刘 勇，谭 伟，王小平，肖炜波

(湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

地面塌陷是由一定的内在地质条件和外在的诱发因素引起的，覆盖层的物质结构及水动力条件决定地表是否会发生塌陷，并控制变形破坏的规模[1-2]。为了更好地理解地面塌陷地质特征、形成机理及其分布规律，往往可以通过建立塌陷地质模型来作出客观评价[3-5]。同时，研究不同地质模型下的变形破坏表现形式,推测影响范围并圈定安全界线，对保障人民生命财产安全、促进社会和经济可持续发展具有重要意义。

云应盐矿区是中国主要的盐化工业基地之一，区内矿产资源十分丰富，现已初步查明云应盆地岩盐资源分布面积约188 km2，资源储量约280×108t(1)湖北省地质环境总站，云应膏盐矿区地面塌陷及地面沉降区调查与监测报告，2021。。20世纪70—90年代采用高压(2～3 MPa)注水压裂溶解岩盐和对井开采[6]，对井井距一般为150 m左右，开采深度为300～500 m。多年开采已造成地下形成大小溶腔数百个，尤以300～400 m以浅地段较多，同时造成上部松散层中出现大量土洞，这些区域极易发生地面塌陷[7-8]。本文通过对云应盐矿区已发生的塌陷地质灾害进行分析和总结，建立塌陷地质模型，可推广应用于相似的塌陷区域，这也是建立地质灾害监测预警网络的前提。

1 研究区概况

研究区位于湖北省云梦县隔蒲潭镇和应城市化工镇一带，地处江汉平原北部,地跨东经113°35′17″～113°44′42″，北纬30°52′01″～30°56′45″，面积约100 km2。区内现有7家矿山企业从事盐矿开采，包括广盐华源制盐有限公司、长舟盐化有限公司、双环化工集团有限公司、久大盐矿有限公司、中盐长江盐化有限公司、中盐东兴盐化有限公司、蓝天盐化有限公司。根据研究需要，选定上述7家矿山企业的开采矿区作为本次研究的主要对象。

云应盐矿区水溶开采卤盐引起的地面塌陷有17处(图1)，主要分布在久大矿区(8处)、长舟盐化矿区(3处)、蓝天盐化矿区(3处)和中盐东兴矿区(3处)，广盐华源矿区和双环矿区无塌陷分布。另外，在中盐长江矿区发育1处地面沉降。

2 覆盖层地质结构及塌陷发育情况

2.1 不同矿区覆盖层地质结构

研究区主要有3种覆盖层地质结构，即砂砾岩型、等厚互层型和粘土岩型，不同的上覆地层结构在盐矿区分布情况如图1所示。

图1 云应盐矿区地面塌陷及覆盖层结构分布示意图

广盐华源矿区内无地面塌陷发育。该矿区第四系和新近系覆盖层总厚度为60～80 m，新采区地层为粘土+砂砾石层的二元结构，老采区地层为粘土+砂砾层+粘土+砾石粗砂层的两次沉积韵律结构。第四系地层上部为厚10～20 m的灰黄色粘土，下部为厚3～10 m的粗砂砾层或细流砂层。新近系掇刀石组顶部为厚23～40 m的灰白色半固结粘土岩，由北向南逐渐增厚；底部为灰白色粘土岩、含砾粘土岩、砂砾石岩多次互层产出，粘土岩每层厚3～10 m，半固结砂砾岩每层厚0.5～3 m。广盐华源采区以粘土岩为主，局部为半固结含粘土砂砾岩，不透水的粘土岩与透水的砂砾石层的厚度比为4∶1～9∶1。总体来说，广盐华源矿区是以半固结粘土岩为主的上覆地层结构。

久大矿区内分布有8处地面塌陷，塌陷地质灾害最为发育。根据钻孔资料显示，久大矿区西部地区的上覆地层结构与广盐华源矿区类似，为以半固结粘土岩为主的上覆地层结构，分布5处塌陷点。久大矿区东部地区的第四系地层厚13～17 m，由北西向南东逐渐增厚，南部钻孔显示第四系最厚为24 m。东部地区第四系地层上部为厚10～15 m的灰黄色粘土；下部为砂砾石层，厚度为1.5～2.5 m，个别钻孔中见砂砾石层厚度达8.5 m。新近系掇刀石组岩性为半固结粘土岩和半固结砂砾岩多次互层，总厚度为70～75 m，粘土岩每层厚6～12 m，半固结砂砾岩每层厚4～7 m，往下半固结砂岩的相对厚度增大，最大可达15 m；粘土岩与砂砾岩单层厚度之比近于1∶1～2∶1。在规模较大的塌陷点附近，钻孔显示多个半固结砂岩层中具有异常带，异常带中钻具自沉速度较快，漏水严重，钻孔垮塌不易提钻；异常带附近岩芯较松散，多呈散沙状，泥质含量较少。而底部未有异常带的半固结砂岩层中，岩芯呈柱状，泥质含量较多，含有大量钙化的块石。总体来说，久大矿区东部第四系以粘土为主，新近系地层中半固结砂砾岩层数增多、层厚增大，与半固结粘土岩近等厚互层产出，该区为半固结粘土岩与半固结砂砾岩等厚互层的上覆地层结构。

双环矿区紧邻久大矿区东部，矿权范围内无地面塌陷发育。第四系与新近系地层总厚度为80～115 m，由北向南逐渐增厚。第四系地层上部粘土层厚度为14～15 m，下部砂砾层厚度为0.5～2 m。新近系掇刀石组岩性为半固结粘土岩与半固结砂岩互层，单层厚度大，一般为15～25 m，个别钻孔揭露出半固结砂砾岩单层厚度达43 m；粘土岩与砂砾岩单层厚度之比近于1∶2。半固结砂岩中未见钻孔异常带。总体来说，双环矿区第四系以粘土为主，新近系地层中半固结砂砾岩与半固结粘土岩互层产出，砂砾层厚度逐渐增大，该区为半固结粘土岩与半固结砂砾岩等厚互层的上覆地层结构。

长舟盐化矿区位于研究区中部，矿权范围内发育3处地面塌陷。矿区处于府河西侧，覆盖层厚度为100～110 m。第四系地层总厚36 m，具有两次沉积旋回结构，岩性为粉质粘土夹两层含粘土粗砂层，粗砂层单层厚度为2～3 m。新近系地层岩性为半固结砂砾岩夹灰白色半固结粘土岩，半固结砂砾岩单层厚度大，一般为15～26 m；粘土岩层数少，且含有较多砂砾，单层厚1.3～2 m。长舟盐化矿区第四系以粘土为主，新近系以半固结砂砾岩为主，该区是以半固结砂砾岩为主的上覆地层结构。

蓝天和中盐东兴矿区位于研究区东北部，范围内发育6处塌陷。这两个矿区位于府河东岸，河流相沉积特征明显，具有明显的二元结构特征。第四系与新近系地层厚度为67～78 m。最新钻孔资料显示，第四系地层厚度约34 m，具有以粘土、粘土质粉砂、砂砾层组成的两次沉积旋回结构，从上往下粗砂砾石的粒径由小变大,粉质粘土层单层厚度为3～7 m，粗砂、砾石的单层厚度为16～25 m，最大可达30.5 m。新近系掇刀石组岩性主要为半固结粗砂砾石层，中间地带产出的半固结粘土岩层厚度仅为1～3 m，半固结粘土岩与砂砾岩单层厚度之比为1∶5～1∶8。总体来说，蓝天和中盐东兴矿区是以半固结砂砾岩为主的上覆地层结构。

中盐长江矿区位于研究区南部，范围内发育1处区域性的沉降，主要是由于府河水位变化引起，矿区开采活动对地面沉降的影响较小。受构造作用影响，目前钻孔资料显示覆盖层总厚度不明，揭穿地面以下125 m范围内未见古近系文峰塔组地层，其中第四系地层厚度为30～50 m。矿区处于府河西侧，总体上是以半固结砂砾岩为主的上覆地层结构。但该矿区较为特殊的是，在距地表3 m左右以下存在厚约4 m的高压缩性淤泥质土和软塑状粉质粘土。

2.2 不同覆盖层地质结构中塌陷发育情况

云应盐矿区塌陷的数量和规模与上覆地层结构有较为密切的关系，地层结构特性如孔隙度、含水率和渗透性等往往造成覆盖层含水特性和水动力条件的不同，进而影响覆盖层土洞的形成及稳定性[9-11]。

由表1可知，不同的覆盖层地质结构控制着塌陷发育的数量、形态和规模。地面塌陷在各上覆地层结构类型中均有分布，但从发生井管破裂的盐井数量及因盐井破裂引起塌陷的概率来看，以半固结粘土岩为主的上覆地层结构中发生塌陷的可能性最小(20%)，发生的塌陷以小型为主，无明显的塌陷坑，中心塌陷深度较小；以半固结粘土岩与半固结砂砾岩等厚互层型为主的上覆地层结构中发生塌陷的可能性为37.5%；以半固结砂砾岩为主的上覆地层结构中发生塌陷的可能性为50%，发生的塌陷以中小型为主，具有明显塌陷坑，中心塌陷深度较大。

表1 上覆地层结构、井管破裂与塌陷数量关系

3 不同地质结构覆盖层的塌陷表现形式

3.1 半固结砂砾岩型地层结构

以半固结砂砾岩为主的上覆地层结构特点为新近系半固结砂砾岩厚度大，透水性较差的粘土岩厚度较薄。由于半固结砂砾岩孔隙度较大，高压卤水对砂砾岩具有较强的冲刷掏蚀作用，使得砂砾岩的结构更加松散，当发生井管卸压时，卤水能较快回流至盐井，使岩土体中体积较小、胶结能力弱的固体颗粒不断流失形成空腔，这是形成土洞的前提条件。随着盐井生产过程中不断加压、卸压、倒井，使得覆盖层中的岩土体在动水压力作用下不断受到侵蚀，土洞规模不断扩展，最终失稳形成地面塌陷。在此过程中，由于半固结砂砾岩抗剪能力相对较强，能够在盐井生产过程中形成较大体积的土洞，导致发生的地面塌陷影响面积较大，中心塌陷深度较深。同时，古近系文峰塔组和含硬石膏段岩层在该覆盖层区域内发育厚度较薄，卤水可能向下运移溶蚀浅部钙芒硝岩和部分岩盐[12]，形成浅部小规模溶孔。在这种类型的上覆地层结构中，粘土层作为相对隔水层厚度较薄，盐井巨大的注水压力能切穿不同含水层，使土洞在水平发育的基础上向地层浅部发展，在加压注水时易造成地面喷卤，发生急速泄压产生塌陷，如中盐东兴采区云17井注水时云18井不出卤，云17井附近一民井突然出现喷水，水柱高6～7 m；周围菜地也出现喷水，水柱高约1 m，从而以云17井为中心发生大面积的地面塌陷(编号DX-TX010)。据上述分析，以半固结砂砾岩为主的覆盖层塌陷发育机理为“冲蚀效应+潜蚀效应+动水压力+失托增荷效应”(图2-图3)。

图2 砂砾岩型地层结构加压注水时土洞扩展示意图

图3 砂砾岩型地层结构泄压时土洞失稳示意图

3.2 等厚互层型地层结构

半固结粘土岩与砂砾岩等厚互层型的上覆地层结构类型主要分布于久大矿区东部及双环矿区。互层结构岩土体渗透性具有各向异性，卤水侵蚀作用优先在砂砾岩中横向发展，当砂砾岩中形成潜蚀空间后，含水层的土体流失现象也优先横向发展，从而使土洞优先变宽，而垂向上受粘土岩限制，向上发育速度相对较缓。半固结粘土岩的低渗透性会使盐井附近形成“高压水包”，起到支撑土洞顶板的作用，但泄压时粘土岩中的孔隙水压力泄压较慢，“高压水包”成为土洞顶板塌陷的不利因素。在互层结构中，砂砾不断被冲蚀、潜蚀，导致土洞形成并不断扩大，当土洞的直径超过一定的跨度，加上卸压作用打破原有的平衡关系，地面塌陷即会发生。综上所述，等厚互层型的覆盖层塌陷发育机理为“冲蚀效应+潜蚀效应+动水压力+遇水软化+失托增荷效应+真空负压效应”(图4-图5)。

图4 等厚互层型地层结构加压注水时土洞扩展示意图

图5 等厚互层型地层结构泄压时土洞失稳示意图

3.3 半固结粘土岩型地层结构

以半固结粘土岩为主的上覆地层结构类型主要分布于广盐华源矿区和久大矿区西部。该类型覆盖层中半固结粘土岩累计厚度较大，渗透性系数小，为相对隔水层；半固结砂砾层厚度较薄，高压卤水在砂砾层中形成的潜蚀空间小，形成的土洞规模也小。高压卤水主要冲刷半固结粘土岩，使粘土岩发生软化，产生土洞，由于粘性土粘滞性强、厚度较大，软化后可塑性较好，土洞优先横向发展，且土洞形成的高度较低，故塌陷中心点的深度较浅。此外，当土颗粒中强结合水的相互作用被高压卤水破坏时，土体的崩解率会提高，有利于土洞的发育。半固结粘土岩软化后的产物粘粒含量高，土体中的强结合水被粘粒表面的负电荷牢固地吸引在土颗粒表面，产生较大的弹性和粘滞性，故顶板变形模式主要以塑性变形为主，且土洞形成的速度较慢，形成塌陷历时更长。但发生塌陷时，土洞破坏形成的扩散角相比其它覆盖层类型更大，地面影响范围的面积相对更广。由于半固结粘土岩抗剪强度较弱，遇水易软化，因此在土洞跨径很小的时候，土洞顶板持力层就不足以支撑上覆土体，导致持力层土体发生剪切破坏。因此，以半固结粘土岩为主的覆盖层塌陷发育机理为“冲蚀效应+潜蚀效应+遇水软化+失托增荷效应+真空负压效应+动水压力”(图6-图7)。

图6 粘土岩型地层结构加压注水时土洞扩展示意图

图7 粘土岩型地层结构泄压时土洞失稳示意图

4 结论与建议

(1)云应盐矿区主要发育半固结粘土岩型、半固结粘土岩与半固结砂砾岩等厚互层型、半固结砂砾岩型3种覆盖层地质结构，粘土岩型地层结构主要分布于矿区西部(广盐华源矿区、久大矿区西部)，等厚互层型地层结构主要分布于矿区中部(久大矿区东部、双环矿区)，砂砾岩型地层结构主要分布于矿区东部(长舟盐化矿区、蓝天盐化矿区、中盐东兴矿区、中盐长江矿区)。

(2)不同的覆盖层地质结构控制着塌陷发育的数量、形态和规模，砂砾岩型地层结构中发生塌陷的概率最大，塌陷规模以中小型为主；等厚互层型地层结构中发生塌陷的概率次之；粘土岩型地层结构中发生塌陷的概率较低，塌陷规模以小型为主。

(3)不同地质结构覆盖层的塌陷表现形式不一样，粘土岩型覆盖层塌陷发育机理为“冲蚀效应+潜蚀效应+遇水软化+失托增荷效应+真空负压效应+动水压力”，等厚互层型覆盖层塌陷发育机理为“冲蚀效应+潜蚀效应+动水压力+遇水软化+失托增荷效应+真空负压效应”，砂砾岩型覆盖层塌陷发育机理为“冲蚀效应+潜蚀效应+动水压力+失托增荷效应”。

(4)云应盐矿区因采矿频发塌陷等地质灾害，严重威胁矿产开采开发和当地群众的生命财产安全，建议政府层面高度重视云应盐矿区地质灾害问题，有针对性地制订地质灾害预警和防治措施，并开展相关研究深化对地质灾害形成机理的认识。