排土場對露天礦山地下水的影響研究

關(guān)鍵詞：露天礦山；地下水；防治對策；排土場；轉(zhuǎn)換機(jī)理

中圖分類號：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)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(bǔ)徑排關(guān)系。地下徑流的改變對礦山露采邊坡穩(wěn)定性造成不同程度的影響，由于水對巖土層的穩(wěn)定性影響巨大，這些地下含水層往往會成為開采作業(yè)的巨大威脅和劣性災(zāi)害的潛在誘因[1]，尤其是黃土邊坡，天然和飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(chǎn)保駕護(hù)航顯得尤為重要，若地下水認(rèn)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(jīng)過30年的開采進(jìn)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(qū)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(fā)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(kuò)幫削坡措施，但未能徹底解決。2019年4月剝巖后，邊坡產(chǎn)生一系列病害，主要出現(xiàn)在粉質(zhì)黏土與風(fēng)化巖交界處。2020年4月3日，南幫舊保養(yǎng)廠房正下方邊坡發(fā)生寬度近百米的滑坡，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)。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(shè)計提供依據(jù)，有必要開展南幫專項水文地質(zhì)勘察工作。

1.2勘察工作方法

通過對婁煩縣地表水體調(diào)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(bǔ)給的可能性，并針對采場區(qū)域建立滲流場模型，進(jìn)行采場水質(zhì)單元的調(diào)查、探勘。結(jié)合該礦山采場東部土質(zhì)邊坡現(xiàn)狀和邊坡滲水原因，制定研究方案?；韭肪€為收集資料 $$ 水文地質(zhì)調(diào)查和測繪 $$ 水文地質(zhì)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(zhì)孔、抽水井、監(jiān)測孔） $$ 計算分析及成果報告[3]。

2研究區(qū)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)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(qū)域地層主要為中、上太古界結(jié)晶含鐵變質(zhì)巖系，發(fā)育有各類巖漿巖。根據(jù)鉆探及試驗結(jié)果，南幫場地主要地層及滲透性如表1所示。

3水文地質(zhì)條件

3.1區(qū)域地形地貌及地表水系

研究區(qū)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(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)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(qū)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(guān)系如圖3所示，其中編號為高程點。

區(qū)域內(nèi)較大的河流有汾河、嵐河和西川河。汾河在礦區(qū)東側(cè) 30km 以外，河中水位標(biāo)高為 1112.0m ，流量約為 15.4m³/s 。嵐河位于礦區(qū)東側(cè) 25km 處，河中水位標(biāo)高為 1112.0m ，流量約為 1.74m³/s 。兩河離礦區(qū)較遠(yuǎn)，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(dǎo)水性差，說明河流與礦床無直接水力聯(lián)系。西川河為汾河一級支流，自西南向東北流經(jīng)研究區(qū)南部外圍羅家岔、馬家莊一帶，距礦區(qū)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(qū)地下水特征

礦區(qū)整體地勢是西高東低，北高南低。地貌形

態(tài)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(gòu)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(zhì)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(xù)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(qiáng)風(fēng)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(jù)礦山地質(zhì)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(bǔ)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(gòu)造裂隙含水層

構(gòu)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(qū)的主要含水層。補(bǔ)給來源主要為基巖裂隙水滲入及少量大氣降水。

4研究區(qū)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(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖，下部為中風(fēng)化巖，地下水位以下的地層為中風(fēng)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(zhì)黏土，下部基巖為全-強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)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(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化巖。

4.2 透水性分析

第四系覆蓋層大部分為黃土和粉質(zhì)黏土，滲透性較差。全風(fēng)化基巖風(fēng)化成土狀，泥化程度較高，滲透性較差。強(qiáng)風(fēng)化巖層巖芯呈碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)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(fēng)化基巖巖芯完整，為相對不透水層。

4.3南幫地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件分析

通過水文地質(zhì)調(diào)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(qiáng)風(fēng)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(qū)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(fēng)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(qū)域為第四系土層（黃土和粉質(zhì)黏土），其下為風(fēng)化巖，土巖交界面的傾向為采場方向，強(qiáng)風(fēng)化巖為滲流通道，所以地下水自西向東流至該區(qū)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(qū)域滲出的原因。排土場排土前，大氣降雨在黃土梁區(qū)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(qiáng)[4，排土場堆排材料的滲透系數(shù)為 0.029cm/s ，屬于中等透水，勘察發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)常流水，終年不枯竭。

4.4抽水試驗結(jié)果分析

根據(jù)多井抽水試驗及監(jiān)測孔水位監(jiān)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(jiān)測孔地下水位均出現(xiàn)不同幅度的下降。抽水試驗結(jié)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(qiáng)風(fēng)化巖為滲流通道，所以地下水自西向東流至該區(qū)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(jié)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(yīng)當(dāng)是有效的。因此，方案建議選擇防滲帷幕結(jié)合降水井進(jìn)行止水。本次建模采用Feflow軟件進(jìn)行模擬分析。

5.1現(xiàn)狀滲流分析

根據(jù)實際水文地質(zhì)條件，對滲流模型進(jìn)行擬合校正，最后得出研究區(qū)的地下水流場，如圖5所示。排土場位置水位基本與物探結(jié)果一致，在南幫頂部，地下水位與抽水前監(jiān)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(chǔ)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(xiàn)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(zhì)黏土地層下強(qiáng)風(fēng)化巖層帷幕注漿 + 垂直疏干井”組合技術(shù)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(zhuǎn)換規(guī)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(wěn)的重大難題。

6 防治水對策

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

7結(jié)論

排土場影響露天礦山地下水，改變原有的補(bǔ)徑排關(guān)系，排土場設(shè)計、礦山開采設(shè)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(qiáng)，排土場底部儲存地下水。排土場排土前，應(yīng)設(shè)計排水盲溝，底部填筑大塊碎石，提高排土場的穩(wěn)定性。研究區(qū)首創(chuàng)大面積黃土軟弱地層高陡邊坡水害治理技術(shù)，開發(fā)

參考文獻(xiàn)

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