摘要
针对湖南省花垣锰矿区长期地下开采引发的矿井涌水量大、补给来源复杂、导水通道隐蔽及含锰污水治理负荷高等问题，本文采用水文地质调查、地球物理勘探、钻探、示踪试验、现场注水及室内柔性壁渗透试验相结合的方法，识别了矿井涌水主要补给源和优势导水通道；据此实施了以补给源控制、优势通道封堵和清污分流为主的分级阻控措施，并评价了涌水减量及污染阻控效果。结果表明：矿井涌水主要受废弃老窿倒灌、地表溪沟渗漏、老旧钻孔垂向连通及巷道汇流控制。溪沟B示踪剂投放约6 h后在X048老窿出现响应，持续约78 min，综合物探揭示地表低阻异常向深部采空巷道连续延伸。处理后6口验证孔透水率降低94%～95%，注浆结实体渗透系数为3.74×10-8 ～7.63×10-8 m/s，溪沟B下游Mn2+ 浓度由9.39 mg/L降至 0.06 mg/L。
Abstract
To address the large mine water inflow, complex recharge sources, concealed water-conducting pathways, and high treatment load of Mn-contaminated mine water caused by long-term underground mining in the Huayuan manganese mining area, an integrated approach combining hydrogeological investigation, geophysical exploration, drilling, tracer tests, field water-injection tests, and laboratory flexible-wall permeability tests was adopted. The major recharge sources and preferential flow pathways of mine water inflow were identified. Based on these findings, hierarchical control measures focusing on recharge source control, sealing of preferential flow pathways, and separation of clean and contaminated water were implemented, and their effects on inflow reduction and pollution control were evaluated. The results show that mine water inflow is mainly controlled by backflow through abandoned adits, leakage from surface streams, vertical hydraulic connection through old boreholes, and convergence along underground roadways. In Creek B, a tracer response was observed at the X048 abandoned adit approximately 6 h after tracer injection and lasted for about 78 min. Integrated geophysical surveys further revealed that low-resistivity anomalies extended continuously from the ground surface to deep mined-out roadways. After treatment, the water absorptivity of six verification boreholes decreased by approximately 94%-95% on average, while the permeability coefficients of the grouted solidified bodies ranged from 3.74×10-8 to 7.63×10-8 m/s. Meanwhile, the Mn2+ concentration downstream of Creek B decreased from 9.39 mg/L to 0.06 mg/L.
0 引言
废弃矿山地下采空区、巷道及废弃老窿长期汇集并排泄地下水，形成持续性矿山涌水（Younger et al.，2002；李超峰和虎维岳，2018）。水流在流经矿层、围岩、废石及采空积水区过程中，通过矿物溶解、氧化还原及离子交换等作用，使 Mn、Fe 等金属元素溶入水体，并沿老窿、巷道等通道排向地表（巫政卿等，2024）。此类污染涌水具有持续时间长、来源分散、受降雨影响显著及治理成本高等特点，已成为废弃矿山水环境修复的重点难题。因此，查明补给来源及其导水联系，是开展含锰涌水源头减量和针对性治理的重要基础（孙文洁等，2022；张发旺等，2025）。
针对废弃矿山涌水污染，国内外学者多采用水文地质调查、水化学与同位素分析、示踪试验、地球物理勘探及钻探等方法，识别矿井水来源及地下水力联系（薛国强等，2018；Wolkersdorfer et al.，2020）； 治理方面形成了地表截排水、裂隙注浆、废弃钻孔封闭、老窿治理及清污分流等工程措施（武强， 2014；王海等，2020a；姬之皓等，2025）。国内研究中，康小兵等（2023）结合流量动态、水化学及微生物指标判识了重庆松藻关闭煤矿的涌水来源与补给模式；罗伟奇等（2024）通过调查、物探、钻探和抽水试验，分析了湖南界牌岭矿区的充水途径；范莹琳等（2023）将半航空瞬变电磁与地质资料结合，识别了福建废弃煤矿的富水空间；胡月强等（2026）则结合三维地电模型与多源资料，开展了矿区地下含水体识别研究。巫政卿等（2024）结合水文地质、气象水文及水化学与同位素分析，识别了“锰三角”典型历史遗留锰矿山老窑水的补给来源与污染成因。国外研究中，Wolkersdorfer et al.（2020）强调水文、地球化学及同位素工具的综合应用，Kurukulasuriya et al.（2022）指出环境水示踪剂的选择应与调查目标相匹配；人工投放示踪可为地下水力联系验证及治理方案确定提供依据（Wolkersdorfer，2005）。治理方面，张雷等（2023）提出以减量、储存和净化为核心的高盐矿井水治理体系，为源头控制与后续处理相结合提供了研究思路。这些研究为废弃矿山污染治理奠定了重要技术基础，但对于长期、多阶段开采形成的复杂老矿区，老窿、钻孔、采空区、裂隙和巷道相互连通，污染水补给与迁移路径隐蔽性强，单一勘查手段难以准确识别关键补给源和优势通道，尤其需要加强“污染涌水来源识别-通道验证-源头减量-效果评价”各环节之间的衔接，明确不同通道在补给、输导和汇流中的作用，以支持治理措施的针对性布置。
基于此，本文以花垣锰矿区废弃矿山涌水为研究对象，综合运用水文地质调查、地球物理勘探、钻探和示踪试验，识别污染涌水的主要补给源及优势导水通道；针对溪沟渗漏、老窿倒灌、老旧钻孔及采空裂隙等关键通道，实施防渗、封堵和清污分流等治理措施；并通过现场注水试验、室内柔性壁渗透试验及水质监测，系统评价治理效果。研究成果以期为类似废弃矿山污染涌水的源头减量治理提供工程参考。
1 研究区概况与区域地质背景
1.1 研究区概况
花垣锰矿区位于湖南省湘西土家族苗族自治州花垣县境内，地处湘黔渝“锰三角”核心区，中心地理位置约为东经 109.348458°、北纬 28.392534° （图1），长期开采形成了大量废弃老窿、采空区、老旧钻孔及相互连通的地下巷道。停采后，地下采掘空间逐渐成为地下水汇集与储存场所，部分低标高老窿持续排泄含锰矿涌水。同时，部分老窿和钻孔位于沟谷及汇水区域，地表溪沟水与降雨径流可沿采动裂隙、废弃钻孔及老窿进入地下，并在采空区和巷道中积聚。由于补给来源多样、人工通道复杂，研究区含锰涌水呈现多源补给与强非均质运移特征，进一步增加了污染控制的难度。
图1研究区地理位置图
1.2 地层、岩性与构造特征
研究区主要出露青白口系、南华系、震旦系和寒武系。锰矿主要赋存于下南华统大塘坡组（Nh1d） 下部含锰岩系，深部整体富水性较弱，矿层顶、底板以相对弱透水层为主；下伏古城组（Nh1g）砂岩、含砾砂岩裂隙较发育，富水性中等；上覆陡山沱组（Z1d） 局部灰岩段发育岩溶裂隙水，灯影组（Z2dy）硅质岩发育裂隙水，两者均可在特定构造部位形成间接补给。
研究区主体构造为摩天岭背斜，断裂以北东— 南西向为主。外围 F30、F76 断裂总体导水性较弱，研究区内部F2、F10、F22等断裂受两盘岩性、破碎带充填及采空区空间关系控制，导水性呈明显分段特征。F2局部可沟通陡山沱组、灯影组地下水与采空区，而 F10 深部、F25 和 F27 等多数区段导水能力较弱，表明断层发育并不等同于形成有效导水通道。
1.3 工程地质与水文地质条件
工程地质条件方面，研究区青白口系五强溪组、马底驿组基岩较完整，风化裂隙主要发育于浅部；寒武系牛蹄塘组、石牌组的页岩和砂页岩等以软岩为主，裂隙多张开度小、延伸短，并可被泥质充填。局部断层破碎带具有泥质、炭质胶结或石英脉充填特征，岩体结构和裂隙充填状态的差异，是分析导水通道连通性及布置注浆封堵部位的重要依据。
研究区可视为相对完整的水文地质单元。如图2所示，研究区外围水文地质边界总体受地表分水岭、河流排泄基准面及F30、F76等断裂共同控制，兴银、钰沣、双发和振兴等矿权集中分布于该水文地质单元内部。天然条件下，地下水主要接受大气降水补给，浅层风化裂隙水沿地形短距离径流并以泉或泄流形式排泄；局部岩溶裂隙水受层面裂隙和构造控制，地下水循环路径总体较短。
图2花垣锰矿区水文地质边界及矿权分布
地下开采显著改变了天然补径排格局。巷道揭露古城组、陡山沱组及灯影组等含水层后，转化为地下水径流和汇集通道；采空区形成新的储水空间。随着不同矿山巷道贯通，原有相对独立的径流单元被人工网络连接。停采后地下水位回升，低标高巷道和老窿进一步成为排泄出口，研究区由天然含水系统演化为“含水层-人工通道-采空区-排泄口”复合地下水系统。
1.4 研究方法
针对上述复合地下水系统，采用调查、物探、钻探与人工示踪相结合的方法识别补给及通道联系。水文地质调查梳理溪沟、老窿、钻孔与采掘空间的关系，为补给分析提供地质约束，但受井下可达性及历史资料完整性限制；音频大地电磁与高密度电法分别提供较深部电性结构和浅部异常信息，但解释受岩性、地下水矿化度及干扰影响；钻探直接核查局部岩性、裂隙及封孔完整性，但代表范围有限。
人工示踪在溪沟B渗漏段投放示踪剂，于X048 等观测点记录颜色响应，以检验地表补给点与老窿排泄点的水力联系。该方法可提供直接连通证据，但受观测布设及检出条件限制，需与物探及采掘资料结合解释（Wolkersdorfer，2005；尹尚先等，2014）。
治理效果采用现场注水、室内柔性壁渗透试验及水质监测分别评价。现场注水以透水率反映验证试段吸水性，适用于局部治理岩体，但受试段与压力影响；室内试验测定结实体渗透系数，条件可控，但难以代表现场裂隙及浆液-围岩界面的非均质性；水质监测比较溪沟B下游治理前后Mn2+ 浓度，可反映断面水质变化，但浓度变化不直接等同于污染负荷削减。
2 矿井涌水补给来源及通道识别
2.1 废弃老窿倒灌补给
现场共识别老窿 176 处，其中倒灌老窿 87 处、涌水老窿36处。部分老窿位于沟谷和低洼汇水区，降雨径流可由洞口直接进入井下并沿巷道向深部采空区运移；部分低标高老窿又承担采空积水排泄功能，形成“高位倒灌-采空区汇集-低位排泄”的人工水力联系。老窿对涌水的贡献主要取决于洞口地形、汇水条件及与采空区的连通程度。兴银、钰沣等矿区的倒灌老窿多沿矿层露头及历史采掘带分布，构成地表径流进入地下的直接通道，是源头减量的重点控制对象。
2.2 地表溪沟渗漏补给
研究区部分溪沟下垫面被锰渣覆盖，浅部发育采空区、裂隙和掩埋老窿，具备地表水向地下采掘空间渗漏的条件。以X038-X048溪沟段（溪沟B）为例，如图3所示，该溪沟汇水面积约1.5×105 m2，地表径流沿沟谷汇集后进入高渗漏段；溪沟下方分布浅部采空区和历史老窿，且 X038、X048常年排水巷道与该区在空间上具有较强关联，为地表水向井下快速补给提供了条件。
图3溪沟B位置及汇水范围
为直接判定溪沟 B 与地下巷道之间的水力联系，在地表渗漏段开展了示踪试验。如图4所示，示踪剂投放约 6 h 后，X048 老窿涌水出现明显颜色响应，持续约 78 min，而其余观测点未出现同步响应。该结果表明，溪沟水入渗后主要沿采空区和巷道构成的高连通通道向 X048方向运移，并呈现快速、定向排泄特征。
综合物探结果进一步验证了上述水力联系。如图5所示，E40音频大地电磁剖面在测线40～383 m、标高 +580～+781 m 范围内出现低阻异常，其中 120～243 m、标高+636～+730 m段表现为相对富水区；G1高密度电法剖面在 70～185 m 段显示地表低阻凹陷向深部连续延伸。两种物探方法揭示的异常位置具有较好一致性，并与下部采空巷道区相对应，说明溪沟 B 地表水可沿采动破碎带和采空空间向深部渗漏。
图4溪沟B示踪径流过程及观测点分布
图5溪沟B综合物探结果
a—E40音频大地电磁视电阻率剖面；b—G1高密度电法视电阻率剖面
2.3 老旧钻孔垂向连通补给
研究区遗留历史勘查老旧钻孔 219 个，部分早期钻孔采用黄泥、木塞或水泥浆封孔，长期受材料老化和采动变形影响后封孔体存在开裂、缺失现象。典型老孔透孔检查出现漏水、钻进无返水及水泥柱不连续等现象，表明原封孔完整性不足。老钻孔常穿越含水层、相对隔水层并进入矿层或采空空间。一旦孔内形成连续空隙，可绕过天然隔水层，构成地表水和浅层地下水向深部采空区运移的人工垂向通道，其影响在低洼汇水区、采空区上方和构造裂隙密集区更为显著。
2.4 巷道汇流作用
研究区巷道密集且局部贯通，对涌水形成具有补给和排泄双重作用。下行巷道穿越古城组、陡山沱组或灯影组含水层后，可将地下水导入深部采空区；上行巷道则可沟通采空积水并形成排泄路径。巷道沿途揭露含水层时，天然地下水进入采掘空间后与含锰矿层、矿渣或采空积水混合，进一步增加矿涌污水量。不同矿山巷道的贯通使局部补给可跨采区传递，涌水点与实际补给区并非一一对应。采空区调查研究表明，准确识别采掘空间及其与构造、地表变形和水文条件的组合关系，是判断地下连通性的关键。
2.5 断层导水作用
断层导水具有显著分段性。F30、F76总体渗透性较低，可构成相对水文边界；F2 局部切割陡山沱组、灯影组时可形成导水带；F22 虽局部导水性较强，但附近缺乏规模采空区，现状贡献有限；F25、 F27 总体导水性较弱。由此可见，断层仅在具备较强渗透性并与含水层、采空区形成有效连通时，才可能成为矿井涌水优势通道。
3 矿井涌水形成机制及分级阻控治理
3.1 多源补给与人工通道控制机制
综合调查、示踪和物探结果，矿井涌水可概化为“补给源-优势通道-采空区汇集-低位排泄”过程。补给源包括大气降水形成的地表径流、浅层风化裂隙水及局部岩溶裂隙水；老窿、失效钻孔、采动裂隙和巷道构成主要人工通道，局部导水断层起辅助作用；采空区和贯通巷道承担储水、汇流和输运功能。
各类通道作用具有明显层级差异：老窿和高渗溪沟控制地表水快速补给，老钻孔承担跨隔水层垂向连通，巷道与采空区控制水体输运和集中汇流。因此，老采矿区治理对象已由单一含水层转变为 “补给源-人工通道-地下汇流网络”复合系统，治理重点应由末端抽排前移至关键补给源和高连通通道。
3.2 补给源与人工通道分级阻控
针对溪沟渗漏和采空裂隙入渗，采用溪沟硬化、防渗衬砌、截排水和地表裂隙封堵，将地表径流由入渗补给转化为有序排泄。溪沟 B 治理后下游 Mn2+ 浓度由 9.39 mg/L 降至 0.06 mg/L，降幅 99.36%，表明削弱地表水-采空区连通可同步降低水量补给和污染负荷。
采空裂隙区采用“截水-排水-裂隙封堵”组合措施：截水沟拦截坡面径流，排水沟沿负地形导排，裂缝经清理、充填、注浆及黏土回填形成低渗屏障。 B、C区采用水泥-水玻璃双液浆，A区为控制坡体扰动采用轻质混凝土浆液，实现地表控源与地下封堵协同。
针对老旧钻孔，依据汇水条件、矿层揭露情况及其与采空区、构造带的空间关系实施分类封堵。老旧钻孔封堵工程累计完成钻进进尺 36524.39 m，完成注浆3871.59 m3，平均每延米注浆0.106 m3。通过恢复钻孔连续低渗封闭，阻断地表水和浅层地下水沿钻孔跨层进入矿层及采空区的路径。
对倒灌及稳定涌水老窿，根据地形、水量和水质采取截排、封堵与清污分流。以 X048老窿为例，如图6所示，治理过程中对老窿口及周边场地进行整治，并配套设置集水、沉淀和导排设施；治理后地表径流与矿涌污水的汇集路径得到规范，老窿口无序排泄状态得到改善。对于低洼汇水型老窿，应优先截排外部径流；对于稳定出流老窿，则通过清污分流减少清洁地下水进入污染区后的二次污染。
3.3 封堵效果试验验证
治理后现场选取6口验证孔开展多压力级重复注水试验。注浆前各试段透水率较高，注浆前透水率为 96.7～160.4 Lu，注浆后降至 5.9～9.2 Lu，各组降幅为 94%～95%，平均降幅为 94.4%；注浆后等效渗透系数为 5.1×10-6～8.7×10-6 m/s，表明受检部位裂隙网络导水能力显著降低。
同时开展结实体室内柔性壁渗透试验，结果如表1所示。A区轻质混凝土浆液结实体渗透系数分别为 6.94×10-8 和 7.63×10-8 m/s，B、C 区水泥-水玻璃双液浆结实体为 3.74×10-8～4.65×10-8 m/s。图中可见，两类浆液结实体均处于 10-8 m/s 量级，其中水泥-水玻璃结实体的渗透系数整体低于轻质混凝土结实体。结合现场验证孔注水试验结果，说明注浆后裂隙网络导水能力显著降低，能够形成稳定的低渗封堵结构。
图6典型老窿X048治理过程与治理后状态
a—治理中；b—治理后
表1不同注浆结实体试样的渗透试验结果
3.4 分级阻控治理模式
基于多源补给及通道层级特征，治理宜遵循 “控补给源-堵优势通道-清污分流-动态补强”的顺序：优先控制低洼老窿、高渗溪沟和地表采动裂隙； 对跨隔水层或直接连通采空区的老钻孔、采空裂隙和局部导水构造实施重点封堵；对难以完全阻断的地下水实施井下清污分流；结合降雨-水位-涌水量监测识别残余通道并补强。该模式与采空区分区治理和源头控制理念一致。分级阻控的核心在于依据补给强度、通道连通性和污染转化潜力确定治理优先级，并形成勘查识别、通道验证、工程阻控以及效果复核的闭环，以提高复杂老采矿区治理的针对性和长期稳定性。
4 讨论
4.1 多方法联合识别与治理效果分析
花垣锰矿区天然含水层与采掘形成的人工通道相互连通，单一方法难以完整揭示矿井涌水的补给与运移过程。本研究通过水文地质调查确定潜在补给源和通道，利用物探与钻探分析其空间分布，并通过示踪试验验证局部水力联系，各方法形成互补。其中，物探异常为潜在通道定位提供线索，钻探与示踪结果进一步约束其地质条件及水力联系，有助于提高判识结果的可靠性（郭恒，2025； 孔繁良等，2025；李志国等，2026；童紫茹等，2026）。溪沟B投放示踪剂后，X048约6 h出现响应，为地表水经地下通道进入老窿提供了直接证据。结合不同断层段导水性的差异，说明通道判识应综合考虑水源条件、实际连通性及其与采空区的空间关系。
现场注水、结实体渗透试验和水质观测分别从受检岩体、封堵材料及排泄水质层面评价治理效果。治理后验证孔透水率为 5～10 Lu，反映受检试段的透水特性；溪沟 B 下游 Mn2+ 浓度由 9.39 降至 0.06 mg/L，表明观测断面水质得到改善。由于不同试验的尺度和条件存在差异，材料抗渗性能需结合现场验证评价（王海等，2020b）。现场封堵还受到裂隙发育、浆液扩散及材料与围岩接触状态的影响，不宜将室内试验结果直接换算为矿井涌水削减幅度。水质变化易受降雨和径流条件影响，污染负荷削减程度仍需结合流量监测进一步确定。
4.2 分级阻控的工程合理性与经济性
针对不同补给与运移特性，在地表补给入口实施截排，在老窿、废弃钻孔及关键连通部位实施封堵，并结合清污分流减少清洁来水与污染采掘空间的接触，能够使治理措施与研究区水文地质条件相协同。其优势在于依据通道功能配置措施，提高治理的针对性。对于连通关系复杂的地下空间，治理重点应放在具有持续补给和有效导水条件的部位，以减少措施配置与实际水流路径之间的偏差（邱浩浩等，2020；夏冲等，2022）。封堵材料的选用还需兼顾可注性、凝结时间、抗渗性能及坡体扰动等施工条件，并关注封堵后地下水位回升及排泄路径变化（孙文洁等，2022）。
从经济性看，优先控制主要补给入口和优势通道，具有减少无效工程投入、减轻后续矿井水处理负担的潜力（武强，2014；张雷等，2023）。但现有资料尚不足以开展不同方案的完整成本比较，此外经济性评价还应考虑后续补强需求，结合治理效果的耐久性综合判断。后续将开展不同水文季节的水位、涌水量和水质联合监测，补充重点通道示踪与封堵效果复核，并结合材料耐久性和维护需求，进一步优化治理措施及其长期运行成本。
5 结论
本研究围绕矿井涌水补给与通道识别、分级阻控及效果验证，通过水文地质调查、示踪和物探联合验证及封堵效果试验，系统识别了花垣锰矿区矿井涌水的主要补给源和优势通道，明确了采矿活动对地下水系统的重构作用，并验证了分级阻控措施的工程有效性。主要结论如下：
（1）长期地下开采使老窿、失效钻孔、采空区及巷道突破原有含隔水结构，形成高连通性的人工地下水网络。花垣锰矿区矿井涌水可概化为“多源补给-优势通道输运-采空区汇集-低位排泄”模式，涌水形成由天然含水介质与人工采掘空间共同控制，为补给源与关键通道的针对性治理提供依据。
（2）废弃老窿倒灌、溪沟渗漏、老钻孔垂向连通及巷道汇流是主要补给与输运途径，断层仅在与含水层、采空区形成有效连通时贡献显著。溪沟 B 示踪剂约 6 h后在 X048老窿响应，且综合物探揭示地表低阻异常向深部采空巷道连续延伸，两者共同支持了地表水沿采空区至巷道运移的优势通道判断。
（3）针对上述补给源与优势通道配置的分级阻控措施能够有效削弱补给与导水条件。治理后6口验证孔透水率降低 94%～95%，注浆结实体渗透系数为3.74×10-8～7.63×10-8 m/s，溪沟B下游Mn2+ 浓度由 9.39 mg/L 降至 0.06 mg/L。复杂老采矿区宜采用 “控补给源-堵优势通道-清污分流-动态补强”的闭环治理模式，并结合水位、涌水量和水质监测动态优化措施配置，促进矿井涌水源头减量。