废弃煤矿矿井涌水污染成因及治理措施研究

朱登科，罗本全，徐 江，袁小铭，唐云波，张绍科

废弃煤矿矿井涌水污染成因及治理措施研究

朱登科，罗本全，徐 江，袁小铭，唐云波，张绍科

（四川省地质工程勘察院集团有限公司，成都 610072）

依据广元市旺苍县永庆煤矿8#矿井涌水特征，调查矿井水的补给、径流、排泄条件，查明矿井涌水的污染成因，煤矿硐室系统成为良好集水廊道，汇集地下水；还原环境变为氧化环境，煤层中黄铁矿（FeS2）在氧气作用下生成硫酸铁与硫酸亚铁溶于水，矿井水呈酸性，三价铁离子水解生成氢氧化铁，呈黄褐色，对河流造成污染。实施“水闸墙”治理，有效解决了矿井涌水污染问题。

矿井涌水；水文地质条件；污染；水闸墙

本文以广元市旺苍县永庆煤矿8#矿井为例，在分析矿井水文地质及工程地质特征的基础上，研究了矿井水补给、径流、排泄条件，查明了矿井涌水污染成因，提出采用“倒锥形水闸墙”对矿井涌水进行治理，取得良好效果。

1 矿井基本地质条件

1.1 研究区概况

永庆煤矿位于旺苍县双汇镇永庆村，地理坐标为东经106°14′9.76″，北纬32°20′44.77″，属旺苍县北部中山河谷区，区内地貌类型为构造侵蚀溶蚀中山地貌，地形属斜坡地形，总体地势南高北低，坡顶海拔高程1500 m，坡脚海拔高程460m，高差为1040 m，区内深沟峡谷，山势陡峭。永庆煤矿煤炭含硫较高（宋元宝等，2019）。

1.2 水文地质条件

矿区地下水主要为茅口组（P1）溶洞水，次为吴家坪组第二段（P22）岩溶溶隙水，以及飞仙关组（T1）裂隙水。

茅口组（P1）由块状厚层灰岩为主，质地较纯，氧化钙含量高达54%，底部含燧石结核、硅质岩、沥青质灰岩等夹层及薄层砂页岩。厚275～300m，是项目区主要含水层。平缓褶皱区暗河呈脉状系统，紧密褶皱区以孤立管道为主，水量大，流量200～1000L/s，一般泉流量1～50L/s。为强含水岩组；野外常见北20°～50°西和近南北向两组裂隙，北20°～50°西为优势裂隙，两组裂隙具张扭性特点，对地下水运动、岩溶发育及区域水系发育有控制作用。

吴家坪组第二段（P22）为燧石灰岩裂隙溶洞潜水含水层，以燧石条带灰岩为主，厚65～280m，水量小，泉流量0.1～5L/s，为富水性较差岩溶含水层，第一段（P21）由泥岩、铝土质页岩、粘土岩夹煤组成，为相对隔水层。飞仙关组（T1）为泥质灰岩裂隙溶洞潜水含水层，以钙质页岩、泥质灰岩为主，夹少量中层状灰岩，总厚1101m。泉流量0.1～5L/s。飞仙关第三层鲕状灰岩厚25～40m，为相对富水层位，局部发育暗河溶洞，最大流量118L/s。

1.3 巷道岩体条件

永庆8#矿洞开口层位为三叠系飞仙关组（T1），为薄层状灰质页岩，向153°方向掘进，巷道高3m，宽3m。0～77m为飞仙关组页岩，层间裂隙较发育，降雨期间地表水通过层间裂隙渗入巷道，渗入量随降雨强度波动。硐内二叠系上统吴家坪组（P21）薄—中厚状燧石结核、碳硅质、碳灰岩硅质岩，节理裂隙不发育，硐顶及两侧岩体较稳定，无垮塌、无掉顶、无底鼓，两帮底部可见矿井涌水，硐内实测流量380m3/d。

2 矿井水补给、径流、排泄条件

永庆矿区地下水主要接受大气降雨补给。未进行煤矿开采时，以碳酸盐岩裂隙溶洞水为主的地下水，在山脊岩溶发育部位接受大气降雨补给，向溪沟、河道径流排泄。永庆煤矿开采揭穿吴家坪组第一段（P21）王坡页岩段，进入茅口组（P1）灰岩段，巷道成为矿区茅口组（P1）岩溶地下水径流排泄优势途径，改变原有地下水流场，巷道成为地下水排泄点。

图2 硐口段积水及硐顶渗水情况

图3 硐内空间尺寸

图4 硐内两帮底部矿井涌水

图5 距硐口165m处岩层条件

3 矿井涌水污染成因分析

煤矿开采破坏煤层原有还原环境，变为氧化环境，对矿井涌水补给、径流、排泄条件分析，煤矿硐室为一个良好集水廊道，地下水不断向硐室内汇集，煤层中还原态黄铁矿（FeS2）在氧气和水的作用下生成硫酸铁与硫酸亚铁，进而溶于水后使矿井水呈酸性，三价铁离子水解生成氢氧化铁，呈黄褐色，汇入下游河道后对河流造成污染。具体的过程如下：

FeSO4不稳定，进一步被氧化成Fe2（SO4）3

Fe2（SO4）3经过水解，生成硫酸

当煤中的黄铁矿含量较高时，会生成浓度较高的酸性高铁污水。

图6 矿井涌水补给、径流、排泄示意图

4 治理措施研究

4.1 治理思路

经过对矿井涌水污染成因分析可知，煤层开采后，大气降水、煤层顶板含水层通过入渗补给、导水裂隙带等通道进入采空区，与采空区内残留的矿渣及其它有害元素充分接触后在氧化环境下发生一系列化学反应后致使水体中部分指标含量超标。治理方向是尽可能减少地下水经采空区流出。

通过井口密闭方式，使老空水水位上升，将老空水全部或部分永久封闭在采空区范围（最理想状态下水位将上升至未开采前地下水位标高），减少地下水与采空区的接触范围,同时也能减少大气降水对地下水的入渗补给范围，弱化采空区氧化环境、减小大气降水径流条件，最终达到治理受污染矿井水的目的。

针对永庆煤矿8#矿井涌水污染特点，结合矿井水文地质及井口的施工条件，永庆煤矿8#矿井涌水决定采用水闸墙封堵涌水通道的治理措施。

4.2 水闸墙设计

（1）水闸墙荷载

根据相关经验，地下含水层水位标高与地下分水岭水位相近，地下分水岭一般情况下位于地表分水岭以下100m左右。区内吴家坪组含水层大面积出露于地表，接受大气降水补给，以地表分水岭为界，其地表出露最高标高约为+1280m，故推测吴家坪组下水位标高为+1180m，永庆8#井井口标高+887m，硐口封堵后修建水闸墙迎水面所受的侧向静水压力为：

P=g h

式中：为水的密度，103kg/m3；g为重力加速度，10N/kg；h为墙后地下水的水头高度（m）。

经计算，永庆8#矿井水闸墙迎水面所受的侧向静水压力2.93Mpa，取整3Mpa。

图7 水闸墙硐室结构图

（2）水闸墙结构设计

按照实际堵水条件，结合其他矿井的水闸墙的设计、施工，以及封堵效果的经验，矿井宜采用用于承受的水压大于1.6MPa的防水闸门（墙）硐室（陈郭静，2018；高安民，2018），确定本次采用倒截锥形（如图7所示）形式的水闸墙（姜素涛，2014），计算引用倒截锥形水闸墙计算公式。在基本结构形式不变的情况下，对水闸墙的长度进行调整。

根据《煤矿井底车场硐室设计规范》（GB 50416-2007）要求，水压大于1.6Mpa，因此选择倒截锥形水闸墙。公式计算：

经计算：

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

=0.57m

根据《煤炭矿井防治水设计规范》（GB 51070-2014）10.3.15章节计算硐室壁厚及嵌入围岩深度时，应视围岩情况取2.0～2.5的安全系数。对嵌入围岩深度增加2倍安全系数。

=0.57×2=1.14m，取整为1.2m。

4.3 治理效果评价

8#矿井实施封堵之前井口涌水量380m³/d，封堵后井口无水涌出，堵水效果较为理想，取得了良好的经济效益和社会效益。

5 结语

永庆煤矿8#矿井污水治理的方向是尽可能减少地下水经采空区流出；采用水闸墙进行封堵治理，尽量恢复地下水原渗流状态。

宋元宝, 王小刚, 张伟, 王丹, 牟畇屹, 侯从强等. 2019. 四川省铁矿床成矿类型及分布特征[J]. 四川地质学报，39(4)：6.

陈郭静. 2018. 矿井裂隙水特征及注浆封堵技术研究[J]. 能源技术与管理，43(5)：3.

高安民. 2018. 硫磺沟煤矿老空区防水密闭墙安全性分析[J]. 中州煤炭, 040(008)：26-28,32.

姜素涛. 2014. 水闸墙在封堵矿井井巷涌水中的应用[J]. 价值工程, 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，工程师，研究方向：水文地质、工程地质等