巖鹽礦區水溶開采涌突水成因分析體系初探：以南方某礦區為例

向紹棚,金曉文,史婷婷,向 柳,陳植華

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2.教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074)

鹽是人類不可缺少的營養素，也是化工產業的基礎原料，在國民生活生產中占有十分重要的地位[1]。由于鹽類礦物易溶于水，其開采工藝多以水溶開采為主，在開采過程中經常出現溶腔頂板垮塌、技術管扭曲變形破損等引發地面涌突水事故，湖南省湘澧鹽礦以及湖北省應城鹽礦多年的開采已經對周邊環境造成了不同程度的“白色污染”[2- 3]，近年來河南吳城及安棚就先后發生過三次區域性的地面涌突水現象，不僅影響礦區正常生產，加劇鹽類礦物資源的浪費，更是破壞了地下水環境，威脅當地生產生活用水安全。

目前，巖鹽礦區水溶開采的相關研究多集中在開采工藝方法[1, 4-10]和溶腔穩定性分析上[11-16]，針對水溶法開采引發的涌突水事故成因研究還有待豐富[17-19]。對事故案例研究以及野外工作積累，總結出了巖鹽礦區涌突水事故成因分析體系。本文從溶腔穩定性、地質因素、工程因素、腐蝕因素等四大巖鹽礦區涌突水影響因素出發，總結了四種誘發反應過程，構建了巖鹽礦區涌突水成因三級分析體系，并以我國南方某礦區涌突水事故為例開展了綜合分析工作。以期在一定程度上豐富巖鹽礦區水溶開采涌突水成因分析體系，同時為該礦區的涌突水治理工作提供科學依據和技術參考。

1 涌突水事故主控因素

水溶開采法是通過鉆井或井巷注入淡水，溶解地下礦床中的有益組分，成為溶液(鹵水)返出地面，進行加工的采礦方法。在水溶開采過程中，溶腔垮塌和生產井破損都極易形成充水通道進而引發地面涌突水事故。其中溶腔穩定性、地質因素、工程因素、腐蝕因素等是影響充水通道形成的主控因素。

1.1 溶腔穩定性

溶腔穩定性是指生產過程中受開采擾動、不斷擴大的溶腔的力學狀態和保持平衡態的能力，水力壓裂產生裂縫以及失穩的溶腔導致的頂板垮塌將有可能直接溝通礦層上下含水層形成充水通道并在地表處引發涌突水事故。

具體來說，在開采層中所形成的溶腔的穩定性與圍巖的完整程度、力學強度以及溶腔的大小有關。溶腔形成初期，圍巖穩定性遭到水力壓裂破壞形成應力破裂帶，復雜的地質條件導致了水力壓裂裂縫方向的不確定性，在應力破損帶處形成方向不定的人工充水通道。

隨著生產進行，當溶腔頂板跨距超過巖鹽頂板承壓極限時，溶腔頂板必然垮塌，垮塌之后溶腔頂板又會處于相對平衡的狀態，這種動態的平衡，極易揭露溶腔頂板局部發育的構造裂隙，形成充水通道污染地下水。

1.2 地質因素

地質因素是指生產井單元(生產井固井水泥環、套管以及溶腔)受到圍巖的地質破壞作用，巖層蠕變和巖層滑動的應力破壞以及構造因素都將直接形成充水通道引發地面涌突水事故。

1.2.1 巖層蠕變

巖層蠕變是巖層流變性的動態過程宏觀表現，指在恒定地應力(當應力高于巖層屈服強度時)持續作用下，巖層應變隨時間的增長而不斷增大，發生塑性流動直至完全破壞[20]。

泥巖和鹽膏層的地質蠕變危害最大。泥巖是一種不穩定的巖石，當溫度升高或滲水進入泥巖層時，將改變泥巖的力學性質和應力狀態[21]，使原本相對平衡的地應力場失去穩定，產生破壞作用；鹽膏層(巖鹽地層和膏鹽地層的統稱)也具有流變特性，屬對生產井危害最大的極不穩定地層，通過蠕變產生塑性流動對生產井產生相當大的外擠載荷，造成破損[22]。

1.2.2 巖層滑動

巖層滑動是指受巖層自身重力和上覆巖層壓力的作用，產生的上覆巖層滑動。

當巖層存在一定傾角或巖體內存在層狀、帶狀的軟弱薄層時，上部巖層易失去平衡滑動，生產井有可能很難抵制住巖層滑動施加的載荷而出現扭曲變形直至錯斷。

1.2.3 構造因素

構造因素是指構造裂隙對生產井破壞以及揭露開采溶腔形成充水通道引發的破壞作用。當礦區被構造裂隙切割時，受生產高溫高壓影響，不僅易對生產井造成破壞，而且還直接威脅著溶腔穩定性。溶腔發育直接揭露構造裂隙，生產高壓對構造裂隙的壓裂作用，直接形成充水通道威脅地下水系統。

1.3 工程因素

工程因素主要指套管材質問題、固井質量問題、高壓注水及勘探遺留廢棄孔等易形成充水通道引發地面涌突水事故的因素。

1.3.1 套管材質問題

生產井套管材質問題指套管抗剪、抗拉強度低，直接影響其抵制巖層施加的載荷能力；存在微孔、微縫，螺紋不符合要求或由于損傷而不密封的套管，易形成充水通道引發地面涌水事故。

1.3.2 固井質量問題

固井質量直接關系到生產井(套管、固井水泥環)的壽命，影響固井施工質量的因素很多，如井眼不規則、井斜、固井水泥不達標、注水泥后套管拉伸載荷過小或過大等，都將影響固井質量[23]。

固井水泥環直接與圍巖接觸，保護著生產井套管不受外部滲水的腐蝕，對巖層蠕變、巖層滑動等地質載荷有一定抵制作用。固井水泥環不達標使套管失去了外層保護遭到破損。水泥環膠結不好部位會成為薄弱環節，在生產高壓和腐蝕作用影響下，水泥環最底端形成裂隙，裂縫不斷向上延伸，并在薄弱環節破損，鹵水順著裂隙進入地層污染地下水。

1.3.3 高壓注水

為提高鹽礦回采率，巖鹽開采一般采用高溫高壓注水開采，高壓注水對地面涌水充水通道的形成主要體現在對溶腔圍巖和固井水泥環的壓裂破壞，以及不穩定的注水壓力將威脅溶腔穩定性。

1.3.4 勘探遺留鉆孔

勘探遺留的鉆孔如果封閉不良的話，很容易成為礦區泄漏鹵水與地下水發生水力聯系的隱患，是泄漏鹵水涌出地表的直接導水通道。

1.4 腐蝕因素

腐蝕因素是指固井水泥環和套管受到的結晶性膨脹腐蝕和電化學腐蝕破壞作用，具體如下所示。

1.4.1 固井水泥環腐蝕

1)硫酸鹽結晶性膨脹腐蝕。硫酸鹽結晶性膨脹腐蝕是指硫酸鹽吸水結晶或發生化學反應對固井水泥環產生膨脹破壞作用，暴露套管亦可形成固井水泥環裂隙充水通道，使鹵水直接泄漏引發地面涌水事故。

硫酸鹽吸水結晶膨脹(硫酸鈉吸水后體積膨脹率為311%，硫酸鎂為11%[24])，造成固井水泥環表面開裂，同時加速了硫酸鹽與水泥環內部發生反應，揭露套管。

2)石膏、芒硝結晶性膨脹腐蝕。石膏、芒硝結晶性膨脹腐蝕是指石膏、芒硝等具有的較強吸水、失水能力對固井水泥環造成的結晶性膨脹腐蝕。其中石膏可產生約0.15MPa膨脹壓力，芒硝可產生約0.44MPa膨脹壓力，反復的作用產生的膨脹壓力使固井水泥環疏松脹裂，加大了硫酸鹽與固井水泥環反應程度[26]。

1.4.2 生產井套管腐蝕

生產井的套管腐蝕主要是以電化學腐蝕方式進行，即套管與電解質溶液接觸后，發生原電池反應，套管中所含的鐵會失去電子而被腐蝕[26]。

2 涌突水成因分析體系

巖鹽礦區涌突水成因分析是一項結合野外工作、收集資料和室內分析實驗的基礎上進行的綜合性分析研究工作，主要分為單因素分析、誘發反應鏈分析、綜合分析三大層次，如圖1所示。

圖1 巖鹽礦區涌突水成因分析體系流程

具體表述為：在充分認識礦區地質和水文地質條件、礦區生產狀況及事故特征的基礎上，從四大主控單因素出發，分析開采系統在各因素下的反應行為，探討其對涌突水事故的影響；進而找出事故可能的誘發因素、確定相應的誘發反應過程；最后根據誘發反應特點，綜合研究涌突水事故成因。

2.1 第一級：單因素分析

單因素分析是在對礦區水文地質構造、礦床地質構造條件及水化學特征(包括地下水和生產鹵水)認識基礎上，分析未發生事故(即開采初期)時各方面因素直接危害性，了解生產井所處環境下的生產狀況。例如，天然水文地質環境背景下，地下水系統中所含化學成分是否對生產井(包括套管和固井水泥環)產生化學腐蝕，即不考慮由于溶腔垮塌或其他方面的原因導致地下水成分變化引起的腐蝕作用。

利用溶腔穩定性、地質因素、工程因素和腐蝕因素四方面構建的巖鹽礦區涌突水主控因素分析體系進行單因素分析，能夠涵蓋形成巖鹽礦區涌突水充水通道的誘發因素。

單因素分析分內因分析和外因分析進行，內因分析包括：工程因素、固井水泥環底端腐蝕，套管內部腐蝕等，通過生產井資料結合鹵水水化學特征分析，但對于缺乏生產井數據的情況下，則采取排除法，即外因分析→誘發反應鏈分析(見2.2)→內因分析的分析思路，但也不排除內因不確定性情況的存在；外因分析包括：溶腔穩定性，地質因素、勘探廢棄遺留孔、腐蝕因素等。基于對生產單元(生產井套管、估計水泥環、溶腔等包含的整體)外部環境的認識，分析外部環境對生產單元的潛在危害。

2.2 第二級：誘發反應鏈分析

誘發反應鏈分析即確定誘發因素的前提下，根據實際生產井安全狀況，選擇合適的誘發反應鏈進行事故成因分析。

2.2.1 誘發反應鏈建立

誘發反應鏈是在對主控因素間邏輯關系和巖鹽礦區涌突水誘發因素認識基礎上，建立的巖鹽礦區涌突水事故分析思路。

主控因素間邏輯關系是指主控因素間可能存在的直接誘發和間接誘發關系，例如溶腔垮塌使高濃度硫酸鹽生產鹵水泄露到地下水系統后，原本不會發生硫酸鹽結晶性膨脹腐蝕的生產井固井水泥環，便會在硫酸鹽結晶性膨脹腐蝕的作用下，引起地應力場變化和套管電化學腐蝕破壞作用等，這里“溶腔垮塌”與“水泥環硫酸鹽結晶性膨脹腐蝕”和“地應力場變化”即為直接誘發關系，而“溶腔垮塌”與“套管電化學腐蝕破壞”即為間接誘發關系。

通過對單因素間的邏輯關系分析，總結了巖鹽礦區涌突水誘發因素，包括：溶腔垮塌揭露含水層、溶腔垮塌揭露構造裂隙、溶腔發育揭露構造裂隙、固井水泥環底端結晶性膨脹腐蝕、地下水結晶性膨脹腐蝕固井水泥環、鹽膏礦結晶性膨脹腐蝕、地質因素，如圖2所示。

圖2 巖鹽礦區涌突水誘發因素示意

基于上述認識，建立了四種巖鹽礦區涌突水誘發反應鏈分析思路，具體如下所示。

1)溶腔穩定性/構造裂隙→充水通道→地面涌突水/(誘發其他因素影響→生產井破損→地面涌突水)。溶腔垮塌揭露含水層、構造裂隙或溶腔發育揭露構造裂隙時，形成充水通道，使生產鹵水進入地下水系統中。鹵水泄漏到地下水系統后會出現兩種運移情景，一是在生產高壓作用下，充水通道擴大延伸，直接引發地面涌突水事故；另一種情形是泄漏鹵水改變了地下水化學成分導致腐蝕作用加強或引起地應力場變化導致生產井破損，最終引發地面涌突水事故。

2)固井水泥環底端結晶性膨脹腐蝕→固井水泥環裂隙→地面涌突水/(生產井套管電化學腐蝕/地質因素影響→生產井破損→地面涌突水)。腐蝕因素對固井水泥環底端腐蝕，形成水泥環裂隙充水通道，鹵水泄漏進入地下水系統，引發地面涌突水；或是通過對水泥環的破壞作用，使原有地應力場失去平衡，同時使套管直接暴露于外界環境中，造成套管電化學腐蝕，最終導致生產井破損引發地面涌突水事故。

3)固井水泥環結晶性膨脹腐蝕→生產井套管電化學腐蝕/地質因素影響→生產井破損--地面涌突水。生產井所處地質環境中地下水含硫酸鹽或生產井穿過石膏、芒硝層時，會發生水泥環結晶性膨脹腐蝕，水泥環破壞的同時，揭露出的套管發生電化學腐蝕作用，并伴隨著地應力場的變化，相互促進加快了生產井的扭曲破損。

4)地質因素→生產井破裂→地面涌突水。地質因素對生產井的擠壓破壞，導致生產井破裂引發地面涌突水事故

2.2.2 誘發反應鏈分析

誘發反應鏈分析是在單因素分析對所處環境下生產井生產安全狀況了解和單因素間邏輯關系的分析認識上，結合事故調查、水化分析工作，分析確定事故誘發因素后，選取的事故成因分析思路。

基于系統分析理論為指導，作者認為誘發因素分析需從兩方面著手，一方面是開采溶腔垮塌揭露裂隙、斷層等構造和含水層形成充水通道，另一方面則是由生產井破損引起的生產鹵水泄漏進入地下水系統。結合涌突水事故野外調查和室內分析工作，在第一級單因素分析的基礎上，分析事故誘發因素。

確定誘發因素后，根據誘發因素合適的誘發反應鏈，為綜合分析確定事故分析思路。

2.3 第三級：綜合分析

綜合分析是在單因素分析和誘發反應鏈分析的基礎上，系統論述事故成因機制。涌突水事故的復雜性決定了綜合分析思路的多樣性，通過對誘發因素→反應鏈分析，能準確的把握事故成因的復雜性，采用何種綜合分析思路取決于誘發因素的單一與否，具體如下所示。

2.3.1 單一誘發因素

在介紹事故基本概況的基礎上，詳細論述該礦區水文地質、礦層地質構造及生產工藝。事故成因分析需先論述單因素分析，了解生產狀況，再詳細論述誘發因素的分析過程，通過選取的誘發反應鏈為分析思路，對事故成因機制進行論述。

2.3.2 復合誘發因素

不同于誘發因素單一的情況，對于誘發因素多樣性存在的綜合分析關鍵問題是，理清多種誘發因素作用后各因素間的相互促進作用。綜合論述時，需結合多種誘發反應鏈分析思路系統的闡述事故成因的復雜性。例如誘發反應鏈分析思路“固井水泥環底端結晶性膨脹腐蝕→固井水泥環裂隙→生產井套管電化學腐蝕/地質因素影響→生產井破損→地面涌突水”與“溶腔穩定性→充水通道→誘發其他因素影響→生產井破損→地面涌突水”結合時，可采用圖3所示分析思路為框架，綜合論述事故成因。

圖3 分析思路框架

3 南方某礦區涌突水事故分析

礦區位于南方某縣永樂鄉境內，區內石油、天然堿、芒硝礦、石膏等資源豐富[28]。地貌以丘陵為主，地勢起伏較小，屬亞熱帶季風型大陸性溫濕氣候。礦區內第四系黏土分布廣泛，厚5～25m，主要地表水體鴻雁河及其支流，大部分切割第四系地層，局部切割至新近系地層，屬壟崗水文地質區。自上而下以巖性、巖石構造、充水條件可分為六個含水層(組)：中-上更新統孔隙水含水層(組)、下更新統和新近系鳳凰鎮組孔隙水含水層(組)、古近系廖莊組裂隙孔隙水含水層(組)、核桃園組一段裂隙孔隙水含水層(組)、核桃園組二段巖溶裂隙水含水層(組)、核桃園組三段巖溶裂隙水含水層(組)。

2008年至今，礦區發生了兩次較大范圍的地面涌突水事故。

李莊一帶涌水事故發生于2008年10月，李莊村南最先出現高礦化度地下水涌水現象，后涌水區域逐步向北擴散到鄰近部分村莊，涌水量不斷增大，共計出現8個涌水點，民井水質惡化，居民生活用水與農田生產用水受到嚴重影響[28]，如圖4所示。

永樂礦區涌突水事故發生于2013年1月，共計出現6個涌水點，如圖4所示。具體事故情況為：2013年1月26日，礦區北部永樂鎮水塔旁一農戶家門口出現涌水現象，2月1日起，永樂鎮一帶陸續出現涌水現象，2月17日，永樂鎮水塔旁涌水點涌水量突然變大，突水量可達200m3/h，同日發現堿礦SO2生產井破損，后通過相關技術手段確定破損點在地下234m處。對永樂鎮涌突水調查發現，除新安旅社冒水點(發生在200m深的農家抽水井)外，其余涌突水點均發生在石膏勘探遺留廢棄鉆孔。

圖4 礦區涌突水點分布

在此背景下，利用前文建立的巖鹽礦區涌突水成因分析體系，對礦區涌突事故成因開展分析研究工作。

3.1 單因素分析

3.1.1 溶腔穩定性

區內天然堿礦與芒硝礦均采用水力壓裂技術開采，形成的堿礦、芒硝礦開采溶腔穩定性分述如下所示。

天然堿礦分布于第三系核桃園組核二段下部核三段上部，層頂、底板均以白云巖系地層為主，其上發育巨厚的致密堅硬泥巖、碎屑巖系地層，天然堿礦圍巖地層結構決定了天然堿礦水力壓裂開采形成的溶腔難以形成裂隙充水通道，溶腔穩定。

芒硝礦集中分布于第三系核桃園組核一段上部泥巖中，礦層頂界距核一段頂界約4～40m，核一段上覆廖莊組含水層巖性以泥巖、粉砂巖為主，成巖程度較好，巖石結構致密，其組成的隔水層隔水性能相對較好，直接隔水層厚度約30～150m，很好的限制了礦層上覆地下水系統與礦床的水力聯系，即芒硝礦開采溶腔難以形成充水通道導致地面涌突水。故開采溶腔難以形成充水通道導致地面涌突水。

3.1.2 地質因素

天然堿礦和芒硝礦分別埋深約2000m和1200m，生產井所處地質環境復雜，穿過的泥巖層較厚，泥巖本身的隔水性和生產井套管及水泥環的抵制作用，地應力場處于相對平衡。礦區北部地下200m處有薄層石膏層發育，其產生的塑性流動對生產井破壞較小。巖層蠕變和巖層滑動對生產單元危害有限。

區內南東部核三段、核二段地層中發育著5條近東西向的隱伏斷層，均在含堿礦層平面范圍外，對礦層影響不大；核一段地層中靠近東部發育幾條小規模的隱伏斷層，雖然在含芒硝礦層范圍內，但是其均發育在核一段地層底部，因此沒有對核一段頂部沉積的芒硝礦層造成破壞。即溶腔發育難以揭露構造裂隙形成充水通道。

天然背景下，地質因素對于生產井單元以及溶腔的穩定性影響較小。

3.1.3 工程因素

固井水泥環受到固井水泥環作為套管的外層保護，直接與地層接觸，接受地應力和外部滲水作用，其損傷是無法避免的，但在天然背景下難以對生產單元產生破壞。

3.1.4 腐蝕因素

穿過石膏層的堿礦生產井,受石膏的結晶性膨脹腐蝕，使處在該段的水泥環疏松脹裂，生產井套管直接揭露于地質環境中。

綜上所述，天然背景下，地下水對固井水泥環的腐蝕較微弱，但穿過石膏層的生產井受到了石膏的結晶性膨脹腐蝕，同時固井水泥環底端受到結晶性膨脹腐蝕形成裂隙充水通道。

3.2 誘發反應鏈分析

通過溶腔穩定性單因素分析，認識到該區巖鹽礦水溶開采形成的溶腔，不會形成充水通道污染淺層地下水系統，開采溶腔圍巖地層并無構造發育，確保了溶腔的穩定性。誘發因素需從其他因素著手分析。

3.2.1 李莊一帶涌水事故

據李莊一帶生產井報表知，該處未發現套管破裂情況，泄漏鹵水只能通過固井水泥環裂隙泄漏，因此認為固井水泥環底端結晶性膨脹腐蝕即為李莊一帶涌水事故誘發因素。選取誘發反應鏈分析思路“固井水泥環底端結晶性膨脹腐蝕→固井水泥環裂隙→地面涌突水”進行分析。

3.2.2 永樂一帶涌突水事故

據生產單位調查，永樂一帶涌突水事故是由S02生產井地下234m處破裂所致，誘發因素分析如下：據永樂一帶石膏勘探資料知，埋深約200m處有薄層石膏礦發育，穿過石膏層的堿礦生產井，受石膏的失水收縮、吸水膨脹作用，使生產井套管在該處埋深直接暴露于地層中，但天然背景條件下地下水對套管腐蝕以及地質因素影響較弱，難以形成破裂口，由此推斷鹵水通過其他途徑泄漏進入地下水系統，改變了地下水化學成分，促進套管腐蝕。由于溶腔穩定性單因素分析認為，溶腔發育難以形成充水通道，因此認為固井水泥環底端膨脹腐蝕形成導水裂隙，使鹵水進入地下水中，促進了套管的電化學腐蝕作用。

綜上所述，生產井石膏層結晶性腐蝕和底端固井水泥環結晶性膨脹腐蝕即為永樂一帶涌突水事故誘發因素。選取誘發反應鏈分析思路“固井水泥環底端結晶性膨脹腐蝕→固井水泥環裂隙→生產井套管電化學腐蝕→生產井破損→地面涌突水”和“固井水泥環結晶性膨脹腐蝕→生產井套管電化學腐蝕→生產井破損→地面涌突水”相結合的分析思路。

3.3 綜合分析

3.3.1 李莊一帶涌水事故

屬單一誘發因素綜合分析。

固井水泥環底端發生硫酸鹽結晶性膨脹腐蝕形成水泥環裂隙，生產高壓的促進，裂縫順著固井水泥環不斷向上延伸，形成充水通道。通過對李莊一帶埋深約150-250m的地下水取樣分析，鳳凰鎮組孔隙含水層和下第三系廖莊組裂隙孔隙含水層均受到了污染，由此推斷鹵水順著水泥環裂隙充水通道運移到廖莊組后進入地層，最終在地表涌出，即為2008年李莊一帶涌水事故根本原因，見圖5。

圖5 李莊一帶涌水事故成因

3.3.2 永樂一帶涌突水事故

圖6 永樂一帶涌突水事故成因

3.3.3 事故成因小結

通過對礦區涌突水事故成因的分析，固井水泥環在事故中起到了關鍵性的作用，其保護著生產井免受外界破壞的同時自身安全性能卻在不斷降低，最終成為該礦區開采過程中薄弱環節。在巖鹽礦生產井建設過程中，對固井水泥環應采用高強度設計，在生產過程中應對生產井采取必要的安全監控措施，掌握其受損狀況。

4 結語

1)本文從溶腔穩定性、地質因素、工程因素、腐蝕因素等四大巖鹽礦區涌突水影響因素出發，分析開采系統在各因素下的反應行為，建立了四種誘發反應鏈分析思路，討論了事故誘發因素及相應的誘發反應過程，最終構建了“單因素分析→誘發反應鏈分析→綜合分析”巖鹽礦區涌突水成因三級分析體系。

2)利用所建立的巖鹽礦區涌突水成因分析體系，對南方某礦區涌突水事故進行了分析，綜合論述了李莊和永樂一帶涌突水成因，認為固井水泥環腐蝕是事故主要誘因，誘發了涌突水事故的發生。

3)在巖鹽礦開采過程中，應堅持“設計上重視，生產上監控”，加強礦區水文地質認識，選擇合適開采技術，確保溶腔穩定性，高度重視固井水泥環設計，定期檢測生產井安全狀況，控制污染源產生。

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