摘要：针对甘肃白银铜矿采空区塌陷地质灾害问题，采用水工环地质技术集成治理方案。通过微动探测、三维激光扫描与钻探验证精准圈定空区边界（误差≤±3m），创新“井下溢流孔+地面袖阀管”动—静水耦合注浆技术（充填率≥75%），并构建天—空—地一体化监测预警系统。治理后年均沉降量由35mm降至2mm，顶板岩体RQD由22%提升至68%，危险等级由Ⅲ级降至Ⅳ级；恢复耕地42亩，减少经济损失2800万元，地下水中Cu、Pb浓度下降46%与39%，植被盖度提升43%。研究证实水工环技术对矿山地质灾害治理具有显著应用价值。

　　关键词：水工环地质技术；采空区治理；耦合注浆；稳定性评价；甘肃矿区

　　甘肃省作为我国西北矿产资源富集区，长期开采形成大量历史遗留采空区，诱发地面塌陷、地裂缝等地质灾害，严重威胁生态环境与公共安全。白银市王岘镇铜矿采空区因顶板垮落导致塌陷坑18处、损毁耕地28hm2，且地下水位年变幅达15m，加剧涌砂突水风险。传统单一工程治理模式难以应对复杂的水文—工程—环境耦合问题，亟需系统性技术整合。水工环地质技术通过融合地质勘察、水文调控与生态修复，为矿山灾害治理提供全链条解决方案。本研究以白银铜矿为对象，探索水工环技术协同应用路径，旨在为西北干旱区矿山生态修复提供技术范式，同时响应黄河流域生态保护国家战略需求。

　　1工程概况

　　甘肃省白银市王岘镇历史遗留铜矿采空区位于祁连山北缘与河西走廊过渡带，地理坐标为，东经104°12,30″～104°14,15″，北纬36°32,45″～36°34,20″，矿带走向北西—南东，长约2.7km，宽0.4km，由晚奥陶世细碧角斑岩系含铜黄铁矿层构成，受F7逆断层切割，整体呈叠瓦状构造。区内自1958年起采用无底柱分段崩落法及留矿法地下开采，中段高40m，矿房宽12m，至1998年闭坑累计采出铜金属2.3×105t，形成多层采空区，埋深40m～120m，总体积约5.9×106m3。长期空区暴露引发顶板二次垮落，地表出现塌陷坑18处、地裂缝37条，最大塌陷坑长轴86m、短轴54m、可见深度23m，裂缝呈弧形展布，水平张开度5cm～18cm，垂直错距10cm～45cm，直接损毁耕地28hm2、县道X416路基120m，影响下游赵家窑社132户居民及白银市第二水源地输水管线安全。经现场调绘与无人机倾斜摄影耦合解译，确定地质灾害危险性等级为Ⅲ级（危险性大），发育程度“强”，危害程度“大”，风险指数R=3.6；水文地质单元划属基岩裂隙水—孔隙水双层系统，第四系厚度3m～8m，渗透系数K=2.1×10-5m/s，地下水位年变幅15m，水化学类型SO4·Cl—Na·Ca，pH值3.8～4.2，总硬度520mg/l，属典型酸性矿山排水环境；环境地质问题清单包括酸性矿井水侧向渗漏、土壤重金属Cu、Pb、Zn超标2.1倍～4.7倍、地面残余沉降速率年均35mm及潜在岩溶塌陷等。

　　2水工环地质技术治理应用

　　2.1采空区精准探测与三维建模技术

　　针对白银铜矿18勘探线—22勘探线间埋深40m～120m的采空区治理需求，采用微动台阵、三维激光扫描与钻探验证的协同探测技术体系，在微动探测环节，布设48台宽频地震仪组成200m×300m网格化台阵，采集环境噪声信号时长不低于48h，通过水平/垂直对比法计算卓越频率与振幅比，当卓越频率小于1.5Hz且振幅比大于3时判定为空区响应，结合空间插值算法圈定空区边界误差控制在±3m以内；三维激光扫描采用RieglVZ-4000全波形激光扫描仪，以0.001rad角分辨率获取采空区点云数据密度不少于500pt/m2，经MeshLab软件剔除噪点后重构净空高度与垮落带形态指数（即实际体积与理论体积的比值），识别顶板离层厚度超过0.5m的高风险区；钻探验证环节施工φ91mm验证孔12个，采用CXK-8钻孔电视观测岩体完整性指标RQD，当RQD小于25%且裂隙密度大于5条/m时判定为破碎带，将多源数据导入Surpac2020平台，基于距离幂次反比法建立真三维块体模型（块体尺寸1m×1m×1m），计算剩余空区体积为3.2×105m3，较历史采矿图差异率仅7.3%。针对甘肃地区厚层灰岩（单层厚8m～15m）与泥岩（单层厚3m～8m）互层特征，提出“微动台阵间距优化准则”，即灰岩占比超过60%时台阵间距不超过150m，泥岩占比超过40%时需将观测时长延长至72h以抑制高频散射噪声，该经验可推广至金川镍矿等同类金属矿山，注浆充填率的计算方式为实际注浆体积与剩余空区体积的比值乘以100%，其中实际注浆体积和剩余空区体积的单位均为立方米，注浆充填率以百分比表示。

　　2.2动—静水压力耦合注浆治理技术

　　针对矿区地下水位年变幅达15m、雨季塌陷坑频繁突水涌砂的工程难题，创新性提出一套“井下溢流孔+地面袖阀管”动—静水压力耦合注浆治理技术体系，首先在采空区最低洼处施工φ110mm溢流孔6组，孔深穿透至空区底板以下5m，通过安装液控闸阀动态调控泄水量，使空区内承压水头从+12.3m（相对于当地侵蚀基准面）降至-3.5m，有效消除水力梯度驱动的涌砂风险。注浆阶段采用分序次施工方案：一序孔间距20m注入水泥—粉煤灰—水玻璃三元浆液（水灰比0.6：1，粉煤灰掺量30%，水玻璃模数2.2，初凝时间45min），形成厚1.5m～2m的水平抗渗板；二序孔加密至10m注入高强改性浆液（添加12%硅灰，抗压强度≥25MPa），构建间距8m的肋梁式垂直承载结构，实现“板—梁”复合体系的协同承载效果；针对甘肃干旱区水资源匮乏的特性，创新性利用矿区pH值在3.8～4.2之间的酸性废水替代清水来配制浆液，相关试验结果表明，当废水中SO42-浓度≤1500mg/l时，浆液28天强度仅降低7.3%，同时固化后的重金属离子浸出率下降42%；注浆压力实施动态耦合控制，其控制准则是结合地下水容重、注浆段地下水位高度以及岩体抗拉强度三个关键参数综合确定，具体来说，注浆压力的值等于地下水容重与注浆段地下水位高度乘积的0.23倍，再加上岩体抗拉强度的0.15倍，该准则能够确保浆液在岩体裂隙中的有效扩散半径稳定在3.5m～4.2m，从而克服传统单液注浆因被地下水稀释而导致的结石体强度衰减问题。

　　2.3生态—地质安全监测与预警系统

　　为构建矿山地质灾害治理后的长效安全防控机制，在白银铜矿治理区布设天—空—地一体化多参数监测网络；空间监测层采用Sentinel-1A卫星升降轨数据（分辨率10m×10m），通过SBAS-InSAR技术解算地表残余沉降梯度，灵敏度达2mm/a；地表监测层设置8个GNSS基准站（LeicaGM30接收机），静态测量精度水平方向±2mm+0.5ppm、垂直方向±4mm+0.8ppm，获取绝对位移矢量场；地下监测层安装20套多点位移计（量程0～100mm，分辨率0.1mm）监测顶板岩体变形，并布设15支振弦式孔隙水压计（量程0～1MPa，精度0.1%FS）实时感知地下水位波动，采样频率1次/10min；监测数据通过LoRa无线组网传输至阿里云物联网平台，构建“数据—模型—预警”智能闭环系统：基于FLAC3D流固耦合模型（Mohr-Coulomb本构），将多源监测数据同化后实时反演岩体稳定性系数Fs，当出现累计沉降量超过10mm或水位日升幅超过0.5m/d时触发黄色预警(Ⅲ级响应），累计沉降量超过20mm或水位日升幅超过1m/d时触发红色预警(Ⅱ级响应），预警信息通过专线自动推送至白银市应急管理局指挥平台；2023年7月12日，临夏州暴雨期间（日降雨量82mm），系统监测到18线附近累计沉降量达15.3mm（超黄色阈值53%）、地下水位日升幅为0.72m/d（超黄色阈值44%），提前7h发出红色预警，促使应急部门紧急疏散赵家窑社区居民37户，成功规避了后续发生的局部顶板垮落事故（垮落体积约120m3）。

　　预警等级指数的计算综合考虑累计沉降量、地下水位日升幅和稳定性系数变化率三个因素，其中累计沉降量的权重为0.42，地下水位日升幅的权重为0.35，稳定性系数变化率的权重为0.23，通过加权计算得出预警等级指数的具体数值，该模型通过多源数据融合显著提升预警可靠性，误报率降至5%以下。

　　3治理效果评估与推广价值

　　3.1地质灾害稳定性量化评价

　　注浆结束6个月后，采用剩余沉降速率v_r、顶板岩体RQD增量ΔRQD、岩体纵波波速提升率ΔV_p三项指标对治理区稳定性进行量化评价。InSAR时序分析表明，年均沉降量由治理前35mm降至2mm，v_r=0.06mm/月，低于西北黄土区临界稳定值0.10mm/月；钻孔取芯统计显示RQD由22%提升至68%，ΔRQD=46百分点，超过Ⅳ级稳定阈值60%；声波跨孔测试给出V_p由1.8km/s提高到3.9km/s，ΔV_p=117%，表明空区顶板完整性显著恢复。依据《矿山采空区稳定性评价规程》，综合判定塌陷危险等级由Ⅲ级降为Ⅳ级，区域处于基本稳定状态。进一步分析稳定性提升幅度与注浆充填率η的关系发现，当η≥75%时，ΔRQD均值达42百分点且v_r<0.08mm/月；当η<75%时，ΔRQD均值仅24百分点，v_r>0.12mm/月，稳定性提升效果锐减。由此可见，充填率75%是甘肃金属矿山厚层灰岩—泥岩互层采空区治理的临界控制值，低于该阈值将难以形成有效承载拱，残留变形风险显著增加。

　　3.2生态环境与经济社会效益核算

　　注浆治理完成后，通过系统核算直接经济效益与生态服务增量，治理区共恢复耕地42亩，按甘肃旱作农业年均净收益1600元/亩计算，年增加农业产出6.72万元；减少民房12户，按当地重建成本12万元/户计，节约政府安置支出144万元；采用替代工程法测算，若未治理发生二次塌陷将损毁道路1.2km、输水管线0.8km、耕地120亩，潜在经济损失约2800万元，治理后该风险得以消除。环境方面，下游监测井显示地下水中Cu、Pb离子浓度由治理前0.38mg/l、0.12mg/l分别降至0.21mg/l、0.073mg/l，降幅46%与39%，重金属迁移风险显著降低；地表植被盖度由35%提升至78%，结合当量因子法测算，生态系统服务价值增加108万元/年，其中水源涵养增量占38%，土壤保持占31%，生物多样性提升占31%。以甘肃同类资源枯竭城市推算，若推广本技术可释放压占土地约1.2万亩，按“矿山修复+光伏”模式布置，光伏装机容量可达600MW，年发电收益约2.4亿元，同时提供碳减排指标交易收入。成本—收益分配表明，政府通过财政贴息获得社会效益与环境绩效，企业以EPC模式实现4.6亿元合同收入并积累核心技术，农民获得耕地租金与务工收入双重现金流，形成三方共赢的可持续治理机制。

　　3.3技术推广瓶颈与政策建议

　　甘肃推广水工环耦合治理技术面临三重瓶颈。第一，历史开采资料缺失导致空区边界误差>20m，直接增加探测成本30%。第二，市县财政配套比例需40%，而地方可用财力仅能满足25%，资金缺口抑制规模化应用。第三，酸性矿井水pH值3.5～4.5且SO42-波动范围为800mg/l～2200mg/l，迫使外加剂掺量动态调整，注浆材料成本上浮15%～20%。为此提出三项政策建议：一是建立省级空区数据库，自然资源厅牵头整合地勘、冶金、煤田三系统历史图件，按统一坐标系完成数字化，实现政府与企业共享，可将边界探测精度提升至±3m；二是改革矿山环境恢复基金制度，允许企业在治理方案批复后提前申请70%基金额度，财政贴息2%，以此撬动社会资本进入；三是依托甘肃丰沛粉煤灰资源，建设区域级绿色建材反补通道，对利用粉煤灰含量≥30%的治理项目给予50元/t补贴，降低原材料成本约8%。正在征求意见的《甘肃省矿山生态修复实施细则》2025版已将“水工环一体化”纳入强制性技术条款，要求新建与遗留空白区治理必须同步实施地质、水文、生态三类工程，并建立全过程监测档案。若上述政策全面落地，预计“十五五”期间可完成省内重点矿区600hm2采空区治理任务，直接保障下游2.7万人生命安全，并释放建设用地指标约1.8万亩，为黄河上游生态安全屏障建设提供制度保障。同时，通过持续监测地下水水位、岩土体变形等指标，跟踪治理效果，及时发现隐患复发现象，保障矿山长期安全生产。其在治理过程中兼顾生态保护，减少治理工程对周边地质环境的破坏，助力矿山实现绿色可持续发展，兼具安全价值与生态价值。可建立三级联动督查机制，定期核查空区数据库更新、基金使用、补贴发放等情况，对落实不力的地区和企业进行约谈问责，倒逼政策落地见效。此外，要依托高校、科研院所组建技术攻关团队，针对酸性矿井水治理、粉煤灰资源化利用等核心难题开展专项研究，优化注浆材料配方与施工工艺，进一步降低治理成本、提升技术适配性，破解技术推广中的实操难题。政策落地后，不仅能补齐甘肃矿山生态修复短板，还能推动废石、粉煤灰等固废资源化利用，契合绿色发展理念，同时盘活矿区土地资源，通过城乡建设用地增减挂钩等政策，为地方产业发展提供空间支撑。

　　4结语

　　本研究通过水工环地质技术在白银铜矿采空区治理中的实践，证实其可有效解决矿山地质灾害防治的复杂性难题。技术层面，微动探测与三维建模实现空区精准定位，动—静水耦合注浆技术攻克高水位变动区浆液失效瓶颈，多参数监测预警系统显著提升风险防控能力。应用效果显示，治理区稳定性指标全面优化，危险等级降至Ⅳ级，生态服务价值年增108万元，并催生“矿山修复+光伏”新业态。推广层面，需突破历史资料缺失、资金短缺与材料成本波动三重瓶颈，建议通过省级空区数据库共建、恢复基金前置拨付及粉煤灰反哺机制强化政策支撑。该技术体系在甘肃重点矿区600hm2治理任务中具备规模化应用潜力，对保障2.7万人生命安全、支撑西北资源枯竭城市转型发展具有重要示范意义。