专门水文地质学 12 矿床水文地质（下）

矿井涌水量监测与预测矿区地下水防治方法矿床水文地质（下）矿井涌水量监测与预测矿井水观测矿井水观测矿井水观测

矿井地面水文地质观测

井下水文地质观测

矿井涌水量的观测

降水量

地表水

地下水

巷道充水性观测

含水层

岩层裂隙发育调查

断裂构造

出水点

出水征兆

观测要求

观测资料的整理

涌水量统计

编制矿井充水性图

编制涌水量与有关因素的关系曲线图

出水点观测（1）煤层变潮湿、松软；顶板出现滴水、淋水现象，且淋水可由小变大；有时出现铁锈色水迹；（2）发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清时混，总的趋势是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出；（3）工作面气温降低，或出现雾气及硫化氢气味；（4）底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并有“嘶嘶”或刺耳水声；（5）工作面压力增大，底板鼓起，底鼓量可达500mm以上。出水征兆1、涌水量观测站点的布置：固定站点：长期突水点、水文地质复杂的开采区、排水井的下游临时站点：一般出水点、采掘工作面的探放水钻孔、井筒新揭露的含水层矿井涌水量观测2、涌水量观测要求：按时间：一般每旬观测一次初揭露的涌水量未稳定之前，每天测量一次突然涌水，每隔1-2h观测一次按突水点：疏干钻孔或老窑防水钻孔，每隔3-5天测定一次竖井每延伸10m、斜井每延伸20m测量一次

矿井涌水量观测3、观测资料的整理：矿井涌水量观测3、观测资料的整理：实例1实例2矿井涌水量监测与预测矿井涌水量监测矿井涌水量监测容积法堰测法流速仪法浮标法水仓水位法矿井涌水量监测与预测矿井涌水量预测方法江西榨一煤矿

矿井涌水量是指矿山建设和生产过程中单位时间内流入矿井(包括各种巷道和开采系统)的水量。矿床水文地质条件类型矿床水文地质条件复杂程度矿床开发经济技术条件矿山疏干排水设计矿井生产能力防治水措施确定依据概述1、矿井正常涌水量

开采系统达到某一标高(或水平)时，正常状态下保持相对稳定时的总涌水量。通常是指平水年的涌水量。2、矿井最大涌水量

正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量。3、开拓井巷涌水量

井筒(立井、斜井)和巷道(平硐、平巷、斜巷、石门)在开拓过程中的涌水量。主要工作矿井涌水量预测内容4、疏干工程的排水量

在规定的疏干时间内，将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度。5、矿井突水量

矿井采掘过程中在某些因素的作用下，含水层(体)中的地下水突破隔水层而突然进入开采系统的水量，突水量常常是正常涌水量的数倍甚至数十倍。

难以预测！矿井涌水量预测内容矿井涌水量预测的特点矿井涌水量预测以准确地预测丰水期最大涌水量为目标；我国矿井大多分布于基岩山区，充水条件差异悬殊，补排条件复杂，边界、结构与流态复杂，定量化难度大。矿山井巷类型与空间分布千变万化，开采方法、速度与规模等生产条件复杂且不稳定，给矿井涌水量预测带来诸多不确定性因素。矿井涌水量预测多为大降深，必然导致对矿区水文地质条件的严重干扰与破坏，且破坏强度难于预料与定量化。矿井地质调查中，水文地质工作投入技术条件较差、投资少、工程控制程度低，在客观上给涌水量预测带来一定困难。矿井涌水量预测步骤第一步：建立水文地质模型要求:(1)概化已知状态下矿区水文地质条件；

(2)给出未来开采井巷的内部边界条件；

(3)预测未来开采条件下的外部边界。第二步：选择计算方法，建立相应的数学模型数学模型分类非确定性统计模型确定性模型混合型模型经验方程（比拟法）Q-S曲线方程回归方程渗流型非渗流型解析解-井流方程数值解有限元法有限差分法稳定井流公式非稳定井流公式矿井涌水量预测步骤第三步：求解数学模型，评价预测结果

数学模型的解算是对水文地质模型和数学模型进行全面验证识别的过程，最终使所建模型和预测结果更加合理和趋于实际。矿井涌水量预测步骤水文地质比拟法矿井涌水量预测方法

水文地质比拟法利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同的生产矿井的排水或涌水量观测资料，来预测新建矿井的涌水量。前提:①新建矿井与老矿井的条件应基本相似；

②老矿井要有长期的水量观测资料，保证涌水量与各影响因素之间数学表达式的可靠程度。水文地质比拟法

一、富水系数法

富水系数：指一定时间内矿井排出的总水量Q0与同时期内的采矿量P0之比。已建矿新建矿水文地质比拟法二、单位涌水量比拟法

疏干面积F0和水位降深S0是矿井涌水量Q0变化的主要影响因素。根据生产矿井有关资料求得的单位涌水量q0，可作为预测类似条件下新矿井在某个开采面积F和水位降深S条件下涌水量Q的依据。已建矿新建矿水文地质比拟法Q-S曲线外推法矿井涌水量预测方法

根据稳定井流理论，抽水井的涌水量Q与水位降深S之间可用Q–S曲线的函数关系表示。

Q–S曲线法就是利用稳定流抽(放)水试验的资料，建立涌水量Q与水位降深S的曲线方程，然后根据试验阶段与未来开采阶段水文地质条件的相似性，把Q–S曲线外推，以预测涌水量。

Q-S曲线外推法要求三次以上水位降低的抽（放）水试验大口径、大降深，抽水规模尽量地接近未来的开采条件抽水时间尽量延长，充分暴露水文地质条件影响Q-S关系的因素水文地质条件，如含水层规模、补给程度、边界条件等；抽水时的水位降深大小对外推精确程度影响很大；抽水井的结构和抽水时间的影响。优点避开了求取各种水文地质参数适用条件复杂，难于取得参数的矿区Q-S曲线外推法Q–S曲线法的计算方法和步骤：

1、建立各种类型Q–S曲线方程

2、判别实际的Q–S曲线的类型

3、确定方程中的待定参数a和b4、井径换算Q-S曲线外推法1、建立Q–S曲线方程可归纳为四种数学模型：Ⅰ直线型Ⅱ抛物线型Ⅲ幂曲线型Ⅳ对数曲线型ＱＳⅠⅡⅢⅣⅤQ-S曲线外推法Ⅲ

幂曲线型：从某一降深值起，涌水量Q随降深S的增大而增加很少Ⅰ

直线型：承压井流（或厚度很大、降深相对较小的潜水井流）Ⅳ

对数型：补给衰竭或水流受阻，随S增大Q增量很小，曲线趋向S轴Ⅱ

抛物线型：潜水、承压-无压井流（三维流、紊流影响的承压井流）ＱＳⅠⅡⅢⅣⅤQ-S曲线外推法

2、判别实际的Q–S曲线的类型

将曲线方程以直线关系式表示，并以直线关系式中的两个相对应的变量建立坐标系，把(抽)放水试验的涌水量和相应的水位降深资料，分别放到上述的四种曲线类型各自的直线关系式坐标系中进行伸直判别。散点图Q-S曲线图曲线伸直取对数过原点转换直接S、Q相除Ⅱ抛物线型Ⅰ直线型Ⅲ幂曲线型Ⅳ对数曲线型得到抽水试验散点图！（Qi，Si）Q-S曲线外推法

3．确定方程中的待定参数a和b（1）图解法:一般情况下，利用各类型的直线方程图线，可由求出参数a和b。

结果：a为截距，b为直线的斜率

注意：Ⅲ幂曲线型中，b为斜率的倒数Q-S曲线外推法②抛物线型③幂曲线型④对数曲线型①直线型

将参数a,b及设计的水位降深S设计值代入原方程，即可外推钻孔涌水量。（2）最小二乘法：当精度要求较高时采用Q-S曲线外推法

4、井径换算

由于抽水试验的钻孔孔径远小于井筒直径，为消除井径的影响，所以在预测井筒涌水量时需进行井径换算。对数关系平方根关系Q-S曲线外推法Q－S曲线法的优点：（1）避开了各种水文地质参数的求解；（2）计算简单易行；（3）适用：水文地质条件复杂，边界条件复杂而难以建立解析公式的矿区。

Q-S曲线外推法注意：（1）采用Q－S曲线法时，试验孔符合未来的开采条件，尽量采用大口径、大降深的抽水试验，长时间抽水，充分暴露水文地质条件，方能反映未来的开采条件。

（2）Q－S曲线方程法在作外推预测时，推断的范围一般不应超过抽水试验最大降深的2～3倍，否则预测的可靠性会降低。S试S推S总Q-S曲线外推法水均衡法矿井涌水量预测方法一、应用条件：位于分水岭地段的裸露型充水矿床，主要接受大气降水的补给。水文地质特征：含水层厚度较薄，水位埋藏深、变幅大、升降迅速；地层透水能力强，蓄水能力弱；抽水试验条件困难；地下水动态与降雨直接相关；补给区主要在矿区范围附近，以垂向补给为主；矿区地下水与区域地下水很少发生水力联系，无侧向补给。水均衡法二、基本原理

水均衡法是通过研究某一时期(均衡期)矿区(均衡区)地下水各收支项目之间的关系，建立地下水均衡方程，计算矿井涌水量。

V补—V排＝△V储

式中：V补—均衡期内均衡区的补给量

V排—均衡期内均衡区的排泄量

△V储—均衡期内均衡区储存量的变化水均衡法

侧向流入大气降水人渗V补：地表水体渗漏补给其它含水层越流补给人工灌溉入渗等

V排：

人工排泄侧向径流排泄天然排泄地下水蒸发排泄向其它含水层越流△V储：

弹性释放重力给水均衡要素

均衡法一般只适用于完整的水文地质单元内补给和排泄量容易确定并且有长期观测资料的矿区总涌水量的概算。水均衡法

某井田的充水岩层两侧被阻水断层所切割和限制，与区域地下水失去水力联系，而且顶、底板都是隔水层，自成独立的水文地质单元，开采煤层需要疏干含水层，当为定流量排水时，其矿井涌水量的计算公式可表示为：弹性给水水均衡法

1977～1978年，地质矿产部曾对55个重点岩溶充水矿山进行了水文地质回访调查，矿井涌水量预测值与开采后的实际涌水量的对比表明：10％的矿区--误差小于30％80％的矿区--误差大于50％个别矿区----误差达数10倍、100倍例1：叶庄铁矿预测值为417.4m3/d，实际值为预测值的256.3倍。实际涌水量预测方案一预测方案二6048m3/d80524.8m3/d95299.2m3/d误差1231%误差1475%例2：泗顶铅锌矿涌水量预测结果的可信度矿井涌水量预测矿区地下水防治方法矿床水文地质（下）

在矿山建设和生产中，研究矿井水的目的不仅在于认识其充水因素及其水量的大小，而且要在分析矿井充水条件的基础上制定合理的防治措施，以预防和消除矿井水对煤矿生产的不利影响。

以防为主、防治结合是治理矿井水的重要原则。矿井水的防治处理方法很多，总起来讲有地面防水、井下防水等。矿区地下水防治方法（一）地面防治水地面防水是指在地表修筑排水工程或采取其他措施，以防止大气的降水和地表水补给含水层或直接渗入井下，从而减少矿井涌水量，防止井下灾害事故的发生。矿区地下水防治方法（一）地面防治水1、慎重选择井筒位置：应尽量保证在任何情况下，井口、地面设施不至于被水淹没。2、堵塞通道：采矿活动引起的地面塌陷坑和裂缝、基岩(煤层及充水岩层)露头区的裂隙、溶洞、废钻孔和老窑等都可能成为大气降水和地表水直接或间接下渗的通道，当其位于地势凹处时，危害尤甚。实际工作中，经查明上述通道确与井下构成了水力联系时，可用粘土、块石、水泥甚至钢筋混凝上将其填堵。填堵大的塌陷坑和裂缝常常是在下部充以碎石，在上部覆以粘土，分层夯实并使其略高出地表。矿区地下水防治方法（一）地面防治水3．整铺河底当河流(渠道、冲沟等)通过矿区并沿河床或沟底的裂缝渗入矿井时，可在漏失地段用粘土、料石或水泥铺砌不透水的人工河床，以制止或减少河水漏失。矿区地下水防治方法（一）地面防治水4．河流改道

当矿区内有河流通过，对矿井充水有影响时，常采用河流改道措施。即在河流流入矿区的上游地段筑坝，拦截河水，用新修的人工河道将水引出矿区。矿区地下水防治方法（二）井下防治水——疏放地下水

疏放地下水是消除水源威胁和着手防治矿井水的积极措施，包括老窑、采空水的探放；矿床顶板水的疏放；矿床底板水的疏放。从而把地下水水位降低到安全水位以下，或者予以疏干，达到矿井安全生产的目地。矿区地下水防治方法

当采掘作业接近老窑、老空区、导水断层以及含水层时，或者采掘工作面出现明显出水征兆时，都要立即停止作业，进行探放水。确定探放水的“三防线”，即积水线、探水线、警戒线。（二）井下防治水——老窑、采空水的疏放矿区地下水防治方法a、积水线：是经调查后核定的老窑、老空积水区范围的边界线。b、探水线：沿积水线外推60～150m的距离所划定的一条界线。当掘进巷道达到此线时，就应开始探水。c、警戒线：是从探水线再外推50～150m划定的一条界线。当巷道掘进进入此线时，就应警惕积水的威胁，当发现有出水征兆时，就应提前探水。

当矿床上覆或下伏有含水层，并对采掘作业有威胁时，可采取疏干或降低水位的方法解除地下水对煤层的威胁，以保证采掘作业的正常进行。

（二）井下防治水——顶底板水的疏放矿区地下水防治方法1）巷道疏放矿床顶板为含水层，或含水层离顶板较近时，可把采区巷道或采煤准备巷道提前开拓出来，作为疏水巷道进行疏放顶板含水层。（二）井下防治水——顶底板水的疏放矿区地下水防治方法2)疏放降压钻孔矿床下部有强含水层时，有水压高，水量大，有突水危险时，此时可在疏水降压地段利用原有巷道或专门布置疏水巷道，在巷道中每隔定距离向底板以下含水层打钻孔放水，使水压降