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。為科學論證脖子梁副壩及水庫工程的安全狀況，依據國家法律法規(guī)和水利工程建設管理、礦山開發(fā)建設、工程地質勘察等相關規(guī)范標準，通過制定科學技術路線，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，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（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)的最近距離關系見表1。

圖1 馬道子鐵礦與潘家口水庫及副壩相對關系圖

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。結合礦山設計、儲量及開采復核、對礦脈分布地質規(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，對現狀和最終采空區(qū)空間體積進行估算，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，礦體產狀基本與圍巖一致，為沉積變質（鞍山式）鐵礦。

2 評估工作的技術路線

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

評估工作對多方面內容和影響因素進行了分析，并對以下方面進行了專項研究：（1）水文地質單元劃分及庫水與地下水水力聯系的研究；（2）建立庫區(qū)工程地質條件調查、勘探（地球物理勘探方法）及地質模型；（3）地面塌陷變形現狀與長期沉降盆地影響范圍的分析；（4）采空區(qū)數值模擬試驗與分析；（5）并系統研究了三維地質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、數值模擬、工程類比分析、地質條件與巖體參數的基礎上，研究和確定了巖體結構強度、破壞判據、巖體滲透性變化及模擬邊界條件等關鍵問題。

3 評估工作的技術方法

評估工作的技術方法具有以下特點：

（1）在收集和分析區(qū)域地質、水文地質調查成果資料基礎上，進行調查復核，編制區(qū)域地質、地質構造綱要圖。

（2）對潘家口水庫及馬道子鐵礦區(qū)區(qū)域進行基礎地質、水文地質、地質環(huán)境與地質災害調查，對開采區(qū)、塌陷區(qū)進行地質調查，對礦井分布及地表變形、水文地質及地質災害現象進行調查。

（3）收集水庫及礦山基礎資料，包括水庫庫區(qū)地質資料、大壩結構、防滲設計等以及礦山地質資料，結合地質測繪、物探、山地、水質分析等手段，對有關工程地質和水文地質條件進行研究。

（4）采空區(qū)工程地質研究，包括對地質環(huán)境與地質條件的分析，地質模型的建立，地質問題的分析評價等內容。主要是：①區(qū)域背景地質條件分析研究；②水庫工程區(qū)地質條件分析研究；③礦山工程區(qū)地質條件分析研究；④采空區(qū)地應力環(huán)境、表生作用環(huán)境、地下水環(huán)境與巖層、構造、水文地質等基本條件及地下空間分布地質模型分析研究；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問題分析研究；⑥工程實例分析研究等。

（5）數值模擬分析，既是一種計算機模擬試驗，也是一種參數反演、穩(wěn)定性與變形數值模擬分析手段。其工作內容主要有：①地質單元劃分及邊界條件分析描述；②地質參數分析計算與建立數值計算模型；③塌陷坑FLAC3D數值模擬分析；④塌陷坑FLAC3D巖體參數反演；⑤采空區(qū)FLAC3D數值模擬分析；⑥通過Geostation 三維地質建模，運用地下水數值模擬分析軟件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。在建立概念地質模型及三維數字空間地質模型基礎上，進行數值模擬分析。

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

（7）對采空區(qū)影響地質問題進行評價，對工程及環(huán)境影響進行預測評估，建立預測及范圍劃分標準。工作內容包括：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害及其它次生環(huán)境地質問題）安全影響分析；③模型與參數、計算機試驗、反演分析、穩(wěn)定性數值模擬合理性與工程類比分析研究；④影響評估、范圍預測及建立劃分標準；⑤脖子梁副壩安全評估——建議禁采區(qū)；⑥水庫安全與次生災害評估——建議限采區(qū)等。

4 關鍵問題研究

4.1 采空區(qū)巖體地質環(huán)境與巖體力學研究

4.1.1 采空區(qū)巖體地質環(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，圍巖表現為向臨空方向的變形，當采空區(qū)的頂板變形過大，產生崩落后，會影響上部巖體產生新的應力重分布，這一過程不斷重復使得巖體變形不斷擴展，當變形發(fā)展到地表，會形成地表塌陷、地裂縫或地表連續(xù)變形的現象。

采空區(qū)覆巖的物理力學性質、巖層結構組合和產狀對采空區(qū)地表變形特征的影響很大。根據裂隙統計成果，片麻巖區(qū)內主要發(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，應力重分布形成巨大的應力集中，就容易產生頂、底板的冒落，產生巨大的空區(qū)沖擊波，從而產生大面積的采空區(qū)塌陷。

地下水的影響主要表現為圍巖裂隙受滲流作用影響強度降低，使采空區(qū)進一步破碎崩落。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，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，在自重應力作用下越容易產生變形、破壞。

構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)巖體力學研究

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

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

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、地質構造、礦體厚度、礦體傾角、開采深度、采礦方法等諸多因素有關。一般是應用類比法，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計與相關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°。利用垂直剖面法預測地表塌陷位置。

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

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

全部開采條件：采深200 m 范圍內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，當其崩落的范圍影響到頂板的整體穩(wěn)定性時，就會出現頂板失穩(wěn)，甚至出現連鎖反應，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，起阻水作用。水質分析成果表明，井水與水庫水有較密切的水力聯系，而與現采區(qū)礦井深層地下水水化學類型明顯不同，反映礦井深層地下水與庫水的水力聯系不夠密切。通過分析礦山多年的實際排水結果，尚無因為構造導致水庫滲漏量的增加。即目前狀況下，由于構造引起水庫滲漏的可能性較小。

根據垂直剖面法和數值模擬分析，長期變形的巖移范圍線已經包含脖子梁副壩并部分進入潘家口水庫庫區(qū)管理范圍線內。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、應力集中、垂向不利結構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)水庫滲漏的風險。

5 禁采區(qū)劃分標準與建議

5.1 禁采區(qū)劃分標準的建立

考慮以下主要影響因素，建立了禁采區(qū)劃分的標準。

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

（2）依據SL 106—2017《水庫工程管理設計規(guī)范》第3.0.6 條以及《關于發(fā)送<引灤工程管理工作會議紀要>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《中華人民共和國礦產資源法》，非經國務院授權的有關主管部門同意，不得在重要工業(yè)區(qū)、大型水利工程設施、城鎮(zhèn)市政工程設施附近一定距離以內開采礦產資源。

（4）在已建水工建筑物附近新建礦井時，除考慮預測的長期地表變形范圍外，還應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)實際已經發(fā)生塌陷以及今后可能出現類似的情況。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險。

（9）采空區(qū)已進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)已經發(fā)展至村莊下部，同時造成環(huán)境污染，嚴重威脅當地村民的生命財產安全。

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資源法》的相關規(guī)定，礦產開采權仍應依現行程序報水事管理部門審批。按照SL 106—2017《水庫工程管理設計規(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，除禁采區(qū)之外的所有區(qū)域均為限采區(qū)。

依據上述相關法律法規(guī)，并考慮采空區(qū)存在長期變形、采空區(qū)變形計算及數值模擬分析、采空區(qū)實際已經發(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、征地范圍線以外60～230 m 寬的設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。依據上述標準，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，成果已經業(yè)主及礦山方面采納，并取得良好治理效果。