带压开采及防治水

1、第一章 防治水基础知识第一节 岩石的水理性质1、容水性指岩石容纳水的能力，指标为容水度。（一般孔隙度）2、含水性是岩石含有水的性能，用含水量表示。含水量是岩石空隙中所保留水分的多少。3、给水性是饱和岩土在重力作用下能自由排出水的能力，用给水度表示。贝尔认为：若使地下水面下降，则水位下降范围内饱和岩石及相应的支持毛细水带中的水将因重力作用而下移，并部分从原先赋存的空隙中释出。因此认为给水度是指地下水位下降一个单位深度，而从地下水位延伸到地表面的单位面积岩石柱体在重力作用下所释放出来的水的体积，常用小数表示。抽水试验（动储量、静储量），抽水降速过大时给水度偏小，降速很小时，给水度较稳定。4、持水性

2、持水性是饱和岩土在重力排水后，岩土依靠分子力和毛细力在岩石空隙中能保持一定水分的能力，用持水度表示。5、透水性岩石的透水性是指岩石允许重力水透过的能力，用渗透系数表示。岩石的空隙直径对岩石的透水性影响较大。空隙直径越小，透水性越大；空隙直径越大，透水性越大。岩石的透水能力并不取决于平均孔隙直径，很大程度上取决于最小孔隙直径。第二节 含水层、隔水层与弱透水层根据岩层渗透强弱和渗透能力的大小，岩层通常可划分为含水层、隔水层和弱透水层。含水层，指能够透过并给出相当数量水的岩层，是饱含水的透水层。构成含水层的三个条件是：有储存水的空间（储水构造）；周围有隔水层；有水的来源（含有重力水为主）。隔水层，是

3、指不能透过与给出水，或者透过与给出的水量微不足道的岩层，以含有结合水为主。含水层与隔水层无定量的指标，定义具有相对性，如何划分含水层和隔水层，要视具体条件而定。弱透水层是指透水性相当差，但在水头差作用下通过越流可交换较大水量的岩层。第三节 承压水指充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中，具有承压性质的地下水。孔隙水裂隙水岩溶水承压水山间盆地及平原松散层深部的水构造盆地、向斜、单斜中裂隙岩层中的水构造盆地、向斜、单斜中岩溶化岩层中的水充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中，具有承压性质的地下水。上部的隔水层称为隔水顶板，下部的隔水层称为隔水底板。隔水顶板、底板之间的距离称为承压含水层的厚

4、度。由于承压含水层中的水承受大气压强以外的压强，当钻孔揭露含水层顶板时，钻孔中的水位将上升到含水层顶板以上一定高度才能静止下来。钻孔中的承压水位（静止水位）到承压含水层顶板之间的距离，即从静止水位到承压含水层顶面的垂直距离称为承压高度，亦是作用于隔水层顶板的以水柱高度表示的附加压强。井孔中静止水位的高程称为测压水位或测压水头。与潜水的给水度类似，承压含水层以储水系数表征承压水的给水性。储水系数是指承压水测压水位下降或上升一个单位深度时单位水平面积含水层所释放或储存的水的体积。一般储水系数为0.005-0.00005，较潜水含水层的给水度小1-3个数量级。开采承压含水层水往往会导致测压水位大面积

5、、大幅度下降。第四节 重力水运动的基本规律1、达西定律表达式Q=KAI=KA(H1-H2)/LV=Q/A=KIQ-渗透流量（出口处流量）m3/dV-渗透流量m/dK-多孔介质渗透系数m/dA-过水断面面积H1、H2-上下游过水断面水头mL-渗透途径mI-水力梯度 I=（H1-H2）/L达西定律主要适用于雷诺数Re较小层流，Re10，地下水流基本是雷诺数小于10的层流。Re为10-100，地下水流速增大，不适用，仍层流Re100，地下水流紊流2、水力梯度也称水力坡度，是指沿渗透途径水头损失与渗透长度的比值。3、渗透系数渗透系数K是水力梯度等于1时的渗透流速，是表征岩石透水能力的重要的水文地质参数

6、。渗透系数与岩石空隙性质（含岩性）、水的某些物理性质（尤其是粘滞性）有关。利用渗透系数和透水率的大小，可划分岩土的渗透性。岩性亚粘土亚砂土粉砂Km/d依据水电工程地勘规范（GB50287-2006） 分类 内容项目 渗透性分级渗透系数K(cm/s)透水率q/Lu岩体（完整岩石等价长度）土类极微透水1-10-60.10.025mm裂隙岩体粘土微透水10-6-10-50.1-10.025-0.05mm裂隙岩体粘土-粉土弱透水10-5-10-41-10粉土-细粒土质中等透水10-4-10-210-100砂-砂砾强透水10-2-1100砂砾-砾石、卵石极强透水11002.5mm巨砾注：透水率q和钻孔q

7、有区别，单位涌水量。第五节 地下水理化特征一、物理性质：1、温度地壳表层三带：变温、常温、增温潜水及埋藏不深的承压水温度10-20。水温<00-44-202020-3737-4242-100100分类过冷水极冷水冷水温水低温水高温水高热水过热水2、颜色纯净水无色透明，水深时呈淡蓝色。水中含物质硬水低价铁高价铁H2S硫细菌锰腐殖酸水颜色浅蓝灰蓝黄褐色翠绿红暗红暗黄、灰黄、荧光黄3、味道纯水淡水无味物质NaclNa2so4Mgcl2、Mgso4大量有机物铁盐腐殖质H2s、碳酸气co2、Cahco3、Mghco3味道咸涩苦甜涩腥臭酸可口4、透明度纯水、常见地下水透明。透明度降低的程度取决于悬浮

8、物的性质及含量多少，悬浮物含量越多，透明度越差。5、气味常见地下水无气味。含有不同成分的气体及有机质时，便有味。含H2s臭鸡蛋味；含腐殖质多霉草味；氧化亚铁铁腥味。有明显气味的地下水，不宜饮用。6、比重4比重为1.水中溶解盐类成分数量增多时，比重增大1；水温升高，比重减小。地下水比重有的达到1.2-1.3。7、导电性纯净的地下水不导电。地下水的导电性与所含盐总量及性质有关。导电性能大小决定于水中所含电解质（盐类）种类、浓度大小及水温高低。水的导电性一般用电导率表示。电导率为电阻率的倒数，单位s/cm或us/cm。二、地下水的化学特性1、地下水化学成分是地下水各类化学物质总称，包括离子、气体、有

9、机物、微生物、胶体以及同位素成分等。地下水中经常出现、分布最广、含量较多并能决定地下水化学基本类型和特点的元素称为常量元素（）。2、地下水中的气体成分氧气较氮气活泼，大气中惰性气体（Ar、Kr、Xe）与氮气的比值恒定，即其比值为（ArKrXe）/N2=0.0118。比值等于此数，氮气、大气起源比值小于此数，水中含有生物起源或变质起源氮气。h2s、cH4均在与大气隔绝的环境中生产。co2 地下水co2来源于土壤，地下水含co2越多，其溶解碳酸岩能力愈强。3、地下水中离子成分阴离子Hco3-So42-Cl-Co32-阳离子Ca2+Mg2+Na+K+4、地下水中主要离子成分与矿化度的关系地下水的总矿

10、化度，又称总溶解固体（总溶解固形物），是指地下水中各种离子、分子与化合物的总量，单位为g/l。通常用105-110将水蒸发所得干涸残余物总量表征，亦可用阴阳离子总和减去hco3-含量的一半表征。低矿化度的水，以hco3-及ca2+、mg2+为主；高矿化度的水（卤水），以cl-、na+为主；中等矿化度的水，阴离子so42-，阳离子na+或ca2+。按矿化度分类：矿化度g/l1.01-33-1010-5050水分类淡水微咸水咸水盐水卤水5、地下水化学成分的形成作用溶滤作用：指地下水与岩土相互作用，岩土中的一部分物质转入到地下水中的作用。包括：溶解作用和水解作用.溶滤作用的强度是岩土中组分转入水中的

11、速率，其大小取决于：岩土矿物盐类的溶解度，nacl易溶，含sio2难溶空隙特征，致密基岩难溶水的溶解能力，低低矿化度水溶解能力较高矿化度水强。水中co2的含量高，溶解碳酸盐、硅酸盐能力强；水中o2含量高，溶解硫化物能力强。水的流动状况地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。地下水流动迅速时，矿化度低且含有大量co2、o2气体的大气降水和地表水不断入渗更新含水层原有的溶解能力降低了的水，地下水便经常保持强的溶解能力。蒸发浓缩作用（排泄区）脱碳酸作用（温度升高，压力降低情况下出现）脱硫酸作用和脱硝（氮）作用阳离子交替吸附作用，是地下水与岩石相互作用，岩石颗粒表面吸附的阳离子

12、被水中阳离子置换，并使水化学成分发生改变的过程。不同阳离子，其吸附与岩石表面能力不同，吸附能力自大而小排列：h+fe3+al3+ca2+mg2+k+na+。当水中ca2+为主的地下水进入主要吸附有na+的岩土时，水中ca2+便置换岩石所吸附的一部分na+，使水中ca2+增多而na+减少。混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水。例如，当so4-2、na+为主的地下水与hco3-、ca2+为主的水混合，发生反应。三、地下水化学成分的基本成因类型1、沉积水，沉积过程中保存在成岩沉积物空隙中的水，与沉积物大体同时形成。2、内生水，原生水、初生水，地球深部层圈的地下

13、水3、溶滤水，由富含co2和o2的水渗入补给溶滤其所流经岩土，而获得主要化学成分的地下水。在大范围内，受气候控制而又分带性。绝大部分地下水属溶滤水。岩性对溶滤水的影响是显而易见的。石灰岩、白云岩分布区的地下水hco3-、ca2+、mg2+为其主要成分；含石膏的沉积岩区，水中so42-与ca2+均较多；基性岩浆地区，水中常富含mg2+；煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。（受岩性、气候、地貌等因素影响）四、煤矿地下水化学成分1、补给条件补给区的位置和补给水源水化学特征是决定该含水层化学成分的一个极其重要饿因素。补给量大，排泄量也相应增大，径流强度也大，地下水交替循环也强。2、径流条件径

14、流条件好，地下水循环交替强。地下水通常为低矿化度的重碳酸钙镁型水。径流条件造成水动力、水动态、水化学差异情况水文地质特征强径流区中等较弱弱水动力水力坡度0.8抽水瞬时影响速度率m/min14-19505-140水动态年变幅19792.3072.0831.19519773.0162.4771.86水位峰值滞后降雨天数30-9030-9042-102水化学无石膏区水化学Hco3-caHco3-ca、mgHco3、so4-caHco3、so4-ca、mgSo4.hco3-caSo4hco3-ca、mg为主Cl、so4-na、ca为主矿化度g/l0.6导水系数83600-583204360019440

15、-97201940-972五、地下水化学性质1、ph值（即氢离子浓度）表示水的酸碱度，可将地下水分为五类。酸碱性强酸性弱酸性中性弱碱性强碱Ph值55-777-992、硬度地下水硬度大小取决于水中ca2+、mg2+的含量。水的硬度又分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度：水中所含ca2+、mg2+的总量，包括暂时和永久硬度。暂时硬度：水沸腾后，有hco3-与ca2+、mg2+结合生成碳酸盐沉淀出来的ca2+、m各+的含量。永久硬度：水沸腾后，水中残留的ca2+、mg2+含量。表示硬度是法国度H°和毫克当量meg/l，1H°相当于一升水中含有10mg的cao或7.2mg的mgo

16、，即一升水中含有7.2mg的ca2+或4.3.mg的mh2+。1meg/l等于20.4mg/l的ca2+或12.6mg/l的mg2+。1meg/l2.8H°按硬度分类水的类型Meg/lH°极软水1.54.2软水微软水硬水极硬水9.025.23、总矿化度直接反映地下水的循环条件，矿化度高，说明地下水的循环条件差；矿化度低，说明地下水的循环条件好。另，矿化度高，以静储量为主。4、侵蚀性地下水的侵蚀性取决于水中侵蚀性co2 的含量。Caco3+h2o+co2=ca2+2hco3-，由该式可知，当水中含有一定数量的hco3-时，就必须有一定数量的游离的co2与之相平衡。这部分平衡h

17、co3-所需的co2称之为平衡co2。当水中游离co2总量超过平衡co2时，这种水与碳酸盐接触就会起溶解作用，消耗与溶解碳酸盐部分的co2称为侵蚀性co2,。因此，若地下水中游离的co2含量超平衡的需要时，水就具有一定的侵蚀性。与混凝土接触时，就可能溶解其中的caco3，是混凝土结构受到破坏。六、老窑及采空区积水这种水源涌水的特点是：1、水中含有大量的硫酸根离子，ph值在3左右，有的甚至为1，具有强烈腐蚀性，对井下设备破坏性很大。2、称为突水水源时，来势猛，易造成严重事故，与其他水源无联系时，易于疏干；与其他水源有联系时，可造成量大而稳定的涌水。七、奥灰水水源喀斯特水源突水的一般特点是：水压高

18、，水量大，来势猛，涌水量稳定，不宜疏干，危害性极大。地下水流入矿井通常包括静储量和动储量两部分，开采初期或水源补给不充沛时，以静储量为主；随着生产发展，长期排水和采动范围扩大，静储量逐渐被消耗，动储量比例相应增大。第二部分 地质构造一、喀斯特陷落柱1、他是由于煤层下覆碳酸盐岩等可溶岩层，经地下水强烈侵蚀，形成巨大空洞，从而引起岩层失稳，向溶蚀空间冒落、塌陷，形成筒状或似圆锥状柱体，以他的成因和形状取名。无水陷落柱，俗称无炭柱。华北一些矿区，陷落柱较发育，如霍州、汾西。致塌机理：重力作用，真空侵蚀作用，物理化学作用。2、陷落柱饿基本形态平面形状绝大多数似圆形和椭圆形，也有不规则形。表征，用长轴长

19、度、短轴长度、长短轴比值和长轴方向表示。剖面形状在坚硬岩层，上小下大的锥状，柱面与水平面夹角60°-80°间，；松软岩层，上大下小漏斗状，柱面与水平面夹角40-50°。穿过多煤层时，各煤层破坏程度不一（煤厚不同），柱体平面面积大小不一，轴心偏离也大。中心轴通常垂直岩层平面，中心轴大多不是直立，而是歪斜甚至扭曲的。陷落柱高度从溶洞底面至塌陷顶的垂距，与溶洞的大小、地下水排泄条件、岩石性质及裂隙发育程度等有关。（暗河等）一般可由几十米到一、二百米。潜伏陷落柱3、陷落柱出露特征（井下）柱面特征井下揭露时，柱面呈不规则状，坚硬岩石不易塌落，呈突出状，松软岩石，易塌落，呈凹

20、进状。由于陷落柱的水平切面为一封闭曲线，所以巷道与柱面相遇处多呈弧线。弧的半径大小与陷落柱平面形状、大小、相遇部位等有关。柱体特征柱体多为较新层位的岩石碎块，煤、第四系松散沉积物充填。柱体内煤岩混杂，岩石岩性不一，大小不一，棱角明显，无岩层层理。古老陷落柱岩块多被胶结，近代陷落柱呈松散堆积。陷落柱内沉淀物裂隙面常见红色铁块、白色的钙质或高岭土质沉淀物，有时还见到泥质沉淀物。这些事地下水渗入陷落柱产生的沉淀物。4、分布特点与该区地下水集中径流带关系密切与喀斯特化断裂带、褶曲轴，特别是断层交汇处关系密切。二、断层水文地质勘探1、对含水层的认识碳酸盐类含水层，特别是O2，由于其厚度大，水量丰富，水压

21、高，且构成华北主要煤田的基底，带压开采在水文勘探过程中必须高度、充分注意。从研究碳酸盐岩的沉积旋回及岩性组合特征、矿物成分、化学成分、结构、孔隙与裂隙、可溶性等，对厚层奥灰含水层进行详细分层。峰峰、淮南、开滦、韩城、肥城等进行了这一工作。如：峰峰将583m的奥灰分为三组八段：下马家沟组上马家沟组峰峰组其中：肥城矿区将奥灰含水层划分为4组9段11层，第2段含水层因埋藏最浅，对生产矿井影响最大。研究厚层灰岩强径流带的分布带压开采，奥灰为矿井主要充水岩层的矿区，矿井的水文地质条件、涌水量大小、突水危险性与突水频率高低及防治水工作的难易程度等，都和井田与强径流带的相对位置有密切关系。一般认为a、井田位

22、于强径流带上，且位于排泄区附近区时，矿井水文地质条件最为复杂；（涌水量大，突水危险大、频率高）b、井田位于强径流带上，而离排泄区较远时，矿井水文地质也很复杂，但复杂程度次之；c、井田位于强径流带外，而离强径流带近时，矿井水文地质条件较复杂；d、井田位于强径流带外，而离强径流带远时，则矿井水文地质条件相对较为简单。研究相对隔水层所采煤层底板至奥灰岩顶面，有无峰峰组一段，峰峰组一段富水情况。隔水层岩性结构、厚度、中间有无薄层灰岩等，有效隔水层厚度等。2、对构造导水的认识主要是断层一般情况下，正断层其性质以张扭为主，有可能导水；逆断层以压扭为主，不导水。即使正断层断裂导水与富水性好，但其富水性是不均

23、匀的，即使是同一条富水断裂，其不同部位富水性的差异也十分明显，这主要取决于断裂的规模、断裂不同地段的力学性质与岩性、断裂的汇水条件和断裂是否与其他构造交汇、断层泥等。试论焦作矿区构造与地下水的关系一文断层导水主要两种形式，一是断层破碎带本身不含水，只有同一盘的含水层可沿断层两侧的裂隙带发生垂直水力联系。二是断层破碎带本身含水，两盘的各含水层可以通过它发生水平与垂直的水力联系。导水断层不一定处处导水。该文还指出断层与矿井突水的关系：a断层尖灭地段易突水，b岩层弯曲处易突水，c断层密度大处易突水，d断层下降盘的煤层在靠近断层处易突水，e断层伴生的裂隙发育区易突水，f断距为6-25m的中型断层不仅易

24、突水，而且水量大。隔水断层，一般为压性断层、压扭性断层，或断层带被粘土质充填，两侧含水层组之间不发生水力联系。但在矿床开采时，由于人为工程活动，矿山压力影响，有些天然状态下呈隔水性质的断层常转变为导水断层。表现为滞后出水（揭露时无水，尤其是带压开采、水压较大情况下）导水断层，一般为张性断层，正断层沟通充水岩层组之间密切水力联系的线状断裂（裂隙）多分布在断层密集带，断层交叉点、断层收敛处或断层尖灭端等岩层软弱部位，岩层破碎严重部位。即使是小断层，也有可能导水。不同构造部位对矿井充水的影响a对同一条断层而言，其尖灭点及其附近，不是以位移消失应力，而是以破变、变形来消失应力，故在其断裂端点部位及两侧

25、的岩层裂隙特别发育，是突水较多的部位。b主干断裂与分支断裂的交叉点应力比较集中，各种断裂面均很发育，岩石破裂，充填和胶结程度较差，尤其石灰岩中，喀斯特特别发育。故在断层交叉处附近，其透水性强，导水性好。两条斜交大断层，断层交汇处附近更是如此。峰峰、邢台矿区，两条斜交大断层，防水煤柱扩大一倍。c断层密度大的地段，断层拐弯处，不仅应力集中，且多次受应力作用，因而使岩石破碎，裂隙发育，给地下水的赋存和运移创造了良好条件。焦作矿区统计，一些矿井突水次数与断层密度成近似正比关系。d在断层两盘相对运动过程中，由于受边界条件和重力作用影响，一般上盘低序次断裂及裂隙相应较下盘发育。据焦作矿区统计，断层上盘更易

26、发生较大突水。（断层下降盘的煤层靠近断层处易突水）3、地质勘探井下高压放水钻孔施工在埋设孔口管时，峰峰基坑法，即在孔口挖一基坑，灌注水泥浆，再下入孔口管，待水泥浆固后继续钻进。淄博大口径法：先以240mm孔径开孔，钻至10mm左右时，下6英寸套管，然后将水泥浆灌入套管与孔壁的间隙，待水泥凝固后再扫孔钻进。焦作综合法：先控深0.7m直径约1.5m基坑。灌注水泥浆，下孔口管200mm钻进深6m，里面套160mm孔口管，凝固两天后，换直径140孔径钻至10m深，将直径127mm套管下至基坑底。物探坑透、直流电法（电阻率法）、音频电穿透法、瞬变电磁法、电磁频率测探法、无线电波透视法、地质雷达、瑞利波勘

27、探、槽波地震等。化探总结区分矿区不同含水层化学基本特征的鉴别指标，水质类型、溶解固形物、总硬度、氡含量、离子的特征比值、水质图像等来鉴别和区分。应用水化学方法配合放水试验、联通试验钻孔水样溶解氡含量、氧含量，所含氨基化合物情况等判断主要含水层。示踪剂的多样化：探查水源、含水层之间水力联系、补给关系、径流通道、流速等。水环境同位素，尤其是氢、氨同位素、微观判别（判别不同水混合比，计算地下水相对年龄等）地温测量放水试验认识到放水试验已成为大水矿区水文地质勘探中进行大流量、大降深水文地质试验的重要手段。放水试验的目的层已从薄层灰岩扩展到厚层灰岩，如华北O2（鹤壁、峰峰）目的更加明确，查明边界、块段，

28、明确水力联系补给等。方案设计更细致周到，试验手段更具综合性。封闭不良的钻孔邢台矿第三部分 带压开采一、底板突水机理底板突水是由采动矿压和底板承压水的水压共同作用而产生的。承压水的水压对底板隔水层的作用主要表现为压裂扩容作用和渗水软化作用。压裂扩容作用是指承压水在小裂隙中进一步压裂岩体，使原有裂隙扩大；渗化软化是指承压水在底板隔水层中，降低有效应力和岩体粘聚力，在与采动矿压联合作用下，使底板隔水层强度软化，使其产生更大破裂。试验证明，承压水的压裂扩容作用发生与否与底板隔水层中的最小主应力有直接关系。（地应力理论）当承压水的水压Pw最小主应力S2时，不会产生压裂扩容作用。PwS2时，才会产生压裂扩容作用，（承压水水压隔水层最小主应力）。因此，底板突水必要条件是：M-（h1+h3）=0M-底板隔水岩层厚度，h1-采动破坏深度，h3-水压破坏深度或自然导高充分条件：M-（h1+h3）0M-（h1+h3）0不会发生突水，0时也不会发生突水，只有0 时这时产生压裂扩容作用，出现管涌，发生突水。综上所述，底板突水主要取决于底板隔水层厚度，底板岩性、破坏范围、程度、深度，以及地应力和承压水压力的相对大小等。二、底板采动破坏和水压破坏、水平分段规律底板采动破坏可分为：采前超前压力压缩段（1段）、采后卸压膨胀段（2段）和采后压缩-稳定段（3段）1段超前压缩，煤层