云應(yīng)鹽礦區(qū)地面塌陷地質(zhì)模型及變形破壞表現(xiàn)形式研究

劉 勇，譚 偉，王小平，肖煒波

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

地面塌陷是由一定的內(nèi)在地質(zhì)條件和外在的誘發(fā)因素引起的，覆蓋層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及水動力條件決定地表是否會發(fā)生塌陷，并控制變形破壞的規(guī)模[1-2]。為了更好地理解地面塌陷地質(zhì)特征、形成機(jī)理及其分布規(guī)律，往往可以通過建立塌陷地質(zhì)模型來作出客觀評價(jià)[3-5]。同時(shí)，研究不同地質(zhì)模型下的變形破壞表現(xiàn)形式,推測影響范圍并圈定安全界線，對保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

云應(yīng)鹽礦區(qū)是中國主要的鹽化工業(yè)基地之一，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源十分豐富，現(xiàn)已初步查明云應(yīng)盆地巖鹽資源分布面積約188 km2，資源儲量約280×108t(1)湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，云應(yīng)膏鹽礦區(qū)地面塌陷及地面沉降區(qū)調(diào)查與監(jiān)測報(bào)告，2021。。20世紀(jì)70—90年代采用高壓(2～3 MPa)注水壓裂溶解巖鹽和對井開采[6]，對井井距一般為150 m左右，開采深度為300～500 m。多年開采已造成地下形成大小溶腔數(shù)百個(gè)，尤以300～400 m以淺地段較多，同時(shí)造成上部松散層中出現(xiàn)大量土洞，這些區(qū)域極易發(fā)生地面塌陷[7-8]。本文通過對云應(yīng)鹽礦區(qū)已發(fā)生的塌陷地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析和總結(jié)，建立塌陷地質(zhì)模型，可推廣應(yīng)用于相似的塌陷區(qū)域，這也是建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的前提。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省云夢縣隔蒲潭鎮(zhèn)和應(yīng)城市化工鎮(zhèn)一帶，地處江漢平原北部,地跨東經(jīng)113°35′17″～113°44′42″，北緯30°52′01″～30°56′45″，面積約100 km2。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有7家礦山企業(yè)從事鹽礦開采，包括廣鹽華源制鹽有限公司、長舟鹽化有限公司、雙環(huán)化工集團(tuán)有限公司、久大鹽礦有限公司、中鹽長江鹽化有限公司、中鹽東興鹽化有限公司、藍(lán)天鹽化有限公司。根據(jù)研究需要，選定上述7家礦山企業(yè)的開采礦區(qū)作為本次研究的主要對象。

云應(yīng)鹽礦區(qū)水溶開采鹵鹽引起的地面塌陷有17處(圖1)，主要分布在久大礦區(qū)(8處)、長舟鹽化礦區(qū)(3處)、藍(lán)天鹽化礦區(qū)(3處)和中鹽東興礦區(qū)(3處)，廣鹽華源礦區(qū)和雙環(huán)礦區(qū)無塌陷分布。另外，在中鹽長江礦區(qū)發(fā)育1處地面沉降。

2 覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)及塌陷發(fā)育情況

2.1 不同礦區(qū)覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)

研究區(qū)主要有3種覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，即砂礫巖型、等厚互層型和粘土巖型，不同的上覆地層結(jié)構(gòu)在鹽礦區(qū)分布情況如圖1所示。

圖1 云應(yīng)鹽礦區(qū)地面塌陷及覆蓋層結(jié)構(gòu)分布示意圖

廣鹽華源礦區(qū)內(nèi)無地面塌陷發(fā)育。該礦區(qū)第四系和新近系覆蓋層總厚度為60～80 m，新采區(qū)地層為粘土+砂礫石層的二元結(jié)構(gòu)，老采區(qū)地層為粘土+砂礫層+粘土+礫石粗砂層的兩次沉積韻律結(jié)構(gòu)。第四系地層上部為厚10～20 m的灰黃色粘土，下部為厚3～10 m的粗砂礫層或細(xì)流砂層。新近系掇刀石組頂部為厚23～40 m的灰白色半固結(jié)粘土巖，由北向南逐漸增厚；底部為灰白色粘土巖、含礫粘土巖、砂礫石巖多次互層產(chǎn)出，粘土巖每層厚3～10 m，半固結(jié)砂礫巖每層厚0.5～3 m。廣鹽華源采區(qū)以粘土巖為主，局部為半固結(jié)含粘土砂礫巖，不透水的粘土巖與透水的砂礫石層的厚度比為4∶1～9∶1?？傮w來說，廣鹽華源礦區(qū)是以半固結(jié)粘土巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)。

久大礦區(qū)內(nèi)分布有8處地面塌陷，塌陷地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育。根據(jù)鉆孔資料顯示，久大礦區(qū)西部地區(qū)的上覆地層結(jié)構(gòu)與廣鹽華源礦區(qū)類似，為以半固結(jié)粘土巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)，分布5處塌陷點(diǎn)。久大礦區(qū)東部地區(qū)的第四系地層厚13～17 m，由北西向南東逐漸增厚，南部鉆孔顯示第四系最厚為24 m。東部地區(qū)第四系地層上部為厚10～15 m的灰黃色粘土；下部為砂礫石層，厚度為1.5～2.5 m，個(gè)別鉆孔中見砂礫石層厚度達(dá)8.5 m。新近系掇刀石組巖性為半固結(jié)粘土巖和半固結(jié)砂礫巖多次互層，總厚度為70～75 m，粘土巖每層厚6～12 m，半固結(jié)砂礫巖每層厚4～7 m，往下半固結(jié)砂巖的相對厚度增大，最大可達(dá)15 m；粘土巖與砂礫巖單層厚度之比近于1∶1～2∶1。在規(guī)模較大的塌陷點(diǎn)附近，鉆孔顯示多個(gè)半固結(jié)砂巖層中具有異常帶，異常帶中鉆具自沉速度較快，漏水嚴(yán)重，鉆孔垮塌不易提鉆；異常帶附近巖芯較松散，多呈散沙狀，泥質(zhì)含量較少。而底部未有異常帶的半固結(jié)砂巖層中，巖芯呈柱狀，泥質(zhì)含量較多，含有大量鈣化的塊石?？傮w來說，久大礦區(qū)東部第四系以粘土為主，新近系地層中半固結(jié)砂礫巖層數(shù)增多、層厚增大，與半固結(jié)粘土巖近等厚互層產(chǎn)出，該區(qū)為半固結(jié)粘土巖與半固結(jié)砂礫巖等厚互層的上覆地層結(jié)構(gòu)。

雙環(huán)礦區(qū)緊鄰久大礦區(qū)東部，礦權(quán)范圍內(nèi)無地面塌陷發(fā)育。第四系與新近系地層總厚度為80～115 m，由北向南逐漸增厚。第四系地層上部粘土層厚度為14～15 m，下部砂礫層厚度為0.5～2 m。新近系掇刀石組巖性為半固結(jié)粘土巖與半固結(jié)砂巖互層，單層厚度大，一般為15～25 m，個(gè)別鉆孔揭露出半固結(jié)砂礫巖單層厚度達(dá)43 m；粘土巖與砂礫巖單層厚度之比近于1∶2。半固結(jié)砂巖中未見鉆孔異常帶?？傮w來說，雙環(huán)礦區(qū)第四系以粘土為主，新近系地層中半固結(jié)砂礫巖與半固結(jié)粘土巖互層產(chǎn)出，砂礫層厚度逐漸增大，該區(qū)為半固結(jié)粘土巖與半固結(jié)砂礫巖等厚互層的上覆地層結(jié)構(gòu)。

長舟鹽化礦區(qū)位于研究區(qū)中部，礦權(quán)范圍內(nèi)發(fā)育3處地面塌陷。礦區(qū)處于府河西側(cè)，覆蓋層厚度為100～110 m。第四系地層總厚36 m，具有兩次沉積旋回結(jié)構(gòu)，巖性為粉質(zhì)粘土夾兩層含粘土粗砂層，粗砂層單層厚度為2～3 m。新近系地層巖性為半固結(jié)砂礫巖夾灰白色半固結(jié)粘土巖，半固結(jié)砂礫巖單層厚度大，一般為15～26 m；粘土巖層數(shù)少，且含有較多砂礫，單層厚1.3～2 m。長舟鹽化礦區(qū)第四系以粘土為主，新近系以半固結(jié)砂礫巖為主，該區(qū)是以半固結(jié)砂礫巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)。

藍(lán)天和中鹽東興礦區(qū)位于研究區(qū)東北部，范圍內(nèi)發(fā)育6處塌陷。這兩個(gè)礦區(qū)位于府河?xùn)|岸，河流相沉積特征明顯，具有明顯的二元結(jié)構(gòu)特征。第四系與新近系地層厚度為67～78 m。最新鉆孔資料顯示，第四系地層厚度約34 m，具有以粘土、粘土質(zhì)粉砂、砂礫層組成的兩次沉積旋回結(jié)構(gòu)，從上往下粗砂礫石的粒徑由小變大,粉質(zhì)粘土層單層厚度為3～7 m，粗砂、礫石的單層厚度為16～25 m，最大可達(dá)30.5 m。新近系掇刀石組巖性主要為半固結(jié)粗砂礫石層，中間地帶產(chǎn)出的半固結(jié)粘土巖層厚度僅為1～3 m，半固結(jié)粘土巖與砂礫巖單層厚度之比為1∶5～1∶8。總體來說，藍(lán)天和中鹽東興礦區(qū)是以半固結(jié)砂礫巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)。

中鹽長江礦區(qū)位于研究區(qū)南部，范圍內(nèi)發(fā)育1處區(qū)域性的沉降，主要是由于府河水位變化引起，礦區(qū)開采活動對地面沉降的影響較小。受構(gòu)造作用影響，目前鉆孔資料顯示覆蓋層總厚度不明，揭穿地面以下125 m范圍內(nèi)未見古近系文峰塔組地層，其中第四系地層厚度為30～50 m。礦區(qū)處于府河西側(cè)，總體上是以半固結(jié)砂礫巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)。但該礦區(qū)較為特殊的是，在距地表3 m左右以下存在厚約4 m的高壓縮性淤泥質(zhì)土和軟塑狀粉質(zhì)粘土。

2.2 不同覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中塌陷發(fā)育情況

云應(yīng)鹽礦區(qū)塌陷的數(shù)量和規(guī)模與上覆地層結(jié)構(gòu)有較為密切的關(guān)系，地層結(jié)構(gòu)特性如孔隙度、含水率和滲透性等往往造成覆蓋層含水特性和水動力條件的不同，進(jìn)而影響覆蓋層土洞的形成及穩(wěn)定性[9-11]。

由表1可知，不同的覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制著塌陷發(fā)育的數(shù)量、形態(tài)和規(guī)模。地面塌陷在各上覆地層結(jié)構(gòu)類型中均有分布，但從發(fā)生井管破裂的鹽井?dāng)?shù)量及因鹽井破裂引起塌陷的概率來看，以半固結(jié)粘土巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)中發(fā)生塌陷的可能性最小(20%)，發(fā)生的塌陷以小型為主，無明顯的塌陷坑，中心塌陷深度較小；以半固結(jié)粘土巖與半固結(jié)砂礫巖等厚互層型為主的上覆地層結(jié)構(gòu)中發(fā)生塌陷的可能性為37.5%；以半固結(jié)砂礫巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)中發(fā)生塌陷的可能性為50%，發(fā)生的塌陷以中小型為主，具有明顯塌陷坑，中心塌陷深度較大。

表1 上覆地層結(jié)構(gòu)、井管破裂與塌陷數(shù)量關(guān)系

3 不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)覆蓋層的塌陷表現(xiàn)形式

3.1 半固結(jié)砂礫巖型地層結(jié)構(gòu)

以半固結(jié)砂礫巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為新近系半固結(jié)砂礫巖厚度大，透水性較差的粘土巖厚度較薄。由于半固結(jié)砂礫巖孔隙度較大，高壓鹵水對砂礫巖具有較強(qiáng)的沖刷掏蝕作用，使得砂礫巖的結(jié)構(gòu)更加松散，當(dāng)發(fā)生井管卸壓時(shí)，鹵水能較快回流至鹽井，使巖土體中體積較小、膠結(jié)能力弱的固體顆粒不斷流失形成空腔，這是形成土洞的前提條件。隨著鹽井生產(chǎn)過程中不斷加壓、卸壓、倒井，使得覆蓋層中的巖土體在動水壓力作用下不斷受到侵蝕，土洞規(guī)模不斷擴(kuò)展，最終失穩(wěn)形成地面塌陷。在此過程中，由于半固結(jié)砂礫巖抗剪能力相對較強(qiáng)，能夠在鹽井生產(chǎn)過程中形成較大體積的土洞，導(dǎo)致發(fā)生的地面塌陷影響面積較大，中心塌陷深度較深。同時(shí)，古近系文峰塔組和含硬石膏段巖層在該覆蓋層區(qū)域內(nèi)發(fā)育厚度較薄，鹵水可能向下運(yùn)移溶蝕淺部鈣芒硝巖和部分巖鹽[12]，形成淺部小規(guī)模溶孔。在這種類型的上覆地層結(jié)構(gòu)中，粘土層作為相對隔水層厚度較薄，鹽井巨大的注水壓力能切穿不同含水層，使土洞在水平發(fā)育的基礎(chǔ)上向地層淺部發(fā)展，在加壓注水時(shí)易造成地面噴鹵，發(fā)生急速泄壓產(chǎn)生塌陷，如中鹽東興采區(qū)云17井注水時(shí)云18井不出鹵，云17井附近一民井突然出現(xiàn)噴水，水柱高6～7 m；周圍菜地也出現(xiàn)噴水，水柱高約1 m，從而以云17井為中心發(fā)生大面積的地面塌陷(編號DX-TX010)。據(jù)上述分析，以半固結(jié)砂礫巖為主的覆蓋層塌陷發(fā)育機(jī)理為“沖蝕效應(yīng)+潛蝕效應(yīng)+動水壓力+失托增荷效應(yīng)”(圖2-圖3)。

圖2 砂礫巖型地層結(jié)構(gòu)加壓注水時(shí)土洞擴(kuò)展示意圖

圖3 砂礫巖型地層結(jié)構(gòu)泄壓時(shí)土洞失穩(wěn)示意圖

3.2 等厚互層型地層結(jié)構(gòu)

半固結(jié)粘土巖與砂礫巖等厚互層型的上覆地層結(jié)構(gòu)類型主要分布于久大礦區(qū)東部及雙環(huán)礦區(qū)?；咏Y(jié)構(gòu)巖土體滲透性具有各向異性，鹵水侵蝕作用優(yōu)先在砂礫巖中橫向發(fā)展，當(dāng)砂礫巖中形成潛蝕空間后，含水層的土體流失現(xiàn)象也優(yōu)先橫向發(fā)展，從而使土洞優(yōu)先變寬，而垂向上受粘土巖限制，向上發(fā)育速度相對較緩。半固結(jié)粘土巖的低滲透性會使鹽井附近形成“高壓水包”，起到支撐土洞頂板的作用，但泄壓時(shí)粘土巖中的孔隙水壓力泄壓較慢，“高壓水包”成為土洞頂板塌陷的不利因素。在互層結(jié)構(gòu)中，砂礫不斷被沖蝕、潛蝕，導(dǎo)致土洞形成并不斷擴(kuò)大，當(dāng)土洞的直徑超過一定的跨度，加上卸壓作用打破原有的平衡關(guān)系，地面塌陷即會發(fā)生。綜上所述，等厚互層型的覆蓋層塌陷發(fā)育機(jī)理為“沖蝕效應(yīng)+潛蝕效應(yīng)+動水壓力+遇水軟化+失托增荷效應(yīng)+真空負(fù)壓效應(yīng)”(圖4-圖5)。

圖4 等厚互層型地層結(jié)構(gòu)加壓注水時(shí)土洞擴(kuò)展示意圖

圖5 等厚互層型地層結(jié)構(gòu)泄壓時(shí)土洞失穩(wěn)示意圖

3.3 半固結(jié)粘土巖型地層結(jié)構(gòu)

以半固結(jié)粘土巖為主的上覆地層結(jié)構(gòu)類型主要分布于廣鹽華源礦區(qū)和久大礦區(qū)西部。該類型覆蓋層中半固結(jié)粘土巖累計(jì)厚度較大，滲透性系數(shù)小，為相對隔水層；半固結(jié)砂礫層厚度較薄，高壓鹵水在砂礫層中形成的潛蝕空間小，形成的土洞規(guī)模也小。高壓鹵水主要沖刷半固結(jié)粘土巖，使粘土巖發(fā)生軟化，產(chǎn)生土洞，由于粘性土粘滯性強(qiáng)、厚度較大，軟化后可塑性較好，土洞優(yōu)先橫向發(fā)展，且土洞形成的高度較低，故塌陷中心點(diǎn)的深度較淺。此外，當(dāng)土顆粒中強(qiáng)結(jié)合水的相互作用被高壓鹵水破壞時(shí)，土體的崩解率會提高，有利于土洞的發(fā)育。半固結(jié)粘土巖軟化后的產(chǎn)物粘粒含量高，土體中的強(qiáng)結(jié)合水被粘粒表面的負(fù)電荷牢固地吸引在土顆粒表面，產(chǎn)生較大的彈性和粘滯性，故頂板變形模式主要以塑性變形為主，且土洞形成的速度較慢，形成塌陷歷時(shí)更長。但發(fā)生塌陷時(shí)，土洞破壞形成的擴(kuò)散角相比其它覆蓋層類型更大，地面影響范圍的面積相對更廣。由于半固結(jié)粘土巖抗剪強(qiáng)度較弱，遇水易軟化，因此在土洞跨徑很小的時(shí)候，土洞頂板持力層就不足以支撐上覆土體，導(dǎo)致持力層土體發(fā)生剪切破壞。因此，以半固結(jié)粘土巖為主的覆蓋層塌陷發(fā)育機(jī)理為“沖蝕效應(yīng)+潛蝕效應(yīng)+遇水軟化+失托增荷效應(yīng)+真空負(fù)壓效應(yīng)+動水壓力”(圖6-圖7)。

圖6 粘土巖型地層結(jié)構(gòu)加壓注水時(shí)土洞擴(kuò)展示意圖

圖7 粘土巖型地層結(jié)構(gòu)泄壓時(shí)土洞失穩(wěn)示意圖

4 結(jié)論與建議

(1)云應(yīng)鹽礦區(qū)主要發(fā)育半固結(jié)粘土巖型、半固結(jié)粘土巖與半固結(jié)砂礫巖等厚互層型、半固結(jié)砂礫巖型3種覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，粘土巖型地層結(jié)構(gòu)主要分布于礦區(qū)西部(廣鹽華源礦區(qū)、久大礦區(qū)西部)，等厚互層型地層結(jié)構(gòu)主要分布于礦區(qū)中部(久大礦區(qū)東部、雙環(huán)礦區(qū))，砂礫巖型地層結(jié)構(gòu)主要分布于礦區(qū)東部(長舟鹽化礦區(qū)、藍(lán)天鹽化礦區(qū)、中鹽東興礦區(qū)、中鹽長江礦區(qū))。

(2)不同的覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制著塌陷發(fā)育的數(shù)量、形態(tài)和規(guī)模，砂礫巖型地層結(jié)構(gòu)中發(fā)生塌陷的概率最大，塌陷規(guī)模以中小型為主；等厚互層型地層結(jié)構(gòu)中發(fā)生塌陷的概率次之；粘土巖型地層結(jié)構(gòu)中發(fā)生塌陷的概率較低，塌陷規(guī)模以小型為主。

(3)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)覆蓋層的塌陷表現(xiàn)形式不一樣，粘土巖型覆蓋層塌陷發(fā)育機(jī)理為“沖蝕效應(yīng)+潛蝕效應(yīng)+遇水軟化+失托增荷效應(yīng)+真空負(fù)壓效應(yīng)+動水壓力”，等厚互層型覆蓋層塌陷發(fā)育機(jī)理為“沖蝕效應(yīng)+潛蝕效應(yīng)+動水壓力+遇水軟化+失托增荷效應(yīng)+真空負(fù)壓效應(yīng)”，砂礫巖型覆蓋層塌陷發(fā)育機(jī)理為“沖蝕效應(yīng)+潛蝕效應(yīng)+動水壓力+失托增荷效應(yīng)”。

(4)云應(yīng)鹽礦區(qū)因采礦頻發(fā)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦產(chǎn)開采開發(fā)和當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全，建議政府層面高度重視云應(yīng)鹽礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題，有針對性地制訂地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和防治措施，并開展相關(guān)研究深化對地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理的認(rèn)識。