鐵礦采空區(qū)對水庫工程安全運行影響評估的技術(shù)實踐

袁宏利 于文龍 柴鳳濤 趙芳萍

1 概 況

潘家口水庫是灤河流域控制性水利工程，為大（Ⅰ）型工程，作為天津及周邊地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水備用水源地，具有重要的水資源、水生態(tài)地位及戰(zhàn)略意義。脖子梁副壩位于潘家口水庫主壩右岸上游約8 km 處，為Ⅰ級水工建筑物，按1 000 年一遇洪水設(shè)計，投入運行后一直未擋水運用。2018 年11 月13 日，脖子梁副壩附近發(fā)生鐵礦采空區(qū)山體塌陷事故，塌坑邊緣距副壩頭最近水平距離26 m。為科學(xué)論證脖子梁副壩及水庫工程的安全狀況，依據(jù)國家法律法規(guī)和水利工程建設(shè)管理、礦山開發(fā)建設(shè)、工程地質(zhì)勘察等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過制定科學(xué)技術(shù)路線，開展了論證評估工作。

馬道子鐵礦礦區(qū)位于潘家口水庫庫尾西南側(cè)，礦區(qū)規(guī)劃范圍包含了脖子梁副壩、庫尾幾條岔溝，且礦渣部分堆積在了庫邊沖溝中。東采區(qū)礦脈和巷道已位于庫區(qū)范圍內(nèi)（224.7 m 最高蓄水位），如圖1 所示。巷道與脖子梁副壩和庫區(qū)的最近距離關(guān)系見表1。

圖1 馬道子鐵礦與潘家口水庫及副壩相對關(guān)系圖

馬道子鐵礦分為東采區(qū)和西采區(qū)，礦區(qū)面積為0.22 km2，開采深度290～80 m。結(jié)合礦山設(shè)計、儲量及開采復(fù)核、對礦脈分布地質(zhì)規(guī)律的分析、開采工藝等資料的挖掘分析，通過三維空間分析計算手段，對現(xiàn)狀和最終采空區(qū)空間體積進(jìn)行估算，累計開采已形成采空區(qū)空間約180 萬m3；未來大部分儲量開采完畢，將形成采空區(qū)空間約300 萬 m3。

馬道子鐵礦礦區(qū)內(nèi)共有4 條礦體，分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、M1 號，總體走向近東西向，傾向北，傾角70°～80°。礦體賦存太古界遷西群三屯營組片麻巖中，呈層狀，礦體產(chǎn)狀基本與圍巖一致，為沉積變質(zhì)（鞍山式）鐵礦。

2 評估工作的技術(shù)路線

評估工作總的技術(shù)路線是：在基礎(chǔ)地質(zhì)資料收集及地質(zhì)調(diào)查、勘探（地球物理勘探方法）工作基礎(chǔ)上，建立宏觀概念地質(zhì)模型，對水文地質(zhì)單元、巖層、構(gòu)造、采空區(qū)空間分布等關(guān)鍵地質(zhì)邊界條件進(jìn)行描述分析，通過工程類比、理論計算以及必要的數(shù)值模擬輔助分析，對采空區(qū)變形可能引起的水庫及大壩工程安全問題進(jìn)行評價，并為禁采區(qū)和限采區(qū)范圍劃定提供依據(jù)和建議?？傮w技術(shù)路線如圖2 所示。

評估工作對多方面內(nèi)容和影響因素進(jìn)行了分析，并對以下方面進(jìn)行了專項研究：（1）水文地質(zhì)單元劃分及庫水與地下水水力聯(lián)系的研究；（2）建立庫區(qū)工程地質(zhì)條件調(diào)查、勘探（地球物理勘探方法）及地質(zhì)模型；（3）地面塌陷變形現(xiàn)狀與長期沉降盆地影響范圍的分析；（4）采空區(qū)數(shù)值模擬試驗與分析；（5）并系統(tǒng)研究了三維地質(zhì)模型的建立及周邊采礦對脖子梁副壩及水庫安全影響邊界條件；在理論計算、數(shù)值模擬、工程類比分析、地質(zhì)條件與巖體參數(shù)的基礎(chǔ)上，研究和確定了巖體結(jié)構(gòu)強度、破壞判據(jù)、巖體滲透性變化及模擬邊界條件等關(guān)鍵問題。

3 評估工作的技術(shù)方法

評估工作的技術(shù)方法具有以下特點：

（1）在收集和分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查成果資料基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)查復(fù)核，編制區(qū)域地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造綱要圖。

（2）對潘家口水庫及馬道子鐵礦區(qū)區(qū)域進(jìn)行基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，對開采區(qū)、塌陷區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，對礦井分布及地表變形、水文地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查。

（3）收集水庫及礦山基礎(chǔ)資料，包括水庫庫區(qū)地質(zhì)資料、大壩結(jié)構(gòu)、防滲設(shè)計等以及礦山地質(zhì)資料，結(jié)合地質(zhì)測繪、物探、山地、水質(zhì)分析等手段，對有關(guān)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行研究。

（4）采空區(qū)工程地質(zhì)研究，包括對地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)條件的分析，地質(zhì)模型的建立，地質(zhì)問題的分析評價等內(nèi)容。主要是：①區(qū)域背景地質(zhì)條件分析研究；②水庫工程區(qū)地質(zhì)條件分析研究；③礦山工程區(qū)地質(zhì)條件分析研究；④采空區(qū)地應(yīng)力環(huán)境、表生作用環(huán)境、地下水環(huán)境與巖層、構(gòu)造、水文地質(zhì)等基本條件及地下空間分布地質(zhì)模型分析研究；⑤采空區(qū)穩(wěn)定性、水庫工程運行、環(huán)境相互作用影響及其工程地質(zhì)問題分析研究；⑥工程實例分析研究等。

（5）數(shù)值模擬分析，既是一種計算機模擬試驗，也是一種參數(shù)反演、穩(wěn)定性與變形數(shù)值模擬分析手段。其工作內(nèi)容主要有：①地質(zhì)單元劃分及邊界條件分析描述；②地質(zhì)參數(shù)分析計算與建立數(shù)值計算模型；③塌陷坑FLAC3D數(shù)值模擬分析；④塌陷坑FLAC3D巖體參數(shù)反演；⑤采空區(qū)FLAC3D數(shù)值模擬分析；⑥通過Geostation 三維地質(zhì)建模，運用地下水?dāng)?shù)值模擬分析軟件Visual Modflow 對采空區(qū)形成前后地下水水位變化情況進(jìn)行模擬，以評價其影響；⑦工程實例及工程類比分析等。在建立概念地質(zhì)模型及三維數(shù)字空間地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

（6）進(jìn)行工程類比研究。收集相關(guān)工程實例和研究文獻(xiàn)資料，對本項目的研究具有類比借鑒作用。

（7）對采空區(qū)影響地質(zhì)問題進(jìn)行評價，對工程及環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測評估，建立預(yù)測及范圍劃分標(biāo)準(zhǔn)。工作內(nèi)容包括：①采空區(qū)對脖子梁副壩（變形與滲流等）安全影響評價；②采空區(qū)對水庫工程（水庫滲漏，礦震及水庫誘發(fā)地震，庫岸穩(wěn)定，水環(huán)境，崩、滑、流、井下冒頂透水等次生災(zāi)害及其它次生環(huán)境地質(zhì)問題）安全影響分析；③模型與參數(shù)、計算機試驗、反演分析、穩(wěn)定性數(shù)值模擬合理性與工程類比分析研究；④影響評估、范圍預(yù)測及建立劃分標(biāo)準(zhǔn)；⑤脖子梁副壩安全評估——建議禁采區(qū)；⑥水庫安全與次生災(zāi)害評估——建議限采區(qū)等。

4 關(guān)鍵問題研究

4.1 采空區(qū)巖體地質(zhì)環(huán)境與巖體力學(xué)研究

4.1.1 采空區(qū)巖體地質(zhì)環(huán)境

礦區(qū)圍巖主要為含輝石黑云斜長片麻巖等，礦體被開采后，圍巖表現(xiàn)為向臨空方向的變形，當(dāng)采空區(qū)的頂板變形過大，產(chǎn)生崩落后，會影響上部巖體產(chǎn)生新的應(yīng)力重分布，這一過程不斷重復(fù)使得巖體變形不斷擴展，當(dāng)變形發(fā)展到地表，會形成地表塌陷、地裂縫或地表連續(xù)變形的現(xiàn)象。

采空區(qū)覆巖的物理力學(xué)性質(zhì)、巖層結(jié)構(gòu)組合和產(chǎn)狀對采空區(qū)地表變形特征的影響很大。根據(jù)裂隙統(tǒng)計成果，片麻巖區(qū)內(nèi)主要發(fā)育的兩組陡傾角裂隙小角度相交，形成楔形體，不利于采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定。當(dāng)巖石的強度較大，彈性模量較高時，在形成較大的采空區(qū)后，應(yīng)力重分布形成巨大的應(yīng)力集中，就容易產(chǎn)生頂、底板的冒落，產(chǎn)生巨大的空區(qū)沖擊波，從而產(chǎn)生大面積的采空區(qū)塌陷。

地下水的影響主要表現(xiàn)為圍巖裂隙受滲流作用影響強度降低，使采空區(qū)進(jìn)一步破碎崩落。目前開采狀態(tài)下，礦山排水量較小，斷層起阻水作用，水庫與深部采空區(qū)的水力聯(lián)系較小。

采空區(qū)的深度與高度是影響地表變形的重要參數(shù)，采空區(qū)深度越淺，高度越大，地表變形、破壞的可能性就越大。采空區(qū)尺寸對地表變形也會產(chǎn)生很大影響，尺寸越大，上覆巖體受到采空區(qū)支柱的支撐作用就越小，在自重應(yīng)力作用下越容易產(chǎn)生變形、破壞。

構(gòu)造條件在某種意義上也控制著采空區(qū)塌陷的發(fā)生，是影響采空區(qū)塌陷發(fā)生與否的重要條件。工程區(qū)內(nèi)塌坑的形成，主要原因是立井周圍開采空間較大，后期對安全柱全部回采、打通，形成了巨大的空區(qū)，受北側(cè)約20 m 處喜峰口斷裂(F8)的影響，加速了采空區(qū)的塌陷。

4.1.2 采空區(qū)巖體力學(xué)研究

結(jié)合地層巖性、巖礦特征、構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)、地下水與巖體透水性、卸荷與風(fēng)化、巖石物理力學(xué)特性等，通過多種圍巖分類評價方法，對采空區(qū)圍巖質(zhì)量及其穩(wěn)定性進(jìn)行定性、定量評價，其圍巖類別以Ⅲ類為主，局部存在Ⅱ、Ⅳ類。

巖體力學(xué)參數(shù)研究途徑：（1）通過巖體力學(xué)試驗獲得相關(guān)參數(shù)；（2） 經(jīng)驗公式法計算相關(guān)參數(shù)；（3）利用霍克-布朗Rocklab 軟件，根據(jù)巖塊的試驗成果和巖體的GSI 值（Geological Strength Index，地質(zhì)強度指標(biāo)）等信息推算巖體力學(xué)參數(shù)；（4）運用FLAC3D軟件，通過塌陷坑實際反演巖體力學(xué)參數(shù)；（5）工程類比法巖體參數(shù)分析。

4.2 采空區(qū)長期變形研究

巖石移動角的大小與巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、礦體厚度、礦體傾角、開采深度、采礦方法等諸多因素有關(guān)。一般是應(yīng)用類比法，參照類似條件下礦山的實際資料并綜合考慮本礦的具體條件選用。本礦山之前的開采設(shè)計與相關(guān)評估采用上盤移動角 60°～65°，下盤移動角 65°～75°，端部移動角70°，第四系沉積層移動角45°。利用垂直剖面法預(yù)測地表塌陷位置。

采用FLAC3D有限差分軟件，結(jié)合邊界條件論證和計算參數(shù)的選擇，建立三維模型并分為以下兩種工況進(jìn)行模擬。

現(xiàn)狀開采條件：目前東采區(qū)200 m 深度范圍內(nèi)已基本回采完畢，西采區(qū)上部大部分已開采完畢，因此，現(xiàn)狀條件以東采區(qū)采深200 m 范圍內(nèi)全部礦脈開采完以及西采區(qū)采深100 m 范圍內(nèi)全部礦脈開采完畢為條件進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

全部開采條件：采深200 m 范圍內(nèi)礦體全部被開采完畢。

4.3 采空區(qū)長期變形對水庫工程安全運行影響分析

隨著礦山開采深度的不斷增加，礦山滯留的采空區(qū)越來越多，一旦上部采空區(qū)頂板暴露面積超過其極限暴露面積，采空區(qū)將會發(fā)生崩落和塌陷，當(dāng)其崩落的范圍影響到頂板的整體穩(wěn)定性時，就會出現(xiàn)頂板失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，致使發(fā)生下部開采中段巷道變形、采場頂板冒落等重大事故。

馬道子鐵礦及脖子梁副壩周邊F8 斷層和f1 斷層均為壓扭性質(zhì)，起阻水作用。水質(zhì)分析成果表明，井水與水庫水有較密切的水力聯(lián)系，而與現(xiàn)采區(qū)礦井深層地下水水化學(xué)類型明顯不同，反映礦井深層地下水與庫水的水力聯(lián)系不夠密切。通過分析礦山多年的實際排水結(jié)果，尚無因為構(gòu)造導(dǎo)致水庫滲漏量的增加。即目前狀況下，由于構(gòu)造引起水庫滲漏的可能性較小。

根據(jù)垂直剖面法和數(shù)值模擬分析，長期變形的巖移范圍線已經(jīng)包含脖子梁副壩并部分進(jìn)入潘家口水庫庫區(qū)管理范圍線內(nèi)。開采累計變形沉降量雖然不大，但存在長期開采條件下的累計沉降變形、應(yīng)力集中、垂向不利結(jié)構(gòu)面組合邊界條件以及礦體回采、爆破等誘因，從而引發(fā)類似脖子梁副壩塌陷坑的“冒切型”突然塌陷變形。即以局部塌陷、垮落、沉陷變形以及與采空區(qū)、巷道連通，形成水庫滲漏通道為前提，水庫存在長期變形誘發(fā)水庫滲漏的風(fēng)險。

5 禁采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)與建議

5.1 禁采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)的建立

考慮以下主要影響因素，建立了禁采區(qū)劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》、《中華人民共和國河道管理條例》（2018 年修正）、SL 106—2017《水庫工程管理設(shè)計規(guī)范》、《水庫大壩安全管理條例》等相關(guān)法律法規(guī)要求。

（2）依據(jù)SL 106—2017《水庫工程管理設(shè)計規(guī)范》第3.0.6 條以及《關(guān)于發(fā)送<引灤工程管理工作會議紀(jì)要>的函》（水利電力部(83)水電水管字第57號）規(guī)定，鐵礦開采區(qū)部分與水庫管理和保護范圍重疊。

（3）根據(jù)《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》，非經(jīng)國務(wù)院授權(quán)的有關(guān)主管部門同意，不得在重要工業(yè)區(qū)、大型水利工程設(shè)施、城鎮(zhèn)市政工程設(shè)施附近一定距離以內(nèi)開采礦產(chǎn)資源。

（4）在已建水工建筑物附近新建礦井時，除考慮預(yù)測的長期地表變形范圍外，還應(yīng)考慮變形邊界距水工建筑物有一定的安全距離。

（5）《遷西縣巖金礦業(yè)有限公司馬道子鐵礦礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案》報告，對保護巖柱的計算和考慮范圍。

（6）采空區(qū)實際已經(jīng)發(fā)生塌陷以及今后可能出現(xiàn)類似的情況。脖子梁副壩附近發(fā)生的山體塌陷，塌坑深度已達(dá)50 m，屬于整體切冒型塌陷破壞，這種破壞形式今后仍然存在。

（7）采空區(qū)存在長期開采條件下的累計沉降變形以及類似脖子梁副壩塌陷坑的“冒切型”突然塌陷變形，有可能形成表部巖體裂隙與下部冒裂帶的連通，從而發(fā)生庫水向下部采空區(qū)的滲漏，造成礦山漏水事故，甚至對脖子梁副壩下游的村莊造成影響。

（8）以局部塌陷、垮落、沉陷變形并與采空區(qū)、巷道連通，形成水庫穿過分水嶺的滲漏通道為前提，水庫存在向庫外滲漏的可能性，從而影響水庫的正常蓄水功能，因此，存在長期變形對水庫安全運行影響的風(fēng)險。

（9）采空區(qū)已進(jìn)入副壩工程管理范圍，塌坑周邊裂縫還在發(fā)展，長期變形仍在繼續(xù)，總體看，采空區(qū)長期變形對副壩安全有影響。

（10）采空區(qū)已經(jīng)發(fā)展至村莊下部，同時造成環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)卮迕竦纳敭a(chǎn)安全。

5.2 對禁采區(qū)和限采區(qū)范圍的建議

依照《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》的相關(guān)規(guī)定，礦產(chǎn)開采權(quán)仍應(yīng)依現(xiàn)行程序報水事管理部門審批。按照SL 106—2017《水庫工程管理設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，水庫保護范圍為由壩址以上、庫區(qū)兩岸（包括干、支流）土地征用線以上至第1 道分水嶺脊線之間的陸地。因此，大壩上游水庫保護范圍內(nèi)，除禁采區(qū)之外的所有區(qū)域均為限采區(qū)。

依據(jù)上述相關(guān)法律法規(guī)，并考慮采空區(qū)存在長期變形、采空區(qū)變形計算及數(shù)值模擬分析、采空區(qū)實際已經(jīng)發(fā)生塌陷等因素，綜合分析給出禁采區(qū)建議范圍。脖子梁副壩向上、下游各88 m，兩壩頭向外延伸各113 m，為建議禁采區(qū)范圍；水庫第1 道分水嶺以內(nèi)、征地范圍線以外60～230 m 寬的設(shè)計保護巖柱為建議禁采區(qū)范圍。脖子梁副壩向上、下游各278 m，兩壩頭向外延伸各200 m，為建議限采區(qū)范圍；水庫禁采區(qū)邊界至第1 道分水嶺之間，為建議限采區(qū)范圍。

副壩工程管理范圍(50 m 圍護帶)與礦區(qū)重疊面積約1.1 萬m2，庫區(qū)管理范圍與礦區(qū)重疊面積約1.7 萬m2。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，提出了對脖子梁副壩以及潘家口水庫的保護范圍以及在該保護范圍下鐵礦開采允許的范圍，并提出塌陷坑治理方案及其它環(huán)境治理建議。目前，成果已經(jīng)業(yè)主及礦山方面采納，并取得良好治理效果。