第一部分 矿井水文地质基础知识

第一部分矿井水文地质基础知识

张文泉主讲人：山东科技大学矿业与安全工程学院二〇一六年三月2023/2/4山东科技大学矿业与安全工程学院工学博士、教授、博导、副所长中国煤炭工业技术委员会防治水专家中国煤矿开采损害技术鉴定委员会委员国土部矿山地质灾害与环境保护评审专家科技部与山东省科技计划与奖励评审专家教育部优秀博士论文评审专家山东科技大学水文学与水资源学科带头人山东省安全工程泰山学者学术骨干兼任中国民建泰安市委员会副主委、泰安市政协常委

张文泉主讲人青泰办)wenquanzhang@163.com2023/2/4矿井水文地质类型1矿井涌水条件分析2矿井水文地质条件的调查3提纲矿井水文地质条件的探查工作4一、矿井水文地质类型与矿床水文地质类型划分的异同

2023/2/4

第一章矿井水文地质类型

表1-12023/2/4二、我国矿井水文地质类型的划分

2023/2/4

表1-22023/2/42023/2/4第二章矿井涌水条件分析影响矿井水害的四大要素A、充水水源是否存在，如果存在，有何特征。B、充水途径是否存在，如果存在，属何类型。C、充水强度如何，一旦出水有何后果。D突然来水还是缓慢性涌水。充水“水源”充水“途径”充水“水量”充水“方式”2023/2/4人为充水水源分析自然充水水源分析矿井充水水源分析

根据充水条件特征，可将矿井充水水源划分为：矿井充水水源分析

第一节充水水源2023/2/4自然充水水源分析承压水潜水上层滞水大气降水顶板水底板水周边水自然充水水源地表水松散孔隙地下水基岩裂隙地下水碳酸盐岩岩溶地下水2023/2/4人为充水水源分析人为充水水源老空水袭夺水袭夺水是由于矿井开采,降落漏斗不断拓展,人工流场强烈改造矿区天然地下水流场,人工地下水流场获得新的补给水源叫做袭夺水.矿井充水水源亦可划分为以下四个方面，矿床及矿床地层中的地下水、地表水、大气降水、老窖及淹没井巷积水。一、大气降水大气降水主要指雨、雪融水，一般情况它们先渗入地下再进入矿井，但有时也可直接灌入矿井，其水源特征见表2-1。2023/2/4

注：我国幅员辽阔、地形复杂、气候差异，各地降水量大小、雨量分配、降水强度和降水类型，以及降水频率等变化很大。对各地区矿井涌水影响程度不同。有关区域降水情况可查阅当地气象站资料。表2-1大气降水的水源特征2023/2/4

二、地表水表2-2地表水的水源特征地表水指矿井附近及采区上方的地表水体，其水源特征见表2-2。2023/2/4三、矿层及矿床地层中的地下水

矿层及矿床地层中的地下水指地表以下含水层中赋存的水，是矿井最经常、最直接、最主要的充水水源，按其类型包括孔隙水、裂隙水及岩溶水。1．孔隙水

孔隙水的水源特征见表2-3。类型赋存条件含水层特征对生产矿井的影响矿床上覆第四纪地层中的孔隙水呈角度不整合覆盖于矿床岩层之上含水层松散未经胶结，属孔隙潜水或承压水；水量大小取决于含水层的成因类型、岩性结构、颗粒成分、厚度和分布面积。

在井筒施工中和开采接近含水层底部的矿床时出现涌水、涌砂、片帮等问题；第四纪含水层可能成为矿床周围含水层的补给源。矿床岩层中的孔隙水经常构成矿层的直接或间接顶底板，或赋存与矿床周围

含水层通常胶结或半胶结。以孔隙承压水为主；水量决定于含水层岩性厚度，并随矿床产地范围内不同地段的沉积特征不同而有所变化。水压随含水层埋深增加而增大。

揭露含水层时出现涌水、涌砂、片帮、垮顶。尤其是胶结程度差的粉、细砂岩含水层中涌砂、片帮和垮顶更严重；涌水量一般不大。2023/2/4

2．裂隙水

裂隙水的水源特征见表2-4。类型赋存条件含水层特征对生产矿井的影响层状裂隙水

基岩裸露区和被第四纪沉积物覆盖的基岩风化壳中

多为潜水，局部承压水。呈层状（或似层状）分布，风化裂隙带厚度一般30～60米左右。随深度增加裂隙不发育，含水性也相应减弱；富水性与岩性、风化程度、地貌条件等有关。

揭露时经常涌水，但水量不大，雨季有显著增加，一般可以疏干。层间裂隙水

分布于沉积岩、喷出岩和变质岩的一定层位中

多数是承压水，局部潜水。呈层状分布，含水性与岩性、区域性裂隙、成岩裂隙的发育程度有关；不同构造部位富水性有明显的变化。

揭露时水量一般不大（在无其它水源补给时），经过长期排水可以逐渐疏干；水压往往较大，可以发生突水。状裂隙水

各类脆性岩石的构造破碎带（断层带）中

多为承压水，呈带状，沿一定方向分布。含水性与构造破碎带的规模大小、力学性质、充填情况、补给条件等有关；断层带的不同部位因裂隙发育不均一，富水性有很大差别。

破碎带本身含水量有限可以疏干。但当沟通上、下含水层或地表水体时会导致严惩的突水事故。不仅瞬时涌水量大，动水量也十分充沛，甚至造成淹井。表2-4裂隙水对矿井的充水特征2023/2/43、岩溶水

岩溶水的水源特征见表2-5。表2-5岩溶水对矿井的充水特征2023/2/4类型赋存条件含水层特征对生产矿井的影响浅埋型岩溶地下水裸露型岩溶区地下水岩溶裂隙潜水落石出弱岩溶化的白云岩、薄层灰岩，以及不纯的碳酸岩类地区

岩溶不发育，分布不均一，埋藏浅，属潜水。地下水一般作无压、层流渗流运动，动态变化较大。

揭露时井巷涌水不大，但雨季显著增加。地下暗河水

气候湿润，均质厚层灰岩分布区，尤其是产状平缓，构造破碎的地段。

岩溶发育，分布极不均一。强烈的差异溶蚀形成地下岩溶通道，构成地下河。地下水流速大，一般作无压紊流运动，局部为有压流、层流，动态变化幅度很大。

井巷涌水量季节变化悬殊，暴雨后涌水量猛增，对矿井造成严重威胁；矿井大幅度疏干可能引起排泄暗河的河水倒灌。覆盖型岩溶地下水脉状岩溶裂隙不集中径流带地下水

多在第四纪沉积物和岩溶岩层接触面附近或断层带中。

岩溶不发育，分布不均一，埋藏浅，属承压水，但水压不大。地下水一般为层流渗流运动，水位变化幅度不大。

井巷涌水量一般不大，季节性变化不如裸露区明显；强烈排水可以引起漏斗范围内岩溶区地表塌陷。

在不均一的互层碳酸岩岩层的断裂带及其两侧裂隙中，或均一厚层灰岩岩溶发育地段。

岩溶发育段集中，不均一，埋藏较深，属承压水。地下水层流与紊流取决于通道情况，水位变化幅度小。地下径流带为富水性强的地段，井巷涌水量大且稳定，不易疏干；在径流带排水疏干也会引起地表塌陷，塌陷带沿径流带分布，增大了雨季矿井涌水量。深埋型岩溶地下水层间裂隙岩溶水

分布在上覆和下伏非岩溶化岩层所限制的岩溶岩层中

岩溶发育较均一，埋藏深，但有减弱的趋势，属承压水，水压一般较大。地下水多作层流运动，动态稳定。

揭露时瞬时突水量和水压较大（尤为厚层灰岩），动水量也较稳定。脉状裂隙岩溶水

赋存在很厚的碳酸岩岩石的构造破碎带中，呈条带状分布。

岩溶发育较均一，埋藏深，有时形成深部水循环。属承压水，地下水为层流渗流运动，动态稳定。

井巷涌水量大小决定于补给源情况，来源充足时，涌水量大且稳定。2023/2/4充水通道人为通道自然通道岩石空隙开采围岩破坏空隙构造空隙废弃钻孔2023/2/4矿井充水通道分析

第二节充水通道

一、自然通道

自然通道主要指岩石空隙和构造空隙。

1.岩石空隙(见表2-6)。

2.构造空隙，主要指断裂带(见表2-7)。

表2-6矿井涌水通道类型

表2-7断裂带对矿井的充水特征

2023/2/4

表2-6

矿井涌水通道类型

注：1、孔隙、裂隙、岩溶通道三者可互相组合。

2、构造空隙，主要指断裂带等构造裂隙见表2-8。2023/2/4

表2-7

断裂带对矿井的充水特征类型充水性分类模式图示水文地质特征隔水断裂带

天然状态下隔水开采后仍然隔水

断层两侧多为塑性岩层组成。多数属压性或压扭性断裂。少数为张性或张扭性，但断裂带充填良好，胶结致密，不透水。

天然状态下隔水，开采后变为透水

断层两侧为不透水的塑性岩层，但距高压含水层较近，围岩强度较低，井巷开采后，在含水层水压和矿山压力作用下促使围害岩微裂隙扩大，或断层带充填物被冲蚀，压出而透水。透水断裂带不沟通其他水源者

多属张性、张扭性断裂。断层两侧常见脆性岩层组成。断裂带本身含水，但储水量有限。井巷初次揭露可能突水，以后逐渐疏干。

沟通其他水源者

属张性、张扭性断裂较多，也可以是压性断裂带两侧低序次张性羽状透水裂隙带，当与一侧强含水层对接，或沟通上部强含水层、地表水体时，断层突水量大，水量稳定，不易疏干。2023/2/4二、人为通道

人为通道主要指废弃钻孔和开采破坏裂隙(见表2-8)。

表2-8

人为通道类型2023/2/4类型模式图示充水特征及对生产矿井的影响

未封闭或封闭质量差的钻孔

1、起沟通矿层上、下含水层和地表水作用；2、回采揭露时涌水、水量、水压取决于是否贯通强含水层或地表水，以及钻孔孔径和水压差；3、对排水能力较小的矿井可能造成淹井事故。

回采后顶板冒落和底板鼓胀裂隙

1、冒落裂隙沟通地表（但无地表水体），矿井涌水量增加与雨季、融雪期有关。加强地面防水，可避免淹井事故；2、冒落裂隙沟通强含水层或地表水体，大量水压与隔水层厚度和底板岩石的力学强度（抗水压能力）有关。水压大的强含水层突破底板，容易发生淹井事故。

矿井排水后因潜蚀、掏空产生的疏通裂隙和地表塌陷

岩溶塌陷（1，2，3表示发展阶段）1、矿井长期排水后，使岩溶通道疏通，增加联通性，引起大量涌水、涌砂（可达数千至几万立方米），造成堵巷、淹井事故；2、岩溶含水层大量排水，引起覆盖岩溶区地面严重塌陷，大量地表水溃入矿井，毁坏农田，地面建筑物坍塌道路破坏等严重后果

表2-8

人为通道类型

2023/2/4

三、影响矿井充水的因素

影响矿井充水有自然因素和人为因素，这些因素是综合分析矿井充水条件的主要依据，也是评价矿井水文地质条件复杂程度的重要指标(见表2-9)。2023/2/4

表2-9

影响矿井充水的因素充水因素与矿井充水的关系自然因素气候降水为主，降水量多寡决定补给矿井水的动储量大小。地形地表水汇集和渗入是否有利，与地形条件有关；矿床埋藏在侵蚀基准面以上或以下的矿井，地下水天然排泡和水动力条件不同，充水程度亦不同。矿床上、下岩层的组合型式决定含水层赋存条件、含水层类型、水量、水压，以及充水方式（来自顶板或底板）。地质构造构造型式与规模决定了地下水天然储量的大小。不同构造部位富水性差异，充水程度不同；断裂发育程度影响含水层之间，与地表水之间的水力联系，促使矿井充水条件复杂化。地表水是充水的重要水源之一，矿井距离地表水体远近不同（垂直与水平方向距离），充水影响程度也不同；当与地表水发生联系时，一般充水条件复杂，动储量大。人为因素开拓方式与揭露含水层程度有关。开采方法开采方法不同，使上覆岩层裂隙的发育程度不同，矿井充水程度也随之而不同。疏干方法合理的疏干能有效减少水量，降低水压，保证安全生产。反之，可以改变地下水水动力条件，引进新水源，增加矿井涌水量。2023/2/4

第三节各类充水矿井的特征

及其防治水措施

一、孔隙含水层为主的充水矿井

以孔隙含水层为主的充水矿井的充水特征及防治水措施见表2-10。2023/2/4

表2-10以孔隙含水层为主的充水矿井的充水特征及防治水措施水文地质条件特征防治水措施简单

主要充水岩层为半胶结或松散的细粒砂、粉砂岩；含水层厚度较小，或呈透镜体分布，补给条件差；含水层与地表水之间无水力联系，涌水量一般<1米3/分，个别出现涌砂，甚至较严重1．正常排水；2．留设一定厚度防水岩柱；3．穿过流砂层时，采用特殊施工方法，或水砂分离，设置挡砂墙等措施中等

主要充水岩层为半胶结或松散的粗粒砂，卵砾石层；含水层厚度较大，与煤层之间的隔水层较薄，或含水层与古河床、地表水之间有一定的联系，涌水量一般10米3/分

1．适当加强排水能力；2．留设足够的防水岩柱，防止冒落带贯通砂、砾石层；3．采取地表防治水措施，减少矿井涌水量复杂

有地表水和含水丰富的冲积层直接覆盖于煤层之上，其间隔水层薄，分布不稳定，与地表水之间有密切联系，涌水量>10米3/分以上

1、2、3、同上；

4．在可能条件下处理地表水体，以减少矿井涌水量2023/2/4

二、裂隙含水层为主的充水矿井

以裂隙含水层为主的充水矿井的充水特征见表2-11。2023/2/4

表2-11以裂隙含水层为主的充水矿井的充水特征水文地质条件特征防治水措施简单

位于侵蚀基准面以上，或以下，但远离地表水体，区域降水量小，补给条件差；主要充水岩层为细粒砂岩、砂质页岩。裂隙不发育，构造较简单，涌水量<5米3/分，一般为1～2米3/分

正常排水即可中等

位于侵蚀基准面以下，主要充水岩层为粗粒砂岩、砂砾岩，裂隙较发育，含水层裸露地表，降水影响大，或受矿床基底承压裂隙水的补给，动储量较充沛，涌水量一般5～10米3/分

1．以足够的排水能力进行疏干；

2．加强预防地表水渗入的措施，以减少涌水量；

3．井下裂隙发育的出水点适当进行堵水。复杂

位于侵蚀基准面以下的矿井，矿床上有较厚的砂砾冲积层，并与地表水体有水力联系，涌水量可>10米3/分以上

1．同上；

2．留设防水岩柱预防塌陷，裂隙贯通地表水体

2023/2/4

三、岩溶含水层为主的充水矿井

以岩溶含水层为主的充水矿井的充水特殊性征见表2-12。2023/2/4

表2-12以岩溶含水层为主的充水矿井的充水特殊性征水文地质条件特征防治水措施简单

1．干旱、半干旱区，侵蚀基准面以上，溶隙为主含水层充水的矿井；

2．侵蚀基准面以下，构造简单，与地表水无水力联系，厚度不大的溶隙为主含水层充水的矿井，涌水量<10米3/分

1．准备足够排水能力正常排水；

2．适当地采取堵水措施中等1．降水丰沛区，溶隙充水岩层裸露地表，或有厚层砂、砾石冲积层覆盖的矿井；

2．主要充水岩层以溶洞为主的含水层，但厚度不大，与地表水无水力联系的矿井；

3．主要充水岩层为溶隙含水层，断裂构造发育，与地表水有联系的矿井，涌水量10～20米3/分1．地表加强防洪排涝措施；

2．井下加强排水能力，疏水降压；

3．井下大突水点注浆堵水；

4．设置防水闸门；

5．留设防水岩柱复杂

1．降水充沛区，溶洞发育的充水岩层裸露地表，地形低洼，有利地表水汇集的矿井；

2．处于地表水体下，或临近地表水体岩溶发育的矿井；

3．处于地下暗河或岩溶集中迳流带附近的矿井；

4．顶、底板有高水压强岩溶化含水层，隔水层薄或虽厚但断裂发育经常与强岩溶化含水层对接的矿井；

5．与第四系等强烈充水含水层有密切水力联系的岩溶充水矿井；

6．涌水量>20米3/分1．加强排水能力，留有充分的余地；

2．设置密闭式泵房，建筑防水闸门，分区隔离；

3．对地表河流采取防渗，改道等措施；

4．查明集中迳流带、暗河通道，进行堵塞，灌注防水帷幕截流；

5．堵塞地表塌陷裂缝和井下突水点；

6．留设防水岩柱；

7．加强对断层和强含水层的探放水；

8．带压开采或疏水降压

2023/2/4第三章矿井水文地质条件调查

矿井水文地质工作是保证矿井安全生产和国家资源合理回收的重要工作。而这些工作是在矿区水文地质条件清楚的基础上开展的。只有查明矿区工程水文地质条件，才能正确分析矿床充水因素。预计矿井涌水量、为矿井设计、建井和生产提供必要的工程水文地质条件，并在此基础上对矿井充水的防治、矿区地下水的综合利用及矿井疏干排水过程中出现的工程地质问题作出评价或提出可行的措施。地质构造则控制矿区地下水的分布，并是突水的主要渠道，也必需调查清楚。而工程地质条件的调查，则有利于井巷岩体稳定性的评价，预防各种工程地质灾害。2023/2/4第一节矿区地质构造特征及规律的调查研究

地质构造是影响矿井生产的重要因素，它不仅是地质变化的控制因素，同时，对地下水的埋藏、径流条件也具有明显的控制作用，它的存在常常造成煤矿突水事故、井下岩体失稳。因此，地质构造是矿区工程水文地质条件调查的主要内容。2023/2/4

一、矿区格局的特征

构造格局是指井田或矿区总的构造类型、组合模式及分布规律。如总的构造类型可以分为单斜构造、褶曲构造、断块构造等。从地质力学观点可用构造体系要领来分析。如以褶曲为主要构造类型，要了解其次级褶曲的规模、数目、组合、分布及主要构造线方向等；又如以断块为主要构造类型，则要了解各级断裂的性质、断块规模、数目、断裂组合及分布规律，主延展方向等。2023/2/4二、构造力学性质及构造应力场特征

构造力学性质对地下水的存、移及其导水、阻水性起着决定作用。对工程地质条件也有所影响，常构成各种岩体结构面，如断层、节理、劈理等。

断层按受力形式不同，可分为张性、压性、扭性、张扭及压扭性五种类型。2023/2/4三、构造控水特征

地质构造对地下水赋存和运移具有明显的控制作用。这种控制作用主要是由透水岩层的导水作用和隔水岩层的阻水作用而构成的，地质构造对岩层含水性隔水性的控制作用主要表现在：

1．地质构造控制岩层裂隙岩溶的发育程度。

2．控制含水层分布埋藏特征。

3．控制地下水的运动特征。

对地下水赋存和运动起着控制作用的地质构造，称为控水构造。主要表现为蓄水作用、导水作用、阻水作用和汇水作用。故分别称之为蓄水构造、导水构造、阻水构造和汇水构造。控水构造主要有褶皱构造和断裂构造，另外，单斜构造及其它构造对地下水也有一定的控制作用。2023/2/4㈠褶皱控水作用

在褶皱构造中，如果同时分布有透水岩层（或岩石透水带）与相对隔水岩层时，相对隔水层构成隔水边界。透水岩层成为含水介质。这种褶皱构造在适宜补给条件下，即形成蓄水构造，它包括向斜蓄水构造和背斜蓄水构造。

背斜蓄水构造，必须具备含水层，相对隔水层，同时地形上又具备有利的补给条件。向斜蓄水构造就是能够富集和储存地下水的向斜盆地。2023/2/4㈡断层控水作用

断层对地下水的控制作用，与断层的力学性质有关。张性、张扭性断层，其构造岩带疏松且多孔隙，透水性和含水性强，常构成富水带或导水带，或者形成蓄水构造，而压性及压扭性断层，结构面紧密，构造岩多为压片岩、糜棱岩，断层泥及构造透镜体等物质，并常有不同的动力变质作用，如硅化蛇纹石化等，透水性和含水性都很低，构成相对隔水层，起阻水作用。1．断层蓄水作用2．断层导水作用3．断层阻水作用2023/2/4

构造对地下水的控制作用，还表现在控制地下水的补给、径流、排泄条件及其运动特征。例如：切穿承压含水层的断层，即可接受地表水浅部地下水的补给。同时又可在承压水压力作用下排泄地下水，使原来地下水径流条件改变，阻水断层的存在可以使处于流动的承压水变成封存水。2023/2/4总之，在矿产开采过程中，要特别注意控水构造，对地质构造进行力学分析，查清构造形迹及力学性质，确定其主构造线。一个矿区，有几组构造线时，要区分构造序次，建立构造体系并分析各构造体系之间的关系，掌握地下水的空隙发育规律及地下水富集规律。㈢构造的其他控水作用第二节矿区水文地质特征及其规律的调查研究

从水文地质角度研究地质构造。了解地下水的分布规律，进行地下水分类，这不仅便于地下水的研究，也有助于地下水的勘探和涌水量的预测，了解地下水化学成分特征，并根据这些特征决定其用途以及作为研究地下水污染和矿井来源分析的重要手段。矿区水文地质条件是评价矿井能否安全经济合理地开采的关键性因素之一。2023/2/4一、含水层、隔水层特征㈠含水层（带）的特征

贮存有可以自由流动的重力水的岩体，称为含水层（带）。它有两种主要形式，一种是岩石空隙主要受岩层等地质体所控制，并随岩层呈层状均匀分布的含水层，如砾岩和砂岩组成的碎屑岩层等岩层。另一种是岩石的空隙主要受地质构造或风化带所控制，而不受岩层界面限制的含水带，如风化含水带，侵入岩与石灰岩接触破碎带等。

1．含水层的构造条件：

1232023/2/4

2．含水层分类

2023/2/4(2)根据含水层贮藏条件及水力状态划分为：

承压含水层：是两个不透水层或弱透水层之间所夹的完全饱水的含水层，承压含水层中任一点的水压力都大于大气压。

潜水含水层（又称无压含水层）：其岩性较单一。为散体粒状或块状结构，呈统一含水层体。

⑴根据含水层空隙类型划分为：

孔隙含水层：大多数为松散沉积物，如砂砾石含水层，各种砂粒含水层等。

裂隙含水层：主要为各种坚硬岩石所构成的含水层，如砂岩裂隙含水层等。

岩溶含水层：是指可溶岩层溶蚀发育而构成的含水层，以碳酸盐类岩石为主，如石灰岩含水层。2023/2/4⑶据岩层含水性可分为：

富含水层：其钻孔平均单位涌水量g≥2L/s.m，泵水最大流量Q>30L/S，如砂砾石含水层等。

弱含水层：如粉砂、细砂土等。

2．含水层分类

⑷按岩层透水性在空间变化可分为：

均质含水层：指透水性能与区域坐标位置无关，含水层中渗透系数变化不大的含水层。

非均质含水层：含水层的透水性能随区域坐标而变化，即渗透系数在含水层不同空间位置数值不同。3．含水层水文地质特征的定量表示指疏干潜水含水层时，单位体积的岩石内流出的水量2023/2/4

㈡隔水层（带）的特征

自然界中隔水界面有两种形式，即隔水层和隔水带。由不透水岩石组成的岩层，称为隔水层，如页岩、泥岩、泥灰岩以及裂隙不发育的基岩。隔水层对地下水的阻隔作用，称为隔水作用。

隔水层的隔水作用应从隔水层厚度，构成隔水层岩石的密度性质和力学性质，以及岩层的结构和构造等多因素分析。2023/2/4二、主要含水层含水性的研究

从区域来看，岩溶水具有明确的水平和垂直分带规律。在水平方向上，强含水带在褶皱轴部，断层破碎带，可溶岩与非可溶岩接触带呈脉带体分布，具有明显的方向性。2023/2/4

强含水带外围，一般含水较小。在垂直方向上，由于岩溶发育具有向深部减弱的规律，但并不绝对。因此浅部岩溶发育，富水性强，为强水带，深部岩溶发育较弱，含水性差，为弱含水带。2023/2/4为了有的放矢地防治岩溶水患，应在详细勘察的基础上，将岩溶含水层进行水平分区和垂直分带，即在水平方向上确定其富水区和强迳流带，在垂直方向上确定其富水的标高范围，以便为开采设计、疏干降压、堵水截流、防治水患提供依据。由于构造的分割作用，造成含水层在平面分布上被抬起或深陷，可使上述垂向分带转为平面分区。三、矿区水文地质边界、补给、迳流排泄特征

矿区的水文地质边界条件对矿区地下水的补给和水量有控制作用。水文地质边界，可按岩石水文地质性质及水文地质边界的表现形式进行分类如下。2023/2/41、按岩石水文地质性质的不同，可分为隔水边界与透水边界。

透水边界是由透水岩石组成，它对地下水起补给或排泄作用。

隔水边界是指隔水层（带）或隔水岩体，对矿区地下水起封闭作用，如隔水层（带）的分界面、阻水断层、阻水岩体等。

补给边界与排泄边界并不都是绝对的，在人工流场下可以互相转化。

2、按水文地质边界的表现形式，一般有下列四类：地形边界，地质边界，水文边界，人工边界。

地下水的补给来源主要有大气降水，地表水的渗入和含水层之间的互相补给。

大气降水的渗入为潜水的主要补给来源，它取决于降水性质、降水量的大小、地形、植被、覆盖情况、包气带岩石透水性和包气带的厚度等。

地表水可以通过各种通道（如：断层、开采裂隙）补给地下水。当承压含水层补给区位于地表水体之下时，地表水可直接补给承压水。2023/2/4

地下水的排泄是含水层失去水量的过程。其排泄方式主要有：泉的溢出、向地表水泄流蒸发及人工排泄等。在矿井生产中，人工排泄即矿井的排水、疏放水等都为主要排泄方式。

地下水从补给向排泄区运动的过程，称为径流。它主要受到补给区和排泄区的水位差、含水层的透水性及地质构造等因素的影响。

在矿区中，要查清主要含水层的富（透）水性能在水平和垂直方向上的分布规律，编制矿区强、弱径流带分布的平面和剖面图，从而找出主要径流带，对巷道布置、防治矿井水具有指导作用。四、降水、地表水与地下水的联系及各含水层之间的联系特征

大气降水、地表水与地下水是矿井涌水的主要水源。在生产过程中，了解它们之间的水力联系，对于计算矿井涌水量，预测涌水的可能性，以及制定矿井防水措施都具有重要的意义。降水、地表水与地下水发生水力联系，一般有如下几种形式：2．通过第四纪松散层及基岩露头，渗入补给地下水。1．通过构造破碎带或古井直接补给地下水。3．在水体下开采时，由于矿物开采后，顶板岩层冒落和产生裂隙，使降水、地表水进入井下，补给地下水。2023/2/41、降水、地表水与地下水的联系特征1、矿层围岩含水层（带）水，是矿井经常的最主要的充水水源。含水层类型在各井田中是不尽相同的，主要有孔隙含水层、裂隙含水层及岩溶含水层。这些含水层除了接受大气降水、地表水的补给之外，还接受相邻含水层或其它含水层的补给。

2023/2/42、各含水层之间的联系特征2、在松散沉积物中，粘性土层构成半含水半隔水层。一方面含水层之间可通过粘性土层中的“天窗”发生联系。另外，当上下含水层具有足够的水头差时，水头较高的含水层可以通过半隔水层越流补给水头较低的一层。2023/2/4查明矿区含水层之间的补给关系及其联系特征，是很有实际意义的。矿区供水利用某一含水层时，如果该含水层的其它含水层获得补给，则可开采利用的水量将有所增加。矿区疏干排水时，如果不考虑这种关系那将作出错误的排水设计，则达不到预期的疏干降之目的。3、穿过数个含水层的钻孔，可以人为地沟通含水层，使之发生水力联系。在矿区、井、巷也有可能使含水层发生水力联系。另外，含水层之间的联系，还有其它方式（如：第四纪松散沉积岩中的潜水对下伏含水层的补给，等等）。五、岩溶分布规律调查研究

岩溶体的空隙形成、发展、分布是有规律的。岩溶发育的两个基本条件：其一，具有溶蚀岩石能力和不断循环于岩石空隙中的地下水，它是岩溶形成的动力条件。其二，具有裂隙发育且透水的可溶岩，它是岩溶形成的物质基础，二者缺一不可。

1．岩溶主要分布在质纯的可溶岩地段可溶岩的存在是岩溶发育的先决条件，其成分和结构在很大程度上控制岩溶的发育程度。

就岩性而言，岩溶发育由强到弱顺序大致是：纯石灰岩，白云质灰岩，白云岩，大理岩。

2023/2/4

2．岩溶主要分布在断裂带部位

地质构造控制岩溶发育的空间分布规律。由于地质构造破坏了岩石的完整性，增加岩石的渗透性能，扩大了水与岩石接触可溶机会，加强了岩溶发育规律。

构造裂隙对岩溶的形成和发育最有意义，在断层附近和褶曲轴部位，为构造裂隙最为发育地段，岩石透水性好，地下水交替循环迅速，因而岩溶最为发育。构造体系的复合部位，由于多次构造运动的作用，应力集中，裂隙极为发育，岩溶发育强烈。2023/2/4

3．岩溶主要分布在可溶岩与非可溶岩接触部位:由于非可溶岩的阻挡，地下水沿接触部位的可溶岩中汇集或沿着非可溶岩以及裂隙改变流动状态，因而加强地下水对可溶岩的溶解冲蚀能力，使这里的岩溶发育。

4．岩溶主要分布在岩层近地表的部位：岩溶矿区岩溶发育程度，均反映出随深度的增加而逐渐减弱，即浅部岩溶发育强，深部发育弱的特征。在浅部由于风化裂隙发育，故岩溶沿现代风化裂隙最发育。

5．地下水天然排泄区岩溶发育：排泄区通道集中，透水性强，水量大，岩溶特别发育。

以上所述只是岩溶发育的一般规律，结合到具体矿区，就要根据各矿区的具体情况，找出本矿区岩溶发育的规律。掌握其特点，利其益，防其害。2023/2/4六、各含水体水化学特征的研究

地下水化学成分的形成，决定于区域地质发展史，地下水埋藏深度补给迳流条件，以及地下水与岩石、矿床的相互作用。矿区进行地下水化学成分及其变化规律的调查研究，目的在于分析各个含水体之间的水力联系和矿井水的来源，确定水的综合利用，防治水的侵蚀等。各种起源和各种环境含水体其水的化学成分是各不相同的。2023/2/4大气降水是海洋和陆地所蒸发的水蒸汽凝结而成。它的成分取决于地区条件，变幅较大，在靠近海洋处的降水成分以Na+Cl-为主，而在内陆，其成分与河水相似，以HCO3-Ca2+为主。总之，雨和雪是杂质较小而矿化度很低的软水，一般含盐量从数毫克/升～50mg/l，PH值一般在5.5～7.0之间。12023/2/4河水，一般矿化度较低（<1g/l），其主要阴离子为HCO3->SO2-4>CL-，湖水要比河水成分复杂得多，因湖水特殊性有的缓慢水交替和蒸发作用，矿化度很高，可达35g/l。2埋藏于松散沉积层中的孔隙水，由于其成因不同，补给径流条件不同，造成了化学成分也各不相同。洪积扇的上部迳流带，矿化度低（<1g/e）属HCO3-型水。中部溢出带，矿化度较高，可达10～20g/e，常为SO42—HCO3-或HCO3-—SO42-型水，而在下部垂直交替带，迳流条件差，排泄主要为蒸发作用，矿化度急剧增大（可达50g/e），水化学类型多为CL-—SO42-或SO42—CL-型水。3岩溶水，主要决定于可溶岩的岩性及化学成分。石灰岩地区的地下水多为低矿化的HCO3-——Ca2+型。白云岩地区的地下水多为低矿化的HCO3—Ca2+Mg2+型水。但是，环境不同，成分也不同。上述情况一般在近地表处，大气降水补给，迳流条件好，氧化环境下才出现。而在迳流微弱的地区，则可能出现SO42-型或CL-，SO42-型水。时，其差别则不甚明显。2023/2/4河流上游冲积物中的地下水，由于接受河水补给，矿化度低，多为HCO3-型水，再往下游，水质依次变为SO42-或CL-型水。45

循环于矿床中的地下水，由于所处的环境以及形成地下水化学成分的作用不同，因此矿区地下水成分不是单一的而是复杂多变的。

矿区地下水化学成分的复杂多变，不仅与氧化，还原作用有关，而且还与矿床的含硫量、埋藏条件、开拓方式、水文地质条件、气象因素、补给水源及排水量等有密切关系。因此，研究矿区地下水化学成分及其变化规律，可以反推分析各有关因素。2023/2/4含水层观测岩层裂隙观测断裂构造观测出水点观测突水预兆观测矿井涌水量观测充水性观测容积法浮标法堰测法流速仪法（流量计）水泵有效功率法井下水文观测井下水文地质观测的重点第三节井下水文地质观测重点2023/2/4（一）突水预兆观测与识别突水征兆：

挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现渗水、水色发浑、有臭味等异状。2023/2/4

突水征兆可分两大类：挂红、有臭味是化学现象；其余都是物理现象（主要是由温度或压力引发的）。上述18种突水征兆不一定都出现，多数突水，只有一部分征兆是明显的，甚至没发现征兆就突水了。（一）突水预兆观测与识别2023/2/42023/2/4（二）涌水量观测涌水水量分析涌水水量分析定量预测评价定性分析解析法类比法统计学方法数值法⒈容积法：

用一定容积的量水容器（桶），放在出水点附近，将出水点流出的水导入量水容器内，用秒表记下流满量水容器所需要的时间，按下述公式计算其涌水量：

式中：Q—涌水量（m3/h或m3/s）

V—量水桶的容积（m3

或l）

t—流满水桶所需的时间（h或s）

容积法测定小涌水量一般比较准确，但有局限性，当涌水量过大时，这种方法不宜使用。（二）涌水量观测2023/2/4⒉浮标法在规则的水沟选定上下游两个断面，并分别测定这两个断面的过水面积F1和F2，取其平均值F，再量出这两个断面之间的距离L，然后用一轻的浮标（如木片、树皮、厚纸片、乓乓球等），从水沟上游的断面投入水中，同时记下时间，等浮标到达下游断面时，再记下时间，两个时间的差值，即浮标从上游断面到下游断面，流经L长的距离所需的时间t，然后按下式计算其涌水量Q：浮标法简单易行，特别是涌水量大时更实用，但精度不太高，一般还需乘上一个经验系数。需考虑水沟断面的粗糙程度，风方向逆水流等，一般取0.85。（二）涌水量观测2023/2/4⒊堰测法这种方法的实质，就是使排水沟的水，通过一固定形状的堰口，测量堰口上游（一般在3倍h的地点）的水头高度，通过公式计算出流量。堰测法主要的三种堰形

三角堰梯形堰矩形堰（有缩流）矩形堰（无缩流）式中：Q—流量（l/s）;B—堰口底宽（cm）；

h—堰口上游2倍h处的水头高度（cm）（二）涌水量观测2023/2/4三角堰只是在流量小于30m3/h的情况下适用；堰口的上下游一定要形成水头差（跌水）；堰板周围要堵严，保证水流只能从堰口通过；堰口应安设在水流较平缓的地方，必要时建专门的稳水池；堰口前应防止杂物淤积（超出堰底）；测量水头高度应是堰口上游约3倍h地点的水头高度。堰口跌水示意图使用堰测法应注意：（二）涌水量观测2023/2/4⒋流速仪法在巷道水沟比较平直、水流比较平稳的区段上选定测流断面，然后用流速仪测定水沟过水断面中预定测点的平均流速，从而确定该断面的流量。流速仪主要由感应部分（包括旋杯、旋轴、顶针）、传讯盒部分（包括偏心筒、齿轮、接触丝、传导系统）及尾翼等三部分组成。水流速度的测定，实际上就是测量在预定时间内旋杯被水流冲击时所产生的转数（水流速度与旋杯转速间存在一定的函数关系）。⒌水泵扬量计算法

利用水泵的铭牌排水量和它的实际效率来换算涌水量。此方法精度受泵的实际效率影响大，一般不采用。（二）涌水量观测2023/2/4第四章矿井水文地质条件的探查工作

查明矿区水文地质工程地质条件，根据不同的目的要求，探查手段也各不相同。

探查手段2023/2/4水文地质钻探是以揭露和探明深部水文地质条件为目的的工作，钻探具有效率高，查明深度大等优点，所以在水文地质工作中应用广泛，是资源勘探的组成部分，其具体任务是：

1．研究地质水文剖面，进一步查明含(隔)水层的数目、层位厚度、埋藏深度、分布情况以及含水层的孔隙性，隔水层的隔水性等。

2．测定各含水层中的地下水位。

3．测定含水层在垂直和水平方向上的透水性和含水性变化

4．测定各含水性之间，地下水地表水之间的水力联系，以及断层的导水性。

5．采取水样。分析研究地下水的物理性质和化学成分。

6．按规范采取岩样和土样，分析其物理、水理性质及力学性质。

7．在钻孔内进行水文地质试验(主要抽水试验)，测定钻孔涌水量和含水层的水文地质参数。为计算坑道涌水量和地下水储量提供依据。2023/2/4一、钻探

水文地质钻孔布置。基本上按实际情况而定一般布置在下列地段：

1．大的断裂破碎带和岩溶发育地段。

2．能切穿主要含水层的地段。

3．地下水与地表水可能有联系的地段。

4．未来生产矿井主要开采地段。

5．老窑、废矿坑等人工破碎带，以及与矿床充水有关的地段。

6．向斜构造的轴部或控制计算矿体储量底板较深的地段。例如：对于河谷地区：勘探对象主要是冲积层中的地下水，勘探线应垂直河谷布置。因为这个方向正是地貌、地质、水文地质条件变化最大的方向，这样布置，就可控制整个河谷的结构，比如可以查明阶地的类型，岩性变化以及地下水与河水的补给关系等。为确定断层破碎带的导水性而布置的钻孔应当超过断层破碎带，最好通过上、下盘同一含水层或不同含水层。

施工地质及水文地质钻孔必须同时进行简易水文地质观测，主要内容有：2023/2/4

1．水位观测：

系统地观测钻孔内水位变化，不仅可确定含水层埋藏深度，还可帮助及时地发现新的含水层和判断地下水与地表水之间的水力联系。

2．冲洗液消耗量观测：

每次提升钻具后，计算该钻区间的冲洗液消耗公式为：

式中：Q——单位时间内冲洗液消耗量，m3/min。

Q1、Q2、Q3——分别为钻进前，测定时的水量及钻进过程中加入的水量(m3)。

t──观测时间(分)。

3．钻具陷落观测

4．岩芯采取率

5．水温观测

6．涌水现象观测：当涌水量较大时，可采用下式概略计算：

（适于f<5m）式中：Q──钻孔涌水量(升/秒)；

d──套管内径(分米)；

f──喷出高度(分米)。2023/2/4

水文地质钻探在钻孔结构，钻进方法，施工技术和钻探设备等方面，具有与一般地质钻孔不同的特点：

1．钻孔结构：打水文地质钻孔主要是为了抽水试验，如保证水文地质钻孔中顺利安装抽水试验设备和进行止水工作，必须保持大口径。一般抽水试验层(段)的孔径，不应小于110mm，下过滤器时，不应小于108mm，当配有观测孔时观测孔径不应小于75mm，下过滤器时不应小于73mm。为了分别确定各个含水层的水文地质参数，应对各个含水层隔离起来，即止水，因此设计钻孔止水结构时，应充分掌握水文地质剖面根据水文地质要求和抽水试验段之过滤器直径确定止水换经次数与开孔直径。钻孔结构见图4-1。

2.孔斜的要求：一般孔深100米，孔斜不得大于1°当孔深＞100m，小于300m时，不得大于3°。3.钻孔止水：为了在一个钻孔中取得各个含水层的水位、水温、水化学成分和各层水文地质参数，必须将各个含水层相互隔离起来(即止水)进行分层抽水试验。

图4-1钻孔结构图

不论地质孔还是水文孔，当完工之后都要按规范要求进行封闭，因为一个钻孔孔眼虽然很小，但它却勾通很多含水层，特别是当勾通了强含水层，往往是开采中的隐患。2023/2/42023/2/4

二、物探(包括航片、卫片解释)㈠矿井物探的概念

地球物理勘探是地球物理的一个分支，又称应用地球物理或勘查地球物理，简称物探。它是用物理的原理研究地壳浅层的物理性质及地质构造，从而寻找与勘查有用矿床及解决其它地质问题的科学分支。物探方法的物理基础是地壳中存在许多物理性质不同地质体或分界面，它们在空间产生了天然物理场，如：重力场、地磁场、地热场及放射性场等，或者人工物理场，如：人工电场、电磁场；人工地震波时间场；弹性位移场的局部变化的异常场。物探工作者在空中、地面、钻井中或矿井内用各种仪器采集观测这些物理场的变化数据，通过计算机分析研究所采集的物探资料，推断解释地质构造和矿产分布情况。

物探方法按所利用物理场的不同分为：重力、磁法、电法、地震、地热及放射性等六种勘探方法。也可按观测对象或工作空间的不同进行分类，如下图：地球物理勘探按物理场分类按对象分类

按空间分类重力勘探磁法勘探电法勘探地震勘探地热勘探放射性勘探金属与非金属物探水文工程物探构造物探环境工程物探石油煤炭

地面物探

钻井地球物理(测井)

井下物探

海洋物探空间物探航空物探卫星遥感㈡

矿井物探的分类2023/2/4地面物探

井田地球物理勘探（按空间分）重力勘探磁法勘探电法勘探地震勘探磁测井电法测井放射性测井声波测井热测井其它地震法电法巷道重力磁法放射性红外线遥测测井矿井物探

井田地球物理勘探的观测对象包括井田地质勘探及矿井地质的观测中的大部分内容，其分类见下图：2023/2/4㈢各种物探方法的优势地震法勘探对构造、岩性等力学性质变化敏感，也就是说地震法超前物探对构造探测比较准确；电磁方法对含水性引起的导电性敏感，说明电磁法超前物探对含水构造探测较为准确；为了提高超前物探的准确性，应采用地震法与电磁法相结合的物探技术，地面物探和井下钻探相结合的技术路线。2023/2/4

坑探在水文、工程地质调查中广泛应用。主要应用于第四纪覆盖较广且厚度不大的地区。为探明覆盖层下基岩地质构造，矿层及基岩工程地质特性，了解第四纪地层情况，必须进行坑探工程，它便于直接观察，又便于采取原状土样及现场试验。三、坑探(包括槽探、巷探)坑探2023/2/4覆盖层不太厚时，为探明某一地层层序。岩性变化，软弱夹层分布情况，残坡积层厚度和性质，追索构造和矿层，采用探槽开挖。探槽一般垂直岩层走向布置，宽0.6～1米，长度视需要而定。探槽按其目的可分为主干槽和短槽两种。为了揭露矿床、采集矿样或探查不稳定矿层，有时也开掘各种巷道如平峒、石门、斜井等。1槽探2巷

探坑探2023/2/4探井是园形或方形的井状探坑，它适用于地层倾角平淡，第四纪覆盖层大于3米的地区，主要用来追索矿层和断层，也可以用来揭露矿床。在工程地质方面，主要为了了解覆盖层厚度及性质、构造线、岩石破碎情况及岩溶、滑坡等。同时还可以观察地下水位及含水层性质。3探

井坑探2023/2/4工程水文地质试验，是在野外条件下测定含水层的水文地质参数、裂隙、岩溶发育程度和连通情况等的一种方法。四、工程水文地质试验工程水文地质实验2023/2/4抽水试验的基本原理，是用专门的抽水设备在钻孔或井中，对含水层中的地下水进行有节制的强排。在一定范围内迫使地下水位下降，使它形成一个人为抽水渗流场(即抽水降落漏斗)。根据不同勘探目的，勘探阶段水文地质条件和资料精度，抽水试验可分为下面几类：㈠抽水试验2023/2/4

抽水试验结束后，应及时对原始资料进行整理，绘制各种曲线图，稳定流抽水试验要求绘出：㈠抽水试验非稳定流抽水试验要求绘出：s—t历时曲线图，s=f(lgt)过程曲线图，lgs=f(lgr)关系曲线图，关系曲线图。⑴抽水试验过程图⑵Q=f(s)关系曲线图⑶q=f(s)关系曲线图2023/2/42、压水试验是有压水通过空隙进入试验段岩层中，取得该段岩层空隙发育程度、渗透性和检查注浆质量的一种方法。压水试验的原理是利用水柱的压力将水压入试验段附近的基岩中，形成与抽水试验相反的倒转漏斗，当水量和压入岩层的水流量达到稳定时，即可确