钻井水溶法开采的地表沉陷预计研究

王 刚，郭广礼，周春蓉，谭显龙，郑杰炳

(1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心， 重庆 400042；3.国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室(中国矿业大学)， 江苏 徐州 221116；4.江苏省资源环境信息工程重点实验室(中国矿业大学)， 江苏 徐州221116)

我国岩盐资源十分丰富，有关资料显示，目前中国已探明的地质储量约44500亿t，其中90%以上的岩盐都是采用钻井水溶法开采。这种开采方法是一种很有发展前途的采矿方法，它具有开采流程简单、投资少、见效快、劳动负荷轻等特点[1]。大量岩盐的采出，虽带动了国家的经济发展，但留下的采空区对地面的构、建筑物也带来了危害，并造成了地表沉陷。如长山盐矿大面积连通井组开采后，造成了严重的地表沉陷，使岩体本身及岩体内的地下工程结构、含水地层、地面地形地貌、农作物、植被、建筑物、水体及自然和人工边坡等受到严重损坏[2]。为了协调二者的关系，既能保证最大限度的采出岩盐，又能保证地表受到的破坏最小，必须事先预计出地表的沉陷大小，以便确定合理的采出率和采取相应的构、建筑物保护措施。而目前对于钻井水溶法开采的沉陷预计报道甚少，尚无成熟的技术体系。本文通过分析钻井水溶法开采的特点，将“等价采高”模型和概率积分法引入钻井水溶法开采的沉陷预计，并结合实际工程分析其可行性。

1 钻井水溶法开采概述

钻井水溶法开采是根据盐类矿物易溶于水的特性，把淡水注入矿床，在矿床赋存地进行物理化学作用，将盐类矿物就地溶解，转变成流动状态的卤水，然后直接采取的一种新型开采方法。20世纪70年代以来，随着钻井技术的提高，井底动力钻具逐渐应用于盐矿钻井，不仅钻井深度得到增大，钻井和固井质量也逐渐提高。先进的井组连通法，如压裂连通法、单井对流溶蚀连通法、定向井连通法等促进了我国钻井水溶法开采全面而迅速地发展[3]。

2 钻井水溶法开采中等价采高模型建立原理

钻井水溶法开采过程中，盐类矿物溶解后将留下大量的不溶物，这些不溶矿物遇水形成带结晶水的物质，对采空区形成充填效应，可占据大量的空间。经过一段时间后，采空区围岩向采空面移动，持续挤压采盐后留下的结晶水物质。这些结晶水物质经充分压实后恢复其承载能力，相当于置换了等厚度的岩盐层(称为有效充填厚度)。结晶水物质充填减小地表的移动变形就是通过结晶水物质参与顶底板和矿柱这一组合体的自组织过程来实现的。总之，结晶水物质能够提高矿柱的强度、分担上覆岩层荷载、阻止顶板位移等多方面的作用。

相应的钻井水溶法开采覆岩沉陷问题也就等效为等价采高开采问题，此时即可套用矿区已有钻井水溶法开采的地表沉陷预计参数进行地表沉陷预计。

等价采高的计算可通过结晶水物质的膨胀率和盐矿的品味来计算，计算公式推导如下：

H等价=H实际·(1-P)·n

(1)

式中：H等价为等价采高；H实际为实际采高；P为盐矿的品味；n为结晶水物质的膨胀率，一般取1.05～1.40。

3 钻井水溶法开采地表移动预计

3.1 预计模型的引入

经过学者多年的研究，目前矿山开采沉陷已有较为成熟的理论体系，预计方法主要包括概率积分法、负指数函数法、典型曲线法，其中，概率积分法的应用最广[4]。概率积分法的理论基础是随机介质理论，它是由波兰学者李特威尼申于20世纪50年代引入岩层移动，并由我国学者刘宝琛发展成为概率积分法。李特威尼申等学者认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。概率积分预计法是将地下开采引起的岩层移动过程当作是随机的，通过概率论的理论建立地下单元开采引起的岩层单元的下沉盆地表达式、水平移动表达式，通过迭加建立地表下沉的计算模型。

盐矿形成的特点决定了其矿床的岩石力学性质整体表现为顶、底板强度都较低[5-6]，概率积分预计法是建立在上覆岩层软弱、顶板跨落基础上的非连续介质理论。因此，可将概率积分预计法用于钻井水溶法开采的地表沉陷预计。但目前概率积分预计法主要用于我国煤矿地表的变形预计，并取到了极大的成功，获得了成熟的经验。但钻井水溶法开采后溶腔内留下了大量的夹层松散、矿体内的不溶结晶水物质，这些不溶结晶水物质具有一定的充填效应。因此，在将概率积分预计法用于钻井水溶法开采的地表沉陷预计时必须考虑减少下沉系数和降低地表变形值的有益因素，如溶剂(卤水)的浮托力作用等[7-8]。

3.2 概率积分法预计模型

钻井水溶法开采损害预计主要是指开采引起的地表移动变形。从开采方法、损坏机理以及上覆岩层性质分析，其开采引起的地表变形量可根据概率积分法计算，预计模型如下[4]：

下沉：

(2)

倾斜：

(3)

曲率：

(4)

水平移动：

(5)

水平变形：

ε(x,y,φ)=

(6)

式中：Wmax为地表最大下沉值，可通过Wmax=mqcosa求得；m为煤层采厚,q表示下沉系数；α为煤层倾角；φ为自x轴正向转至指定方向的角度；w0(x)、i0(x)、k0(x)、u0(x)、ε0(x)分别为走向主断面上的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形值，可通过式(7)计算得到；w0(y)、i0(y)、k0(y)、u0(y)、ε0(y)分别为倾向主断面上的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形值，可通过式(8)计算得到。

(7)

(8)

3.3 钻井水溶法采矿地表移动预计参数确定

概率积分法中所涉及的预计参数主要有5个，即下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、开采影响传播角θ、拐点偏移距(s1、s2、s3、s4)参数。为了获得较为准确的钻井水溶法开采沉陷预计结果，必须正确选取预计参数。影响钻井水溶法采矿地表移动参数的因素主要有以下几个方面。

换能器前后盖板通常采用钢、硬铝以及钛合金等金属材料，TC4钛合金具有优越的综合力学性能，材料疲劳强度高，机械损耗小，因此选用TC4型钛合金作为换能器前盖板材料。后盖板材料选用45钢，保证换能器产生的能量大部分从它的前表面辐射出去。超声加工属于轻负载大功率超声应用，要求压电陶瓷介电损耗小、耦合系数高、工作稳定性好，PZT-8是较为理想的材料。前、后盖板和压电陶瓷的部分材料性能参数如表1所示，压电陶瓷的常系数矩阵见表2。

1)在一定回采率的基础上，采场内的承压水对顶板具有浮托作用，增强了顶板的稳定性。

2)钻井水溶法开采后溶腔内将留下大量的夹层松散、矿体内的不溶结晶水物质，这些不溶结晶水物质具有一定的充填效应，使实际采厚小于设计采厚。

4 工程实例

4.1 工程概况

某盐矿位于川中盐盆南部近边缘部位，属海相沉积矿层，呈层状或似层状产分布于三叠系嘉陵江组第五段二亚段和第四段二亚段。该矿是一个资源整合矿，目前处于停产状态，计划于2012开采。矿井采用钻井水溶法开采，现有四组对接井，年生产能力5万t，剩余服务年限7.2年，平均采深两千多米，平均采厚十余米，为水平盐层，盐矿品味70%，结晶水物质的膨胀率为1.2。岩盐顶板为灰、灰白色块状粉-细晶硬石膏岩，质较纯，夹层成不规则白云质花斑似角砾状，见少量菱镁矿，偶见自生石英及盐晶。中部为灰黑色细—中晶含盐质硬石膏岩，具盐溶孔洞，纵裂隙中含脉状盐晶。

4.2 沉陷预计

由于开采时溶腔内大部分空间被卤水充填，结合上文的分析，根据工程类比法，本项目的下沉系数可取国内外条带水砂充填开采的平均下沉系数，其他预计参数可根据《三下采煤规程》和西南地区基岩裸露的特点取值，见表1。

表1 预计参数取值

根据表1中的预计参数，预计得到的最大下沉、最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和最大水平变形，见表2。

表2 预计最值结果

5 结论

通过对钻井水溶法开采的特点分析，建立了钻井水溶法开采的等价采高模型，分析概率积分法用于钻井水溶法开采地表沉陷的可行性，并预计了某盐矿的地表移动变形值。因此，结合本文的研究成果可得出以下结论。

1)根据钻井水溶法开采特点，利用结晶水物质的膨胀率可建立钻井水溶法开采的等价采高模型。

2)盐矿顶、底板的力学强度都较低，可将概率积分预计法用于钻井水溶法开采的地表沉陷预计。

3)利用概率积分法预计钻井水溶法开采引起的地表沉陷时，其核心是正确选取预计参数，可借鉴国内外条带水砂充填开采。但其精确数值还有待遇研究，目前尚未见报道。

4)钻井水溶法开采引起的地表移动变形值较小，对地表及地面建筑物的破坏程度较低。

[1] 王清明.中国盐业水溶采矿技术的发展[J].中国矿业，1999，8(5)：36-40.

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[3] 曹幼元，贺跃光.钻井水溶法开采矿区地表移动随机介质理论预计研究[J].中国锰业，2006,26(4)：35-40.

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[6] 梁卫国，赵阳升，李志萍.盐类矿床群井控制水溶开采溶腔变形数值模拟[J].化工矿物与加工，2003(3)：16-19.

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