巖石力學(xué)性質(zhì)，參考《煤炭工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算頂板冒落帶，導(dǎo)水裂隙帶最大高度經(jīng)驗(yàn)公式：

Hc=4M

Hf={100M/（3.3N+3.8）}+5.1

對中1等三井進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1。

計(jì)算結(jié)果，冒落帶最大高度181.7m，裂隙導(dǎo)水影響最大高度336.7m，導(dǎo)水裂隙均未上延至第四系松散層。據(jù)此評價(jià)應(yīng)屬安全。

B.頂板坍塌堵塞估算法

一般認(rèn)為洞（溶）穴的頂板坍塌為穹窿狀，當(dāng)洞腔被完全堵塞，頂板即不坍塌，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—溶腔體積；V1—坍塌巖石體積；K—巖石漲余系數(shù)（泥質(zhì)巖類1.2）；h0—溶腔高度；F—溶腔頂面積。

從公式可知，對于泥巖類則有坍塌高度為溶腔的10倍。但針對鹽礦床水溶開采，在水溶過程中，其礦石中水不溶物及礦層夾石則充填溶腔。如果按純鹽厚度10倍計(jì)算，假定各井所有礦層都被開采，則井區(qū)坍塌高度最大仍距地表有338m。若考慮垂直可采系數(shù)0.8及溶腔回采率0.7，則h1=5.6h0，坍塌高度更小。

C.采空塌陷范圍預(yù)測

巖鹽礦石被采出后，地下形成一定的溶洞，原巖原始應(yīng)力平衡遭到破壞，上覆巖層可能產(chǎn)生垮塌從而引起地面沉降。本礦條件為：

開采深度：793.77m～860m，將來開采總厚度：46.4m，目前開采厚度：14m。

三層礦相互間夾層厚：4.96m～5.36m，10.02m～10.1m，預(yù)計(jì)采深采厚比：17.24

現(xiàn)開采范圍：0.3km2，采空區(qū)面積：0.13km2，首采層采深采厚比：61.4

按65°的基巖移動角，采礦許可證0.6234km2的開采范圍，預(yù)測可能發(fā)生沉降的范圍為以開采區(qū)為中心的外推401m圈定的2.25km2范圍。這只是理論預(yù)測，根據(jù)同類礦山對比，在保安礦柱作用下，實(shí)際情況為可能發(fā)生沉降的范圍要小得多。

按《工程地質(zhì)分析原理》中處于非充分采動情況下的最大沉降預(yù)測公式：

計(jì)算開采后引起的地表最大沉降為9.4mm，可見該礦引起的地面變形較輕微。

（4）地面形變監(jiān)測。共計(jì)布設(shè)25個地面變形監(jiān)測點(diǎn)以及3個水文觀測點(diǎn)。每一季度監(jiān)測一組數(shù)據(jù)，并與前期數(shù)據(jù)對比分析。從近兩年的觀測數(shù)據(jù)可以看出：地表形變在正負(fù)5mm左右浮動，沒有持續(xù)下降的觀測點(diǎn)，判斷數(shù)據(jù)浮動是由于地面豐枯水期軟基地層及儀器誤差引起，鹽礦開采對地表無影響（如圖1）。

3.開采區(qū)對公路橋梁的影響情況

3.1經(jīng)過礦區(qū)附近公路橋梁情況

省道公路S120經(jīng)過礦區(qū)，礦區(qū)附近的東江支流跨接大橋名稱為槎滘大橋（如圖2），是中麻公路、北王公路的交叉，跨越倒運(yùn)海水道。始建于1988年，2011年改擴(kuò)建。設(shè)計(jì)新建槎滘大橋主橋?yàn)?5+2×70+45）四跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)，采用分離的上下行橋，半幅采用單箱單室斷面，箱梁根部梁高H=4.0m，跨中及邊跨端部梁高H=2.0m，引橋?yàn)?0m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力小箱梁。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

道路等級：公路一級

設(shè)計(jì)時(shí)速：主線80km/h，匝道30/40km/h

凸線內(nèi)最小半徑：主線4600m，匝道150/4050m

道路設(shè)計(jì)載荷：公路一級

路面結(jié)構(gòu)類型：新建橋梁

抗震設(shè)計(jì)烈度：地震6級

3.2橋梁與礦區(qū)位置關(guān)系情況

中堂槎滘大橋東部從中穿過中堂東騰鹽礦開采礦區(qū)，在垂直深度上距離約800m。大橋橋樁固定在地表下35m處，采礦鹽層位置離橋樁位置直線距離700m以上（如圖2）。

3.3鹽礦開發(fā)對地表的安全穩(wěn)定性評估結(jié)論及建議

經(jīng)現(xiàn)場觀察及綜合分析研判，鹽礦開采深度為-789m以下，槎滘大橋橋墩在離地表35m基巖處，二者相距垂深達(dá)754m，開采對橋墩無影響，是較為穩(wěn)定和安全的。槎滘大橋始建于1988年，2011年改擴(kuò)建至今，橋梁本身堅(jiān)固，橋臺及橋墩未見位移及裂縫。

綜上，本礦區(qū)生產(chǎn)井不對地表及地面構(gòu)筑設(shè)施產(chǎn)生擾動，不產(chǎn)生危及地表公路橋梁的不安全因素，開采礦層埋深和鹽層厚度理想，開采較為安全。

建議：

（1）生產(chǎn)布井應(yīng)離公路橋梁大于50m；

（2）建立系統(tǒng)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，增加對橋梁地基基巖變形沉降和橋樁沉降監(jiān)測點(diǎn)，并與公路部門實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)共享。

參考文獻(xiàn)：

[1]《廣東省東莞市中堂鎮(zhèn)中堂鹽礦區(qū)東向塊段巖鹽礦床儲量地質(zhì)報(bào)告》1994年廣東省儲量委員會（粵儲量決字〔1995〕16號文）