闭坑过程回填蓄水方案下地下水流场演化探究

摘 要：国内某大型露天矿开采资源枯竭后，形成了大面积的矿坑，为了治理该矿坑及其四周的环境，需要设计合理的闭坑方案。经过研究，该矿坑拟定采取回填蓄水的闭坑措施，并且提出两种回填策略。为了掌握闭坑过程对地下水流场的影响，利用MODFLOW软件模拟回填和蓄水过程，观察平面流场和剖面水位的演化规律，明确地下水在各个阶段的变化情况，为矿坑中长期治理优化提供了依据。

关键词：矿区闭坑；数值模拟；回填蓄水方案；地下水流场；演化规律

中图分类号：TD 74" " " 文献标志码：A

大型矿坑存在自燃风险，开采过程对周边环境会产生较大的影响，甚至造成一定程度的污染。在矿产资源枯竭后，应该从生产转向治理，恢复相关地区的生态环境。回填蓄水是常用的闭坑方案，可在地表形成景观水，同时促进生态治理。掌握该方案对地下水流场的影响，有利于消除工程隐患、提高效率、降低成本。

1 矿山概况

某露天矿区经过长期开采，形成了较大的矿坑，其面积达到10.87km2，该矿坑最大深度超过420m，东西方向和南北方向的最大长度分别达到6.6km、2.3km。由于开采资源枯竭，因此需要对该矿坑进行闭坑处理。经调查，矿坑地质构造以褶皱、断裂为主，地下水较为丰富，自上而下可分为4个含水层。

2 矿山闭坑方案数值模拟方案设计

2.1 模拟区域参数设置

矿山闭坑方案数值模拟是一项复杂的工程任务，它通常涉及地质、地下水流、土力学、岩石力学等多个领域。在本次研究中，研究人员拟采用数值模拟的方法分析闭坑方案对地下水流场的影响。矿区下方地下水与周边其他区域相连通，为保证效果，模拟区域的面积应大于矿坑的面积。根据研究区域的特点，将模拟区域南北方向的最大长度设置为17.2km，东西方向的最大长度设置为20.7km，总面积约为263.45km2。

2.2 地下水流建模

2.2.1 模拟区地质特点

经过勘察与分析，模拟区南部所展现的地质构成显得尤为丰富与多样。南部地区主要以煤田基底为主，蕴藏着丰富的煤炭资源，是当地重要的能源供应基地。除此之外，南部地区还广泛分布花岗片麻岩，其坚硬、耐磨的特性使其在建筑材料领域具有广泛的应用价值。同时，南部地区还受到河流的冲击洪积作用，形成了独特的河流冲击洪积层，这些沉积物记录了河流长期以来的变迁和沉积历史。此外，基岩风化层也是南部地区不可忽视的一部分，它记录了基岩在风化作用下的演变过程。模拟区的西侧地貌特征与南部截然不同，这里是一条明显的河流分水岭，作为河流源头的重要地理标志，它分隔了河流的不同流向，对整个流域的水文循环具有至关重要的作用。而模拟区的南侧地貌特点主要以山区和丘陵为主。与南部相比，北部的地质构造更为复杂。北部地区涵盖了多种不同的岩层，包括油母页岩层、煤层、玄武岩层、凝灰岩层以及砂岩层等。这些岩层不仅记录了地质历史的演变过程，还为当地的矿产资源和地质研究提供了重要的依据。同时，这些复杂的岩层结构也为地质工程和地质勘探带来了挑战。

2.2.2 网格划分

采用三维地下水软件MODFLOW进行水流模拟。东西方向长度较大，将网格划分为305列，南北方向略短，将网格划分为225列[1]。在矿区的外部，研究人员采用较为稀疏的网格划分方式，以100m的间距设置网格。这种划分方式不仅保证了计算的准确性，还能在一定程度上减少计算量，提高计算效率。然而，在矿区的邻近区域及内部，由于地质条件复杂多变，因此采取更为精细的网格划分策略，将水平方向的网格间距缩小至40m。这种加密的网格划分方式能够更准确地反映矿区的地质特征，为后续的矿产资源评估、开采方案设计等工作提供更为详细的数据支持。

在整个矿区范围内，共划分了951400个网格单元。这些网格单元的数量虽然很多，但采用科学合理的计算方法能够高效地处理这些数据，保证计算的准确性和高效性。在实际的计算过程中，并不需要对所有的网格单元进行计算，而是根据地质条件、矿产资源分布等因素，筛选出75039个活动网格，对其进行计算。剩余的网格均属于非活动单元，不需要进行计算[2]。

2.2.3 设置边界条件

边界条件涵盖河流、水头、排水沟、地下水补给、蒸发和散失、降水补给等分类。部分边界条件的设置方法和结果如下。

矿坑补水主要来自地表河流，河床渗透性较好，导致河水通过渗透涌向矿坑。将河水标高设置为水头，取值为+67.5～+69.0m。降水是矿坑补水的重要来源，Qr表示降水对地下水的入渗补给量，其计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：Ai为第i个计算分区的面积；αi为第i个分区的降水入渗系数；Pi为第i个分区的降水量；降水分区总数量为n个。该区域地下水的主要排泄方式为潜水蒸发，不同计算单元的潜水蒸发量按照公式（2）计算。

（2）

式中：Qe为潜水蒸发总量；Ei为第i个离散单元的陆地蒸发量；si为第i个离散单元的潜水水位埋深；Δs表示潜水的极限蒸发深度[3]。

2.3 闭坑方案边界概化

矿坑闭坑方案拟定采取回填+蓄水的技术措施。回填施工主要针对矿坑的南北边坡，其目的是提高边坡的稳定性，在回填后，向矿坑内蓄水。对水流进行数值模拟时，需要对蓄水结构的边界进行概化。矿坑及回填区概化采用Drain边界，用Lake边界概化蓄水边界[4]。

2.3.1 Drain边界的应用方法

MODFLOW中设计有多重边界模型，Drain边界模型是其中之一，它能以单元格的形式刻画排水系统的边界。计算Drain单元格的排水量如公式（3）所示。

（3）

式中：Qd为Drain单元格的排水量；Cd为导水系数；Hd为排水沟的标高；h为Drain单元格的水头。在初始阶段，矿坑边界全部为Drain单元格，通过参数Cd来控制单元格的渗透系数。回填施工会覆盖相关边界的Drain单元格，被覆盖的单元格转化为关闭状态，不具备渗水功能，参数Cd随即失效。

2.3.2 Lake边界的应用方法

在回填蓄水后，矿坑可形成一个类似湖泊的水系统，为了模拟蓄水措施对地下水的影响，在数值模型中应该刻画出矿坑的蓄水边界。此次研究采用MODFLOW软件的Lake子程序刻画蓄水水体的边界。在Lake子程序中，将湖泊及其周边的含水层分别表示为非活动单元格和可活动的单元格。将矿坑蓄水水体与地下水的交换量记为Qc，该参数的计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：K为湖床（本项目为矿坑底部）渗透系数；As为湖床单元格的面积；hl为湖床外侧水头高度；ha为湖床内侧的水头高度；Δl为内外侧水头的高度差。在本次研究中，计算水量变化如公式（5）所示。

（5）

式中：V（t）为t时刻水量体积；A（t）为t时刻湖泊的表面积；h（t）为t时刻湖泊水位；Z（x，y，z）为t时刻湖泊水面上每个测量点处的水深。公式（5）基于二重积分，将湖泊表面划分为小区域，并计算每个区域的水深，以估算湖泊的总水量变化。在水文模型中，公式（5）可以用来预测湖泊水量在不同水位条件下的变化，支持水资源管理和环境保护决策。

2.3.3 回填蓄水方案

该矿坑中的煤矸石和油母页岩中存在可燃性物质，有可能引起自燃，在回填后，上覆层可隔绝空气，抑制矿坑内的自燃现象[5]。蓄水措施有利于对矿坑及周边环境生态修复。当回填时，应控制矿坑边坡的角度，提高矿坑的整体稳定性。当矿坑内出现涌水时，对涌水点进行疏导截流。

对回填蓄水提出以下两种技术方案。1）利用矿山开采过程产生的废渣以及其他废弃物回填矿坑，该矿坑底部原始标高为-440m，目标为回填至-50m标高，预计回填时间为15年，回填量预计为368.11m³。在矿坑回填施工结束后，向坑内蓄水至预定标高。该方案模拟分为两个阶段，第一阶段为回填阶段，第二阶段为蓄水阶段。模拟过程需要设置渗透系数，在回填阶段，渗透系数与回填材料保持一致。进入蓄水阶段，将渗透系数设置为1000m/d。在初始阶段，使用Drain单元格刻画矿坑边界，随着回填施工的进行，被覆盖的区域均关闭单元格的排水功能。在矿坑回填施工结束后，使用Lake边界刻画矿坑-50m以上区域，同时关闭所有Drain单元格的排水功能，此时可认为矿坑停止自然蓄水[6]。2）方案2分为5个实施阶段，前4个阶段为回填施工，第五个阶段为蓄水。回填施工持续时间为20年，每5年为1个阶段，从矿坑西侧向东侧逐级推进。在回填施工结束后，矿坑西侧地势高、东侧地势低，此时开始蓄水，在矿坑东侧形成蓄水面积，将其作为景观水体。边界刻画方式与方案1基本一致。

3 回填蓄水方案地下水流场演化规律模拟

3.1 方案1地下水流场演化规律

3.1.1 平面流场演化分析

方案1回填过程共15年，约为5400天。在回填开始后的90天内，矿坑水位处于最低水平。随着施工活动的进行，矿坑水位同步升高，待回填结束，水位标高为-51m。在回填过程以及回填结束的一段时间内，周边区域的水位一直高于矿坑内的水位。从平面流场演化来看，在回填开始后的20年间，基坑周边流场基本保持稳定，形态上无显著变化，此时矿坑内的水位逐渐升高，但仍然低于周边水位。在20年～50年，坑内水位持续上涨，大约在回填开始50年后与周边水位持平，模拟区域的平面流场开始发生变化，演化规律为矿坑北侧水位逐年升高。

3.1.2 剖面水位演化分析

利用MODFLOW软件模拟研究区从回填开始到100年内的剖面水位演化，方向从南到北，将研究区划分为3个部分，即南侧、中部矿坑以及北侧，模拟分析剖面水位变化，结果见表1。

3.1.3 地下水流场演化规律综合分析

从平面流场和剖面水位的演化过程可知，在回填施工阶段，即0天～5400天，平面水位整体较浅，矿坑地下水呈快速上升趋势，从-310.6m升至-50.2m，15年增幅达到260.4m。从第十五年至第二十年，矿坑地下水升至-30.2m，增幅为20m，增速放缓。从第二十年至第五十年，矿坑水位升至50.1m，增幅为80.3m。从第五十年至第一百年，矿坑水位升至70.7m，与南侧坑帮水位持平，略低于北侧坑帮水位。水位整体呈北高南低的趋势，地下水和蓄水水面基本连成一体[7]。对比矿坑南北两侧坑帮的地下水变化，发现在100年间变化幅度较小，说明方案1的地下水流场变化主要集中在矿坑范围内。

3.2 方案2地下水流场演化规律

3.2.1 平面流场演化分析

方案2的矿坑回填过程共20年，回填方向自西向东。利用软件工具模拟矿坑及周边环境的地下水变化，平面流场显示，在0天～90天，矿坑地下水水位最低，并且远低于周围坑帮地下水水位。在回填施工的20年内，矿坑地下水平面流场变化不大。从第二十年开始进行蓄水，矿坑地下水水位逐年升高，在20年～50年，矿坑外围地下水水位变化幅度较小，基本维持稳定。在50年～100年，矿坑水位逐渐接近外围结构地下水，并且水位高度趋于一致。

3.2.2 剖面水位演化分析

利用软件工具模拟剖面水位变化，按照从东向西的顺序，将剖面划分为西侧、中部矿坑和东侧3个部分，模拟时间为100年，结果见表2。

3.2.3 地下水流场演化规律综合分析

综合分析平面流场和剖面水位变化，从数据可知，在回填施工的0年～20年，矿坑地下水位呈上升趋势，0天～1800天上升幅度最大，随后小幅上涨，从-310.6m升至-179.8m。从第二十年开始，进入蓄水阶段，第八十年升至36.5m，第一百年达到70.6m。基坑外围水位在回填阶段较为稳定，变化幅度较小。在开始蓄水后，外围水位开始增加，最终与蓄水水面持平。

4 研究结果讨论

在资源枯竭后，需要对矿坑进行综合治理，防止矿坑内产生自燃，并对相关地区进行生态恢复，将这个过程称为矿坑闭坑。此次研究针对矿坑采用回填蓄水的闭坑施工方案。

为了掌握整个闭坑过程对矿坑及周围地区地下水流场的影响，设计两种回填蓄水方案，利用MODFLOW软件建立矿坑模型。矿坑和蓄水水体分别采用该软件的Drain、Lake子程序进行刻画。

虽然两种初步拟定的闭坑方法在回填方式上存在差异，但地下水的流场演化规律较为相似。在矿坑回填阶段，四周地下水水位明显高于矿坑地下水水位。在进入蓄水阶段后，矿坑内水位逐渐上涨至大约+70m，与四周地下水水位非常接近。模拟数据为矿坑排水量计算和回填工程量计算提供了依据，有利于选择成本更低的闭坑方案。

5 结语

该露天矿坑闭坑施工拟定采用回填+蓄水的技术方案，在地表形成景观水系。在回填阶段，提出两种可行的实施方案。研究过程利用MODFLOW软件模拟分析两种回填蓄水方案对地下水流场的影响，结果显示，地下水演化规律相近，矿坑蓄水最终可使外围地下水水位升高，可通过对比回填量、蓄水高度、工期来选择更优的回填方案。

参考文献

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