閉坑過程回填蓄水方案下地下水流場(chǎng)演化探究

摘 要：國(guó)內(nèi)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(huán)境，需要設(shè)計(jì)合理的閉坑方案。經(jīng)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(duì)地下水流場(chǎng)的影響，利用MODFLOW軟件模擬回填和蓄水過程，觀察平面流場(chǎng)和剖面水位的演化規(guī)律，明確地下水在各個(gè)階段的變化情況，為礦坑中長(zhǎng)期治理優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)閉坑；數(shù)值模擬；回填蓄水方案；地下水流場(chǎng)；演化規(guī)律

中圖分類號(hào)：TD 74" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

大型礦坑存在自燃風(fēng)險(xiǎn)，開采過程對(duì)周邊環(huán)境會(huì)產(chǎn)生較大的影響，甚至造成一定程度的污染。在礦產(chǎn)資源枯竭后，應(yīng)該從生產(chǎn)轉(zhuǎn)向治理，恢復(fù)相關(guān)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境?；靥钚钏浅Ｓ玫拈]坑方案，可在地表形成景觀水，同時(shí)促進(jìn)生態(tài)治理。掌握該方案對(duì)地下水流場(chǎng)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(qū)經(jīng)過長(zhǎng)期開采，形成了較大的礦坑，其面積達(dá)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(zhǎng)度分別達(dá)到6.6km、2.3km。由于開采資源枯竭，因此需要對(duì)該礦坑進(jìn)行閉坑處理。經(jīng)調(diào)查，礦坑地質(zhì)構(gòu)造以褶皺、斷裂為主，地下水較為豐富，自上而下可分為4個(gè)含水層。

2 礦山閉坑方案數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

2.1 模擬區(qū)域參數(shù)設(shè)置

礦山閉坑方案數(shù)值模擬是一項(xiàng)復(fù)雜的工程任務(wù)，它通常涉及地質(zhì)、地下水流、土力學(xué)、巖石力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。在本次研究中，研究人員擬采用數(shù)值模擬的方法分析閉坑方案對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。礦區(qū)下方地下水與周邊其他區(qū)域相連通，為保證效果，模擬區(qū)域的面積應(yīng)大于礦坑的面積。根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，將模擬區(qū)域南北方向的最大長(zhǎng)度設(shè)置為17.2km，東西方向的最大長(zhǎng)度設(shè)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(qū)地質(zhì)特點(diǎn)

經(jīng)過勘察與分析，模擬區(qū)南部所展現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)成顯得尤為豐富與多樣。南部地區(qū)主要以煤田基底為主，蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，是當(dāng)?shù)刂匾哪茉垂?yīng)基地。除此之外，南部地區(qū)還廣泛分布花崗片麻巖，其堅(jiān)硬、耐磨的特性使其在建筑材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，南部地區(qū)還受到河流的沖擊洪積作用，形成了獨(dú)特的河流沖擊洪積層，這些沉積物記錄了河流長(zhǎng)期以來(lái)的變遷和沉積歷史。此外，基巖風(fēng)化層也是南部地區(qū)不可忽視的一部分，它記錄了基巖在風(fēng)化作用下的演變過程。模擬區(qū)的西側(cè)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(biāo)志，它分隔了河流的不同流向，對(duì)整個(gè)流域的水文循環(huán)具有至關(guān)重要的作用。而模擬區(qū)的南側(cè)地貌特點(diǎn)主要以山區(qū)和丘陵為主。與南部相比，北部的地質(zhì)構(gòu)造更為復(fù)雜。北部地區(qū)涵蓋了多種不同的巖層，包括油母頁(yè)巖層、煤層、玄武巖層、凝灰?guī)r層以及砂巖層等。這些巖層不僅記錄了地質(zhì)歷史的演變過程，還為當(dāng)?shù)氐牡V產(chǎn)資源和地質(zhì)研究提供了重要的依據(jù)。同時(shí)，這些復(fù)雜的巖層結(jié)構(gòu)也為地質(zhì)工程和地質(zhì)勘探帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

采用三維地下水軟件MODFLOW進(jìn)行水流模擬。東西方向長(zhǎng)度較大，將網(wǎng)格劃分為305列，南北方向略短，將網(wǎng)格劃分為225列[1]。在礦區(qū)的外部，研究人員采用較為稀疏的網(wǎng)格劃分方式，以100m的間距設(shè)置網(wǎng)格。這種劃分方式不僅保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，還能在一定程度上減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。然而，在礦區(qū)的鄰近區(qū)域及內(nèi)部，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，因此采取更為精細(xì)的網(wǎng)格劃分策略，將水平方向的網(wǎng)格間距縮小至40m。這種加密的網(wǎng)格劃分方式能夠更準(zhǔn)確地反映礦區(qū)的地質(zhì)特征，為后續(xù)的礦產(chǎn)資源評(píng)估、開采方案設(shè)計(jì)等工作提供更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。

在整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)，共劃分了951400個(gè)網(wǎng)格單元。這些網(wǎng)格單元的數(shù)量雖然很多，但采用科學(xué)合理的計(jì)算方法能夠高效地處理這些數(shù)據(jù)，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性。在實(shí)際的計(jì)算過程中，并不需要對(duì)所有的網(wǎng)格單元進(jìn)行計(jì)算，而是根據(jù)地質(zhì)條件、礦產(chǎn)資源分布等因素，篩選出75039個(gè)活動(dòng)網(wǎng)格，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。剩余的網(wǎng)格均屬于非活動(dòng)單元，不需要進(jìn)行計(jì)算[2]。

2.2.3 設(shè)置邊界條件

邊界條件涵蓋河流、水頭、排水溝、地下水補(bǔ)給、蒸發(fā)和散失、降水補(bǔ)給等分類。部分邊界條件的設(shè)置方法和結(jié)果如下。

礦坑補(bǔ)水主要來(lái)自地表河流，河床滲透性較好，導(dǎo)致河水通過滲透涌向礦坑。將河水標(biāo)高設(shè)置為水頭，取值為+67.5～+69.0m。降水是礦坑補(bǔ)水的重要來(lái)源，Qr表示降水對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給量，其計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：Ai為第i個(gè)計(jì)算分區(qū)的面積；αi為第i個(gè)分區(qū)的降水入滲系數(shù)；Pi為第i個(gè)分區(qū)的降水量；降水分區(qū)總數(shù)量為n個(gè)。該區(qū)域地下水的主要排泄方式為潛水蒸發(fā)，不同計(jì)算單元的潛水蒸發(fā)量按照公式（2）計(jì)算。

（2）

式中：Qe為潛水蒸發(fā)總量；Ei為第i個(gè)離散單元的陸地蒸發(fā)量；si為第i個(gè)離散單元的潛水水位埋深；Δs表示潛水的極限蒸發(fā)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(shù)措施?；靥钍┕ぶ饕槍?duì)礦坑的南北邊坡，其目的是提高邊坡的穩(wěn)定性，在回填后，向礦坑內(nèi)蓄水。對(duì)水流進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要對(duì)蓄水結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行概化。礦坑及回填區(qū)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(yīng)用方法

MODFLOW中設(shè)計(jì)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(tǒng)的邊界。計(jì)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(dǎo)水系數(shù)；Hd為排水溝的標(biāo)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(shù)Cd來(lái)控制單元格的滲透系數(shù)?；靥钍┕?huì)覆蓋相關(guān)邊界的Drain單元格，被覆蓋的單元格轉(zhuǎn)化為關(guān)閉狀態(tài)，不具備滲水功能，參數(shù)Cd隨即失效。

2.3.2 Lake邊界的應(yīng)用方法

在回填蓄水后，礦坑可形成一個(gè)類似湖泊的水系統(tǒng)，為了模擬蓄水措施對(duì)地下水的影響，在數(shù)值模型中應(yīng)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(dòng)單元格和可活動(dòng)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(shù)的計(jì)算過程如公式（4）所示。

（4）

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

（5）

式中：V（t）為t時(shí)刻水量體積；A（t）為t時(shí)刻湖泊的表面積；h（t）為t時(shí)刻湖泊水位；Z（x，y，z）為t時(shí)刻湖泊水面上每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的水深。公式（5）基于二重積分，將湖泊表面劃分為小區(qū)域，并計(jì)算每個(gè)區(qū)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(lái)預(yù)測(cè)湖泊水量在不同水位條件下的變化，支持水資源管理和環(huán)境保護(hù)決策。

2.3.3 回填蓄水方案

該礦坑中的煤矸石和油母頁(yè)巖中存在可燃性物質(zhì)，有可能引起自燃，在回填后，上覆層可隔絕空氣，抑制礦坑內(nèi)的自燃現(xiàn)象[5]。蓄水措施有利于對(duì)礦坑及周邊環(huán)境生態(tài)修復(fù)。當(dāng)回填時(shí)，應(yīng)控制礦坑邊坡的角度，提高礦坑的整體穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)V坑內(nèi)出現(xiàn)涌水時(shí)，對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行疏導(dǎo)截流。

對(duì)回填蓄水提出以下兩種技術(shù)方案。1）利用礦山開采過程產(chǎn)生的廢渣以及其他廢棄物回填礦坑，該礦坑底部原始標(biāo)高為-440m，目標(biāo)為回填至-50m標(biāo)高，預(yù)計(jì)回填時(shí)間為15年，回填量預(yù)計(jì)為368.11m3。在礦坑回填施工結(jié)束后，向坑內(nèi)蓄水至預(yù)定標(biāo)高。該方案模擬分為兩個(gè)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(shè)置滲透系數(shù)，在回填階段，滲透系數(shù)與回填材料保持一致。進(jìn)入蓄水階段，將滲透系數(shù)設(shè)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(jìn)行，被覆蓋的區(qū)域均關(guān)閉單元格的排水功能。在礦坑回填施工結(jié)束后，使用Lake邊界刻畫礦坑-50m以上區(qū)域，同時(shí)關(guān)閉所有Drain單元格的排水功能，此時(shí)可認(rèn)為礦坑停止自然蓄水[6]。2）方案2分為5個(gè)實(shí)施階段，前4個(gè)階段為回填施工，第五個(gè)階段為蓄水。回填施工持續(xù)時(shí)間為20年，每5年為1個(gè)階段，從礦坑西側(cè)向東側(cè)逐級(jí)推進(jìn)。在回填施工結(jié)束后，礦坑西側(cè)地勢(shì)高、東側(cè)地勢(shì)低，此時(shí)開始蓄水，在礦坑?xùn)|側(cè)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(chǎng)演化規(guī)律模擬

3.1 方案1地下水流場(chǎng)演化規(guī)律

3.1.1 平面流場(chǎng)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(nèi)，礦坑水位處于最低水平。隨著施工活動(dòng)的進(jìn)行，礦坑水位同步升高，待回填結(jié)束，水位標(biāo)高為-51m。在回填過程以及回填結(jié)束的一段時(shí)間內(nèi)，周邊區(qū)域的水位一直高于礦坑內(nèi)的水位。從平面流場(chǎng)演化來(lái)看，在回填開始后的20年間，基坑周邊流場(chǎng)基本保持穩(wěn)定，形態(tài)上無(wú)顯著變化，此時(shí)礦坑內(nèi)的水位逐漸升高，但仍然低于周邊水位。在20年～50年，坑內(nèi)水位持續(xù)上漲，大約在回填開始50年后與周邊水位持平，模擬區(qū)域的平面流場(chǎng)開始發(fā)生變化，演化規(guī)律為礦坑北側(cè)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(qū)從回填開始到100年內(nèi)的剖面水位演化，方向從南到北，將研究區(qū)劃分為3個(gè)部分，即南側(cè)、中部礦坑以及北側(cè)，模擬分析剖面水位變化，結(jié)果見表1。

3.1.3 地下水流場(chǎng)演化規(guī)律綜合分析

從平面流場(chǎng)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(shì)，從-310.6m升至-50.2m，15年增幅達(dá)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(cè)坑幫水位持平，略低于北側(cè)坑幫水位。水位整體呈北高南低的趨勢(shì)，地下水和蓄水水面基本連成一體[7]。對(duì)比礦坑南北兩側(cè)坑幫的地下水變化，發(fā)現(xiàn)在100年間變化幅度較小，說(shuō)明方案1的地下水流場(chǎng)變化主要集中在礦坑范圍內(nèi)。

3.2 方案2地下水流場(chǎng)演化規(guī)律

3.2.1 平面流場(chǎng)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(huán)境的地下水變化，平面流場(chǎng)顯示，在0天～90天，礦坑地下水水位最低，并且遠(yuǎn)低于周圍坑幫地下水水位。在回填施工的20年內(nèi)，礦坑地下水平面流場(chǎng)變化不大。從第二十年開始進(jìn)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(wěn)定。在50年～100年，礦坑水位逐漸接近外圍結(jié)構(gòu)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(cè)、中部礦坑和東側(cè)3個(gè)部分，模擬時(shí)間為100年，結(jié)果見表2。

3.2.3 地下水流場(chǎng)演化規(guī)律綜合分析

綜合分析平面流場(chǎng)和剖面水位變化，從數(shù)據(jù)可知，在回填施工的0年～20年，礦坑地下水位呈上升趨勢(shì)，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(jìn)入蓄水階段，第八十年升至36.5m，第一百年達(dá)到70.6m?；油鈬辉诨靥铍A段較為穩(wěn)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(jié)果討論

在資源枯竭后，需要對(duì)礦坑進(jìn)行綜合治理，防止礦坑內(nèi)產(chǎn)生自燃，并對(duì)相關(guān)地區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，將這個(gè)過程稱為礦坑閉坑。此次研究針對(duì)礦坑采用回填蓄水的閉坑施工方案。

為了掌握整個(gè)閉坑過程對(duì)礦坑及周圍地區(qū)地下水流場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎng)演化規(guī)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(jìn)入蓄水階段后，礦坑內(nèi)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(shù)據(jù)為礦坑排水量計(jì)算和回填工程量計(jì)算提供了依據(jù)，有利于選擇成本更低的閉坑方案。

5 結(jié)語(yǔ)

該露天礦坑閉坑施工擬定采用回填+蓄水的技術(shù)方案，在地表形成景觀水系。在回填階段，提出兩種可行的實(shí)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(duì)地下水流場(chǎng)的影響，結(jié)果顯示，地下水演化規(guī)律相近，礦坑蓄水最終可使外圍地下水水位升高，可通過對(duì)比回填量、蓄水高度、工期來(lái)選擇更優(yōu)的回填方案。

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