摘要：我国矿产资源开发规模已跃居世界前列，仅2024年原矿产量就突破100亿吨。大规模开采活动导致矿区水文地质结构发生不可逆改变，诱发地下水位下降、含水层疏干等连锁反应。同时，新修订的《矿山地质环境保护条例》明确要求，2026年前完成重点矿区“空—天—地”一体化监测网络建设，但现有技术标准尚未建立灾害对水工环境影响的量化评估模型，亟须加快探究地质灾害对水工环境稳定性的影响，并采取针对性的治理方案，才能实现矿山开采经济效益与环境效益的协同发展。基于此，本文以甘肃省某镍矿为例，分析了矿山地质灾害现状，探究了地质灾害对水工环境稳定性的影响，并提出了相应的应对措施。

　　关键词：地质灾害；水工环境；稳定性

　　甘肃省是我国有色矿产资源富集区，其矿山开采活动虽然推动当地经济发展，但是也引发了严重的地质灾害问题。水工环境系统的稳定性直接关系到矿山安全开采与生态安全。当前，受到区域构造活跃、极端气候频繁、人为工程扰动叠加的影响，各个矿山区域呈现滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害高发态势，对水工环境稳定性造成了多种破坏，主要包括改变地下水流场引发渗流失稳、加剧岩土体力学性能退化、污染扩散扩大诱发环境风险等。这些地质灾害往往具备显著链式反应特征，借助单一地质灾害诱发多种灾害，给传统地质灾害防治体系带来较大影响。因此，在矿山资源开采中，相关单位应当高度重视地质灾害对水工环境稳定性的影响，并采取针对性的应对措施，才能实现矿产资源开发与地质环境保护的协同落实。

　　1矿山概述

　　镍矿位于祁连山北麓冲积扇区，地理坐标为，东经98°15′～98°23′，北纬39°42′～39°50′，总面积12.8km2，呈不规则多边形分布。矿区海拔1800m～2300m，属典型的温带大陆性干旱气候，年均气温7.8℃,昼夜温差可达15℃以上，年降水量不足300mm且集中在7月份～9月份，蒸发量却高达2500mm，这种特殊的气候条件对矿山生态环境保护提出了严峻挑战。从地质构造看，矿床形成于早古生代板块俯冲带，矿体呈层状赋存于蛇纹石化超基性岩体中，走向北西310°,倾角50°~65°。主矿带延伸长度2.3km，平均厚度45m（最大厚度达78m），镍品位1.2%～2.1%，伴生有钴（0.08%～0.15%）、铜（0.5%～0.8%）等有价金属。矿床采用露天－地下联合开采工艺：上部氧化带（0～80m）采用台阶式露天开采，设计边坡角45°；深部原生矿采用分段空场法，目前开采深度已达-350m中段，年采选矿石量260万吨，年产电解镍1.2万吨。矿区水文地质具有显著的分带特征。在含水层结构中，自上而下可分为三层，第四系孔隙潜水层（厚度8m～12m，埋深3m～5m，渗透系数1.5m/d）；风化基岩裂隙水层（涌水量80m3/d，水质类型为HCO3-Ca·Mg）；深层构造裂隙承压水（水温32℃,矿化度2.8g/l）。在工程地质中，岩体以蚀变橄榄岩为主，岩石质量指标RQD值55～70，单轴抗压强度85MPa～110MPa。但受区域构造应力影响，发育有F1（走向NE35°)、F2（走向NW305°)等断层组，其中F2断层破碎带宽度达8m，影响范围超过200m，导致局部岩体稳定性显著降低。在环境敏感度中，矿山西侧3km处为黑河二级支流红山河，年均径流量1.2×108m3；下游10km为张掖市饮用水源地——黑河水库，设计库容4.8×107m3。矿区东南部5km处为国家级荒漠植被保护区。

　　2矿山地质灾害现状分析

　　2.1地面塌陷

　　在研究区域中，因长时间地下开采活动的开展，采空区上覆岩层应力重分布导致地面塌陷灾害频繁出现，直接威胁到开采人员及周围人民群众的生命财产安全。结合以往监测数据显示，塌陷位置更多集中在主要采场上方，形成了椭圆形塌陷坑群，其中最大单个塌陷坑半径达到60m,垂直位移量超过3.2m。基于塌陷地质灾害引起的地表变形造成选矿厂建筑地基出现了不均匀沉降，累计沉降量超过20cm，并且各个墙体开裂，其中最大裂缝宽度是10cm，也造成传送带轨道扭曲，直接影响到正常的生产作业。这种地质灾害的形成与多个因素存在密切的关系。从直接诱因而言，矿区矿体开采后顶板冒落传导到地表，冒落带高度大约是0.6倍采深。从加剧因素分析，矿区第四系覆盖层厚度是25m，松散沉积物在潜水位波动下很容易产生潜蚀作用。

　　2.2边坡失稳

　　在研究区域中，因矿山部分采区采用了露天开采方式，其南侧边坡高度80m，设计倾角50°,属于典型的高陡岩质边坡。在2022年雨季期间，该边坡发生了复合型圆弧—平面滑坡地质灾害事件，滑体体积大约是60000m3。结合现场详细调查与室内分析，揭示了滑坡的失稳机理与风险特征。在边坡岩体中，主要是砂岩和板岩构成，岩层产状N30°E/SE∠25°。结合实地勘察结果显示，整个滑坡体受到该部分岩层的节理组与断层破碎带联合控制，两组结构面组成了滑坡的侧向与后缘边界。滑坡体呈现典型的“上陡下缓”形态特征，上部为圆弧形破坏，下部沿软弱夹层发生平面滑动。滑坡地质灾害触发式多种因素耦合作用下的结果。一方面，受到爆破振动影响。采场爆破后产生的振动波对边坡稳定性带来较大影响。从监测数据显示，距离边坡最近的爆破点是150m，振动速度峰值是1.2cm/s，超过《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定的允许值。另一方面，冻融循环作用。在研究区域中，属于温寒带大陆性气候，年温差达到60℃。在这种情况下，裂隙水受到冻融循环作用的影响，导致开始产生频繁的冻胀作用，直接造成岩体结构劣化。从红外热成像监测显示，滑坡前缘区域存在较为显著的温度异常。另外，降雨入渗。在该时期中，受到雨季影响，累计降水量达到420mm，是近十年同期最大值，结合孔隙水压力监测表明，滑动面处水压力在滑坡前聚增35%。

　　2.3泥石流

　　在研究区域中，矿区排土场堆积量超过600万吨，形成高陡坡松散堆积体，其坡脚40°,堆高65m，属于典型的高风险泥石流物源区。在以往汛期中，整个区域受到强降水的影响，每小时降雨最大是60mm，远超同期历史水平。在整个降雨过程中，触发排土场发生小规模泥石流地质灾害，冲出物总量达到12000m3，导致下游冲沟堵塞，直接威胁到矿区安全生产与周围生态环境。结合现场调查发现，整个排土场泥石流物源具备了两个特征。一方面，从粒度组成而言，超过50mm块石占比达到30%，这种粗颗粒占比更高的特征很容易形成溃型泥石流，具有突发性强、破坏力大的特点。另一方面，从启动临界条件而言，如果过降雨量超过30mm/h，并且持续时间超过2h，很大程度上诱发泥石流地质灾害。

　　3矿山地质灾害对水工环境稳定性的影响与应对措施

　　3.1地质灾害对水工环境稳定性的影响

　　3.1.1破坏地下水系统

　　采空区塌陷引发的地质—水文耦合效应主要表现是“天窗”效应，这种现象导致第四系孔隙含水层与下伏基岩裂隙含水层间的水力联系发生了显著改变。结合现有监测数据显示，研究区域体现出三维水动场的变异特征。

　　①破坏水循环系统。塌陷区形成直径约380m的垂向导水通道，使原本相对独立的含水层系统产生新的越流补给关系。从监测数据显示，浅层地下水漏失量呈指数增长趋势，年均增长率达47%，形成半径1.2km的复合型地下水降落漏斗；采用Theis公式反演计算表明，含水层渗透系数由初始0.86m/d增至2.35m/d，储水系数降低约40%。

　　②水文动态响应特征。在塌陷影响范围内（半径2.5km），5个典型村庄观测井（编号W1-W5）水位持续下降3m～8m。其中王家庄水源井（W3）出水量由120m3/d锐减至45m3/d（降幅62%），含水层单位涌水量从0.83l/s·m降至0.31l/s·m，迫使当地投资380万元建设应急供水工程；采用ICP-MS分析显示，塌陷裂隙成为酸性矿坑水（pH=2.9~3.5，Eh=+450mV）的优势下渗通道，沿地下水流向（NW—SE）形成明显的污染羽，距塌陷区1km处（采样点S4）Fe2+浓度达36mg/l（超过GB5749-2022标准12倍），Mn2+浓度4.2mg/l（超标8倍），As含量0.28mg/l（超标5.6倍）。水化学类型由HCO3-Ca·Mg型转变为SO4·Cl-Ca型，导致下游3处饮用水源丧失使用功能。③改变水文地球化学过程。矿坑水与围岩的氧化－溶解作用加剧，形成以SO42--Fe2+为主的高矿化度污染羽。结合同位素示踪表明，污染羽沿NW向断裂带以日均4.6m的速度扩散，已影响下游8km处的农业灌区。值得注意的是，含水层中蒙脱石等黏土矿物对重金属的吸附容量趋于饱和，存在二次释放风险。

　　3.1.2地表水工程失效

　　在雨季期间，受到极端天气的影响，整个矿区遭遇持续性强降雨，诱发大型滑动体，直接给矿区及周围生态环境带来巨大影响。滑坡冲击波导致三级截排水沟系统结构性损毁总计3.2km，其中位于滑坡体前缘的关键段1.4km发生整体位移（最大错位距离2.3m），排水渠底板碎裂率达75%，完全丧失排水功能；根据自动监测站数据，事故后矿坑涌水量呈现指数级增长，从稳定期的1200m3/d骤增至峰值4500m3/d（持续11天），超出污水处理系统设计处理能力（3000m3/d）50%，系统超负荷运行导致沉淀池滞留时间不足，后续3个月累计排放COD超标废水1.28×105m3，对下游5km河段造成Ⅳ类水质污染。通过合成孔径雷达干涉测量季度监测数据分析，发现尾矿库主坝体存在显著差异沉降（最大沉降速率43mm/a，沉降梯度1：150），引发系统性风险，如不均匀沉降导致水平排渗管网发生结构性损伤，经开挖验证断裂率达17%（规范允许值＜5%）；基于GeoStudio软件进行极限平衡分析，考虑渗流-应力耦合效应，当前坝体抗滑稳定安全系数已降至1.12（设计要求≥1.3）。结合地震响应分析表明，在Ⅶ度地震（PGA=0.15g）工况下，超孔隙水压力会引发坝基砂层液化，最终导致管涌型破坏。

　　3.2应对措施

　　3.2.1加强工程治理

　　针对祁连山北麓冲积扇区特殊地质环境（海拔2100m～2500m，年降水量不足200mm但集中性强，第四系松散层厚达80m），结合该镍矿深部开采诱发的地面塌陷、边坡失稳、泥石流等地质灾害，制定工程治理技术方案。①构建立体排水网络。矿区发育3组节理裂隙带，与祁连山前断裂呈30°斜交，形成导水优势通道；按30m×40m网格布设Φ300mm疏干井群（终孔深度进入基岩风化带下5m），采用PVC滤水管配合砾料回填，单井出水量达25m3/h。在-550m中段施工辐射状水平井（总长1200m/组，共3组），通过钻孔雷达（频率100MHz）实时追踪富水区，确保将地下水位控制在采掘面以下15m。②建立微震—塌陷协同预警体系。沿矿体走向布置12通道三分量传感器阵列（采样频率1kHz），覆盖-400m～-700m主要采场，采用CT技术反演震源参数（定位精度±3m）；当同时触发2项指标时，启动三级响应（作业面人员撤离+高压注水卸压）；三项指标全触发时实施全矿区断电封闭。③改良区域地质适应性。在坡脚区域中，采用预应力锚索（抗拔力800kN）+格构梁组合结构，抑制季节性融雪引发的表层滑移。在富水裂隙带实施-25℃低温冻结（冻结壁厚度4m），有效阻断西北－东南向渗流通道（渗透系数由1.2×10-4cm/s降至3×10-7cm/s）。

　　3.2.2落实生态修复

　　在研究区域中，因其地质环境特殊，需要采取多层次生态修复技术方案，才能解决采空区塌陷诱发的边坡失稳、泥石流等地质灾害问题。①构建阶梯型消能结构。基于泥石流沟道纵坡降大（平均坡度18°)、固体物源丰富的特点，采用“工程拦蓄+生物固坡”协同治理方案。在沟道内按等高线布设谷坊群，单级谷坊设计高度3m～5m，采用浆砌石结构，整体拦蓄容量需满足5年一遇暴雨径流量。每级谷坊下游侧种植柽柳、沙棘混交林，种植密度为柽柳2m×2m、沙棘1.5m×1.5m。其中，柽柳深根系（主根可达4m）可锚固深层土体，沙棘侧根发达（根幅达冠幅2倍）能有效固结表层松散物。②建立重金属迁移阻控系统。针对矿渣堆淋滤液中Ni、Cd等重金属超标问题，设计改性膨润土垂直阻隔墙；墙体沿沟道横向布置，厚度1.2m，深度嵌入基岩风化层以下0.5m（平均深度9.8m）；膨润土经十六烷基三甲基溴化铵改性后，对Ni2+的吸附容量达48.7mg/g；配套建设截排水沟（断面尺寸0.6m×0.8m）将上游径流导离污染区，使下游500m处监测断面水质稳定达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类限值。③采空区地表稳定性修复。在采空区地表区域中，采用微地形改造技术，对塌陷坑实施分级回填，其中底层铺设0.3m厚碎石排水层（粒径20mm～40mm），中层回填客土（取自3km外黄土台地，pH值8.2～8.5），表层覆盖30cm植生土（本地表土：腐殖质=7：3）；配套建设滴灌系统（灌溉定额1200m3/hm2·a），种植紫花苜蓿与冰草混播群落，6个月后植被覆盖度达75%以上，地表沉降量控制在5mm/月内。

　　4结语

　　本文研究区域的矿山地质灾害与水工环境稳定性问题，本质上是自然地质条件、矿产资源开发强度、生态保护需求三者矛盾的集中体现。结合研究区域地质灾害分析，地面塌陷、边坡失稳、泥石流等地质灾害对水工环境的破坏呈现显著的级联效应。一方面，岩土体失稳导致地下水系统结构变异；另一方面，各种次生灾害加剧了重金属随水流的迁移扩散。为解决这些地质灾害，需要从地质、水工、工程等多源数据融合出发，充分发挥智能监测的作用，可以对各种地质灾害的核心参数进行动态预警，并且采用工程固防、生态修复的治理措施，能够实现矿山区域的水工环境的稳定，以此为资源开采提供安全的作业环境。