鹽穴收縮引起的地表下沉監(jiān)測與預計

姜 岳，楊 倫，馬振和

(1. 山東科技大學,山東 青島 266590； 2. 遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000； 3. 德國SOCON鹽穴測量有限公司，下薩克森州 吉森 D-31180)

中國巖鹽資源礦產豐富，大部分礦山采用水溶法開采[1-2]。巖鹽水溶開采后，在地下形成巨大空間的鹽穴，利用深部鹽穴存儲石油與天然氣是國際上廣泛認可的儲存方法，世界上有多座巖鹽鹽穴地下儲氣庫在運行。在鹽穴的使用過程中，鹽穴受到壓力與溫度的共同作用力，誘發(fā)鹽穴容積減少，鹽穴的收縮最終會反映到地表，使地表下沉，導致地表建筑物、管線、道路及生態(tài)環(huán)境的損害，甚至發(fā)生重大人身傷亡事故和造成財產損失。因此，鹽穴收縮引起的地表下沉的監(jiān)測與預計是十分重要的研究內容，為評估鹽穴收縮與地表下沉損害程度及安全預警提供依據[3]。

1 巖鹽水溶開采地表下沉監(jiān)測與移動規(guī)律

巖鹽水溶開采后，在地下形成巨大空間的鹽穴，地下鹽穴無論是作為儲庫還是密封廢置，都存在著鹽穴容積逐漸變小的可能性[4-5]。鹽穴容積的變化受到巖層物理、力學性質、壓力及溫度等因素的影響，是一個復雜的時空力學過程。鹽穴容積逐漸變小，最終會通過巖層移動反映到地表，而形成地表下沉盆地，產生地表移動與變形，甚至引發(fā)塌陷型地質災害，將威脅到礦區(qū)的生產和生命財產的安全。巖鹽開采引起的地表下沉過程發(fā)展比較緩慢，文獻給出一個鹽穴變化實例[6]：當鹽穴壓力差為3～8 MPa時，鹽穴半徑縮小7～25 mm/a，鹽穴容積縮小0.17%，地表下沉2～30 mm/a。研究鹽穴容積收縮引起的地表下沉規(guī)律最有效的方法是通過實地觀測[7]，根據固體礦床開采地表移動規(guī)律及監(jiān)測經驗，可以采用網狀或線狀觀測站監(jiān)測鹽穴礦區(qū)的地表移動變形。為了獲得比較準確、可靠、有代表性的觀測資料，在觀測站設計中，觀測線應布設在地表移動盆地主斷面上，觀測線的長度要大于地表移動盆地范圍，觀測線上的測點應有一定的密度，變形監(jiān)測網的布設值得深入研究[8]。常規(guī)觀測站布設形式如圖1所示。

圖1 觀測站布置形式

因鹽礦與煤礦的開采方法不同，相對煤礦開采而言，鹽礦開采深度較大，開采空間有限，地表移動變形量較小，移動變形過程緩慢，因此需要更高的觀測精度。在歐美國家?guī)r鹽水溶開采屬于采礦范疇，因此關于它的測量屬于礦山測量，如在德國礦山法、礦山測量規(guī)程、德國工業(yè)標準都有相應的規(guī)定[9]。鹽穴利用在中國屬于新領域，目前還沒有專門的監(jiān)測標準[10]。我國的《煤礦測量規(guī)程》于1989年頒布，該規(guī)程的精度要求不適用于鹽穴移動變形監(jiān)測。建議采用《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)中第10章變形監(jiān)測的相關規(guī)定作為測量規(guī)范[11]。水平移動與下沉的觀測技術要求見表1和表2。

表1 測距的主要技術要求

注：計算測距往返較差≤2(a+b×D)；a、b分別為相應等級使用儀器標稱的固定誤差和比例誤差系數(shù)；D為測量斜距，單位km。

表2 垂直位移監(jiān)測基準網的主要技術要求 mm

注：n為測站數(shù)。

確保觀測精度可為研究地表移動規(guī)律及參數(shù)分析提供可靠數(shù)據。

目前國內外對巖鹽水溶開采地表移動變形的監(jiān)測資料較少，根據國外資料概括性總結巖鹽水溶開采地表移動的一般規(guī)律如下：

(1) 在一定的條件下鹽穴會產生收縮，當鹽穴的收縮量傳播到地表時，將引起地表移動與變形，形成下沉盆地，地表下沉盆地體積與鹽穴收縮量成正比。法國的第一座鹽穴儲氣庫1968年建于Tersanne，上覆巖層為黏土巖和砂巖，鹽層厚度為650 m，存儲庫埋藏深度為1500 m。地表下沉盆地體積與鹽穴收縮量如圖2所示。

(2) 地表水平移動矢量指向下沉盆地中央方向，即指向鹽穴集中分布區(qū)域的中心方向；德國Oberberg礦區(qū)的地表水平移動矢量分布如圖3所示。

圖2 地表下沉體積與鹽穴收縮體積對比曲線[12]

圖3 德國觀測站地表水平移動矢量分布[13]

(3) 巖鹽水溶開采的影響范圍較大[14]，以地表下沉值0 mm為邊界，走向邊界角為37.8°，下山邊界角為39.6°，上山邊界角為38.7°。

(4) 鹽礦開采地表移動發(fā)展緩慢，持續(xù)時間漫長甚至超過一百年，但在老礦區(qū)地表會突然形成較大的塌陷坑，導致災難性后果[1]。

2 鹽穴收縮引起的地表下沉預計

根據對巖鹽水溶開采地表移動一般規(guī)律的初步總結分析，可以看出巖鹽水溶開采與地下煤層開采引起地表移動的規(guī)律基本相似。由地下開采引起的巖層與地表移動，是一個十分復雜的時空力學過程，從純力學角度研究巖層地表移動還存在很多困難。本文把鹽穴收斂引起的地表下沉視作一個隨機過程，應用影響函數(shù)法預計地表下沉，把地表下沉視作地下開采空間向地表傳播擴散的結果，鹽穴容積收斂引起的地表下沉原理如圖4所示。

地表下沉函數(shù)S(x,y)可表達為

式中，Q(x,y)為下沉源函數(shù)；f(x,y)為下沉傳播影響函數(shù)；D為開采空間的幾何形狀。

圖4 鹽穴容積收斂引起的地表下沉原理示意圖

2.1 地表下沉源函數(shù)

鹽穴容積的收縮是引起地表下沉的根源，鹽穴容積的收縮是一個與時間t有關的動態(tài)過程。以圓柱形鹽穴為例，設鹽穴高度H，半徑為R，容積平均收縮率為ρ(t)，t時刻的鹽穴收縮體積為πR2Hρ(t)，把鹽穴收縮量等效為鹽層開采體積，忽略鹽穴在水平方向的收縮對鹽穴容積計算誤差的影響，鹽穴收縮量與鹽層等效開采體積近似關系如下

πR2Me≈πR2Hρ(t)

(1)

由式(1)計算出等效開采厚度Me為

Me=Hρ(t)

(2)

則下沉源函數(shù)為

Q(x,y,t)=Meq

(3)

式中，q為地表下沉系數(shù)。

2.2 下沉影響傳播函數(shù)

根據煤礦開采地表移動變形預計的經驗，取Knothte函數(shù)為下沉影響傳播函數(shù)，在Z水平處的下沉影響傳播函數(shù)為

(4)

式中，rz為Z水平處的開采影響半徑。

當開采區(qū)域D為矩形時，且設地層各項同性，則鹽穴收縮引起的地表下沉預計值為

(5)

為了簡化計算，采用等效開采面積，把水平截面圓形的鹽穴等效為正方形，即πR2=l2，l為正方形邊長，并設正方形的左下角為坐標原點，計算坐標系如圖5所示。

圖5 地表下沉計算坐標系

在圖5坐標系下，可求出正方形開采地表任意點下沉值為

MeqC(x)C(y)

(6)

式中，C(x)和C(y)被稱為下沉分布系數(shù)，可通過式(7)計算或在文獻[15]中查取

(7)

3 圓柱形鹽穴地表下沉預計

以某鹽礦為例，井田含鹽系地層位于下第三系阜寧組四段上部，地層平緩，傾角為3°～5°，埋深為860～1050 m，視厚度為190 m。所接露的巖石類型主要為鹵化物、硫酸鹽巖、泥質巖、粉砂巖及少量碳酸鹽巖，屬于陸源碎屑沉積—化學沉積相。鹽層的頂、底板巖石為含膏粉砂巖、含鹽泥巖、含硝泥巖、含膏砂巖。巖石致密，屬于半堅硬巖石類型，透水性弱，抗壓強度為24.35～37.85 MPa，頂板強度中等，較穩(wěn)定，適宜水溶法開采，設單井開采，開采深度H0=800 m，鹽層開采厚度H=150 m，鹽穴半徑R=30 m(等效正方形開采寬度l=53 m)，下沉系數(shù)q=0.65，主要影響角正切tanβ=1.0，當鹽穴收縮率為ρ(t)=10%時，折算等效開采厚度Me=15 m，則下沉源函數(shù)Q(x,y,t)=Meq=9750 mm。根據式(6)，計算出距鹽穴中心地表點下沉值見表3，下沉預計曲線如圖6所示，通過單鹽穴疊加計算可以預計多鹽穴地表下沉值。

圖6 距鹽穴中心點地表下沉預計曲線

距鹽穴中心距離ρ/m0100200300400500800地表下沉預計值/mm58.556.055.643.826.720.02.5

4 初步結論

在鹽穴的建造與使用過程中，鹽穴受到壓力與溫度的共同作用，鹽穴容積會逐漸變小，最終會通過巖層移動反映到地表，使地表形成下沉。因鹽礦與煤礦的開采方法不同，地表移動變形量較小，移動變形過程緩慢，因此需要更高的觀測精度?！睹旱V測量規(guī)程》(1989年)的測量精度要求不適用鹽穴移動變形監(jiān)測，建議采用國家標準《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)作為行業(yè)標準。

巖鹽水溶開采與地下煤層開采引起的地表移動規(guī)律基本相似，根據煤礦開采地表移動變形預計理論，將鹽穴收縮引起的地表下沉視作一個隨機過程，將鹽穴容積收縮量轉換為等效開采厚度，將圓形開采區(qū)域等效為正方形，基于克諾特影響函數(shù)，建立了圓柱形鹽穴地表下沉預計模型。采用疊加計算，可以預計出多鹽穴收縮地表的移動變形值。

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