閉坑過程回填蓄水方案下地下水流場演化探究

摘 要：國內某大型露天礦開采資源枯竭后，形成了大面積的礦坑，為了治理該礦坑及其四周的環境，需要設計合理的閉坑方案。經過研究，該礦坑擬定采取回填蓄水的閉坑措施，并且提出兩種回填策略。為了掌握閉坑過程對地下水流場的影響，利用MODFLOW軟件模擬回填和蓄水過程，觀察平面流場和剖面水位的演化規律，明確地下水在各個階段的變化情況，為礦坑中長期治理優化提供了依據。

關鍵詞：礦區閉坑；數值模擬；回填蓄水方案；地下水流場；演化規律

中圖分類號：TD 74" " " 文獻標志碼：A

大型礦坑存在自燃風險，開采過程對周邊環境會產生較大的影響，甚至造成一定程度的污染。在礦產資源枯竭后，應該從生產轉向治理，恢復相關地區的生態環境。回填蓄水是常用的閉坑方案，可在地表形成景觀水，同時促進生態治理。掌握該方案對地下水流場的影響，有利于消除工程隱患、提高效率、降低成本。

1 礦山概況

某露天礦區經過長期開采，形成了較大的礦坑，其面積達到10.87km2，該礦坑最大深度超過420m，東西方向和南北方向的最大長度分別達到6.6km、2.3km。由于開采資源枯竭，因此需要對該礦坑進行閉坑處理。經調查，礦坑地質構造以褶皺、斷裂為主，地下水較為豐富，自上而下可分為4個含水層。

2 礦山閉坑方案數值模擬方案設計

2.1 模擬區域參數設置

礦山閉坑方案數值模擬是一項復雜的工程任務，它通常涉及地質、地下水流、土力學、巖石力學等多個領域。在本次研究中，研究人員擬采用數值模擬的方法分析閉坑方案對地下水流場的影響。礦區下方地下水與周邊其他區域相連通，為保證效果，模擬區域的面積應大于礦坑的面積。根據研究區域的特點，將模擬區域南北方向的最大長度設置為17.2km，東西方向的最大長度設置為20.7km，總面積約為263.45km2。

2.2 地下水流建模

2.2.1 模擬區地質特點

經過勘察與分析，模擬區南部所展現的地質構成顯得尤為豐富與多樣。南部地區主要以煤田基底為主，蘊藏著豐富的煤炭資源，是當地重要的能源供應基地。除此之外，南部地區還廣泛分布花崗片麻巖，其堅硬、耐磨的特性使其在建筑材料領域具有廣泛的應用價值。同時，南部地區還受到河流的沖擊洪積作用，形成了獨特的河流沖擊洪積層，這些沉積物記錄了河流長期以來的變遷和沉積歷史。此外，基巖風化層也是南部地區不可忽視的一部分，它記錄了基巖在風化作用下的演變過程。模擬區的西側地貌特征與南部截然不同，這里是一條明顯的河流分水嶺，作為河流源頭的重要地理標志，它分隔了河流的不同流向，對整個流域的水文循環具有至關重要的作用。而模擬區的南側地貌特點主要以山區和丘陵為主。與南部相比，北部的地質構造更為復雜。北部地區涵蓋了多種不同的巖層，包括油母頁巖層、煤層、玄武巖層、凝灰巖層以及砂巖層等。這些巖層不僅記錄了地質歷史的演變過程，還為當地的礦產資源和地質研究提供了重要的依據。同時，這些復雜的巖層結構也為地質工程和地質勘探帶來了挑戰。

2.2.2 網格劃分

采用三維地下水軟件MODFLOW進行水流模擬。東西方向長度較大，將網格劃分為305列，南北方向略短，將網格劃分為225列[1]。在礦區的外部，研究人員采用較為稀疏的網格劃分方式，以100m的間距設置網格。這種劃分方式不僅保證了計算的準確性，還能在一定程度上減少計算量，提高計算效率。然而，在礦區的鄰近區域及內部，由于地質條件復雜多變，因此采取更為精細的網格劃分策略，將水平方向的網格間距縮小至40m。這種加密的網格劃分方式能夠更準確地反映礦區的地質特征，為后續的礦產資源評估、開采方案設計等工作提供更為詳細的數據支持。

在整個礦區范圍內，共劃分了951400個網格單元。這些網格單元的數量雖然很多，但采用科學合理的計算方法能夠高效地處理這些數據，保證計算的準確性和高效性。在實際的計算過程中，并不需要對所有的網格單元進行計算，而是根據地質條件、礦產資源分布等因素，篩選出75039個活動網格，對其進行計算。剩余的網格均屬于非活動單元，不需要進行計算[2]。

2.2.3 設置邊界條件

邊界條件涵蓋河流、水頭、排水溝、地下水補給、蒸發和散失、降水補給等分類。部分邊界條件的設置方法和結果如下。

礦坑補水主要來自地表河流，河床滲透性較好，導致河水通過滲透涌向礦坑。將河水標高設置為水頭，取值為+67.5～+69.0m。降水是礦坑補水的重要來源，Qr表示降水對地下水的入滲補給量，其計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：Ai為第i個計算分區的面積；αi為第i個分區的降水入滲系數；Pi為第i個分區的降水量；降水分區總數量為n個。該區域地下水的主要排泄方式為潛水蒸發，不同計算單元的潛水蒸發量按照公式（2）計算。

（2）

式中：Qe為潛水蒸發總量；Ei為第i個離散單元的陸地蒸發量；si為第i個離散單元的潛水水位埋深；Δs表示潛水的極限蒸發深度[3]。

2.3 閉坑方案邊界概化

礦坑閉坑方案擬定采取回填+蓄水的技術措施。回填施工主要針對礦坑的南北邊坡，其目的是提高邊坡的穩定性，在回填后，向礦坑內蓄水。對水流進行數值模擬時，需要對蓄水結構的邊界進行概化。礦坑及回填區概化采用Drain邊界，用Lake邊界概化蓄水邊界[4]。

2.3.1 Drain邊界的應用方法

MODFLOW中設計有多重邊界模型，Drain邊界模型是其中之一，它能以單元格的形式刻畫排水系統的邊界。計算Drain單元格的排水量如公式（3）所示。

（3）

式中：Qd為Drain單元格的排水量；Cd為導水系數；Hd為排水溝的標高；h為Drain單元格的水頭。在初始階段，礦坑邊界全部為Drain單元格，通過參數Cd來控制單元格的滲透系數。回填施工會覆蓋相關邊界的Drain單元格，被覆蓋的單元格轉化為關閉狀態，不具備滲水功能，參數Cd隨即失效。

2.3.2 Lake邊界的應用方法

在回填蓄水后，礦坑可形成一個類似湖泊的水系統，為了模擬蓄水措施對地下水的影響，在數值模型中應該刻畫出礦坑的蓄水邊界。此次研究采用MODFLOW軟件的Lake子程序刻畫蓄水水體的邊界。在Lake子程序中，將湖泊及其周邊的含水層分別表示為非活動單元格和可活動的單元格。將礦坑蓄水水體與地下水的交換量記為Qc，該參數的計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：K為湖床（本項目為礦坑底部）滲透系數；As為湖床單元格的面積；hl為湖床外側水頭高度；ha為湖床內側的水頭高度；Δl為內外側水頭的高度差。在本次研究中，計算水量變化如公式（5）所示。

（5）

式中：V（t）為t時刻水量體積；A（t）為t時刻湖泊的表面積；h（t）為t時刻湖泊水位；Z（x，y，z）為t時刻湖泊水面上每個測量點處的水深。公式（5）基于二重積分，將湖泊表面劃分為小區域，并計算每個區域的水深，以估算湖泊的總水量變化。在水文模型中，公式（5）可以用來預測湖泊水量在不同水位條件下的變化，支持水資源管理和環境保護決策。

2.3.3 回填蓄水方案

該礦坑中的煤矸石和油母頁巖中存在可燃性物質，有可能引起自燃，在回填后，上覆層可隔絕空氣，抑制礦坑內的自燃現象[5]。蓄水措施有利于對礦坑及周邊環境生態修復。當回填時，應控制礦坑邊坡的角度，提高礦坑的整體穩定性。當礦坑內出現涌水時，對涌水點進行疏導截流。

對回填蓄水提出以下兩種技術方案。1）利用礦山開采過程產生的廢渣以及其他廢棄物回填礦坑，該礦坑底部原始標高為-440m，目標為回填至-50m標高，預計回填時間為15年，回填量預計為368.11m3。在礦坑回填施工結束后，向坑內蓄水至預定標高。該方案模擬分為兩個階段，第一階段為回填階段，第二階段為蓄水階段。模擬過程需要設置滲透系數，在回填階段，滲透系數與回填材料保持一致。進入蓄水階段，將滲透系數設置為1000m/d。在初始階段，使用Drain單元格刻畫礦坑邊界，隨著回填施工的進行，被覆蓋的區域均關閉單元格的排水功能。在礦坑回填施工結束后，使用Lake邊界刻畫礦坑-50m以上區域，同時關閉所有Drain單元格的排水功能，此時可認為礦坑停止自然蓄水[6]。2）方案2分為5個實施階段，前4個階段為回填施工，第五個階段為蓄水。回填施工持續時間為20年，每5年為1個階段，從礦坑西側向東側逐級推進。在回填施工結束后，礦坑西側地勢高、東側地勢低，此時開始蓄水，在礦坑東側形成蓄水面積，將其作為景觀水體。邊界刻畫方式與方案1基本一致。

3 回填蓄水方案地下水流場演化規律模擬

3.1 方案1地下水流場演化規律

3.1.1 平面流場演化分析

方案1回填過程共15年，約為5400天。在回填開始后的90天內，礦坑水位處于最低水平。隨著施工活動的進行，礦坑水位同步升高，待回填結束，水位標高為-51m。在回填過程以及回填結束的一段時間內，周邊區域的水位一直高于礦坑內的水位。從平面流場演化來看，在回填開始后的20年間，基坑周邊流場基本保持穩定，形態上無顯著變化，此時礦坑內的水位逐漸升高，但仍然低于周邊水位。在20年～50年，坑內水位持續上漲，大約在回填開始50年后與周邊水位持平，模擬區域的平面流場開始發生變化，演化規律為礦坑北側水位逐年升高。

3.1.2 剖面水位演化分析

利用MODFLOW軟件模擬研究區從回填開始到100年內的剖面水位演化，方向從南到北，將研究區劃分為3個部分，即南側、中部礦坑以及北側，模擬分析剖面水位變化，結果見表1。

3.1.3 地下水流場演化規律綜合分析

從平面流場和剖面水位的演化過程可知，在回填施工階段，即0天～5400天，平面水位整體較淺，礦坑地下水呈快速上升趨勢，從-310.6m升至-50.2m，15年增幅達到260.4m。從第十五年至第二十年，礦坑地下水升至-30.2m，增幅為20m，增速放緩。從第二十年至第五十年，礦坑水位升至50.1m，增幅為80.3m。從第五十年至第一百年，礦坑水位升至70.7m，與南側坑幫水位持平，略低于北側坑幫水位。水位整體呈北高南低的趨勢，地下水和蓄水水面基本連成一體[7]。對比礦坑南北兩側坑幫的地下水變化，發現在100年間變化幅度較小，說明方案1的地下水流場變化主要集中在礦坑范圍內。

3.2 方案2地下水流場演化規律

3.2.1 平面流場演化分析

方案2的礦坑回填過程共20年，回填方向自西向東。利用軟件工具模擬礦坑及周邊環境的地下水變化，平面流場顯示，在0天～90天，礦坑地下水水位最低，并且遠低于周圍坑幫地下水水位。在回填施工的20年內，礦坑地下水平面流場變化不大。從第二十年開始進行蓄水，礦坑地下水水位逐年升高，在20年～50年，礦坑外圍地下水水位變化幅度較小，基本維持穩定。在50年～100年，礦坑水位逐漸接近外圍結構地下水，并且水位高度趨于一致。

3.2.2 剖面水位演化分析

利用軟件工具模擬剖面水位變化，按照從東向西的順序，將剖面劃分為西側、中部礦坑和東側3個部分，模擬時間為100年，結果見表2。

3.2.3 地下水流場演化規律綜合分析

綜合分析平面流場和剖面水位變化，從數據可知，在回填施工的0年～20年，礦坑地下水位呈上升趨勢，0天～1800天上升幅度最大，隨后小幅上漲，從-310.6m升至-179.8m。從第二十年開始，進入蓄水階段，第八十年升至36.5m，第一百年達到70.6m。基坑外圍水位在回填階段較為穩定，變化幅度較小。在開始蓄水后，外圍水位開始增加，最終與蓄水水面持平。

4 研究結果討論

在資源枯竭后，需要對礦坑進行綜合治理，防止礦坑內產生自燃，并對相關地區進行生態恢復，將這個過程稱為礦坑閉坑。此次研究針對礦坑采用回填蓄水的閉坑施工方案。

為了掌握整個閉坑過程對礦坑及周圍地區地下水流場的影響，設計兩種回填蓄水方案，利用MODFLOW軟件建立礦坑模型。礦坑和蓄水水體分別采用該軟件的Drain、Lake子程序進行刻畫。

雖然兩種初步擬定的閉坑方法在回填方式上存在差異，但地下水的流場演化規律較為相似。在礦坑回填階段，四周地下水水位明顯高于礦坑地下水水位。在進入蓄水階段后，礦坑內水位逐漸上漲至大約+70m，與四周地下水水位非常接近。模擬數據為礦坑排水量計算和回填工程量計算提供了依據，有利于選擇成本更低的閉坑方案。

5 結語

該露天礦坑閉坑施工擬定采用回填+蓄水的技術方案，在地表形成景觀水系。在回填階段，提出兩種可行的實施方案。研究過程利用MODFLOW軟件模擬分析兩種回填蓄水方案對地下水流場的影響，結果顯示，地下水演化規律相近，礦坑蓄水最終可使外圍地下水水位升高，可通過對比回填量、蓄水高度、工期來選擇更優的回填方案。

參考文獻

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