煤矿导水通道探查与水害综合防治技术研究

姚小平，姚磊华，陈国胜，郑金峰

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；2.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；3.中国平煤神马集团研究院，河南 平顶山 467000；4.中国平煤神马集团七矿，河南 平顶山 467000)

煤矿导水通道探查与水害综合防治技术研究

姚小平1，2，姚磊华1，陈国胜3，郑金峰4

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；2.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；3.中国平煤神马集团研究院，河南 平顶山 467000；4.中国平煤神马集团七矿，河南 平顶山 467000)

针对水文地质条件复杂矿井其充水水源和导水通道难以确定，单一的防治水技术无法取得满意的防治水效果的问题进行研究，提出了通过地面物探、现场踏勘、地表水流量监测及水文、地质、气象资料综合分析等多种手段探查矿井充水水源及导水通道的方法，并据此研究矿井水害综合防治技术。以水文地质条件复杂的平煤股份七矿为例，用综合探查方法查明了七矿的充水水源和导水通道，并据此制定了地表河道局部硬化和导水通道地面注浆截流的综合治水方案。初步实施后，评估表明七矿充水水源和导水通道探查准确，所采取的综合防治水措施效果良好。故综合探测方法可准确确定水文地质条件复杂矿井的充水水源及导水通道，综合防治水措施的防治水效果良好。

导水通道；充水水源；薄壁堰；防治水技术

图1 河道形态及监测断面的设置示意图

对于煤矿的防治水工作，最关键有两个方面，一是确定采掘煤层的充水水源，二是准确确定导水通道。只有确定了充水水源和导水通道才能有针对性的制定相应的防治水措施。对于水文地质条件本身较为复杂的矿井，随着采掘时间及采掘深度的增加，进一步使的其水文地质条件复杂化，因此要确定煤井充水水源和导水通道十分困难，需借助多种探查方法。同时，对于复杂的水文地质条件，煤矿的防治水已不能依赖于某一种防治水措施，需采用综合防治水的理念，采取多种措施才能获得满意的效果。平煤股份七矿属水文地质条件复杂矿井，寒武系灰岩及现主采的庚组煤在井田南部露头，其上超覆了孔隙丰富的新近系泥灰岩。乌江河及北干渠从七矿井田南部绕流而过，如图1所示。庚组煤层，其主要充水含水层为石炭系及其下部的寒武系灰岩含水层，这两个含水层岩溶裂隙发育、导水性强、与地表水体联系密切。大气降雨、乌江河水及北干渠放水是井下的主要补给水源，地表水通过超覆在各含水层上的新近系泥灰岩对井下进行补给[1]。而含水层中的导水通道把各个含水层联系起来，致使矿井涌水量较大。平煤七矿井下大量的涌水不但增加了开采成本，而且可能对安全生产造成威胁，因此对平煤七矿进行水害的防治是非常必要的。

1 含水层补给水源及导水通道的探查

平煤股份七矿庚组煤的主要充水含水层为石炭系太原组灰岩含水层及寒武系灰岩含水层。其主要的补给途径是井田南部的乌江河和北干渠通过寒武系灰岩在北干渠渠底的直接出露及超覆于石炭系及寒武系灰岩的新近系泥灰岩进行补给。为了确认七矿庚组煤主要充水含水层的充水水源及导水通道的位置，采取了包括物探、现场踏勘、水文地质资料的分析及现场河道流量监测等多种方法。

1.1 根据地面物理探查

河南省煤田地质局物探测量队利用瞬变电磁沿乌江河北岸开展了地面地球物理勘探工作。勘查区南北宽度40m，东西长度约2.7km，从南向北共布有三条东西向的测线，分别为100线、200线和300线。三条测线的拟等视电阻率的探测结果见图2、图3和图4。图中自上而下由深色～浅色～较深色的变化代表视电阻率由低到高的变化。图2、图3和图4上，上部低电阻率为新近系和第四系粘土、黄土、砂砾石层的电性反映，中部、中下部及下部的高阻为寒武系灰岩的电阻率反映，电阻率值相对较高，并且随着深度的增加而增大。图中用蓝色圈出区域为视电阻率异常区域。将图2、图3和图4综合来看，本次勘探自西向东共推断出Q1～Q5五个导水通道，见图1。基本情况是：Q1号通道位于勘查区的西部，长约160m，为弱富水异常区；Q2号通道位于勘查区的中西部，长约380m，为强富水异常区；Q3号通道位于勘查区的中西部，长约275m，为弱富水异常区；Q4号通道位于勘查区的中部，长约225m，为强富水异常区。Q5号通道位于勘查区的东部，长约700m，为强富水异常区。上述五个导水通道均是从寒武系灰岩含水层向矿区内导水，其中Q2和Q5号导水通道分布面积最大。

图2 300线拟等视电阻率断面图

图3 200线拟等视电阻率断面图

图4 100线拟等视电阻率断面图

1.2 依据大气降水、放水量和矿井涌水量关系

根据2006～2010年七矿降雨量、北干渠的放水量与矿井涌水量的资料，可绘制其动态历时曲线，以2010年为例，绘制七矿矿井涌水量与降雨量及北干渠放水量关系曲线，见图5。由图5可知：降雨量、北干渠的放水量和矿井涌水量有着明显的相关关系，即矿井涌水量随着大气降水量增大而增大，同时随着北干渠放水量的增大而增大，因此大气降水和北干渠地表水是石炭系太原组灰岩含水层和寒武系厚层灰岩含水层的补给水源[2]。2006年、2007年、2008年及2009年历年的七矿矿井涌水量与降雨量及北干渠放水量关系曲线都具有相同的规律。

图5 2010年矿井涌水量与降雨量及北干渠放水量关系

1.3 依据河流断面流量变化

根据水文地质资料分析，分别选择了7个监测断面来进行地表水沿程流量的损失，具体监测位置见图1中监测断面①～⑦。为取得较为准确的流量监测数据，在此采用了矩形薄壁堰进行监测。矩形薄壁堰的堰顶流量用式(1)及式(2)计算[3-4]。

(1)

(2)

式中：Q为矩形薄壁堰顶流量，m3/h；ε为侧收缩系数；，自由出流时，σ=1；m0为堰的流量系数，初步设计可取m0=0.42；b为堰的泄流宽度，m；H为堰顶水头，m；P1为上游堰高，m。

该公式的适用条件为：H≥0.025m；H/P1≤2；P1≥0.3。由于利用薄壁堰来监测流量，河道必将被压缩，为方便监测，在堰的上游一侧设置两个长0.5m的侧挡壁，可认为河道宽度为堰的泄流宽度b，故侧收缩系数ε=1。上游堰高P1可设置的超过河道水深，故淹没系数σ=1。故矩形薄壁堰的堰顶流量可写为式(3)，式中各符号含义同上。

(3)

本次监测使用的矩形薄壁堰的泄流宽度采用2.5m，上游堰高为0.5m，薄壁堰具体构造见图6所示。故可实时监测堰顶水头H，通过式(3)得到该断面河道流量。

图6 矩形薄壁堰构造图

分别在7个监测断面处埋置矩形薄壁堰进行监测。监测结果见表1。由表1监测结果可以看出，所布置的监测断面间均有流量损失，说明地表水对下覆含水层均存在不同程度的渗漏补给。其中以西环桥至生态园拦水坝之间单位长度单位流量损失最大，这是由于在生态园拦水坝的阻水作用下，乌江河道水面变宽增加了河道的浸润周界，同时河流水位抬升以及流速变缓，均大大增加了乌江河地表水对下覆含水层的渗漏补给。生态园拦水坝至三岔口、北干渠胜利桥至三岔口单位长度流量损失也较大，这是与有利于地表水渗漏的岩层直接出露有关[5]。

1.4 依据现场踏勘情况

在乌江河、北干渠和湛河进行了7次地面地质调查，调查结果表明：①沿北干渠自胜利铁路桥向下游59m至209m段，在北干渠的底部或岸边，见新近系泥灰岩含水层和寒武灰岩含水层直接出露，尤其是寒武灰岩倾向正对河水流向，因此北干渠放水时地表水极易顺岩层直接补给寒武灰岩含水层或通过泥灰岩渗漏补给寒武灰岩含水层。这与北干渠流量监测中流量损失较大的情况相符合；②乌江河生态园拦水坝下游500m处至三岔口地段，第四系覆盖层中的结核层在此出露明显，下部薄层黄土已显露，该处第四系覆盖层较薄，乌江河水较易下渗补给新近系泥灰岩含水层并进一步渗入补给其他的含水层。这与物探结果中主要的导水通道分布于此相符合。

从以上分析可知，地表水和大气降水是平煤七矿主要的补给水源，而矿井水主要是通过以下通道进行补给：一是由北干渠自胜利铁路桥向下游59m至209m段寒武系灰岩出露段直接补给寒武灰岩含水层；二是乌江河通过Q1～Q5导水通道对井下进行补给；三是大气降水通过井田南部超覆于各主要含水层的新近系泥灰岩对井下进行补给。

2 平煤七矿水害的综合防治方案

根据以上对于平煤七矿补给水源及导水通道的分析，制定如下综合防治水治理方案。

2.1 北干渠胜利桥下游59m至209m段

由于北干渠内有新近系泥灰岩的人为揭露段(北干渠胜利铁路桥向下游59m至209m段)，北干渠的放水将直接由此补给地下，故应对该段长150m，宽35m(渠道全宽)的渠道进行硬化处理[6-8]，包括两岸新近系泥灰岩的出露处，高约1.5m。

2.2 乌江河生态园拦水坝下游500m至三岔口段

以稻田沟为界，稻田沟向下游约260m长的富水区内曾做过很多的措施来进行导水通道的封堵，如河道的硬化、落水洞和溶洞的封堵等，取得了良好的效果。而稻田沟向上游440m长的富水区内所做的治水措施较少，故该440m长的河道做硬化处理，河道宽约10m。硬化采用C30号混凝土，河底硬化厚度为0.4m，河岸护壁厚度为0.2m，河岸护壁高0.6m。

2.3 乌江河北岸地面注浆截流方案

根据物探结果，Q2、Q3、Q4和Q5号导水通道的面积较大，而Q2、Q3和Q4号导水通道位于乌江河西环路桥至生态园段，根据之前的流量监测，该段河流的水量损失较大，且这三个导水通道位于七矿井田的西翼，应该对矿井西翼涌水量有较大的影响，所以决定对Q2、Q3、Q4号导水通道进行注浆截流[9-10]。注浆的帷幕尺寸及所需材料用量见表2。

表1 断面流量监测结果

表2 Q2、Q3、Q4号导水通道的地面注浆材料用量计算表(单排布孔)

表3 七矿历年丰水期井下主要出水点涌水量统计表

3 防治效果的评价

项目首先实施了第一步，即北干渠自胜利桥向下游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日开工至2012年2月29日全部完工。由于同一地区一般情况下每年丰水期的降雨总量应差别不大，故每年丰水期北干渠的放水量也应接近，井下涌水量也应接近。故对比北干渠硬化前后丰水期的井下涌水量的平均值便可知硬化工程的效果。列举2010年、2011年及2012年6月、7月、8月、9月和10月的七矿井下涌水量如下表3。

由表3可看出，实施硬化工程后七矿丰水期井下涌水量明显减小，2012年相对于2010年七矿主要出水点的涌水量减少了731.49m3/h，2012年相对于2011年七矿主要出水点的涌水量减少了424.84m3/h。并且，北干渠的硬化工程对于庚二石门及庚二西截水巷的影响十分明显，庚二石门及庚二西截水巷在渠道硬化后，水量明显减小，即对于七矿井田西翼的影响更为明显。

4 结 论

水文地质条件复杂矿井其充水水源和导水通道难以确定，单一的防治水技术也无法取得满意的防治水效果。根据对水文地质条件复杂的平煤股份七矿充水水源及导水通道的综合探查的结果，制定了切实可行的地表河道局部硬化和导水通道地面注浆截流的综合治水措施。初步实施后，评估表明七矿充水水源和导水通道探查准确，所采取的综合防治水措施效果良好。故通过地面物探、现场踏勘、地表水流量监测及水文、地质、气象资料分析等多种手段的综合应用可准确探查出矿井充水水源及导水通道，并据此制定综合的防治水措施可取得良好的防治水效果。

[1] 陈江峰，晏磊，李丰军.平煤西部矿区灰岩水赋存特征及涌水量预测[J].河南理工大学学报：自然科学版，2012，31(1)：61-65.

[2] 王焕忠，邓寅生，曲鹏举.平煤七矿庚组煤开采涌水量预测[J].矿业安全与环保，2006，33(5)：31-33.

[3] 闻德荪.工程流体力学[M].北京：高等教育出版社，1990.

[4] 王亚玲.水力学[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5] 王心义，李世峰，许光泉，等.专门水文地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

[6] 王心义，单智勇.岩溶裂隙型矿区水害防治技术及水资源综合利用[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[7] 王永红，沈文.中国煤矿水害预防及治理[M].北京：煤炭工业出版社，1996.

[8] 陈书平，刘其瑄，张勤锋.煤矿水害治理方法研究与应用[J].河南理工大学学报：自然科学版，2011，30(6)：642-646.

[9] 邢文平，吴琰杰，胡小旗.中型断层导水通道的井上下联合注浆加固技术研究[J]，河南理工大学学报：自然科学版，2011，30(6)：652-655.

[10] 刘宏伟，赵金海，刘中元.平煤股份七矿水害防治技术[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

国家自然科学基金项目资助(编号：41272250)

姚小平(1978- )，男，甘肃天水人，讲师，河南理工大学土木工程学院教师，主要从事煤矿防治水方面的研究工作。E-mail：yxp@hpu.edu.cn。

TD745

A

1004-4051(2015)08-0096-05