煤礦導水通道探查與水害綜合防治技術研究

姚小平，姚磊華，陳國勝，鄭金峰

(1.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083；2.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000；3.中國平煤神馬集團研究院，河南 平頂山 467000；4.中國平煤神馬集團七礦，河南 平頂山 467000)

煤礦導水通道探查與水害綜合防治技術研究

姚小平1，2，姚磊華1，陳國勝3，鄭金峰4

(1.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083；2.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000；3.中國平煤神馬集團研究院，河南 平頂山 467000；4.中國平煤神馬集團七礦，河南 平頂山 467000)

針對水文地質條件復雜礦井其充水水源和導水通道難以確定，單一的防治水技術無法取得滿意的防治水效果的問題進行研究，提出了通過地面物探、現場踏勘、地表水流量監測及水文、地質、氣象資料綜合分析等多種手段探查礦井充水水源及導水通道的方法，并據此研究礦井水害綜合防治技術。以水文地質條件復雜的平煤股份七礦為例，用綜合探查方法查明了七礦的充水水源和導水通道，并據此制定了地表河道局部硬化和導水通道地面注漿截流的綜合治水方案。初步實施后，評估表明七礦充水水源和導水通道探查準確，所采取的綜合防治水措施效果良好。故綜合探測方法可準確確定水文地質條件復雜礦井的充水水源及導水通道，綜合防治水措施的防治水效果良好。

導水通道；充水水源；薄壁堰；防治水技術

圖1 河道形態及監測斷面的設置示意圖

對于煤礦的防治水工作，最關鍵有兩個方面，一是確定采掘煤層的充水水源，二是準確確定導水通道。只有確定了充水水源和導水通道才能有針對性的制定相應的防治水措施。對于水文地質條件本身較為復雜的礦井，隨著采掘時間及采掘深度的增加，進一步使的其水文地質條件復雜化，因此要確定煤井充水水源和導水通道十分困難，需借助多種探查方法。同時，對于復雜的水文地質條件，煤礦的防治水已不能依賴于某一種防治水措施，需采用綜合防治水的理念，采取多種措施才能獲得滿意的效果。平煤股份七礦屬水文地質條件復雜礦井，寒武系灰巖及現主采的庚組煤在井田南部露頭，其上超覆了孔隙豐富的新近系泥灰巖。烏江河及北干渠從七礦井田南部繞流而過，如圖1所示。庚組煤層，其主要充水含水層為石炭系及其下部的寒武系灰巖含水層，這兩個含水層巖溶裂隙發育、導水性強、與地表水體聯系密切。大氣降雨、烏江河水及北干渠放水是井下的主要補給水源，地表水通過超覆在各含水層上的新近系泥灰巖對井下進行補給[1]。而含水層中的導水通道把各個含水層聯系起來，致使礦井涌水量較大。平煤七礦井下大量的涌水不但增加了開采成本，而且可能對安全生產造成威脅，因此對平煤七礦進行水害的防治是非常必要的。

1 含水層補給水源及導水通道的探查

平煤股份七礦庚組煤的主要充水含水層為石炭系太原組灰巖含水層及寒武系灰巖含水層。其主要的補給途徑是井田南部的烏江河和北干渠通過寒武系灰巖在北干渠渠底的直接出露及超覆于石炭系及寒武系灰巖的新近系泥灰巖進行補給。為了確認七礦庚組煤主要充水含水層的充水水源及導水通道的位置，采取了包括物探、現場踏勘、水文地質資料的分析及現場河道流量監測等多種方法。

1.1 根據地面物理探查

河南省煤田地質局物探測量隊利用瞬變電磁沿烏江河北岸開展了地面地球物理勘探工作。勘查區南北寬度40m，東西長度約2.7km，從南向北共布有三條東西向的測線，分別為100線、200線和300線。三條測線的擬等視電阻率的探測結果見圖2、圖3和圖4。圖中自上而下由深色～淺色～較深色的變化代表視電阻率由低到高的變化。圖2、圖3和圖4上，上部低電阻率為新近系和第四系粘土、黃土、砂礫石層的電性反映，中部、中下部及下部的高阻為寒武系灰巖的電阻率反映，電阻率值相對較高，并且隨著深度的增加而增大。圖中用藍色圈出區域為視電阻率異常區域。將圖2、圖3和圖4綜合來看，本次勘探自西向東共推斷出Q1～Q5五個導水通道，見圖1。基本情況是：Q1號通道位于勘查區的西部，長約160m，為弱富水異常區；Q2號通道位于勘查區的中西部，長約380m，為強富水異常區；Q3號通道位于勘查區的中西部，長約275m，為弱富水異常區；Q4號通道位于勘查區的中部，長約225m，為強富水異常區。Q5號通道位于勘查區的東部，長約700m，為強富水異常區。上述五個導水通道均是從寒武系灰巖含水層向礦區內導水，其中Q2和Q5號導水通道分布面積最大。

圖2 300線擬等視電阻率斷面圖

圖3 200線擬等視電阻率斷面圖

圖4 100線擬等視電阻率斷面圖

1.2 依據大氣降水、放水量和礦井涌水量關系

根據2006～2010年七礦降雨量、北干渠的放水量與礦井涌水量的資料，可繪制其動態歷時曲線，以2010年為例，繪制七礦礦井涌水量與降雨量及北干渠放水量關系曲線，見圖5。由圖5可知：降雨量、北干渠的放水量和礦井涌水量有著明顯的相關關系，即礦井涌水量隨著大氣降水量增大而增大，同時隨著北干渠放水量的增大而增大，因此大氣降水和北干渠地表水是石炭系太原組灰巖含水層和寒武系厚層灰巖含水層的補給水源[2]。2006年、2007年、2008年及2009年歷年的七礦礦井涌水量與降雨量及北干渠放水量關系曲線都具有相同的規律。

圖5 2010年礦井涌水量與降雨量及北干渠放水量關系

1.3 依據河流斷面流量變化

根據水文地質資料分析，分別選擇了7個監測斷面來進行地表水沿程流量的損失，具體監測位置見圖1中監測斷面①～⑦。為取得較為準確的流量監測數據，在此采用了矩形薄壁堰進行監測。矩形薄壁堰的堰頂流量用式(1)及式(2)計算[3-4]。

(1)

(2)

式中：Q為矩形薄壁堰頂流量，m3/h；ε為側收縮系數；，自由出流時，σ=1；m0為堰的流量系數，初步設計可取m0=0.42；b為堰的泄流寬度，m；H為堰頂水頭，m；P1為上游堰高，m。

該公式的適用條件為：H≥0.025m；H/P1≤2；P1≥0.3。由于利用薄壁堰來監測流量，河道必將被壓縮，為方便監測，在堰的上游一側設置兩個長0.5m的側擋壁，可認為河道寬度為堰的泄流寬度b，故側收縮系數ε=1。上游堰高P1可設置的超過河道水深，故淹沒系數σ=1。故矩形薄壁堰的堰頂流量可寫為式(3)，式中各符號含義同上。

(3)

本次監測使用的矩形薄壁堰的泄流寬度采用2.5m，上游堰高為0.5m，薄壁堰具體構造見圖6所示。故可實時監測堰頂水頭H，通過式(3)得到該斷面河道流量。

圖6 矩形薄壁堰構造圖

分別在7個監測斷面處埋置矩形薄壁堰進行監測。監測結果見表1。由表1監測結果可以看出，所布置的監測斷面間均有流量損失，說明地表水對下覆含水層均存在不同程度的滲漏補給。其中以西環橋至生態園攔水壩之間單位長度單位流量損失最大，這是由于在生態園攔水壩的阻水作用下，烏江河道水面變寬增加了河道的浸潤周界，同時河流水位抬升以及流速變緩，均大大增加了烏江河地表水對下覆含水層的滲漏補給。生態園攔水壩至三岔口、北干渠勝利橋至三岔口單位長度流量損失也較大，這是與有利于地表水滲漏的巖層直接出露有關[5]。

1.4 依據現場踏勘情況

在烏江河、北干渠和湛河進行了7次地面地質調查，調查結果表明：①沿北干渠自勝利鐵路橋向下游59m至209m段，在北干渠的底部或岸邊，見新近系泥灰巖含水層和寒武灰巖含水層直接出露，尤其是寒武灰巖傾向正對河水流向，因此北干渠放水時地表水極易順巖層直接補給寒武灰巖含水層或通過泥灰巖滲漏補給寒武灰巖含水層。這與北干渠流量監測中流量損失較大的情況相符合；②烏江河生態園攔水壩下游500m處至三岔口地段，第四系覆蓋層中的結核層在此出露明顯，下部薄層黃土已顯露，該處第四系覆蓋層較薄，烏江河水較易下滲補給新近系泥灰巖含水層并進一步滲入補給其他的含水層。這與物探結果中主要的導水通道分布于此相符合。

從以上分析可知，地表水和大氣降水是平煤七礦主要的補給水源，而礦井水主要是通過以下通道進行補給：一是由北干渠自勝利鐵路橋向下游59m至209m段寒武系灰巖出露段直接補給寒武灰巖含水層；二是烏江河通過Q1～Q5導水通道對井下進行補給；三是大氣降水通過井田南部超覆于各主要含水層的新近系泥灰巖對井下進行補給。

2 平煤七礦水害的綜合防治方案

根據以上對于平煤七礦補給水源及導水通道的分析，制定如下綜合防治水治理方案。

2.1 北干渠勝利橋下游59m至209m段

由于北干渠內有新近系泥灰巖的人為揭露段(北干渠勝利鐵路橋向下游59m至209m段)，北干渠的放水將直接由此補給地下，故應對該段長150m，寬35m(渠道全寬)的渠道進行硬化處理[6-8]，包括兩岸新近系泥灰巖的出露處，高約1.5m。

2.2 烏江河生態園攔水壩下游500m至三岔口段

以稻田溝為界，稻田溝向下游約260m長的富水區內曾做過很多的措施來進行導水通道的封堵，如河道的硬化、落水洞和溶洞的封堵等，取得了良好的效果。而稻田溝向上游440m長的富水區內所做的治水措施較少，故該440m長的河道做硬化處理，河道寬約10m。硬化采用C30號混凝土，河底硬化厚度為0.4m，河岸護壁厚度為0.2m，河岸護壁高0.6m。

2.3 烏江河北岸地面注漿截流方案

根據物探結果，Q2、Q3、Q4和Q5號導水通道的面積較大，而Q2、Q3和Q4號導水通道位于烏江河西環路橋至生態園段，根據之前的流量監測，該段河流的水量損失較大，且這三個導水通道位于七礦井田的西翼，應該對礦井西翼涌水量有較大的影響，所以決定對Q2、Q3、Q4號導水通道進行注漿截流[9-10]。注漿的帷幕尺寸及所需材料用量見表2。

表1 斷面流量監測結果

表2 Q2、Q3、Q4號導水通道的地面注漿材料用量計算表(單排布孔)

表3 七礦歷年豐水期井下主要出水點涌水量統計表

3 防治效果的評價

項目首先實施了第一步，即北干渠自勝利橋向下游59m至209m段的河底及河岸的硬化工程。北干渠的硬化工程于2011年11月19日開工至2012年2月29日全部完工。由于同一地區一般情況下每年豐水期的降雨總量應差別不大，故每年豐水期北干渠的放水量也應接近，井下涌水量也應接近。故對比北干渠硬化前后豐水期的井下涌水量的平均值便可知硬化工程的效果。列舉2010年、2011年及2012年6月、7月、8月、9月和10月的七礦井下涌水量如下表3。

由表3可看出，實施硬化工程后七礦豐水期井下涌水量明顯減小，2012年相對于2010年七礦主要出水點的涌水量減少了731.49m3/h，2012年相對于2011年七礦主要出水點的涌水量減少了424.84m3/h。并且，北干渠的硬化工程對于庚二石門及庚二西截水巷的影響十分明顯，庚二石門及庚二西截水巷在渠道硬化后，水量明顯減小，即對于七礦井田西翼的影響更為明顯。

4 結 論

水文地質條件復雜礦井其充水水源和導水通道難以確定，單一的防治水技術也無法取得滿意的防治水效果。根據對水文地質條件復雜的平煤股份七礦充水水源及導水通道的綜合探查的結果，制定了切實可行的地表河道局部硬化和導水通道地面注漿截流的綜合治水措施。初步實施后，評估表明七礦充水水源和導水通道探查準確，所采取的綜合防治水措施效果良好。故通過地面物探、現場踏勘、地表水流量監測及水文、地質、氣象資料分析等多種手段的綜合應用可準確探查出礦井充水水源及導水通道，并據此制定綜合的防治水措施可取得良好的防治水效果。

[1] 陳江峰，晏磊，李豐軍.平煤西部礦區灰巖水賦存特征及涌水量預測[J].河南理工大學學報：自然科學版，2012，31(1)：61-65.

[2] 王煥忠，鄧寅生，曲鵬舉.平煤七礦庚組煤開采涌水量預測[J].礦業安全與環保，2006，33(5)：31-33.

[3] 聞德蓀.工程流體力學[M].北京：高等教育出版社，1990.

[4] 王亞玲.水力學[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5] 王心義，李世峰，許光泉，等.專門水文地質學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2011.

[6] 王心義，單智勇.巖溶裂隙型礦區水害防治技術及水資源綜合利用[M].北京：煤炭工業出版社，2008.

[7] 王永紅，沈文.中國煤礦水害預防及治理[M].北京：煤炭工業出版社，1996.

[8] 陳書平，劉其瑄，張勤鋒.煤礦水害治理方法研究與應用[J].河南理工大學學報：自然科學版，2011，30(6)：642-646.

[9] 邢文平，吳琰杰，胡小旗.中型斷層導水通道的井上下聯合注漿加固技術研究[J]，河南理工大學學報：自然科學版，2011，30(6)：652-655.

[10] 劉宏偉，趙金海，劉中元.平煤股份七礦水害防治技術[J]，中州煤炭，2010，(11)：56-58.

Study on water-conducting channels exporation and water control technology in coal mine

YAO Xiao-ping1，2，YAO Lei-hua1，CHEN Guo-sheng3，ZHENG Jin-Feng4

(1.School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China;3.Research Institutes of China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan 467000，China;4.No.7 Coal Mine of China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan 467000，China)

It is difficult to find out water source and water-conducting channels in some coal mine with complex hydrogeological conditions，and simplex technology of water control may be not satisfying in this kind of coal mine.Geophysical prospecting，site reconnaissance，flow monitoring in sections of rivers，and analysis of exiting hydrological and geological data are all used to find out water source and water-conducting channels，and compositive water control technology is studied for them.Take the No.7 coal mine of Pingmei Group for example，many methods are adopted to find out the water source and water-conducting channels of No.7 coal mine，and the scheme of hardening part of river way and intercepting water-conducting channels by grouting is worked out.The effect evaluation of the scheme shows that water source and water-conducting channels of No.7 coal mine are located accurately，and the effect is satisfying.Applying many methods synthetically can accurately find out water source and water-conducting channels in the coal mine with complex hydrogeological conditions，and compositive technology of water control can be satisfying.

water-conducting channel;water source;sharp-crested weir;water control technology

2014-03-20

國家自然科學基金項目資助(編號：41272250)

姚小平(1978- )，男，甘肅天水人，講師，河南理工大學土木工程學院教師，主要從事煤礦防治水方面的研究工作。E-mail：yxp@hpu.edu.cn。

TD745

A

1004-4051(2015)08-0096-05