矸石山内部水的渗流规律，是影响矸石山内部污染物的溶解释放速率和矸石山稳定性的基本因素，但由于煤矸石的特殊结构和矸石山的倾倒及堆积方式使得矸石山内部粒径非均匀分布，这又决定了矸石山内渗透的非均匀性，进而使矸石山内渗流场分布表现出特有的规律性，因此，研究矸石山内粒径的分布及其渗透的非均匀性显得尤为重要。本文首先从矸石山的物理力学特征入手，研究分析矸石散体的粒径及级配特征、矸石山的堆积特点及煤矸石的运动特征，在此基础上分别进行了以下研究：（1）不同级配煤矸石的渗透实验，研究分析煤矸石的渗透特性应用分形维数对煤矸石粒径的级配特征进行表征，并进行实验级配的设计，通过实验建立了分形维数与渗透系数的关系曲线，并将此相关关系应用矸石山各个区域渗透系数的计算，得出矸石山内渗透特性呈现非均匀性，渗透系数的值在相邻层相差可达1~2个数量级。（2）矸石山堆积的相似模拟实验，分析矸石山内部粒径分布的特征通过矸石山相似模拟实验，分析内部粒径分布特征，实验结果表明：矸石山整体主要存在三个区域，分别为分布于矸石山上部区域的小粒径煤矸石，分布于矸石山中部区域的中等粒径煤矸石和分布于矸石山底部的大粒径煤矸石；在此基础上利用Matlab图像处理功能画取钻孔，并应用克立格插值法实现矸石山地质模型的三维构建。最后基于以上两实验研究得到的矸石山分层几何模型和各层渗透系数值，进行了矸石山均质模型与非均质模型水流运动的数值模拟分析，对比分析表明均质模型与非均质模型渗流场分布规律具有明显的区别：均质模型孔隙压力随矸石山高度的增加呈线性减小的趋势；而非均质模型孔隙压力非均匀分布，在渗透系数变化明显的交界面上形成孔隙压力积聚区或逸散区。