采矿课件煤矿7

第七章矿井水文地质与防治第一节地下水的基本知识第二节矿井充水条件第三节矿井水文地质观测及其水害的防治

第七章矿井水文地质与防治水

第一节地下水的基本知识一、有关概念：1、大气水：以气态（水汽）、液态（雨、云）和固态（雪、雹）存在于大气圈中的水。2、地表水：以液态聚积在江、河、海、湖中以及以固态存在于两极及高寒地带的水。3、地下水：以各种不同状态（气、液、固）存在于岩石空隙中的水。地下水具有分带性：1）包气带：岩石空隙未被水充满的地带。2）饱水带：地下水面以下，岩石空隙被重力水全部充满的部分。二、水的循环：大气降水分三部分：（1）一部分再度蒸发，回到大气中；（2）另一部分以地表迳流的形式汇入河流、湖泊，最后注入海洋；（3）还有一部分通过土壤或岩石空隙渗入到地下，形成地下水，地下水又以地下迳流或泉的形式汇入河流、湖泊或海洋。按其循环的范围不同，可分为两类型：（1）大循环：水在海洋和陆地之间，既整个地球范围内的循环。（2）小循环：水在海洋或陆地各自范围内的循环。

三、岩石的空隙性及水理性岩石的透水性—岩石能被水透过的性质。透水层—能透水的岩层。隔水层—不能透水的岩层。含水层—充满了地下水的透水层。（一）岩石的空隙性根据空隙的成因和结构，可将其划分三种类型：1、孔隙：松散岩石和未完全固结的沉积岩，岩石颗粒之间的空隙。

孔隙度：孔隙体积Vn与包括孔隙在内的岩石体积V之比。用百分数表示：Kn=Vn/V×100%2、裂隙：由于受地壳运动或外力作用，坚硬岩层中的各种裂缝。

裂隙度：裂隙体积Vt与包括裂隙在内的岩石总体积V之比。用百分数表示：Kt=Vt/V×100%3、岩溶：可溶性岩石中的洞穴。

岩溶度：可溶性岩层中洞穴体积与包括岩溶洞穴在内的岩石总体和V之比。用百分数表示：Kk=Vk/V×100%（二）岩石的水理性：1、容水性：岩石空隙所能容纳水的性质。表示容水性能的指标叫容水度：岩石所能容纳水的重量与岩石干燥时的重量比，用百分数表示，叫重量容水度。数值上等于岩石的孔隙度、裂隙度或岩溶度。2、持水性：在自然条件下，岩石能保持一定水量的性能。3、给水性：被水饱和了的岩石，在重力作用下，能自由排出重力水的性能。4、透水性：岩石能使水透过本身的一种性能。表示岩石透水性能大下，用渗透系数（K）表示。四、地下水分类及特征（一）按埋藏条件分类1、上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水。一般只能作小型或暂时性供水水源，对矿山开发、建设几乎没有影响。2、潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上，具有自由水面的重力水。1）潜水的特征：（1）潜水的分布区和补给区是一致的。（2）潜水有一个自由水面，称为潜水面。潜水面上任意一点均受大气压力作用，而不承受静水压力，所以潜水是无压水。（3）潜水的水量、水位、水质均有明显的季节性变化。（4）潜水在重力作用下，始终由高水位向低水位不断运动。2）潜水面形状：潜水面形状可用潜水等水位线图来表示。根据等水位线图可解决下列问题：（1）确定潜水流向；（2）确定潜水的水力坡度，水力坡度：沿水流方向上某线段上潜水位的高差与该线段水平距离的比值，I=104—100/AB（3）确定潜水与地表水的补给关系。（4）确定潜水埋藏深度。（5）确定引、排水工程的位置：水井布置在地下水汇集的地方，排水沟应布置在垂直水流方向。3、承压水

埋藏并充满两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。1）承压水特征：（1）承受静水压力；（2）补给区与排泄区不一致；（3）季节变化不明显。2）自流盆地：赋存承压水的向斜盆地。（1）补给区a：盆地四周位置较高处含水层出露的地带。（2）承压区b：含水层上部具有隔水层的地段。钻孔或水井揭穿顶板时，承压水便涌入孔内，并继续上升到一定高度后稳定，此时的水位—承压水位。承压水位到隔水顶板面的距离—承压水头H。两个隔水层之间的垂直距离—含水层厚度M。3）自流斜地：赋存承压水的单斜构造。（1）由断层形成的自流斜地：ⅰ断层不导水：承压水无独立的排泄通道，当补给水量大于含水层所能容纳的水量时，含水层的水就通过补给区低洼区排泄，此时补给排泄区一致。ⅱ断层导水：含水层通过断层排泄，断层与地表相交并形成泉。（2）含水层岩性变化形成自流斜地：含水层在低洼处有泉水出露4）承压水水的等水位位线图:（二）地下下水按含水水层性质分分类:1、孔隙水水：赋存和运移移在松散岩层中中的底下水水。1）广泛分分布在第四四纪和第三纪未胶胶结的沉积积物中。2）按埋藏藏条件可形形成上层滞水、潜水水、承压水水。3）赋存和和运移取决决于孔隙的大小和数数量。4）重要的的供水水源源，需要解解决煤矿生生产中的水水文地质问问题。2、裂隙水水：埋藏在基基岩裂隙中中的地下水水。1）按埋藏藏条件可形形成上层滞滞水、潜水水、承压水水。2）赋存和和运移取决决于裂隙的的性质（大大小、数量量、分布面面积等）。。3）按裂裂隙产状可可分为：（1）层状状水：分布布在区域构构造中。ⅰ潜水：广广泛分布于于区域基岩岩裂隙的地地下水中，，这种水的的水量不大。ⅱ承压水：：如上面被被隔水层覆覆盖，就形形成承压水水，水量不不大。（2）脉状状水：分布布断层及接接触带中。。3、岩溶水水：赋存和运移移在可溶性性岩石中的的地下水。。1）岩溶水水的特征：（1）灌灌入式的迅迅速补给；；（2）管管道式的畅畅通迳流；；（3）暗暗河式的集集中排泄。。2）岩溶发发育的层位位：（1）质纯纯可溶性岩岩层。（2）可溶溶性岩层的的断层部位位。（3）可溶溶性与不可可溶性岩层层接触部位位。（4）褶曲曲轴部。（5）可溶溶性岩层的的浅部。（6）可溶溶性岩层产产状急剧变变化部位。。五、地下水水的物理性性质和化学学成分（一）地下下水物理性性质1、温度：地下水的的温度与埋埋藏深度有有关2、颜色：决定与地地下水化学学成分与所所含悬浮物物质，地下水无色，，含有某些些化学成分分或悬浮杂杂质时呈现现不同的颜色。3、透明度度：决定于固固体和胶体体悬浮物含含量。4、气味：取决于水水中化学成成分和有机机质。5、味：取决于水水中化学成成分。6、比重：决定于水中中所含盐分分的多少。。（二）地下下水化学成成分1、地下水水中的主要要化学成分分：1）离子状状态：H+Na+K+Mg+NH4+等阳离子；；OH-、SO4=、HCO3­、CO3­等阴离子。。2）化合合物状态：FeO3、Al2O3等。3）气体状状态：N2、CO2、O2、CH4、H2S等。4）地下水水中分布最最广的7种种离子：Cl­、SO4=、HCO3­、Na+、K+、Ca++、Mg++2、地下水水的化学性性质：1）PH值值：地下水按按PH值划划分：强酸性水弱弱酸性水中中性水弱弱碱碱性水强强碱碱性水饮饮用水<55--777--9>96.5——8.52）水的硬硬度：地下水按按总硬度划划分：（毫毫克当量/升）极软水软软水微微硬硬水（弱））硬硬水极极硬水<1.51.5—33—66—9>93)总矿化化度：地下水所含含各种离子子、分子和和化合物的的总量，简简称矿化度度。（1）测量量方法：ⅰ实验室化化学分析所所得各种离离子、分子子、化合物物总量相加加。ⅱ加热105°--110°°蒸干后剩剩下的残余余物。（2）地下下水按矿化化度划分：：（克/升升）六、地下水水的天然露露头按泉的形成成方式划分分：（一）下降降泉：由潜潜水含水层层形成的泉泉1、侵蚀下下降泉：河谷、冲沟沟切割潜水水含水层形形成。2、接触下下降泉：地形切割含含水层下面面隔水层，，潜水从两者者接触处，，出露地表表。3、溢流下下降泉：岩石透水性性变弱或隔隔水层底底板隆起，，潜水流动受受阻而溢出出地表。（二）上升升泉由承压含层层水形成的的泉1、侵蚀上上升泉：河谷、冲沟沟切穿承压压含水层的的隔水层顶顶板2、断裂上上升泉：导水断层通通过承压含含水层，由于承压水水水位较高高，底下水水沿着断层层、裂隙上升溢溢出地表。。第二节矿矿井充水水条件矿井水：流入井筒、、巷道和工工作面的水水。矿井充水的的主要因素素：水的来源源、涌水通通道和影响响水量大小小的因素，它们是是计算涌水水量、预测测突水的重重要依据。。一、矿井水水的来源（一）矿体体及围岩空空隙中的地地下水:有些矿体本本身充满来来哦地下水水，这些水水在开采时时可以直接接流入巷道，成为为涌水水源源。有些矿体本本身不含水水，但其围围岩有较多多的空隙并并含有地下下水，当巷道与空空隙相通时时，成为涌涌水的水源源。（二）地表表水:地表水体包包括：河流流、湖泊、、池沼、水水库等。在在评价地表表水体时矿井充水影影响时，需需要考虑以以下几个问问题：1、其本身特点点：2、与煤层层的相对关关系：1）地表水水体位于煤煤层之下，，无影响。。2）位于煤煤层之上，，有影响，，其影响大小取决决于：（1）二者者的垂距；；（2）地下下水体的岩岩性组合。。（三）大气气降水是渗渗入1、矿井涌涌水程度与与降水大小小、降水强强度和持续续时间有关关。2、矿井涌涌水量有明明显的季节节性变化。。3、大气降降水渗入量量随开采深深度增加而而减少。（四）老窑窑水采空区或废废弃巷道，，由于长期期停止排水水而积水的的地下水称称老窑水。。老窑水的特特点：1、象地下下水库，且且浅部分布布较多。2、分布无无规则，准准确位置不不易确定。。3、酸性大大，多为强强酸性水。。二、矿井井涌水通通道分析析（一）岩岩石的孔孔隙这种通道道往往存存在于未未成岩的的松散沉沉积物中中，其透透水性能能取决于孔隙的的大小和和形态，，孔隙大大涌水量量就大。。（二）岩岩石的裂裂隙风化裂隙隙、成岩岩裂隙和和构造裂裂隙均能能构成矿矿井涌水水通道，，其中风化裂隙隙、成岩岩裂隙所所含水量量不大，，只有与与其它水水源连通通时，才才能使矿井充充水，构构造裂隙隙是矿井井涌水和和矿井突突水的主主要通道道。构造造裂隙包括：：节理、、断层和和巨大的的断裂破破碎带。。1、节理理：脆性岩石石中节理理较发育育，且为为张性节节理，透透水性好好，柔性岩石中中节理细细小，透透水性差差。2、断层层：1）隔隔水断层层；2））透水断断层。3、断裂破破碎带：具有较较高的空空隙，有有利于突突水。（三）岩岩石的溶溶隙岩石的溶溶隙是可可溶性岩岩层被溶溶蚀而形形成。岩溶区岩岩溶水的的运动和和岩溶溶溶洞的发发育、分分布,具具有垂直直分带性性：1、包气气带（I）：位于最高高地下水水位以上上。2、水位位季节变变动带（（Ⅱ）：位于高水水位和低低水位之之间3、饱水水带（Ⅲ）：处于地下下水面以以下。4、深部部循环带带（Ⅳ）：位于当地地侵蚀基基准面以以下。（四）人人工通道道1、崩落落法采煤煤造成的的裂隙。。2、钻孔孔造成的的涌水通通道。三、影响涌水水量大小小的因素素影响矿井井涌水量量大小的的因素有有：充水来来源、充充水通道道、覆盖盖层岩性、围围岩岩性性、地形形条件等等。1、覆盖盖层及围围岩岩性性：2、地形形条件：：3、地质质构造：：地质构造造是影响响矿井涌涌水量大大小的重重要因素素。1）断裂裂面：断裂面性性质不同同对涌水水量打下下的影响响程度不不同。（1）压压性断裂裂面；（（2）张张性断裂裂面；（（3）扭扭性断裂裂面。2）构造造部位：：不同的构构造部位位对矿井井涌水量量影响程程度不同同。（1）断断层产生生的裂隙隙发育地地段，对对矿井涌涌水量影影响大。。（2）断断层交叉叉点容易易突水。。（3）断断层密度度大的地地段，岩岩石破碎碎、裂隙隙发育、、易突水水。（4）有有些矿井井断层上上盘次一一级的断断裂较发发育，突突水性强强。四、地下下水运动动的基本本规律（一）地地下水的的运动条条件：1、岩层层必须透透水。2、地下下水面必必须具有有水力坡坡度。水力坡度度：沿水流方方向上单单位距离离内的水水位差。。水力坡度度式中：h1--过水水断面1处水位位标高；；h2--2处处标高，，L—两两断面距距离（二）地地下水运运动状态态1、层流流：水质点点作连续续运动，，流束平行行而不混混杂。2、紊流流：水质点运运动不连连续，流束不平平行而混混杂。（三）地地下水运运动的基基本定律律：反映层流流运动的的基本定定律叫达达尔西定定律。Q=KΔH/L=KI式中：Q—单位位时间的的渗透流流量，m3/s；K—渗透透系数，，m/s；—砂砂样过水水断面面面积，m2；L—砂样样长度，，m。等式两边边同除，上式变变为：Q/=KIV=KIV——渗透速速度，m/s地下水的的渗透速速度，并并不等于于地下水在在岩层中中运动的的实际速速度，因为渗透透速度V=Q/，其中过过水断面W包括括岩石颗颗粒和空空隙，实实际上水流只通通过岩石石的空隙隙部分，，因此不是实际际的过水水断面，，实际的的过水断面0=n，n——岩石空空隙率，，既在岩石石或土壤壤中，单单位体积积所含空隙的量量。实际流速速：u=Q/0=Q/n有有V=nu∴n﹤1∵V﹥u既既实际流速总总是大于于渗透速速度。在式V=KI中中，当I=1时时，渗透透系数在在数值上上等于渗渗透速度度，渗透透系数表示示了岩石石渗透性性的好坏坏，透水水性好的的岩石，，渗透系系数值大大，渗透系数数是一个个非常重重要的概概念。（四）抽抽水实验验1、地下下水向井井运动的的基本规规律1）潜水完完整井涌涌水量计计算潜水完整整井：开开凿在潜潜水含水层中并并打穿到到隔水层层底板。。设：井轴轴--OY隔隔水水基底--OX流向井中中任意断断面上的的流量，，应符合达达尔西定定律：Q=KI式中：I=dy/dxW=2xy公式（1）、（（2）中中：Q——井的涌涌水量，，米3/昼夜；；K—渗渗透系数数，米/昼夜夜；H——含水层层厚度，，米；h—井中中出水地地段高度度，米；；S—水位降深深值，米米；R——影响半半径，米米；r——井的半半径，米米。2）承压压水完整整井涌水水量计算算：承压水完完整井：开凿在在承压水水含水层中并并全部揭揭露含水水层。推倒结果果：3）完整整潜水自自流井涌涌水量计计算：在承压含含水层中中，水位位降深很很大，井周围出出现无压压流，这这种类型型的井—潜水自流流井。推倒过程程中分段段（无压压段、承承压段）计算算，结果果为：2、测定定渗透系系数K：抽水试验验是野外外测定K值的准准确方法法，通过抽水水测定Q、H、、S、r值，影影响半径根据据观测孔孔实测的的水位下下降值，，用图解解法确定定。第三节矿矿井水文文地质观观测及其其水害的的防治一、矿井井涌水量量预计方方法矿井涌水水量：单位时间间内涌入矿井井的水量量。（一）巷巷道系统统的水力力学法：：（二）水水文地质质比拟法法：1、单位位面积、、单位降降深法：：这种方法法是根据据涌水量量随开采采密集、、开采深深度增加加而增加加的规律建立的的关系式式。如：：已知生生产矿井井的开采采面积（（A0），开采采深度（S0）,总涌涌水量（（Q0）。则单单位面积积，单位位降深的的涌水量量（q0）Q0q0=—————A0S0与生产矿矿区条件件类似的的新矿区区的最大大涌水量量Qp：Qp=q0ApSp2、富水水系数法法：同一时期期矿井的的排水量量Q（吨吨）与开开采量P（吨））之比，，称为富富水系数。。K=Q/PKp—富水系系数预计相似似条件下下，开采采量为P′的设设计矿井井的涌水水量Q′′：：Q′=KpP′二、矿井井涌水量量的测量量方法（一）浮浮标法：用于巷巷道排水水沟测量量的一种种方法。。Q=0.8FV式式中：0.8——阻力系系数，F—过水水断面，，V—流流速V=L/tL——浮标移移动距离离，t——所用时时间。（二）堰堰测法：：理论公式式：矩形形堰：Q=0.01838(b-0.2h)h3/2h—水流流高度b—堰底宽度度。矩形形堰（三）容容积法：将巷道道顶板或或涌水钻钻孔的水流直直接引入入量水桶桶中，然然后计算算涌水量，，其公式式：Q=V/tV—量水水桶体积积t—流流满量水水桶的时时间。（四）观观测水仓仓水位法法：计算公式式：三、矿井水水的防防治（一））地表表防水水指在地地表修修筑排排水工工程，，以防防止或或减少少大气气降水水和地地表水渗渗入井井下。。地表防防水的的主要要措施施：1、慎慎重选选择井井筒位位置：应保保证在在任何何情况况下，，井口口、地地面设设施不不至于被被水淹淹没。。2、河河流改改道：若矿矿区内内河流流通过过并严严重影影响生生产时时，可可考虑虑该方方法。3、铺铺设不不透水水人工工河床床：在河河流不不能改改道时时，可可在漏漏水地地段利利用水泥等等材料料铺设设不透透水人人工河河床，，或局局部填填塞裂裂隙以以制止止河水水漏失。4、修修筑排排水沟沟：5、堵堵漏：对地表表的裂裂隙、、洞穴穴以及及陷坑坑等漏漏水地地段，，用粘粘土填填堵。。（二））井下下防水水1、老老窑积积水的的探放放：探放老老窑积积水的的工作作程序序：1）调调查老老窑分分布：2）探探水起起点：（1））积水水线：：调查查核定定的采采空区区边界界。（2））探水水线：：积水水线外外推60-150m的一一条线线。其其确定定依据据：资资料的可靠靠性、、积水水区水水头压压力和和煤层层厚度度等条条件。。（3））警戒戒线：：探水水线平平行外外推50-100m所圈圈定的的一条条线。。3）探探水孔孔的起起点：（1））布置置原则则：其布布置应应以确确保不不漏古古巷道道，保保证生产安安全，，而探探水工工作量量又以以最小小为原原则。。（2））几个个概念念：a超前前距：探水钻孔孔终孔位置超前掘掘进工作面面的距离。。b允许许掘进距离离：经探水后证明无水水害威胁，，可以安全掘进的长长度，一般般为20米米。c帮帮距：探水钻孔孔一般不少于3个，，一个为中中心眼，d钻钻孔密度：允许掘进进距离的终点探探水钻孔之之间的间距距。一般不大于于古空老巷巷的尺寸。。(3）布置置方式：在巷道中中5个钻孔孔可以成平平面上，也也可以垂直直面上。2、酸性水水的防治1）形成条条件：硫和富含含游离氧的的地下水存存在是酸性性水形成的的必要条件。2）按硫酸酸根的含量量，矿井水可分分为三类：（1）无侵侵蚀性水SO4=<250mg/g>（2）弱侵侵蚀性水SO4=250--800mg/g（3）强侵侵蚀性水SO4=>800mg/g3）防治措措施：（1）分区区排除酸性性水：条件件允许可单单独建立排排水系统，，使酸性水水中一次排除除。（2）分级级排除，降降低扬程（3）中和和酸性水：：（4）冲淡淡酸性水：：（5）利用用牛皮罐代代替水泵排排酸性水。。3、地下暗暗河的防治治1）形成：可溶性岩石石，在受大大降雨和地地下水的溶溶蚀作用以以后，便形成一些复复杂的管道道系统。2）分布规规律：（1）只存存在于灰岩岩、白云岩岩等可溶性性岩石中。。（2）受构构造控制：：如沿走向向断层发育育等。（3）受地地形控制：：从高处流流向低处的的特点。（4）多数数暗河为一一独立管道道系统，与与同一含水水层的水力力联系不密密切。3）防治：：（1）堵塞塞；（2））绕过；（（3）截流流；（4））断流。4、井下防防水煤柱的的留设：在受水害威威胁的地段段，预留一一定宽度和和厚度的煤煤层不采，使工作作面的水体体保持一定定的距离，，以防止地地下水或其它水源馈馈入工作面面，所留设设的煤层——防水煤柱。。在矿区遇下下列情况应应留设防水水煤柱：1）急倾斜煤层层上覆含水水层（疏松含水水层）：2）煤层直接与与含水丰富富的岩层接触时时。3）煤层被强含含水层所掩掩盖时。4）巷道接近导导水断层时时。5、井下截截水建筑物物的设置：1）水闸门门：是预防井井下突然涌涌水威胁矿矿井安全而而设置的一一种特殊闸门，它在在正常情况况下不妨碍碍运输、通通风和排水水，一旦发发生水害时，将其关关闭可控制制水流，把把水害控制制在一定范范围内，保保证其它采区安全生生产。2）水闸墙墙：可分为临时时性水闸墙墙和永久性性水闸墙。。临时性水水闸墙是用用木料和砖料砌筑筑；永久性性水闸墙为为混凝土或或采用钢筋筋混凝土。。6、含水层的蔬蔬干：1）吸水钻钻孔：将煤层上部含水层层中的水通通过钻孔放入下下部含水层层中。使用的的条件是：：（1）煤