周紹榮,吳進(jìn)飛,朱 培

(1.淮安市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,江蘇 淮安 223001;2.淮安市地礦建設(shè)工程有限公司,江蘇 淮安 223001)

1 前言

洪澤鹽盆趙集礦區(qū)巖鹽、芒硝礦勘查開采始于20世紀(jì)80年代末,至今歷經(jīng)30余年,鹽類礦產(chǎn)資源的開發(fā),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來,礦區(qū)先后有十余口鉆井在施工或開采過程中出現(xiàn)地下深部涌水或漏水現(xiàn)象,最大涌水量達(dá)485 m3/h,水溫42 ℃,涌水NaCl含量10 g/L～30 g/L,孔口壓力2 MPa～3 MPa,預(yù)估涌漏水范圍涵蓋30 km2,達(dá)洪澤鹽盆地面積的1/3多,給鉆井施工及鹽礦開采造成一定影響,對地下地質(zhì)環(huán)境造成較大威脅,給當(dāng)前正在開展的鹽穴地下儲(chǔ)庫建設(shè)研究提出了新的課題。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

鉆探工程揭示,礦區(qū)鉆遇地層自上而下分別為第四系東臺(tái)組、新近系鹽城組及古近系三垛組、戴南組、阜寧組。

東臺(tái)組(Qd)。以淺灰色粉細(xì)砂與淺棕色粘土互層為主;頂部為灰綠色泥質(zhì)粉砂,底部為雜色砂礫層。視厚度70.10 m～108.00 m。

鹽城組(N1y)。以灰色—灰白色砂礫巖為主,夾泥質(zhì)粉砂巖和泥巖。鹽城組固結(jié)程度低,多呈松散狀,顏色雜。視厚度214.00 m～302.00 m。

三垛組(E2s)。上部為棕紅色、暗棕紅色、灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖,含少量石膏;下部以灰色粉砂巖、含鈣泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層為主。視厚度722.00 m～1 227.50 m。

戴南組(E2d)。上部為深灰色泥巖、含礫砂巖及粉砂質(zhì)泥巖;中部為粉細(xì)砂巖、砂礫巖與含灰粉砂質(zhì)泥巖互層;下部以灰色含鈣云質(zhì)泥巖與粉細(xì)砂巖互層為主。戴南組普遍含石膏,視厚度為204.78 m～598.00 m。

阜寧組(E1f)。灰黑色泥巖夾薄層灰?guī)r、油頁巖夾膏鹽層,區(qū)域厚度可達(dá)2 000 m。礦區(qū)僅鉆至阜寧組上部主要巖鹽、芒硝礦層,巖性為灰色巖鹽夾灰色、棕色泥巖和鈣芒硝巖,中下部夾1層～3層芒硝礦層。視厚度96.00 m～149.86 m。

礦區(qū)地勢平坦,第四系、新近系較為平緩,厚度變化不大。古近系總體為北高南低的單斜構(gòu)造,厚度南厚北薄。地震勘探顯示礦區(qū)無大的斷裂,三垛組與上覆地層呈角度直接接觸,見圖1。

3 涌漏水機(jī)理與危害

3.1 鹽礦開采現(xiàn)狀及存在的問題

洪澤鹽盆趙集礦區(qū)共有鹽礦井443口,現(xiàn)有219口井正常開采,年采礦量約650萬t。礦山多采用水平連通井組開采(深部芒硝采用單井開采),井距200 m～300 m,采礦壓力6 MPa ～10MPa,礦井注采量比率1.02～1.15。礦井一般采用直徑445 mm鉆頭開孔,下直徑為339.7 mm長度約110 m的表層套管固井,二開采用直徑244.5 mm鉆頭開孔,下直徑為177.8 mm的生產(chǎn)技術(shù)套管固井。部分礦井一開孔徑339.7 mm,表層套管直徑244.5 mm,二開孔徑215.9 mm,生產(chǎn)技術(shù)套管直徑177.8 mm。

圖1 地震勘探剖面圖Fig.1 The seismic exploration profile

連通井組開采具有產(chǎn)量高、事故率低等特點(diǎn),但由于井距遠(yuǎn),采后溶腔頂部易形成大跨度臨空面,不利于頂板穩(wěn)定;部分鹽礦井表層套管下至東臺(tái)組底部,僅考慮施工安全因素,對松散孔隙含水層保護(hù)不夠;部分礦井深部井眼孔徑與套管直徑級差匹配性欠妥,預(yù)留環(huán)空過小,不利于固井形成連續(xù)均勻的水泥環(huán);礦井采礦壓力偏大,易導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展甚至壓裂地層,或壓通井周固井水泥環(huán),影響腔體密閉性和穩(wěn)固性。

3.2 涌漏水機(jī)理分析

礦區(qū)先后十余次發(fā)生涌漏水事故,經(jīng)多次啟停周邊開采井試驗(yàn),鉆井涌水量、水壓等與開采井啟停時(shí)間呈現(xiàn)基本同步或稍有滯后的變化,加之涌水溫度及NaCl含量均較高,推測礦區(qū)深部涌水與采礦活動(dòng)有較為密切的關(guān)聯(lián)性,涌水來源于鹽礦井,施工鉆井涌出的水即鹽礦井漏失的水,涌水的層位為三垛組下部及戴南組上部成巖性較差的棕紅色泥質(zhì)砂巖段,見圖2。

圖2 涌漏水部位砂性巖石巖心Fig.2 The rock core of water outflow’s borehole

三垛組、戴南組總體以泥質(zhì)巖為主,抽水試驗(yàn)實(shí)測滲透系數(shù)為1.3×10-3m/d,具有良好隔水性能,間夾的部分砂性巖雖局部有一定的透水性和儲(chǔ)水空間,但距離下部礦層頂板100 m～500 m(表1),與上部松散含水層的間隔達(dá)300 m以上,不具備自然含水條件,上層孔隙水和鹽礦井溶腔水與涌水部位自然連通的可能性較小,三垛組、戴南組砂性巖層充水是受外力影響間接充水,見表1。由于涌水與鹽礦井開采具有關(guān)聯(lián)性,充水可能的途徑主要是：

(1)固體巖鹽礦石經(jīng)水溶解后的溶腔,隨著腔體范圍擴(kuò)展,礦層直接頂板暴露、開裂直至塌落,裂隙向上發(fā)展到達(dá)上部成巖程度較差的砂性巖層,在采礦壓力持續(xù)作用下,腔體內(nèi)淡鹵水沿裂隙涌進(jìn)砂性巖層使之充水并駐留其中。

(2)鹽礦井固井水泥竄槽或膠結(jié)程度差,長期高壓采礦致水泥環(huán)破碎脫落形成連續(xù)通道,溶腔內(nèi)淡鹵水沿套管外環(huán)上躥到上部砂質(zhì)巖層并沿層橫向遷移,經(jīng)過濾、聚集形成有壓咸水。

礦區(qū)涌漏水的實(shí)質(zhì)是在長期采礦活動(dòng)中鹵水借助地層裂隙或套管與地層的間隙上涌,使三垛組及戴南組砂性巖層由“透水層”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?chǔ)水層”,遇鉆井或自然露頭泄壓時(shí),駐留在砂性巖層中的淡鹵水帶壓溢出,見圖3。

表1 部分涌漏水井點(diǎn)情況表Tab.1 Partial boreholes of water outflow

圖3 涌漏水機(jī)理示意圖Fig.3 Diagram of water outflow mechanism

3.3 涌漏水的危害

趙集礦區(qū)深部涌漏水尚無明顯規(guī)律性,具有較大危害性,應(yīng)引起高度重視。

在礦產(chǎn)勘查開發(fā)過程中,涌水沖刷掏空孔壁給鉆井施工造成較大安全隱患,易于發(fā)生塌孔埋鉆等事故;在鹽礦井開采過程中,由于注入水漏失,無法取得相應(yīng)礦物溶液,能耗增加采礦成本提高。

涌漏水使地質(zhì)環(huán)境受損及地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。一方面高壓水體在深部長期存在并不斷變化,應(yīng)力頻繁在破壞—平衡之間無限循環(huán),易造成地下地質(zhì)環(huán)境不穩(wěn)定;另一方面,由于三垛組、戴南組與上部松散鹽城組在較遠(yuǎn)端可能直接接觸,深部砂性巖層由“透水層”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?chǔ)水層”后與上部松散含水層形成水力聯(lián)系造成地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)較大。

涌漏水還對當(dāng)前開展的鹽穴地下儲(chǔ)庫建設(shè)研究造成較大影響。安全、環(huán)保是地下儲(chǔ)庫的基本要求,對鹽穴的密閉性要求更高。由于存在涌漏水現(xiàn)象,鹽穴情況更為復(fù)雜,甄選現(xiàn)有鹽穴改造利用將面臨更多困難,同時(shí)對新建鹽穴的設(shè)計(jì)施工及運(yùn)行維護(hù)提出了更多特殊要求,是地下儲(chǔ)庫建設(shè)應(yīng)充分考慮的因素。

4 防治水對策

為消除或減輕涌漏水對地質(zhì)環(huán)境及礦產(chǎn)勘查開采的不利影響,應(yīng)以查明“儲(chǔ)水層”賦存狀態(tài)、物理力學(xué)性能及含水情況等為基礎(chǔ),從設(shè)計(jì)入手,改進(jìn)鹽礦開采工藝,提高開采管理水平。

4.1 優(yōu)化鉆井結(jié)構(gòu)

(1)新井采用單井開采或調(diào)減連通井組井距。

(2)表層套管下至鹽城組底面以下進(jìn)入三垛組50 m以上,配合生產(chǎn)技術(shù)套管的封隔以形成對較淺部含水層的雙重保護(hù)。

(3)加大深部井孔直徑與套管直徑的級差,采取措施確保套管位于井孔中心,保證管外固井水泥厚度并均勻充填。

4.2 加強(qiáng)施工管理

(1)勘查開采鉆井工程施工采用環(huán)保無污染鉆井液,采取技術(shù)手段防涌水造成孔內(nèi)事故,防漏水造成泥漿污染。

(2)固井后嚴(yán)格按規(guī)范開展管內(nèi)管外試壓,采用聲幅變密度測井檢測套管—水泥環(huán)—地層各界面膠結(jié)質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)補(bǔ)救。

4.3 改進(jìn)開采工藝

(1)采用墊層法開采,延緩礦層頂板暴露時(shí)間,科學(xué)控制腔體跨度及形態(tài),維持腔體穩(wěn)定。

(2)控制采礦壓力至5 MPa～6 MPa,深部芒硝井適當(dāng)提高但不應(yīng)超過10 MPa,有條件的可配以潛鹵泵改被動(dòng)壓為主動(dòng)抽雙向采礦,減小采礦壓力對水泥環(huán)及地層的破壞。

(3)開采過程中均勻加壓緩慢泄壓,杜絕強(qiáng)壓快泄造成應(yīng)力突變。

4.4 定期檢測評估

(1)實(shí)時(shí)注意開采井注采水量比率,如有異常及時(shí)暫停開采,查找原因排除隱患。

(2)定期開展溶腔測量,及時(shí)評估溶腔形狀、大小及其發(fā)展趨勢,采取有效措施控制溶腔跨度及上溶高度。

4.5 及時(shí)處理問題井

對出現(xiàn)漏水的開采井應(yīng)及時(shí)維修,無法恢復(fù)正常的實(shí)施封孔,以阻斷溶腔、深部透水層、淺部含水層之間的水力聯(lián)系。

4.6 引流泄壓

利用涌水鉆井或開采井適當(dāng)引流泄壓,減小地層壓力,舒緩儲(chǔ)水層水力聚集及應(yīng)力集中。

5 結(jié)論

江蘇淮安洪澤鹽盆趙集礦區(qū)深部涌漏水與鹽礦開采密切相關(guān),采用大跨度、高壓力連通井組開采及鹽礦井固井水泥環(huán)破碎脫落,易造成含鹽系直接頂板塌落,裂隙帶向上發(fā)展,在溶腔頂部裂隙及套管外環(huán)形成過水通道,淡鹵水向上侵入上部膠結(jié)不實(shí)的砂性巖層并聚集,使三垛組及戴南組部分巖層由“透水層”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?chǔ)水層”。

深部涌漏水對地下地質(zhì)環(huán)境安全造成了較大威脅,給鉆井施工及鹽礦開采造成一定影響,在開展鹽穴地下儲(chǔ)庫建設(shè)研究時(shí)應(yīng)引起足夠重視。應(yīng)在查明透水層賦存狀態(tài)、物理力學(xué)性能及含水情況的基礎(chǔ)上,優(yōu)化鉆井結(jié)構(gòu)、改進(jìn)開采工藝,必要時(shí)采取引流泄壓的方式減小地層壓力,舒緩儲(chǔ)水層水力聚集及應(yīng)力集中,以達(dá)到消除或減輕涌漏水危害的目的。