姚小平，姚磊華，陳國(guó)勝，鄭金峰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)研究院，河南 平頂山 467000；4.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)七礦，河南 平頂山 467000)

煤礦導(dǎo)水通道探查與水害綜合防治技術(shù)研究

姚小平1，2，姚磊華1，陳國(guó)勝3，鄭金峰4

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)研究院，河南 平頂山 467000；4.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)七礦，河南 平頂山 467000)

針對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井其充水水源和導(dǎo)水通道難以確定，單一的防治水技術(shù)無(wú)法取得滿(mǎn)意的防治水效果的問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了通過(guò)地面物探、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地表水流量監(jiān)測(cè)及水文、地質(zhì)、氣象資料綜合分析等多種手段探查礦井充水水源及導(dǎo)水通道的方法，并據(jù)此研究礦井水害綜合防治技術(shù)。以水文地質(zhì)條件復(fù)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(dǎo)水通道，并據(jù)此制定了地表河道局部硬化和導(dǎo)水通道地面注漿截流的綜合治水方案。初步實(shí)施后，評(píng)估表明七礦充水水源和導(dǎo)水通道探查準(zhǔn)確，所采取的綜合防治水措施效果良好。故綜合探測(cè)方法可準(zhǔn)確確定水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井的充水水源及導(dǎo)水通道，綜合防治水措施的防治水效果良好。

導(dǎo)水通道；充水水源；薄壁堰；防治水技術(shù)

圖1 河道形態(tài)及監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置示意圖

對(duì)于煤礦的防治水工作，最關(guān)鍵有兩個(gè)方面，一是確定采掘煤層的充水水源，二是準(zhǔn)確確定導(dǎo)水通道。只有確定了充水水源和導(dǎo)水通道才能有針對(duì)性的制定相應(yīng)的防治水措施。對(duì)于水文地質(zhì)條件本身較為復(fù)雜的礦井，隨著采掘時(shí)間及采掘深度的增加，進(jìn)一步使的其水文地質(zhì)條件復(fù)雜化，因此要確定煤井充水水源和導(dǎo)水通道十分困難，需借助多種探查方法。同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，煤礦的防治水已不能依賴(lài)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(mǎn)意的效果。平煤股份七礦屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，寒武系灰?guī)r及現(xiàn)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?guī)r。烏江河及北干渠從七礦井田南部繞流而過(guò)，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?guī)r含水層，這兩個(gè)含水層巖溶裂隙發(fā)育、導(dǎo)水性強(qiáng)、與地表水體聯(lián)系密切。大氣降雨、烏江河水及北干渠放水是井下的主要補(bǔ)給水源，地表水通過(guò)超覆在各含水層上的新近系泥灰?guī)r對(duì)井下進(jìn)行補(bǔ)給[1]。而含水層中的導(dǎo)水通道把各個(gè)含水層聯(lián)系起來(lái)，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(kāi)采成本，而且可能對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅，因此對(duì)平煤七礦進(jìn)行水害的防治是非常必要的。

1 含水層補(bǔ)給水源及導(dǎo)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?guī)r含水層及寒武系灰?guī)r含水層。其主要的補(bǔ)給途徑是井田南部的烏江河和北干渠通過(guò)寒武系灰?guī)r在北干渠渠底的直接出露及超覆于石炭系及寒武系灰?guī)r的新近系泥灰?guī)r進(jìn)行補(bǔ)給。為了確認(rèn)七礦庚組煤主要充水含水層的充水水源及導(dǎo)水通道的位置，采取了包括物探、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、水文地質(zhì)資料的分析及現(xiàn)場(chǎng)河道流量監(jiān)測(cè)等多種方法。

1.1 根據(jù)地面物理探查

河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)利用瞬變電磁沿烏江河北岸開(kāi)展了地面地球物理勘探工作?？辈閰^(qū)南北寬度40m，東西長(zhǎng)度約2.7km，從南向北共布有三條東西向的測(cè)線(xiàn)，分別為100線(xiàn)、200線(xiàn)和300線(xiàn)。三條測(cè)線(xiàn)的擬等視電阻率的探測(cè)結(jié)果見(jiàn)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?guī)r的電阻率反映，電阻率值相對(duì)較高，并且隨著深度的增加而增大。圖中用藍(lán)色圈出區(qū)域?yàn)橐曤娮杪十惓^(qū)域。將圖2、圖3和圖4綜合來(lái)看，本次勘探自西向東共推斷出Q1～Q5五個(gè)導(dǎo)水通道，見(jiàn)圖1。基本情況是：Q1號(hào)通道位于勘查區(qū)的西部，長(zhǎng)約160m，為弱富水異常區(qū)；Q2號(hào)通道位于勘查區(qū)的中西部，長(zhǎng)約380m，為強(qiáng)富水異常區(qū)；Q3號(hào)通道位于勘查區(qū)的中西部，長(zhǎng)約275m，為弱富水異常區(qū)；Q4號(hào)通道位于勘查區(qū)的中部，長(zhǎng)約225m，為強(qiáng)富水異常區(qū)。Q5號(hào)通道位于勘查區(qū)的東部，長(zhǎng)約700m，為強(qiáng)富水異常區(qū)。上述五個(gè)導(dǎo)水通道均是從寒武系灰?guī)r含水層向礦區(qū)內(nèi)導(dǎo)水，其中Q2和Q5號(hào)導(dǎo)水通道分布面積最大。

圖2 300線(xiàn)擬等視電阻率斷面圖

圖3 200線(xiàn)擬等視電阻率斷面圖

圖4 100線(xiàn)擬等視電阻率斷面圖

1.2 依據(jù)大氣降水、放水量和礦井涌水量關(guān)系

根據(jù)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(dòng)態(tài)歷時(shí)曲線(xiàn)，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(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)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(guān)關(guān)系，即礦井涌水量隨著大氣降水量增大而增大，同時(shí)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?guī)r含水層和寒武系厚層灰?guī)r含水層的補(bǔ)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(guān)系曲線(xiàn)都具有相同的規(guī)律。

圖5 2010年礦井涌水量與降雨量及北干渠放水量關(guān)系

1.3 依據(jù)河流斷面流量變化

根據(jù)水文地質(zhì)資料分析，分別選擇了7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面來(lái)進(jìn)行地表水沿程流量的損失，具體監(jiān)測(cè)位置見(jiàn)圖1中監(jiān)測(cè)斷面①～⑦。為取得較為準(zhǔn)確的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在此采用了矩形薄壁堰進(jìn)行監(jiān)測(cè)。矩形薄壁堰的堰頂流量用式(1)及式(2)計(jì)算[3-4]。

(1)

(2)

式中：Q為矩形薄壁堰頂流量，m3/h；ε為側(cè)收縮系數(shù)；，自由出流時(shí)，σ=1；m0為堰的流量系數(shù)，初步設(shè)計(jì)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(lái)監(jiān)測(cè)流量，河道必將被壓縮，為方便監(jiān)測(cè)，在堰的上游一側(cè)設(shè)置兩個(gè)長(zhǎng)0.5m的側(cè)擋壁，可認(rèn)為河道寬度為堰的泄流寬度b，故側(cè)收縮系數(shù)ε=1。上游堰高P1可設(shè)置的超過(guò)河道水深，故淹沒(méi)系數(shù)σ=1。故矩形薄壁堰的堰頂流量可寫(xiě)為式(3)，式中各符號(hào)含義同上。

(3)

本次監(jiān)測(cè)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(gòu)造見(jiàn)圖6所示。故可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堰頂水頭H，通過(guò)式(3)得到該斷面河道流量。

圖6 矩形薄壁堰構(gòu)造圖

分別在7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面處埋置矩形薄壁堰進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，所布置的監(jiān)測(cè)斷面間均有流量損失，說(shuō)明地表水對(duì)下覆含水層均存在不同程度的滲漏補(bǔ)給。其中以西環(huán)橋至生態(tài)園攔水壩之間單位長(zhǎng)度單位流量損失最大，這是由于在生態(tài)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(rùn)周界，同時(shí)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(duì)下覆含水層的滲漏補(bǔ)給。生態(tài)園攔水壩至三岔口、北干渠勝利橋至三岔口單位長(zhǎng)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(guān)[5]。

1.4 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況

在烏江河、北干渠和湛河進(jìn)行了7次地面地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查結(jié)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(jiàn)新近系泥灰?guī)r含水層和寒武灰?guī)r含水層直接出露，尤其是寒武灰?guī)r傾向正對(duì)河水流向，因此北干渠放水時(shí)地表水極易順巖層直接補(bǔ)給寒武灰?guī)r含水層或通過(guò)泥灰?guī)r滲漏補(bǔ)給寒武灰?guī)r含水層。這與北干渠流量監(jiān)測(cè)中流量損失較大的情況相符合；②烏江河生態(tài)園攔水壩下游500m處至三岔口地段，第四系覆蓋層中的結(jié)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(bǔ)給新近系泥灰?guī)r含水層并進(jìn)一步滲入補(bǔ)給其他的含水層。這與物探結(jié)果中主要的導(dǎo)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(bǔ)給水源，而礦井水主要是通過(guò)以下通道進(jìn)行補(bǔ)給：一是由北干渠自勝利鐵路橋向下游59m至209m段寒武系灰?guī)r出露段直接補(bǔ)給寒武灰?guī)r含水層；二是烏江河通過(guò)Q1～Q5導(dǎo)水通道對(duì)井下進(jìn)行補(bǔ)給；三是大氣降水通過(guò)井田南部超覆于各主要含水層的新近系泥灰?guī)r對(duì)井下進(jìn)行補(bǔ)給。

2 平煤七礦水害的綜合防治方案

根據(jù)以上對(duì)于平煤七礦補(bǔ)給水源及導(dǎo)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(nèi)有新近系泥灰?guī)r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(bǔ)給地下，故應(yīng)對(duì)該段長(zhǎng)150m，寬35m(渠道全寬)的渠道進(jìn)行硬化處理[6-8]，包括兩岸新近系泥灰?guī)r的出露處，高約1.5m。

2.2 烏江河生態(tài)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(zhǎng)的富水區(qū)內(nèi)曾做過(guò)很多的措施來(lái)進(jìn)行導(dǎo)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(zhǎng)的富水區(qū)內(nèi)所做的治水措施較少，故該440m長(zhǎng)的河道做硬化處理，河道寬約10m。硬化采用C30號(hào)混凝土，河底硬化厚度為0.4m，河岸護(hù)壁厚度為0.2m，河岸護(hù)壁高0.6m。

2.3 烏江河北岸地面注漿截流方案

根據(jù)物探結(jié)果，Q2、Q3、Q4和Q5號(hào)導(dǎo)水通道的面積較大，而Q2、Q3和Q4號(hào)導(dǎo)水通道位于烏江河西環(huán)路橋至生態(tài)園段，根據(jù)之前的流量監(jiān)測(cè)，該段河流的水量損失較大，且這三個(gè)導(dǎo)水通道位于七礦井田的西翼，應(yīng)該對(duì)礦井西翼涌水量有較大的影響，所以決定對(duì)Q2、Q3、Q4號(hào)導(dǎo)水通道進(jìn)行注漿截流[9-10]。注漿的帷幕尺寸及所需材料用量見(jiàn)表2。

表1 斷面流量監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 Q2、Q3、Q4號(hào)導(dǎo)水通道的地面注漿材料用量計(jì)算表(單排布孔)

表3 七礦歷年豐水期井下主要出水點(diǎn)涌水量統(tǒng)計(jì)表

3 防治效果的評(píng)價(jià)

項(xiàng)目首先實(shí)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(kāi)工至2012年2月29日全部完工。由于同一地區(qū)一般情況下每年豐水期的降雨總量應(yīng)差別不大，故每年豐水期北干渠的放水量也應(yīng)接近，井下涌水量也應(yīng)接近。故對(duì)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(shí)施硬化工程后七礦豐水期井下涌水量明顯減小，2012年相對(duì)于2010年七礦主要出水點(diǎn)的涌水量減少了731.49m3/h，2012年相對(duì)于2011年七礦主要出水點(diǎn)的涌水量減少了424.84m3/h。并且，北干渠的硬化工程對(duì)于庚二石門(mén)及庚二西截水巷的影響十分明顯，庚二石門(mén)及庚二西截水巷在渠道硬化后，水量明顯減小，即對(duì)于七礦井田西翼的影響更為明顯。

4 結(jié) 論

水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井其充水水源和導(dǎo)水通道難以確定，單一的防治水技術(shù)也無(wú)法取得滿(mǎn)意的防治水效果。根據(jù)對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜的平煤股份七礦充水水源及導(dǎo)水通道的綜合探查的結(jié)果，制定了切實(shí)可行的地表河道局部硬化和導(dǎo)水通道地面注漿截流的綜合治水措施。初步實(shí)施后，評(píng)估表明七礦充水水源和導(dǎo)水通道探查準(zhǔn)確，所采取的綜合防治水措施效果良好。故通過(guò)地面物探、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地表水流量監(jiān)測(cè)及水文、地質(zhì)、氣象資料分析等多種手段的綜合應(yīng)用可準(zhǔn)確探查出礦井充水水源及導(dǎo)水通道，并據(jù)此制定綜合的防治水措施可取得良好的防治水效果。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：41272250)

姚小平(1978- )，男，甘肅天水人，講師，河南理工大學(xué)土木工程學(xué)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