排土場對露天礦山地下水的影響研究

關鍵詞：露天礦山；地下水；防治對策；排土場；轉換機理

中圖分類號：TD745 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）06-0062-05

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.017

Study on the Impact of Dumping Sites on Groundwater in Open-Pit Mines

YANGJunming'，MIZijun2，ZUOShuai，TANZhibin'，WEI Xin （1.Zhongkan Metallurgical Investigation Design amp;Research Institute Co.，Ltd.，BaodingO71Ooo，China; 2.Taiyuan Ironamp; Steel （Group） Co.，Ltd.，Taiyuan O3Ooo3，China） Abstract：The mining of open-pit mines inloess landforms causes changes inthe terain and topography，resulting in changesinthegroundwaterseepage fieldandcausing widespread instabilityof theopen-pit mineslopes.Therefore，itis necessrytostudytheimpactofdumpingsitesongroundwaterinopen-pitmines.Inresponse totechnicaldificulties，the first studyonthetraceabilityandconversion mechanismofsurface waterandgroundwaterintheentireregionisconducted， revealing thesourcesanddistributionlawsof groundwaterseepage field，constructingagroundwaterseepage fieldmodel， identifying therootcauseofoverallinstabilityofloessslopes，and proposingcountermeasures fortheinvestigationand treatmentof hidden waterhazards in production mineslopes，guiding thedesignofopen-pit miningengineringand the coordinated design of surface water and groundwater.

Keywords：open-pit mines; groundwater;preventionand control measures;dumping site;conversion mechanism

黃土高原露天礦開采過程中，露天礦的挖掘、排土場的堆積均是對原有地貌單元的改變，形成深挖高填的地形地貌，改變原有的地表水徑流路徑和地下水滲流路徑，形成新的補徑排關系。地下徑流的改變對礦山露采邊坡穩定性造成不同程度的影響，由于水對巖土層的穩定性影響巨大，這些地下含水層往往會成為開采作業的巨大威脅和劣性災害的潛在誘因[1]，尤其是黃土邊坡，天然和飽和抗剪強度指標差異巨大，因此研究采礦條件下排土場覆蓋濕陷性黃土的地下水滲流場，為礦山安全生產保駕護航顯得尤為重要，若地下水認識不清，將面臨水患難止、邊坡難固、有礦

難采的局面[2]

1項目背景及勘察工作方法

1.1項目背景

山西省婁煩縣某礦山采場經過30年的開采進入深凹露天開采階段，已形成 582m 的高邊坡和采礦東西長約 1800m 、寬約 900m 的采坑，采場西南部為南排土場，南排土場東西長約為 3km ，南北長約為1.8km 。該區域原始山坡被黃土覆蓋，因采礦排棄廢石作為排土場使用，地形地貌發生巨大的變化，采礦采坑的影響改變地下水徑流場，大氣降水入滲排土場后，排土場形成蓄水體，地下水由西排土場向東邊坡南幫滲流。南幫邊坡自2017年開始靠幫，該部位邊坡就開始小范圍滑坡，雖采取擴幫削坡措施，但未能徹底解決。2019年4月剝巖后，邊坡產生一系列病害，主要出現在粉質黏土與風化巖交界處。2020年4月3日，南幫舊保養廠房正下方邊坡發生寬度近百米的滑坡，嚴重影響礦山安全生產。為查清采場南幫地下水來源及特征，給采場南幫水患治理設計提供依據，有必要開展南幫專項水文地質勘察工作。

1.2勘察工作方法

通過對婁煩縣地表水體調查研究、溯源及滲透分析，從理論上分析地下水向采坑滲流補給的可能性，并針對采場區域建立滲流場模型，進行采場水質單元的調查、探勘。結合該礦山采場東部土質邊坡現狀和邊坡滲水原因，制定研究方案。基本路線為收集資料 $$ 水文地質調查和測繪 $$ 水文地質試驗（抽水試驗、鉆孔注水試驗、壓水試驗、地下水示蹤試驗） $$ 物探 $$ 鉆探（地質孔、抽水井、監測孔） $$ 計算分析及成果報告[3]。

2研究區工程地質條件

研究區位于祁呂賀蘭山字形東翼前弧的后部，地處呂梁隆起的中北段、寧武－靜樂盆地的西南緣。區域地層主要為中、上太古界結晶含鐵變質巖系，發育有各類巖漿巖。根據鉆探及試驗結果，南幫場地主要地層及滲透性如表1所示。

3水文地質條件

3.1區域地形地貌及地表水系

研究區屬黃河水系，處于呂梁山分水嶺向東延伸的山梁上，距該分水梁約 8.0km ，大部分位于當地侵蝕基準面以上，地勢西高東低。西部基巖裸露，東部為黃土覆土。排土場區域原始地貌為7山夾6溝的黃土溝壑地貌，排土場走向垂直于溝谷方向，如圖1所示。排土后形成的地貌為北高南低的臺地地貌，如圖2所示。排土場、采場與分水嶺的關系如圖3所示，其中編號為高程點。

區域內較大的河流有汾河、嵐河和西川河。汾河在礦區東側 30km 以外，河中水位標高為 1112.0m ，流量約為 15.4m³/s 。嵐河位于礦區東側 25km 處，河中水位標高為 1112.0m ，流量約為 1.74m³/s 。兩河離礦區較遠，處于低洼地帶，河中水位比礦體低，河床下伏基巖深部致密，導水性差，說明河流與礦床無直接水力聯系。西川河為汾河一級支流，自西南向東北流經研究區南部外圍羅家岔、馬家莊一帶，距礦區約3.0km 。河水由泉水匯集而成，終年皆有徑流，雨季時徑流量較大。

3.2 研究區地下水特征

礦區整體地勢是西高東低，北高南低。地貌形

態自山地向河谷過渡。地下水主要含水層有第四系孔隙含水層、基巖裂隙含水層和構造裂隙含水層。

3.2.1第四系孔隙含水層

第四系孔隙含水層主要分布在采場周圍溝谷的第四系松散地層中，黃土和粉質黏土地層滲透性較差，一般無水，僅在降雨后含有孔隙水，水量有限，降雨過后下伏基巖接觸面偶有溢出，流量很小。排土場堆排材料滲透性較好，分布范圍大，大氣降水入滲后排土場形成蓄水體，排土場坡腳有地下水持續溢出。

3.2.2基巖裂隙含水層

基巖裂隙含水層主要分布在采場邊坡上部，巖性為強風化的綠泥片巖、綠泥角閃片巖、斜長角閃片巖、云母石英片巖和斜長角閃巖等。根據礦山地質評價報告的鉆孔注水試驗成果，該含水層單位涌水量為0.001L/（s?m） ，補給來源為大氣降水。南幫的主要含水層屬于基巖裂隙含水層。

3.2.3構造裂隙含水層

構造裂隙含水層主要分布在采場及采場邊坡下部，集中在向斜軸部、斷層上下盤附近，呈似層狀或條帶狀、束狀，分布不均勻，為礦區的主要含水層。補給來源主要為基巖裂隙水滲入及少量大氣降水。

4研究區地下水徑流分析

4.1地層分析

該礦山采場南幫西部主要為基巖，上部為全風化和強風化巖，下部為中風化巖，地下水位以下的地層為中風化巖。礦山南幫東部基巖以上覆蓋較厚的第四系地層，第四系地層主要為黃土和粉質黏土，下部基巖為全-強風化巖、中風化巖。東部黃王和西部基巖交界面總體傾向東北，基巖和黃土交界面以下一定厚度內為強風化巖。

4.2 透水性分析

第四系覆蓋層大部分為黃土和粉質黏土，滲透性較差。全風化基巖風化成土狀，泥化程度較高，滲透性較差。強風化巖層巖芯呈碎塊狀，節理裂隙發育，透水性好，它是主要的含水層位，地下水也分布在該層。中風化基巖巖芯完整，為相對不透水層。

4.3南幫地下水補給、徑流和排泄條件分析

通過水文地質調查、物探、鉆探對地下水的研究，形成地下水等水位線圖。南幫地下水的主要來源為排土場方向，大氣降水入滲排土場后，排土場形成蓄水體，由強風化層作為滲流通道，地下水由排土場向南幫滲流。地下水由排土場方向向南幫邊坡區域流動，在南幫西部，采場邊坡坡體地下水位之下巖石為中風化巖，為相對阻水巖層，所以地下水在西部邊坡滲出困難，地下水流向主要為東和南方向。南幫的東部區域為第四系土層（黃土和粉質黏土），其下為風化巖，土巖交界面的傾向為采場方向，強風化巖為滲流通道，所以地下水自西向東流至該區域時，除向南部溝谷流動外，也增加向采場方向的滲流。這就是地下水在采場南幫土巖交界以東邊坡區域滲出的原因。排土場排土前，大氣降雨在黃土梁區域入滲有限，主要形成地表徑流流向下游，排土場排土后，平面尺寸3.0km×1.8km 的巨大海綿體阻礙地表徑流的形成，吸水滲透性大大增強[4，排土場堆排材料的滲透系數為 0.029cm/s ，屬于中等透水，勘察發現，排土場排土前各溝谷下雨后存在地表水，逐漸干枯，排土后，排土場坡腳出現常流水，終年不枯竭。

4.4抽水試驗結果分析

根據多井抽水試驗及監測孔水位監測，繪制抽水試驗影響范圍圖，如圖4所示。南幫頂部1號井和3號井抽水，抽水井附近及下游的監測孔地下水位均出現不同幅度的下降。抽水試驗結果也證明南幫采場邊坡地下水的滲出源自南幫頂部的地下水，同時說明阻斷南幫頂部地下水向采場方向滲流的措施是有效的。

5 有限元分析

土巖交界面的傾向為采場方向，強風化巖為滲流通道，所以地下水自西向東流至該區域時，除向南部溝谷流動外，也增加向采場方向的滲流。抽水試驗結果證明，南幫頂部抽水對邊坡各臺階的地下水位影響很大，所以采取阻止南幫頂部地下水向采場方向滲流的措施應當是有效的。因此，方案建議選擇防滲帷幕結合降水井進行止水。本次建模采用Feflow軟件進行模擬分析。

5.1現狀滲流分析

根據實際水文地質條件，對滲流模型進行擬合校正，最后得出研究區的地下水流場，如圖5所示。排土場位置水位基本與物探結果一致，在南幫頂部，地下水位與抽水前監測孔水位基本一致。地下水從排土場方向流向下游，在南幫西部，一小部分地下水流向南幫及采場，大部分水通過溝谷（寺溝東溝）流向下游。

5.2模擬防滲帷幕滲流分析

在滲流模型及初始條件的基礎上，在模型中加入治理方案中的防滲墻和降水井工況，計算模擬得出防滲帷幕地下水流場，如圖6所示。在防滲帷幕 + 抽水井抽水的工況下，防滲帷幕上游水位較現狀工況水位降低 10～20m ，防滲帷幕下游采場邊坡水位降低約60m ，地下水位降低到含水層以下，防滲帷幕有效阻擋大部分地下水向南幫及采場滲流，推測防滲帷幕方案有效可行。

的“黃土、粉質黏土地層下強風化巖層帷幕注漿 + 垂直疏干井”組合技術5從源頭根治地下水對黃土邊坡的侵蝕。本研究揭示黃土高原大型露天礦地表水與地下水的轉換規律，明確黃土地層地下水來源，有助于解決礦山黃土高陡邊坡水害失穩的重大難題。

6 防治水對策

依據兩次勘察成果，為降低礦山采礦風險，有效避免南幫向下延伸過程中地下水對邊坡的危害，設計采用“疏堵結合”帷幕注漿 + 降水井疏水的防治水思路，設定帷幕線總長度約 420m 。

7結論

排土場影響露天礦山地下水，改變原有的補徑排關系，排土場設計、礦山開采設計均要考慮地形地貌變化對滲流場變化的影響。排土場作為巨型海綿體，阻礙地表徑流的形成，吸水滲透性大大增強，排土場底部儲存地下水。排土場排土前，應設計排水盲溝，底部填筑大塊碎石，提高排土場的穩定性。研究區首創大面積黃土軟弱地層高陡邊坡水害治理技術，開發

參考文獻

1張環.露天開采中地下水威脅及其防控[J]能源技術與管理，2019（1）：70-71.

2 王海，王晨光，張雁，等.露天礦地下水控制技術及對邊坡穩定性的影響[J].煤礦安全，2024（2）：194-203.

3 張利軍.某山谷型舊渣場原位搬遷治理勘察中水文地質條件評價分析：以四川某舊渣場為例[J]勘察科學技術，2024（1）：38-42.

4 王建國.荷載黃土體的工程性質與露天礦排土場穩定控制技術[J].煤礦安全，2003（1）：116-121.

5 黃選明，張雁，李文嵩，等.我國露天煤礦水害特征與防治水技術[J].煤田地質與勘探，2020（4）：53-60.