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在地下开采卤盐矿,不可避免地要破坏地下原始应力平衡,使采空区(溶腔)的围岩发生一定范围和一定形态的变形和移动,称之为卤盐开采塌陷。开采塌陷在两方面产生极大的危害:一方面,开采塌陷将直接影响、破坏地下和地面的建筑物、构筑物,从而影响生产的正常进行,威胁人民的生命财产安全;另一方面,开采塌陷破坏地下、地表水系,各种开采溶剂混入其中,对生态环境造成极大破坏,严重影响人民的生活质量,威胁人民的生命安全。由于开采方式的不同,导致水溶开采塌陷与巷采塌陷有许多不同之处,主要表现在以下几个方面:
①开采推进方式不同。水溶开采是通过井口压力水压入已知矿层,由于水流动的无序性,造成水溶法开采矿体是全方位推进且各方向推进速度不一致,巷采是一般都是单方向推进,虽可能在多条巷道,但总体方向一致,并且开采的巷道速度一般都是可以控制,基本可以保持一致。因此,两种不同的开采方法和方式势必导致由开采形成的采空区引起的地表移动盆地的形成过程和速度等都会有很大的差别。
②采空区形成的空间不同。由于矿体形成物质和地质条件的差异,井口压入的水对卤盐矿层在不同的方向的溶解速率一般都有一些差别,由于水溶解矿物在各个方向的推进速度不一样。导致水溶法开采采空区的空间形状、尺寸及大小在同一矿层的不同地段都会不同,并且在目前的工艺水平下无法控制。而巷采则相对简单,由于施工的速度可以人为控制,且巷道的形状、大小都是可以固定的。因此,在用同一种方法预测时,水溶法开采引起的地表移动变形需考虑很多种上述相关影响因素,而巷采则相对来说,相关因素影响较少,这也是目前金属矿山、煤矿山采空区引起的地表移动变形研究较多,理论成熟的原因之一。
③预留矿柱的难易程度。由于上述卤盐开采的水压力、开采的推进方向、推进速度和卤盐矿物质本身溶解的差异,导致卤盐矿层的开采过程甚至于卤盐矿层开采量很难精确控制,因此水溶开采卤盐矿山按设计预留矿柱的难度很大,有些矿山甚至于无法预留矿柱。而相对于巷采来说,由于人工控制程度较高,因此完全可以按设计预留矿柱。
④水的影响。众所周知,地下开采矿层,地下水是不可忽视的影响因素,而卤盐开采过程中人为注入较高压力的水去溶解地底深几百甚至上千米的矿层,压力水具相当强的渗透性,会影响矿体围岩的物理力学性质,并且水流动的无序性,极有可能与原有地下水贯通,直接危及开采矿山的安全。
⑤采深和采厚不同。根据国内外水溶矿山开采的实际资料,一般卤盐水溶开采矿层的埋藏深度和开采的总体厚度较煤矿等巷采矿山大。如果不注重防护,水溶法开采矿山采空区对周边的建筑物、农田等破坏较巷采大,对矿山地质环境的影响更为严重。
由于以上的不同之处,使卤盐水溶开采塌陷有别于巷采。巷采的一些预测理论和方法不能直接用于卤盐水溶开采塌陷。因此,本文针对卤盐水溶开采的实际特点,主要做了以下几个方面的研究工作:
①对矿物开采引起的上覆岩层移动、变形和破坏的一般规律进行了总结、归纳和研究。分析了水溶开采塌陷的特点和难点,为进一步研究打下了基础。
②对钻井水溶法采矿地表移动的理论、移动机理、影响因素的研究,结合钻井水溶开采的技术特点,建立了适合水溶开采塌陷的预测模型。
通过上述研究工作,获得了以下一些主要成果:
1)水溶开采与巷采在开采推进方向、采空区形状、采空区形状控制、预留矿柱的难易程度、水对上覆岩层的影响、采深和采厚等方面具有很大的差异。卤盐水溶开采塌陷的影响因素更多、预测更难、控制更复杂。
2)针对卤盐水溶开采塌陷的特点,根据随机介质理论的应用条件,在随机介质理论成功应用于其他类型矿山的基础上,将随机介质理论岩层地表移动预计方法运用到钻井水溶法开采矿山,拓广随机介质理论的工程应用领域,并通过地表移动实际监测数据的反馈分析,可获取相关地表移动参数,可以对水溶法开采塌陷进行有效的预测和控制。
3)结合某钻井水溶法开采矿山地表塌陷实例,进行实证分析,探讨地表移动与变形预计随机介质预计方法在水溶法开采矿山的适用性。
4)通过对钻进水溶法开采塌陷的研究与实证分析,提出了合理的防治建议,并提倡以防为主,防治结合的原则。在塌陷区形成之前,就采取“超前”防治措施。即在制定开采设计时就考虑预防措施,并在开采过程中认真实施。