铁矿采空区对水库工程安全运行影响评估的技术实践

袁宏利 于文龙 柴凤涛 赵芳萍

1 概 况

潘家口水库是滦河流域控制性水利工程，为大（Ⅰ）型工程，作为天津及周边地区工农业用水备用水源地，具有重要的水资源、水生态地位及战略意义。脖子梁副坝位于潘家口水库主坝右岸上游约8 km 处，为Ⅰ级水工建筑物，按1 000 年一遇洪水设计，投入运行后一直未挡水运用。2018 年11 月13 日，脖子梁副坝附近发生铁矿采空区山体塌陷事故，塌坑边缘距副坝头最近水平距离26 m。为科学论证脖子梁副坝及水库工程的安全状况，依据国家法律法规和水利工程建设管理、矿山开发建设、工程地质勘察等相关规范标准，通过制定科学技术路线，开展了论证评估工作。

马道子铁矿矿区位于潘家口水库库尾西南侧，矿区规划范围包含了脖子梁副坝、库尾几条岔沟，且矿渣部分堆积在了库边冲沟中。东采区矿脉和巷道已位于库区范围内（224.7 m 最高蓄水位），如图1 所示。巷道与脖子梁副坝和库区的最近距离关系见表1。

图1 马道子铁矿与潘家口水库及副坝相对关系图

马道子铁矿分为东采区和西采区，矿区面积为0.22 km2，开采深度290～80 m。结合矿山设计、储量及开采复核、对矿脉分布地质规律的分析、开采工艺等资料的挖掘分析，通过三维空间分析计算手段，对现状和最终采空区空间体积进行估算，累计开采已形成采空区空间约180 万m3；未来大部分储量开采完毕，将形成采空区空间约300 万 m3。

马道子铁矿矿区内共有4 条矿体，分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、M1 号，总体走向近东西向，倾向北，倾角70°～80°。矿体赋存太古界迁西群三屯营组片麻岩中，呈层状，矿体产状基本与围岩一致，为沉积变质（鞍山式）铁矿。

2 评估工作的技术路线

评估工作总的技术路线是：在基础地质资料收集及地质调查、勘探（地球物理勘探方法）工作基础上，建立宏观概念地质模型，对水文地质单元、岩层、构造、采空区空间分布等关键地质边界条件进行描述分析，通过工程类比、理论计算以及必要的数值模拟辅助分析，对采空区变形可能引起的水库及大坝工程安全问题进行评价，并为禁采区和限采区范围划定提供依据和建议。总体技术路线如图2 所示。

评估工作对多方面内容和影响因素进行了分析，并对以下方面进行了专项研究：（1）水文地质单元划分及库水与地下水水力联系的研究；（2）建立库区工程地质条件调查、勘探（地球物理勘探方法）及地质模型；（3）地面塌陷变形现状与长期沉降盆地影响范围的分析；（4）采空区数值模拟试验与分析；（5）并系统研究了三维地质模型的建立及周边采矿对脖子梁副坝及水库安全影响边界条件；在理论计算、数值模拟、工程类比分析、地质条件与岩体参数的基础上，研究和确定了岩体结构强度、破坏判据、岩体渗透性变化及模拟边界条件等关键问题。

3 评估工作的技术方法

评估工作的技术方法具有以下特点：

（1）在收集和分析区域地质、水文地质调查成果资料基础上，进行调查复核，编制区域地质、地质构造纲要图。

（2）对潘家口水库及马道子铁矿区区域进行基础地质、水文地质、地质环境与地质灾害调查，对开采区、塌陷区进行地质调查，对矿井分布及地表变形、水文地质及地质灾害现象进行调查。

（3）收集水库及矿山基础资料，包括水库库区地质资料、大坝结构、防渗设计等以及矿山地质资料，结合地质测绘、物探、山地、水质分析等手段，对有关工程地质和水文地质条件进行研究。

（4）采空区工程地质研究，包括对地质环境与地质条件的分析，地质模型的建立，地质问题的分析评价等内容。主要是：①区域背景地质条件分析研究；②水库工程区地质条件分析研究；③矿山工程区地质条件分析研究；④采空区地应力环境、表生作用环境、地下水环境与岩层、构造、水文地质等基本条件及地下空间分布地质模型分析研究；⑤采空区稳定性、水库工程运行、环境相互作用影响及其工程地质问题分析研究；⑥工程实例分析研究等。

（5）数值模拟分析，既是一种计算机模拟试验，也是一种参数反演、稳定性与变形数值模拟分析手段。其工作内容主要有：①地质单元划分及边界条件分析描述；②地质参数分析计算与建立数值计算模型；③塌陷坑FLAC3D数值模拟分析；④塌陷坑FLAC3D岩体参数反演；⑤采空区FLAC3D数值模拟分析；⑥通过Geostation 三维地质建模，运用地下水数值模拟分析软件Visual Modflow 对采空区形成前后地下水水位变化情况进行模拟，以评价其影响；⑦工程实例及工程类比分析等。在建立概念地质模型及三维数字空间地质模型基础上，进行数值模拟分析。

（6）进行工程类比研究。收集相关工程实例和研究文献资料，对本项目的研究具有类比借鉴作用。

（7）对采空区影响地质问题进行评价，对工程及环境影响进行预测评估，建立预测及范围划分标准。工作内容包括：①采空区对脖子梁副坝（变形与渗流等）安全影响评价；②采空区对水库工程（水库渗漏，矿震及水库诱发地震，库岸稳定，水环境，崩、滑、流、井下冒顶透水等次生灾害及其它次生环境地质问题）安全影响分析；③模型与参数、计算机试验、反演分析、稳定性数值模拟合理性与工程类比分析研究；④影响评估、范围预测及建立划分标准；⑤脖子梁副坝安全评估——建议禁采区；⑥水库安全与次生灾害评估——建议限采区等。

4 关键问题研究

4.1 采空区岩体地质环境与岩体力学研究

4.1.1 采空区岩体地质环境

矿区围岩主要为含辉石黑云斜长片麻岩等，矿体被开采后，围岩表现为向临空方向的变形，当采空区的顶板变形过大，产生崩落后，会影响上部岩体产生新的应力重分布，这一过程不断重复使得岩体变形不断扩展，当变形发展到地表，会形成地表塌陷、地裂缝或地表连续变形的现象。

采空区覆岩的物理力学性质、岩层结构组合和产状对采空区地表变形特征的影响很大。根据裂隙统计成果，片麻岩区内主要发育的两组陡倾角裂隙小角度相交，形成楔形体，不利于采空区围岩的稳定。当岩石的强度较大，弹性模量较高时，在形成较大的采空区后，应力重分布形成巨大的应力集中，就容易产生顶、底板的冒落，产生巨大的空区冲击波，从而产生大面积的采空区塌陷。

地下水的影响主要表现为围岩裂隙受渗流作用影响强度降低，使采空区进一步破碎崩落。目前开采状态下，矿山排水量较小，断层起阻水作用，水库与深部采空区的水力联系较小。

采空区的深度与高度是影响地表变形的重要参数，采空区深度越浅，高度越大，地表变形、破坏的可能性就越大。采空区尺寸对地表变形也会产生很大影响，尺寸越大，上覆岩体受到采空区支柱的支撑作用就越小，在自重应力作用下越容易产生变形、破坏。

构造条件在某种意义上也控制着采空区塌陷的发生，是影响采空区塌陷发生与否的重要条件。工程区内塌坑的形成，主要原因是立井周围开采空间较大，后期对安全柱全部回采、打通，形成了巨大的空区，受北侧约20 m 处喜峰口断裂(F8)的影响，加速了采空区的塌陷。

4.1.2 采空区岩体力学研究

结合地层岩性、岩矿特征、构造与岩体结构、地下水与岩体透水性、卸荷与风化、岩石物理力学特性等，通过多种围岩分类评价方法，对采空区围岩质量及其稳定性进行定性、定量评价，其围岩类别以Ⅲ类为主，局部存在Ⅱ、Ⅳ类。

岩体力学参数研究途径：（1）通过岩体力学试验获得相关参数；（2） 经验公式法计算相关参数；（3）利用霍克-布朗Rocklab 软件，根据岩块的试验成果和岩体的GSI 值（Geological Strength Index，地质强度指标）等信息推算岩体力学参数；（4）运用FLAC3D软件，通过塌陷坑实际反演岩体力学参数；（5）工程类比法岩体参数分析。

4.2 采空区长期变形研究

岩石移动角的大小与岩石性质、地质构造、矿体厚度、矿体倾角、开采深度、采矿方法等诸多因素有关。一般是应用类比法，参照类似条件下矿山的实际资料并综合考虑本矿的具体条件选用。本矿山之前的开采设计与相关评估采用上盘移动角 60°～65°，下盘移动角 65°～75°，端部移动角70°，第四系沉积层移动角45°。利用垂直剖面法预测地表塌陷位置。

采用FLAC3D有限差分软件，结合边界条件论证和计算参数的选择，建立三维模型并分为以下两种工况进行模拟。

现状开采条件：目前东采区200 m 深度范围内已基本回采完毕，西采区上部大部分已开采完毕，因此，现状条件以东采区采深200 m 范围内全部矿脉开采完以及西采区采深100 m 范围内全部矿脉开采完毕为条件进行数值模拟计算。

全部开采条件：采深200 m 范围内矿体全部被开采完毕。

4.3 采空区长期变形对水库工程安全运行影响分析

随着矿山开采深度的不断增加，矿山滞留的采空区越来越多，一旦上部采空区顶板暴露面积超过其极限暴露面积，采空区将会发生崩落和塌陷，当其崩落的范围影响到顶板的整体稳定性时，就会出现顶板失稳，甚至出现连锁反应，致使发生下部开采中段巷道变形、采场顶板冒落等重大事故。

马道子铁矿及脖子梁副坝周边F8 断层和f1 断层均为压扭性质，起阻水作用。水质分析成果表明，井水与水库水有较密切的水力联系，而与现采区矿井深层地下水水化学类型明显不同，反映矿井深层地下水与库水的水力联系不够密切。通过分析矿山多年的实际排水结果，尚无因为构造导致水库渗漏量的增加。即目前状况下，由于构造引起水库渗漏的可能性较小。

根据垂直剖面法和数值模拟分析，长期变形的岩移范围线已经包含脖子梁副坝并部分进入潘家口水库库区管理范围线内。开采累计变形沉降量虽然不大，但存在长期开采条件下的累计沉降变形、应力集中、垂向不利结构面组合边界条件以及矿体回采、爆破等诱因，从而引发类似脖子梁副坝塌陷坑的“冒切型”突然塌陷变形。即以局部塌陷、垮落、沉陷变形以及与采空区、巷道连通，形成水库渗漏通道为前提，水库存在长期变形诱发水库渗漏的风险。

5 禁采区划分标准与建议

5.1 禁采区划分标准的建立

考虑以下主要影响因素，建立了禁采区划分的标准。

（1）《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国矿产资源法》、《中华人民共和国河道管理条例》（2018 年修正）、SL 106—2017《水库工程管理设计规范》、《水库大坝安全管理条例》等相关法律法规要求。

（2）依据SL 106—2017《水库工程管理设计规范》第3.0.6 条以及《关于发送<引滦工程管理工作会议纪要>的函》（水利电力部(83)水电水管字第57号）规定，铁矿开采区部分与水库管理和保护范围重叠。

（3）根据《中华人民共和国矿产资源法》，非经国务院授权的有关主管部门同意，不得在重要工业区、大型水利工程设施、城镇市政工程设施附近一定距离以内开采矿产资源。

（4）在已建水工建筑物附近新建矿井时，除考虑预测的长期地表变形范围外，还应考虑变形边界距水工建筑物有一定的安全距离。

（5）《迁西县岩金矿业有限公司马道子铁矿矿产资源开发利用方案》报告，对保护岩柱的计算和考虑范围。

（6）采空区实际已经发生塌陷以及今后可能出现类似的情况。脖子梁副坝附近发生的山体塌陷，塌坑深度已达50 m，属于整体切冒型塌陷破坏，这种破坏形式今后仍然存在。

（7）采空区存在长期开采条件下的累计沉降变形以及类似脖子梁副坝塌陷坑的“冒切型”突然塌陷变形，有可能形成表部岩体裂隙与下部冒裂带的连通，从而发生库水向下部采空区的渗漏，造成矿山漏水事故，甚至对脖子梁副坝下游的村庄造成影响。

（8）以局部塌陷、垮落、沉陷变形并与采空区、巷道连通，形成水库穿过分水岭的渗漏通道为前提，水库存在向库外渗漏的可能性，从而影响水库的正常蓄水功能，因此，存在长期变形对水库安全运行影响的风险。

（9）采空区已进入副坝工程管理范围，塌坑周边裂缝还在发展，长期变形仍在继续，总体看，采空区长期变形对副坝安全有影响。

（10）采空区已经发展至村庄下部，同时造成环境污染，严重威胁当地村民的生命财产安全。

5.2 对禁采区和限采区范围的建议

依照《中华人民共和国矿产资源法》的相关规定，矿产开采权仍应依现行程序报水事管理部门审批。按照SL 106—2017《水库工程管理设计规范》规定，水库保护范围为由坝址以上、库区两岸（包括干、支流）土地征用线以上至第1 道分水岭脊线之间的陆地。因此，大坝上游水库保护范围内，除禁采区之外的所有区域均为限采区。

依据上述相关法律法规，并考虑采空区存在长期变形、采空区变形计算及数值模拟分析、采空区实际已经发生塌陷等因素，综合分析给出禁采区建议范围。脖子梁副坝向上、下游各88 m，两坝头向外延伸各113 m，为建议禁采区范围；水库第1 道分水岭以内、征地范围线以外60～230 m 宽的设计保护岩柱为建议禁采区范围。脖子梁副坝向上、下游各278 m，两坝头向外延伸各200 m，为建议限采区范围；水库禁采区边界至第1 道分水岭之间，为建议限采区范围。

副坝工程管理范围(50 m 围护带)与矿区重叠面积约1.1 万m2，库区管理范围与矿区重叠面积约1.7 万m2。依据上述标准，提出了对脖子梁副坝以及潘家口水库的保护范围以及在该保护范围下铁矿开采允许的范围，并提出塌陷坑治理方案及其它环境治理建议。目前，成果已经业主及矿山方面采纳，并取得良好治理效果。