向紹棚,金曉文,史婷婷,向 柳,陳植華

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074)

鹽是人類不可缺少的營養(yǎng)素，也是化工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原料，在國民生活生產(chǎn)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(jīng)常出現(xiàn)溶腔頂板垮塌、技術(shù)管扭曲變形破損等引發(fā)地面涌突水事故，湖南省湘澧鹽礦以及湖北省應(yīng)城鹽礦多年的開采已經(jīng)對周邊環(huán)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(fā)生過三次區(qū)域性的地面涌突水現(xiàn)象，不僅影響礦區(qū)正常生產(chǎn)，加劇鹽類礦物資源的浪費(fèi)，更是破壞了地下水環(huán)境，威脅當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水安全。

目前，巖鹽礦區(qū)水溶開采的相關(guān)研究多集中在開采工藝方法[1, 4-10]和溶腔穩(wěn)定性分析上[11-16]，針對水溶法開采引發(fā)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(jié)出了巖鹽礦區(qū)涌突水事故成因分析體系。本文從溶腔穩(wěn)定性、地質(zhì)因素、工程因素、腐蝕因素等四大巖鹽礦區(qū)涌突水影響因素出發(fā)，總結(jié)了四種誘發(fā)反應(yīng)過程，構(gòu)建了巖鹽礦區(qū)涌突水成因三級分析體系，并以我國南方某礦區(qū)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(qū)水溶開采涌突水成因分析體系，同時為該礦區(qū)的涌突水治理工作提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)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(jìn)行加工的采礦方法。在水溶開采過程中，溶腔垮塌和生產(chǎn)井破損都極易形成充水通道進(jìn)而引發(fā)地面涌突水事故。其中溶腔穩(wěn)定性、地質(zhì)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(wěn)定性

溶腔穩(wěn)定性是指生產(chǎn)過程中受開采擾動、不斷擴(kuò)大的溶腔的力學(xué)狀態(tài)和保持平衡態(tài)的能力，水力壓裂產(chǎn)生裂縫以及失穩(wěn)的溶腔導(dǎo)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(fā)涌突水事故。

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

隨著生產(chǎn)進(jìn)行，當(dāng)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(tài)，這種動態(tài)的平衡，極易揭露溶腔頂板局部發(fā)育的構(gòu)造裂隙，形成充水通道污染地下水。

1.2 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是指生產(chǎn)井單元(生產(chǎn)井固井水泥環(huán)、套管以及溶腔)受到圍巖的地質(zhì)破壞作用，巖層蠕變和巖層滑動的應(yīng)力破壞以及構(gòu)造因素都將直接形成充水通道引發(fā)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(tài)過程宏觀表現(xiàn)，指在恒定地應(yīng)力(當(dāng)應(yīng)力高于巖層屈服強(qiáng)度時)持續(xù)作用下，巖層應(yīng)變隨時間的增長而不斷增大，發(fā)生塑性流動直至完全破壞[20]。

泥巖和鹽膏層的地質(zhì)蠕變危害最大。泥巖是一種不穩(wěn)定的巖石，當(dāng)溫度升高或滲水進(jìn)入泥巖層時，將改變泥巖的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)[21]，使原本相對平衡的地應(yīng)力場失去穩(wěn)定，產(chǎn)生破壞作用；鹽膏層(巖鹽地層和膏鹽地層的統(tǒng)稱)也具有流變特性，屬對生產(chǎn)井危害最大的極不穩(wěn)定地層，通過蠕變產(chǎn)生塑性流動對生產(chǎn)井產(chǎn)生相當(dāng)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(chǎn)生的上覆巖層滑動。

當(dāng)巖層存在一定傾角或巖體內(nèi)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(chǎn)井有可能很難抵制住巖層滑動施加的載荷而出現(xiàn)扭曲變形直至錯斷。

1.2.3 構(gòu)造因素

構(gòu)造因素是指構(gòu)造裂隙對生產(chǎn)井破壞以及揭露開采溶腔形成充水通道引發(fā)的破壞作用。當(dāng)?shù)V區(qū)被構(gòu)造裂隙切割時，受生產(chǎn)高溫高壓影響，不僅易對生產(chǎn)井造成破壞，而且還直接威脅著溶腔穩(wěn)定性。溶腔發(fā)育直接揭露構(gòu)造裂隙，生產(chǎn)高壓對構(gòu)造裂隙的壓裂作用，直接形成充水通道威脅地下水系統(tǒng)。

1.3 工程因素

工程因素主要指套管材質(zhì)問題、固井質(zhì)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(fā)地面涌突水事故的因素。

1.3.1 套管材質(zhì)問題

生產(chǎn)井套管材質(zhì)問題指套管抗剪、抗拉強(qiáng)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(fā)地面涌水事故。

1.3.2 固井質(zhì)量問題

固井質(zhì)量直接關(guān)系到生產(chǎn)井(套管、固井水泥環(huán))的壽命，影響固井施工質(zhì)量的因素很多，如井眼不規(guī)則、井斜、固井水泥不達(dá)標(biāo)、注水泥后套管拉伸載荷過小或過大等，都將影響固井質(zhì)量[23]。

固井水泥環(huán)直接與圍巖接觸，保護(hù)著生產(chǎn)井套管不受外部滲水的腐蝕，對巖層蠕變、巖層滑動等地質(zhì)載荷有一定抵制作用。固井水泥環(huán)不達(dá)標(biāo)使套管失去了外層保護(hù)遭到破損。水泥環(huán)膠結(jié)不好部位會成為薄弱環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)高壓和腐蝕作用影響下，水泥環(huán)最底端形成裂隙，裂縫不斷向上延伸，并在薄弱環(huán)節(jié)破損，鹵水順著裂隙進(jìn)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(xiàn)在對溶腔圍巖和固井水泥環(huán)的壓裂破壞，以及不穩(wěn)定的注水壓力將威脅溶腔穩(wěn)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(qū)泄漏鹵水與地下水發(fā)生水力聯(lián)系的隱患，是泄漏鹵水涌出地表的直接導(dǎo)水通道。

1.4 腐蝕因素

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

1.4.1 固井水泥環(huán)腐蝕

1)硫酸鹽結(jié)晶性膨脹腐蝕。硫酸鹽結(jié)晶性膨脹腐蝕是指硫酸鹽吸水結(jié)晶或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)對固井水泥環(huán)產(chǎn)生膨脹破壞作用，暴露套管亦可形成固井水泥環(huán)裂隙充水通道，使鹵水直接泄漏引發(fā)地面涌水事故。

硫酸鹽吸水結(jié)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(huán)表面開裂，同時加速了硫酸鹽與水泥環(huán)內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，揭露套管。

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

1.4.2 生產(chǎn)井套管腐蝕

生產(chǎn)井的套管腐蝕主要是以電化學(xué)腐蝕方式進(jìn)行，即套管與電解質(zhì)溶液接觸后，發(fā)生原電池反應(yīng)，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(qū)涌突水成因分析是一項結(jié)合野外工作、收集資料和室內(nèi)分析實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的綜合性分析研究工作，主要分為單因素分析、誘發(fā)反應(yīng)鏈分析、綜合分析三大層次，如圖1所示。

圖1 巖鹽礦區(qū)涌突水成因分析體系流程

具體表述為：在充分認(rèn)識礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、礦區(qū)生產(chǎn)狀況及事故特征的基礎(chǔ)上，從四大主控單因素出發(fā)，分析開采系統(tǒng)在各因素下的反應(yīng)行為，探討其對涌突水事故的影響；進(jìn)而找出事故可能的誘發(fā)因素、確定相應(yīng)的誘發(fā)反應(yīng)過程；最后根據(jù)誘發(fā)反應(yīng)特點(diǎn)，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(qū)水文地質(zhì)構(gòu)造、礦床地質(zhì)構(gòu)造條件及水化學(xué)特征(包括地下水和生產(chǎn)鹵水)認(rèn)識基礎(chǔ)上，分析未發(fā)生事故(即開采初期)時各方面因素直接危害性，了解生產(chǎn)井所處環(huán)境下的生產(chǎn)狀況。例如，天然水文地質(zhì)環(huán)境背景下，地下水系統(tǒng)中所含化學(xué)成分是否對生產(chǎn)井(包括套管和固井水泥環(huán))產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，即不考慮由于溶腔垮塌或其他方面的原因?qū)е碌叵滤煞肿兓鸬母g作用。

利用溶腔穩(wěn)定性、地質(zhì)因素、工程因素和腐蝕因素四方面構(gòu)建的巖鹽礦區(qū)涌突水主控因素分析體系進(jìn)行單因素分析，能夠涵蓋形成巖鹽礦區(qū)涌突水充水通道的誘發(fā)因素。

單因素分析分內(nèi)因分析和外因分析進(jìn)行，內(nèi)因分析包括：工程因素、固井水泥環(huán)底端腐蝕，套管內(nèi)部腐蝕等，通過生產(chǎn)井資料結(jié)合鹵水水化學(xué)特征分析，但對于缺乏生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)的情況下，則采取排除法，即外因分析→誘發(fā)反應(yīng)鏈分析(見2.2)→內(nèi)因分析的分析思路，但也不排除內(nèi)因不確定性情況的存在；外因分析包括：溶腔穩(wěn)定性，地質(zhì)因素、勘探廢棄遺留孔、腐蝕因素等?；趯ιa(chǎn)單元(生產(chǎn)井套管、估計水泥環(huán)、溶腔等包含的整體)外部環(huán)境的認(rèn)識，分析外部環(huán)境對生產(chǎn)單元的潛在危害。

2.2 第二級：誘發(fā)反應(yīng)鏈分析

誘發(fā)反應(yīng)鏈分析即確定誘發(fā)因素的前提下，根據(jù)實際生產(chǎn)井安全狀況，選擇合適的誘發(fā)反應(yīng)鏈進(jìn)行事故成因分析。

2.2.1 誘發(fā)反應(yīng)鏈建立

誘發(fā)反應(yīng)鏈?zhǔn)窃趯χ骺匾蛩亻g邏輯關(guān)系和巖鹽礦區(qū)涌突水誘發(fā)因素認(rèn)識基礎(chǔ)上，建立的巖鹽礦區(qū)涌突水事故分析思路。

主控因素間邏輯關(guān)系是指主控因素間可能存在的直接誘發(fā)和間接誘發(fā)關(guān)系，例如溶腔垮塌使高濃度硫酸鹽生產(chǎn)鹵水泄露到地下水系統(tǒng)后，原本不會發(fā)生硫酸鹽結(jié)晶性膨脹腐蝕的生產(chǎn)井固井水泥環(huán)，便會在硫酸鹽結(jié)晶性膨脹腐蝕的作用下，引起地應(yīng)力場變化和套管電化學(xué)腐蝕破壞作用等，這里“溶腔垮塌”與“水泥環(huán)硫酸鹽結(jié)晶性膨脹腐蝕”和“地應(yīng)力場變化”即為直接誘發(fā)關(guān)系，而“溶腔垮塌”與“套管電化學(xué)腐蝕破壞”即為間接誘發(fā)關(guān)系。

通過對單因素間的邏輯關(guān)系分析，總結(jié)了巖鹽礦區(qū)涌突水誘發(fā)因素，包括：溶腔垮塌揭露含水層、溶腔垮塌揭露構(gòu)造裂隙、溶腔發(fā)育揭露構(gòu)造裂隙、固井水泥環(huán)底端結(jié)晶性膨脹腐蝕、地下水結(jié)晶性膨脹腐蝕固井水泥環(huán)、鹽膏礦結(jié)晶性膨脹腐蝕、地質(zhì)因素，如圖2所示。

圖2 巖鹽礦區(qū)涌突水誘發(fā)因素示意

基于上述認(rèn)識，建立了四種巖鹽礦區(qū)涌突水誘發(fā)反應(yīng)鏈分析思路，具體如下所示。

1)溶腔穩(wěn)定性/構(gòu)造裂隙→充水通道→地面涌突水/(誘發(fā)其他因素影響→生產(chǎn)井破損→地面涌突水)。溶腔垮塌揭露含水層、構(gòu)造裂隙或溶腔發(fā)育揭露構(gòu)造裂隙時，形成充水通道，使生產(chǎn)鹵水進(jìn)入地下水系統(tǒng)中。鹵水泄漏到地下水系統(tǒng)后會出現(xiàn)兩種運(yùn)移情景，一是在生產(chǎn)高壓作用下，充水通道擴(kuò)大延伸，直接引發(fā)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(xué)成分導(dǎo)致腐蝕作用加強(qiáng)或引起地應(yīng)力場變化導(dǎo)致生產(chǎn)井破損，最終引發(fā)地面涌突水事故。

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

3)固井水泥環(huán)結(jié)晶性膨脹腐蝕→生產(chǎn)井套管電化學(xué)腐蝕/地質(zhì)因素影響→生產(chǎn)井破損--地面涌突水。生產(chǎn)井所處地質(zhì)環(huán)境中地下水含硫酸鹽或生產(chǎn)井穿過石膏、芒硝層時，會發(fā)生水泥環(huán)結(jié)晶性膨脹腐蝕，水泥環(huán)破壞的同時，揭露出的套管發(fā)生電化學(xué)腐蝕作用，并伴隨著地應(yīng)力場的變化，相互促進(jìn)加快了生產(chǎn)井的扭曲破損。

4)地質(zhì)因素→生產(chǎn)井破裂→地面涌突水。地質(zhì)因素對生產(chǎn)井的擠壓破壞，導(dǎo)致生產(chǎn)井破裂引發(fā)地面涌突水事故

2.2.2 誘發(fā)反應(yīng)鏈分析

誘發(fā)反應(yīng)鏈分析是在單因素分析對所處環(huán)境下生產(chǎn)井生產(chǎn)安全狀況了解和單因素間邏輯關(guān)系的分析認(rèn)識上，結(jié)合事故調(diào)查、水化分析工作，分析確定事故誘發(fā)因素后，選取的事故成因分析思路。

基于系統(tǒng)分析理論為指導(dǎo)，作者認(rèn)為誘發(fā)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(gòu)造和含水層形成充水通道，另一方面則是由生產(chǎn)井破損引起的生產(chǎn)鹵水泄漏進(jìn)入地下水系統(tǒng)。結(jié)合涌突水事故野外調(diào)查和室內(nèi)分析工作，在第一級單因素分析的基礎(chǔ)上，分析事故誘發(fā)因素。

確定誘發(fā)因素后，根據(jù)誘發(fā)因素合適的誘發(fā)反應(yīng)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(fā)反應(yīng)鏈分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述事故成因機(jī)制。涌突水事故的復(fù)雜性決定了綜合分析思路的多樣性，通過對誘發(fā)因素→反應(yīng)鏈分析，能準(zhǔn)確的把握事故成因的復(fù)雜性，采用何種綜合分析思路取決于誘發(fā)因素的單一與否，具體如下所示。

2.3.1 單一誘發(fā)因素

在介紹事故基本概況的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述該礦區(qū)水文地質(zhì)、礦層地質(zhì)構(gòu)造及生產(chǎn)工藝。事故成因分析需先論述單因素分析，了解生產(chǎn)狀況，再詳細(xì)論述誘發(fā)因素的分析過程，通過選取的誘發(fā)反應(yīng)鏈為分析思路，對事故成因機(jī)制進(jìn)行論述。

2.3.2 復(fù)合誘發(fā)因素

不同于誘發(fā)因素單一的情況，對于誘發(fā)因素多樣性存在的綜合分析關(guān)鍵問題是，理清多種誘發(fā)因素作用后各因素間的相互促進(jìn)作用。綜合論述時，需結(jié)合多種誘發(fā)反應(yīng)鏈分析思路系統(tǒng)的闡述事故成因的復(fù)雜性。例如誘發(fā)反應(yīng)鏈分析思路“固井水泥環(huán)底端結(jié)晶性膨脹腐蝕→固井水泥環(huán)裂隙→生產(chǎn)井套管電化學(xué)腐蝕/地質(zhì)因素影響→生產(chǎn)井破損→地面涌突水”與“溶腔穩(wěn)定性→充水通道→誘發(fā)其他因素影響→生產(chǎn)井破損→地面涌突水”結(jié)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(qū)涌突水事故分析

礦區(qū)位于南方某縣永樂鄉(xiāng)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)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(fēng)型大陸性溫濕氣候。礦區(qū)內(nèi)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(zhì)區(qū)。自上而下以巖性、巖石構(gòu)造、充水條件可分為六個含水層(組)：中-上更新統(tǒng)孔隙水含水層(組)、下更新統(tǒng)和新近系鳳凰鎮(zhèn)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(qū)發(fā)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(fā)生于2008年10月，李莊村南最先出現(xiàn)高礦化度地下水涌水現(xiàn)象，后涌水區(qū)域逐步向北擴(kuò)散到鄰近部分村莊，涌水量不斷增大，共計出現(xiàn)8個涌水點(diǎn)，民井水質(zhì)惡化，居民生活用水與農(nóng)田生產(chǎn)用水受到嚴(yán)重影響[28]，如圖4所示。

永樂礦區(qū)涌突水事故發(fā)生于2013年1月，共計出現(xiàn)6個涌水點(diǎn)，如圖4所示。具體事故情況為：2013年1月26日，礦區(qū)北部永樂鎮(zhèn)水塔旁一農(nóng)戶家門口出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，2月1日起，永樂鎮(zhèn)一帶陸續(xù)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，2月17日，永樂鎮(zhèn)水塔旁涌水點(diǎn)涌水量突然變大，突水量可達(dá)200m3/h，同日發(fā)現(xiàn)堿礦SO2生產(chǎn)井破損，后通過相關(guān)技術(shù)手段確定破損點(diǎn)在地下234m處。對永樂鎮(zhèn)涌突水調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除新安旅社冒水點(diǎn)(發(fā)生在200m深的農(nóng)家抽水井)外，其余涌突水點(diǎn)均發(fā)生在石膏勘探遺留廢棄鉆孔。

圖4 礦區(qū)涌突水點(diǎn)分布

在此背景下，利用前文建立的巖鹽礦區(qū)涌突水成因分析體系，對礦區(qū)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(wěn)定性

區(qū)內(nèi)天然堿礦與芒硝礦均采用水力壓裂技術(shù)開采，形成的堿礦、芒硝礦開采溶腔穩(wěn)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(fā)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(jié)構(gòu)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(tǒng)與礦床的水力聯(lián)系，即芒硝礦開采溶腔難以形成充水通道導(dǎo)致地面涌突水。故開采溶腔難以形成充水通道導(dǎo)致地面涌突水。

3.1.2 地質(zhì)因素

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

區(qū)內(nèi)南東部核三段、核二段地層中發(fā)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(fā)育幾條小規(guī)模的隱伏斷層，雖然在含芒硝礦層范圍內(nèi)，但是其均發(fā)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(fā)育難以揭露構(gòu)造裂隙形成充水通道。

天然背景下，地質(zhì)因素對于生產(chǎn)井單元以及溶腔的穩(wěn)定性影響較小。

3.1.3 工程因素

固井水泥環(huán)受到固井水泥環(huán)作為套管的外層保護(hù)，直接與地層接觸，接受地應(yīng)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(chǎn)單元產(chǎn)生破壞。

3.1.4 腐蝕因素

穿過石膏層的堿礦生產(chǎn)井,受石膏的結(jié)晶性膨脹腐蝕，使處在該段的水泥環(huán)疏松脹裂，生產(chǎn)井套管直接揭露于地質(zhì)環(huán)境中。

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

3.2 誘發(fā)反應(yīng)鏈分析

通過溶腔穩(wěn)定性單因素分析，認(rèn)識到該區(qū)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(tǒng)，開采溶腔圍巖地層并無構(gòu)造發(fā)育，確保了溶腔的穩(wěn)定性。誘發(fā)因素需從其他因素著手分析。

3.2.1 李莊一帶涌水事故

據(jù)李莊一帶生產(chǎn)井報表知，該處未發(fā)現(xiàn)套管破裂情況，泄漏鹵水只能通過固井水泥環(huán)裂隙泄漏，因此認(rèn)為固井水泥環(huán)底端結(jié)晶性膨脹腐蝕即為李莊一帶涌水事故誘發(fā)因素。選取誘發(fā)反應(yīng)鏈分析思路“固井水泥環(huán)底端結(jié)晶性膨脹腐蝕→固井水泥環(huán)裂隙→地面涌突水”進(jìn)行分析。

3.2.2 永樂一帶涌突水事故

據(jù)生產(chǎn)單位調(diào)查，永樂一帶涌突水事故是由S02生產(chǎn)井地下234m處破裂所致，誘發(fā)因素分析如下：據(jù)永樂一帶石膏勘探資料知，埋深約200m處有薄層石膏礦發(fā)育，穿過石膏層的堿礦生產(chǎn)井，受石膏的失水收縮、吸水膨脹作用，使生產(chǎn)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(zhì)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(jìn)入地下水系統(tǒng)，改變了地下水化學(xué)成分，促進(jìn)套管腐蝕。由于溶腔穩(wěn)定性單因素分析認(rèn)為，溶腔發(fā)育難以形成充水通道，因此認(rèn)為固井水泥環(huán)底端膨脹腐蝕形成導(dǎo)水裂隙，使鹵水進(jìn)入地下水中，促進(jìn)了套管的電化學(xué)腐蝕作用。

綜上所述，生產(chǎn)井石膏層結(jié)晶性腐蝕和底端固井水泥環(huán)結(jié)晶性膨脹腐蝕即為永樂一帶涌突水事故誘發(fā)因素。選取誘發(fā)反應(yīng)鏈分析思路“固井水泥環(huán)底端結(jié)晶性膨脹腐蝕→固井水泥環(huán)裂隙→生產(chǎn)井套管電化學(xué)腐蝕→生產(chǎn)井破損→地面涌突水”和“固井水泥環(huán)結(jié)晶性膨脹腐蝕→生產(chǎn)井套管電化學(xué)腐蝕→生產(chǎn)井破損→地面涌突水”相結(jié)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(fā)因素綜合分析。

固井水泥環(huán)底端發(fā)生硫酸鹽結(jié)晶性膨脹腐蝕形成水泥環(huán)裂隙，生產(chǎn)高壓的促進(jìn)，裂縫順著固井水泥環(huán)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(zhèn)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(huán)裂隙充水通道運(yùn)移到廖莊組后進(jìn)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(jié)

通過對礦區(qū)涌突水事故成因的分析，固井水泥環(huán)在事故中起到了關(guān)鍵性的作用，其保護(hù)著生產(chǎn)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(qū)開采過程中薄弱環(huán)節(jié)。在巖鹽礦生產(chǎn)井建設(shè)過程中，對固井水泥環(huán)應(yīng)采用高強(qiáng)度設(shè)計，在生產(chǎn)過程中應(yīng)對生產(chǎn)井采取必要的安全監(jiān)控措施，掌握其受損狀況。

4 結(jié)語

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

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

3)在巖鹽礦開采過程中，應(yīng)堅持“設(shè)計上重視，生產(chǎn)上監(jiān)控”，加強(qiáng)礦區(qū)水文地質(zhì)認(rèn)識，選擇合適開采技術(shù)，確保溶腔穩(wěn)定性，高度重視固井水泥環(huán)設(shè)計，定期檢測生產(chǎn)井安全狀況，控制污染源產(chǎn)生。

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