廢棄煤礦礦井涌水污染成因及治理措施研究

朱登科，羅本全，徐 江，袁小銘，唐云波，張紹科

廢棄煤礦礦井涌水污染成因及治理措施研究

朱登科，羅本全，徐 江，袁小銘，唐云波，張紹科

（四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司，成都 610072）

依據(jù)廣元市旺蒼縣永慶煤礦8#礦井涌水特征，調(diào)查礦井水的補給、徑流、排泄條件，查明礦井涌水的污染成因，煤礦硐室系統(tǒng)成為良好集水廊道，匯集地下水；還原環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境，煤層中黃鐵礦（FeS2）在氧氣作用下生成硫酸鐵與硫酸亞鐵溶于水，礦井水呈酸性，三價鐵離子水解生成氫氧化鐵，呈黃褐色，對河流造成污染。實施“水閘墻”治理，有效解決了礦井涌水污染問題。

礦井涌水；水文地質(zhì)條件；污染；水閘墻

本文以廣元市旺蒼縣永慶煤礦8#礦井為例，在分析礦井水文地質(zhì)及工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，研究了礦井水補給、徑流、排泄條件，查明了礦井涌水污染成因，提出采用“倒錐形水閘墻”對礦井涌水進行治理，取得良好效果。

1 礦井基本地質(zhì)條件

1.1 研究區(qū)概況

永慶煤礦位于旺蒼縣雙匯鎮(zhèn)永慶村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°14′9.76″，北緯32°20′44.77″，屬旺蒼縣北部中山河谷區(qū)，區(qū)內(nèi)地貌類型為構(gòu)造侵蝕溶蝕中山地貌，地形屬斜坡地形，總體地勢南高北低，坡頂海拔高程1500 m，坡腳海拔高程460m，高差為1040 m，區(qū)內(nèi)深溝峽谷，山勢陡峭。永慶煤礦煤炭含硫較高（宋元寶等，2019）。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水主要為茅口組（P1）溶洞水，次為吳家坪組第二段（P22）巖溶溶隙水，以及飛仙關(guān)組（T1）裂隙水。

茅口組（P1）由塊狀厚層灰?guī)r為主，質(zhì)地較純，氧化鈣含量高達54%，底部含燧石結(jié)核、硅質(zhì)巖、瀝青質(zhì)灰?guī)r等夾層及薄層砂頁巖。厚275～300m，是項目區(qū)主要含水層。平緩褶皺區(qū)暗河呈脈狀系統(tǒng)，緊密褶皺區(qū)以孤立管道為主，水量大，流量200～1000L/s，一般泉流量1～50L/s。為強含水巖組；野外常見北20°～50°西和近南北向兩組裂隙，北20°～50°西為優(yōu)勢裂隙，兩組裂隙具張扭性特點，對地下水運動、巖溶發(fā)育及區(qū)域水系發(fā)育有控制作用。

吳家坪組第二段（P22）為燧石灰?guī)r裂隙溶洞潛水含水層，以燧石條帶灰?guī)r為主，厚65～280m，水量小，泉流量0.1～5L/s，為富水性較差巖溶含水層，第一段（P21）由泥巖、鋁土質(zhì)頁巖、粘土巖夾煤組成，為相對隔水層。飛仙關(guān)組（T1）為泥質(zhì)灰?guī)r裂隙溶洞潛水含水層，以鈣質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾少量中層狀灰?guī)r，總厚1101m。泉流量0.1～5L/s。飛仙關(guān)第三層鮞狀灰?guī)r厚25～40m，為相對富水層位，局部發(fā)育暗河溶洞，最大流量118L/s。

1.3 巷道巖體條件

永慶8#礦洞開口層位為三疊系飛仙關(guān)組（T1），為薄層狀灰質(zhì)頁巖，向153°方向掘進，巷道高3m，寬3m。0～77m為飛仙關(guān)組頁巖，層間裂隙較發(fā)育，降雨期間地表水通過層間裂隙滲入巷道，滲入量隨降雨強度波動。硐內(nèi)二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P21）薄—中厚狀燧石結(jié)核、碳硅質(zhì)、碳灰?guī)r硅質(zhì)巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，硐頂及兩側(cè)巖體較穩(wěn)定，無垮塌、無掉頂、無底鼓，兩幫底部可見礦井涌水，硐內(nèi)實測流量380m3/d。

2 礦井水補給、徑流、排泄條件

永慶礦區(qū)地下水主要接受大氣降雨補給。未進行煤礦開采時，以碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主的地下水，在山脊巖溶發(fā)育部位接受大氣降雨補給，向溪溝、河道徑流排泄。永慶煤礦開采揭穿吳家坪組第一段（P21）王坡頁巖段，進入茅口組（P1）灰?guī)r段，巷道成為礦區(qū)茅口組（P1）巖溶地下水徑流排泄優(yōu)勢途徑，改變原有地下水流場，巷道成為地下水排泄點。

圖2 硐口段積水及硐頂滲水情況

圖3 硐內(nèi)空間尺寸

圖4 硐內(nèi)兩幫底部礦井涌水

圖5 距硐口165m處巖層條件

3 礦井涌水污染成因分析

煤礦開采破壞煤層原有還原環(huán)境，變?yōu)檠趸h(huán)境，對礦井涌水補給、徑流、排泄條件分析，煤礦硐室為一個良好集水廊道，地下水不斷向硐室內(nèi)匯集，煤層中還原態(tài)黃鐵礦（FeS2）在氧氣和水的作用下生成硫酸鐵與硫酸亞鐵，進而溶于水后使礦井水呈酸性，三價鐵離子水解生成氫氧化鐵，呈黃褐色，匯入下游河道后對河流造成污染。具體的過程如下：

FeSO4不穩(wěn)定，進一步被氧化成Fe2（SO4）3

Fe2（SO4）3經(jīng)過水解，生成硫酸

當(dāng)煤中的黃鐵礦含量較高時，會生成濃度較高的酸性高鐵污水。

圖6 礦井涌水補給、徑流、排泄示意圖

4 治理措施研究

4.1 治理思路

經(jīng)過對礦井涌水污染成因分析可知，煤層開采后，大氣降水、煤層頂板含水層通過入滲補給、導(dǎo)水裂隙帶等通道進入采空區(qū)，與采空區(qū)內(nèi)殘留的礦渣及其它有害元素充分接觸后在氧化環(huán)境下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)后致使水體中部分指標(biāo)含量超標(biāo)。治理方向是盡可能減少地下水經(jīng)采空區(qū)流出。

通過井口密閉方式，使老空水水位上升，將老空水全部或部分永久封閉在采空區(qū)范圍（最理想狀態(tài)下水位將上升至未開采前地下水位標(biāo)高），減少地下水與采空區(qū)的接觸范圍,同時也能減少大氣降水對地下水的入滲補給范圍，弱化采空區(qū)氧化環(huán)境、減小大氣降水徑流條件，最終達到治理受污染礦井水的目的。

針對永慶煤礦8#礦井涌水污染特點，結(jié)合礦井水文地質(zhì)及井口的施工條件，永慶煤礦8#礦井涌水決定采用水閘墻封堵涌水通道的治理措施。

4.2 水閘墻設(shè)計

（1）水閘墻荷載

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，地下含水層水位標(biāo)高與地下分水嶺水位相近，地下分水嶺一般情況下位于地表分水嶺以下100m左右。區(qū)內(nèi)吳家坪組含水層大面積出露于地表，接受大氣降水補給，以地表分水嶺為界，其地表出露最高標(biāo)高約為+1280m，故推測吳家坪組下水位標(biāo)高為+1180m，永慶8#井井口標(biāo)高+887m，硐口封堵后修建水閘墻迎水面所受的側(cè)向靜水壓力為：

P=g h

式中：為水的密度，103kg/m3；g為重力加速度，10N/kg；h為墻后地下水的水頭高度（m）。

經(jīng)計算，永慶8#礦井水閘墻迎水面所受的側(cè)向靜水壓力2.93Mpa，取整3Mpa。

圖7 水閘墻硐室結(jié)構(gòu)圖

（2）水閘墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照實際堵水條件，結(jié)合其他礦井的水閘墻的設(shè)計、施工，以及封堵效果的經(jīng)驗，礦井宜采用用于承受的水壓大于1.6MPa的防水閘門（墻）硐室（陳郭靜，2018；高安民，2018），確定本次采用倒截錐形（如圖7所示）形式的水閘墻（姜素濤，2014），計算引用倒截錐形水閘墻計算公式。在基本結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，對水閘墻的長度進行調(diào)整。

根據(jù)《煤礦井底車場硐室設(shè)計規(guī)范》（GB 50416-2007）要求，水壓大于1.6Mpa，因此選擇倒截錐形水閘墻。公式計算：

經(jīng)計算：

L=3.78m；S=13.67m2；= L+ L=3.78+1=4.78m，取整為5m。

=0.57m

根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計規(guī)范》（GB 51070-2014）10.3.15章節(jié)計算硐室壁厚及嵌入圍巖深度時，應(yīng)視圍巖情況取2.0～2.5的安全系數(shù)。對嵌入圍巖深度增加2倍安全系數(shù)。

=0.57×2=1.14m，取整為1.2m。

4.3 治理效果評價

8#礦井實施封堵之前井口涌水量380m3/d，封堵后井口無水涌出，堵水效果較為理想，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)語

永慶煤礦8#礦井污水治理的方向是盡可能減少地下水經(jīng)采空區(qū)流出；采用水閘墻進行封堵治理，盡量恢復(fù)地下水原滲流狀態(tài)。

宋元寶, 王小剛, 張偉, 王丹, 牟畇屹, 侯從強等. 2019. 四川省鐵礦床成礦類型及分布特征[J]. 四川地質(zhì)學(xué)報，39(4)：6.

陳郭靜. 2018. 礦井裂隙水特征及注漿封堵技術(shù)研究[J]. 能源技術(shù)與管理，43(5)：3.

高安民. 2018. 硫磺溝煤礦老空區(qū)防水密閉墻安全性分析[J]. 中州煤炭, 040(008)：26-28,32.

姜素濤. 2014. 水閘墻在封堵礦井井巷涌水中的應(yīng)用[J]. 價值工程, 33(28), 2.

Study on Causes of Water Gushing Pollution and Treatment Measures

ZHU Deng-ke LUO Ben-quan XU Jiang YUAN Xiao-ming TANG Yun-bo ZHANG Shao-ke

(Sichuan Geological Engineering Survey Institute Group Co., LTD, Chengdu 610072)

According to the characteristics of No.8 inrush of Yongqing Coal Mine in Wangcang County, Guangyuan City, the recharge, runoff and discharge conditions of mine water are investigated to find out the pollution causes of mine inrush. The coal mine chamber system has become a good water collection corridor to collect groundwater. The reducing environment becomes oxidizing environment. The pyrite (FeS2) in the coal seam generates iron sulfate and ferrous sulfate under the action of oxygen. The mine water is acidic, ferric ion hydrolysis to produce ferric hydroxide, yellow brown in color, causing pollution to the river. The implementation of “sluice wall” treatment, effectively solved the problem of mine gushing water pollution.

mine water gushing; hydrogeological conditions; pollution; water gate wall

P642.25

A

1006-0995（2022）04-0625-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.016

2021-11-18

朱登科（1993— ），男，四川成都人，工程師，研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等