我国层状盐岩矿床大型溶腔建造工程实践多集中在NaCl盐岩矿床中，同时由于我国已有多年的开采食盐（卤水）历史，因此关于NaCl盐岩易溶的溶解特性已有很多研究成果，但是这些研究主要是围绕如何促进NaCl盐岩的开采而开展的。

针对盐岩溶腔建造，特别是大型溶腔的建造，需要考虑溶液中溶质浓度对盐岩溶解速率的影响作用。对于圆形或椭圆形溶腔来讲，溶液浓度在层位上有差异，不同溶蚀位置，盐岩的溶解速率有所不同。此外，溶腔内溶蚀位置不同，其溶蚀表面外法线与水平面夹角也不同，我们定义溶蚀表面外法线与水平面的夹角为溶蚀角，实践证明溶蚀角不同，盐岩在溶腔中的溶解速率与溶解速度也不同。为了定量研究盐岩在不同溶蚀角度下的溶解速率及溶解速度，在实验室对NaCl盐岩进行试验研究，定量分析了NaCl盐岩在不同溶蚀角度及不同温度下的溶解速率及溶解速度。

利用地质勘探取得盐样试件，在实验室内进行两种温度（常温、37℃）、5种浓度（5°Bé，10°Bé，15°Bé，20°Bé，25°Bé）及5个溶蚀角度（-90°，-45°，0°，45°，90°）共50种耦合条件下的盐岩的溶解速率及溶解速度测试。

说明：溶解速度是指单位时间内在盐类矿物（矿石）某个方向上的溶解长度（距离）。单位符号为cm/h或m/d。在本次试验中以测量溶解后留下蜡壳的高度来计算溶解速度。在实际生产中，由于对某个方向的溶解长度（距离）难以测定，常常以“溶解速率”来表示。盐类矿物（矿石）在单位面积、单位时间内所溶解的盐量，称为溶解速率，单位符号为g/（cm2·h）或kg/（m2·h）。

试验中所用盐岩样品取自江苏金坛NaCl盐矿。

试验方法：①将NaCl盐岩试件蜡封，然后将试件平整一面的石蜡除去，作为在不同溶蚀角度下的溶蚀面；②将试件固定在可以调整角度的溶解架上，固定触点与试件接触处用厚胶皮垫隔，防止接触点处石蜡脱落以及盐岩从禁止溶解处溶解；③按溶解速率的大小不同，分别间隔10 min、20 min和30 min称量试件的质量，并测量溶液的浓度；④试验中水的体积均恒定为5 L；⑤溶液的温度控制，采用加热棒进行温度调节，达到设定温度后可以自动停止加热，图2-2、图2-3为试件及试验过程中的照片。

试验设备：量筒、量杯、波美计、电子秤、溶解槽、可调角度的溶解架。

图2-2　盐岩试件及溶解试验

图2-3　溶解10 h后的盐岩

2.3.1.1　常温下NaCl盐岩在不同溶蚀角度下的溶解特性

在常温条件、不同溶蚀角度下对NaCl盐岩进行溶解，每间隔10 min测量溶解质量一次，试验结果以溶解速率和溶解速度表示，如图2-4—图2-8所示。

图2-4　常温条件下、-90°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-5　常温条件下、-45°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-6　常温条件下、0°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

从图中可以分析得出，5个溶蚀角度条件下，初始溶解速率和初始溶解速度均较高，但随溶解时间的延续，溶液浓度逐渐增大，溶解速率和溶解速度均呈下降趋势。溶蚀角度对溶解速率影响较大，由图可知，-90°溶蚀角条件下初始溶解速率最大，为3 g/（cm2·h），而90°溶蚀角条件下初始溶解速率最小，为0.5 g/（cm2·h），二者相差5倍。由此可得，溶腔在向上溶解时溶解速率最快，向下溶解时溶解速率最慢，这也是溶腔建造过程中控制上溶的主要原因。

图2-7　常温条件下、45°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-8　常温条件下、90°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

2.3.1.2　37℃下NaCl盐岩在不同溶蚀角度下的溶解特性

溶液温度升高至37℃，调整溶蚀角度，进行5组试验，每间隔10 min测量溶解质量一次，试验结果以溶解速率和溶解速度表示，如图2-9—图2-13所示。

由本组试验结果可以看出，在温度升高的情况下，不同溶蚀角度的溶解速率较常温条件下有较大幅度的提高。-90°溶蚀角在常温下的最高溶解速率为3 g/（cm2·h），温度升高至37℃时最高溶解速率升高至6.54 g/（cm2·h），增幅为1.18倍；连90°溶蚀角对应的最低溶解速率也由常温下的0.5 g/（cm2·h）增大至1.47 g/（cm2·h），增幅为近2倍，可见温度升高对盐岩溶解速率的提升有很大影响。

图2-9　37℃、-90°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-10　37℃、-45°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-11　37℃、0°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-12　37℃、45°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

图2-13　37℃、90°溶蚀角时，盐岩试件溶解特性

2.3.1.3　常温下NaCl盐岩在不同浓度及溶蚀角度下的溶解特性

在-90°，-45°，0°，45°，90°5种溶蚀角度下，每次固定一个角度，分别进行5°Bé，10°Bé，15°Bé，20°Bé，25°Bé5种浓度下的溶解特性试验，以了解同一溶蚀角度、不同浓度的溶解过程中的溶解速率与溶解速度，向溶液中注入淡水以维持浓度恒定。由于溶液浓度增大，溶解速度非常小，不易测量，而且误差比较大，因此只研究浓度对溶解速率的影响。试验结果如图2-14—图2-18所示。

图2-14　-90°溶蚀角时，5种浓度下盐岩试件溶解特性(www.daowen.com)

图2-15　-45°溶蚀角时，5种浓度下盐岩试件溶解特性

图2-16　0°溶蚀角时，5种浓度下盐岩试件溶解特性

图2-17　45°溶蚀角时，5种浓度下盐岩试件溶解特性

图2-18　90°溶蚀角时，5种浓度下盐岩试件溶解特性

在不同浓度以及各溶蚀角度情况下，溶解特性曲线表现与单一条件下类似，具体体现在随时间推移，盐岩试件的溶解速率和溶解速度降低。但由于是在恒定浓度条件下进行的试验，从总体来看，随浓度增大，溶解速率降低，由于溶液浓度很高，短时间内很难测量出溶解速度，因此，部分浓度条件下只计算出溶解速率，而无溶解速度曲线。

2.3.1.4　结果分析

1.溶蚀角度对溶解特性的影响

从图2-19和图2-20分析得知，随着溶解时间的推移，溶解速率逐渐减小，原因是溶液的浓度随时间逐渐增大，溶液中溶质的量增大。出现上述现象的原因是由于溶解和结晶的同时性，随着浓度的增大，结晶速度也在增大，因此从外观表现为溶解速率的逐渐减小。

图2-19　常温条件下，不同溶蚀角度对溶解速率影响变化曲线

图2-20　常温条件下，浓度与溶蚀角度对溶解速率影响变化曲线

溶蚀角度对溶解速率产生较大的影响，从向下溶解的90°，45°到0°溶蚀角，溶解速率逐渐增大，由90°溶蚀角的0.5 g/（cm2·h）增大到3 g/（cm2·h），溶解速率提高了5倍。一方面的原因是，溶解开始时新溶解下来的溶质密度比水大，其流线的方向在静溶条件下是向下的，而90°情况下，新溶解下来的溶质一直聚集在溶蚀表面，只能靠溶质在水中的扩散来实现表面周围溶质浓度的降低，因为是静溶，扩散降低速度很慢，所以溶解速率较低。另一方面的原因是，溶解杂质直接散落在溶蚀表面，会阻止溶解的正常进行。

由图2-19可知，-45°溶蚀角下盐岩试件的溶解速率比-90°溶蚀角下的溶解速率大。分析其原因，一方面是溶蚀面积一定的情况下，其溶蚀方向除共同有向下的方向外，-45°溶蚀角时的扩散范围更广泛；另一方面是当溶解到一定程度后，盐岩试件中的杂质会凸现在溶蚀表面，使溶解的有效面积减小，-45°溶蚀角时这些杂质在重力作用下更容易自行去除，使这些溶蚀面得以恢复到原来状态，从而使溶解速率得到提高。

从图2-20浓度与溶解速率曲线关系分析得出，溶解速率比较大的角度下，溶解速率下降速度较快。原因是溶解速率大，同时间内溶解到溶液中的溶质浓度上升快，由于溶液中溶质的浓度上升，溶解和结晶的平衡向相反的方向进行得快，导致溶解的溶质比结晶的溶质少，从而使溶解速率急剧下降。

从溶腔建造方面来分析，由图2-19可知，随溶解建腔时间的推移及盐岩溶解的进行，一定量体积溶液的浓度在逐步增大，从而使得盐岩的溶解速率逐步降低。溶蚀角度对盐岩溶解速率的影响非常明显，溶蚀角由-45°，-90°，0°，45°至90°，盐岩的溶解速率逐步降低。当溶蚀角为-45°，-90°，0°时，盐岩的最大溶解速率均高于2.0 g/（cm2·h），平均溶解速率介于1.7～1.9 g/（cm2·h）。其中溶蚀角为0°（侧向溶解）时的平均溶解速率最高，值为1.88 g/（cm2·h），为向上溶解（溶蚀角为-90°）速率的1.11倍；溶蚀角为-45°（斜上溶解）的平均溶解速率为侧向溶解的平均溶解速率的96.3%，与侧向溶解速率接近。溶解速率最低的方向为向下溶解（溶蚀角为90°），平均溶解速率仅为0.21 g/（cm2·h），为侧向溶解速率的11.1%，向上溶解速率的12.4%。

现场利用声呐实测表明，在腔体建造过程中顶部和侧壁盐岩溶解速率远远高于底部盐岩溶解速率，腔体内底部溶解速率很小，加之盐溶液浓度在铅垂方向上自上而下的“分带现象”，底部盐岩的溶解速率几乎为零。由于这一浓度“分带现象”的存在，侧壁盐岩的溶解速率也随高度而变化，越靠近底部，盐溶液浓度越高，盐岩溶解速率也越小。这样，在顶部控制溶解的条件下，如果不考虑其他因素的影响，腔体的形状会逐步发展成为梨形。在实际生产过程中，由于腔体内流场的变化以及管柱位置的不同，浓度的分布受流体运移的影响。如果腔壁附近流体浓度垂向分布保持均一，那么腔壁盐岩溶解也会均匀进行，最终形成的腔体形状可近似圆柱形。

2.温度对盐岩溶解速率的影响

图2-21和图2-22为37℃条件下，不同溶蚀角度对盐岩溶解速率的影响曲线及浓度对溶解速率的影响曲线。由图可见，在温度升高之后，盐岩溶解速率随溶蚀角度的变化趋势与常温条件下相同。溶蚀角由-45°，-90°，0°，45°至90°，盐岩的溶解速率依然逐步降低。溶蚀角为-45°（斜上溶解）时，平均溶解速率为3.53 g/（cm2·h）；溶蚀角为-90°（向上溶解）时，平均溶解速率为2.42 g/（cm2·h）；溶蚀角为0°（侧向溶解）时，平均溶解速率为2.63 g/（cm2·h）。侧向溶解速率为向上溶解速率的1.1倍，与常温条件下的速率关系（1.1倍）相同。随温度的升高，不同溶蚀角度下溶解速率有明显提高，如图2-23所示。

图2-21　37℃条件下，不同溶蚀角度对溶解速率影响变化曲线

图2-22　37℃条件下，不同溶蚀角度下浓度对溶解速率影响变化曲线

图2-23　不同溶蚀角度下，盐岩溶解速率（平均）温度影响对比柱状图

与常温条件下相比，腔体内斜向上方向（-45°）的平均溶解速率由1.81 g/（cm2·h）增大到3.53 g/（cm2·h），增幅95%；而侧向（0°）和向上（-90°）的平均溶解速率增幅也分别高达39.9%和42.4%。向下溶解速率增幅最大，由0.21 g/（cm2·h）增大到0.58 g/（cm2·h），增幅为176.2%。可见，温度对盐岩溶解速率有着十分明显的影响。比较结果见表2-1。

表2-1　盐岩溶解特性对比

3.浓度对盐岩溶解速率的影响

在浓度控制溶解试验中，分别在5种不同溶蚀角度条件下，将溶液浓度控制在5°Bé，10°Bé，15°Bé，20°Bé，25°Bé，以期测量这25种组合条件下的盐岩的溶解速率。测量统计结果见表2-2和图2-24。

表2-2　一定溶蚀角度下,不同溶液浓度对溶解速率的影响

图2-24　一定溶蚀角度条件下，不同溶液浓度对溶解速率影响变化曲线

从以上的试验数据图表可以看出，随溶解时间的推移，溶解速率逐渐减小。这是由于溶液的浓度随时间逐渐增大，溶液中溶质的量逐渐增大，又由于溶解和结晶的同时性，随着溶液浓度增大，结晶速度也在增大，因此从外观表现为溶解速率的逐渐减小。

溶解角度对溶解速率产生较大的影响，从向下溶解的90°，45°到0°溶蚀角，溶解速率逐渐增大，由90°溶蚀角的0.5 g/（cm2·h）增大到3 g/（cm2·h），溶解速率提高了5倍。一方面的原因是，溶解开始，新溶解下来的溶质密度比水大，其流线的方向在静溶条件下是向下的，而90°溶蚀角情况下，新溶解下来的溶质一直聚集在溶解表面，只能靠溶质在水中的扩散来实现表面周围溶质浓度的降低，因为是静溶，扩散降低速度很慢，所以溶解速率较低。另一方面的原因是，溶解杂质直接散落在溶蚀表面，会阻止溶解的正常进行。

从浓度与溶解速率曲线关系图可以看出，溶解速率比较大的角度下其溶解速率下降速度较快，原因是其溶解速率大，同时间内溶解到溶液中的溶质浓度上升快，导致溶质的结晶速度逐渐增大，宏观表现为溶解速率下降快。