水文地质学矿床水文地质学讲义充水条件课件

邮箱：电话：2013年6月教材编辑：王运福授课人：王运福《煤矿水文地质学》讲座2/8/20231课程主要讲授内容第一节、矿床类型与矿床开采

第二节、矿床充水因素分析第三节、矿床水文地质类型第四节、矿坑涌水量预测第五节、矿床疏干与排供结合第六节、矿床水文地质工作特点第七节、矿区环境地质2/8/20232一、矿石、矿体、矿床及矿产二、矿体的形状及产状三、矿床成因类型及其与周围含水层间的关系四、矿床开采第一节、矿床类型与矿床开采2/8/20233

矿体的形状，系指矿体在空间的存在形态。形状不同的矿体，它与周围含水层(体)之间具有不同的接触状态，发生不同的水力联系，使矿床具有不同的水文地质特征。二、矿体的形状及产状2/8/20235矿体的产状，是指矿体产出的地质位置和产出状态，包括矿体的构造位置、形状、大小、与围岩的接触关系及其空间位置等。矿体产状，通常以矿体(层)的走向、倾向及倾角来表示。按倾角，把矿体分成：倾角小于3°的水平矿体；3°至30°的缓倾斜矿体；30°至45°一55°的倾斜矿体；大于45°—55°的急倾斜矿体。二、矿体的形状及产状2/8/20236三、矿床成因类型及其与周围含水层间的关系

(1)岩浆矿床：是指伴随地壳中岩浆活动而形成的矿床。如铬、镍、铂、金刚石、钒、饮、铜、钻、铁、磷等。该类矿床和围岩多发育有各种裂隙，故裂隙水为该类矿床的主要充水水源。

(2)伟晶岩矿床：为晶体粗大的脉状矿床，富含稀有及放射性元素，富含挥发性组分的矿物易于富集。产铍、铌及云母、水晶等。岩脉本身裂隙多较发育，故其多成为含水较丰富的裂隙水带。

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(4)风化矿床：出地壳表层风化作用形成的矿床，称风化矿床。主要产出铁、锰、铝、镍、钻、金、金刚石、磷块岩及高岭土等。按成因分为残积和坡积矿床、残余矿床、淋积矿床。其主要充水层为风化裂隙潜水层，一般水文地质条件较简单。

（5）沉积矿床：系由地表沉积作用形成的矿床。以其中富集有用物质而与一般岩相相区别。沉积矿床所产矿种大多产量丰富，尤其是生物化学和胶体化学沉积矿床，多与碳酸盐岩共生，多具有利蓄水的构造，受岩溶水的威胁．致使矿床水文地质条件极为复杂．国内、外大水矿床多属此类。2/8/20239

（6）变质矿床：系伴随岩石变质过程，由有用元素富集而成的矿床，除产金、铀、铜、铅、锌等金属矿产外，还产滑石、石墨、石棉等非金属矿产，多数为水文地质条件简单的裂隙充水矿床。2/8/202310矿床水文地质工作是为开采矿床服务的，采矿方法的选择、矿井涌水量的大小及疏干措施的设置，均与矿区水文地质条件有关。采用不同的开采方式和开采方法，会使矿区水文地质条件受到不同的改造，不仅会导致矿井涌水量、采矿难易程度及成本等有很大的差别，还会出现不同的环境地质问题。

四、矿床开采2/8/202311沿倾向的长度，由于井田的范围过大，所以开采时尚需按矿体(层)的倾角和技术条件，将矿体划分为更小的单元有顺序的进行开采。对倾斜的矿体(层)，多沿倾斜按一定标高分成若干个平行于走向的长条，称其为阶段。其上边界为阶段回风平巷，所在水平面称回风水平；下边界则为阶段运输平巷，其水平面称运输水平。1、矿床的开采单位2/8/202313（1）露天开采及露天矿场的构成当矿床埋藏近地表、覆盖层较薄，或开采由浅延至深部矿床的浅部矿体时、宜用露天方式开采，即从地面以较大面积直接向深处掘露天沟道、形成工作面开采矿石的方式。2、开采矿床的方式图l露天采矿场示意剖面图1-台阶；2-台阶坡面；3-排水沟，4-矿体；5-台阶面坡角2/8/202314（2）地下开采及开采系统的构成应用地下开采方式开采埋藏在地下深处的矿床，就是利用适宜类型的地下巷道和不同的采矿方法从地下采出矿石。2/8/2023152/8/202317(1)开拓。是采矿的第一步，据设计从地面到矿体开掘一系列的计拓巷道，建立运输、通风、排水和供水等工程系统。3、开采矿床的步骤(2)采准。就是在已开拓的阶段或盘区中，进一步切割成采区或矿壁，为回采作准备工作；同时，作为行人、运输和通风之用。(3)回采。是从完成采淮的采区或矿室中大量系出矿石的生产过程。2/8/2023182/8/202319崩落采矿法：运用于采空区上方无城镇，地表水或无强含水层的采区，是利用顶板崩落的岩块充填采空区，控制围岩的位移，确保安全生产。崩落法是最常用的采矿方法，但它对矿床充水的威胁也最大。充填采矿法：优点在于基本不改变上覆地层的情况下进行开采，但成本高，大多用于城镇、道路、地表水下和顶底板有强含水层的情况下。2/8/202321主要内容第一节、矿床类型与矿床开采第二节、矿床充水因素分析第三节、矿床水文地质类型第四节、矿坑用水量预测第五节、矿床疏干与排供结合第六节、矿床水文地质工作特点第七节、矿区环境地质2/8/202322一、基本概念二、充水水源三、充水通道四、开采活动五、充水强度第二节、矿床充水因素分析2/8/202323矿床充水分析示意图2/8/202325其充(涌)水特征与降水、地形、岩性和构造密切相关。

１、矿井涌水动态与当地降水动态相一致，具明显的季节性和多年周期性的变化规律。1年中的涌水最大值在融雪期和雨季，最小值在旱季；矿井最大涌水量出现在丰水年、干旱年为最小，突水事故则多发生在丰水年的丰水期。二、充水水源（一）、大气降水为主要充水水源的矿床2/8/202326这类矿床赋存在山区河谷和平原区河流、湖泊及海洋等地表水附近或其下面。充水特征主要取决于地表水的补给方式。根据地表水进入井巷的方式和强弱，可分为四种情况：１、是地表水不补给者：矿体顶部有较厚的可靠隔水层，矿体与地表水之间无水力联系；２、是地表水微弱补给者：矿体顶部有弱隔水层，少量地表水可通过它补给井巷；３、是地表水渗入或补给者：疏干漏斗以地表水为界，地表水通过渗透通道，能较多地进入井下；４、是地表水潜入式补给者：疏干漏斗以地表水为界，地表水通过强导水通道贯入井巷，造成灾害性突水。（二）、以地表水为主要充水水源的矿床2/8/202329

１、矿井涌水动态随地表水的丰枯作季节性变化，且其涌水强度与地表水的类型、性质和规模有关。

受季节流量变化大的河流补给的矿床．其涌水强度亦呈季节性周期变化。有常年性大水体补给时，可造成定水头补给稳定的大量涌水，并难于疏干。有汇水面积大的地表水补给时，涌水量大且衰减过程长。

２、矿井涌水强度还与井巷到地表水体间的距离、岩性与构造条件有关。

一般情况下，其间距愈小，则涌水强度放大。其间岩层的渗透性愈强，涌水强度愈大。当其间分布有厚度大而完整的隔水层时，则涌水极微或无影响。其间地层受构造破坏愈严重，并巷涌水强度亦愈大。地表水充水矿床的涌水规律2/8/202330

排水坑道与河流距离示意图1-含水层；2-隔水层；3-矿层；4-排水坑道；5-排水水位线。2/8/202331

３、采矿方法的影响。依据矿床水文地质条件选用正确的采矿方法，开采近地表水体的矿床，其涌水强度虽会增加，仍不会过于影响生产；如选用的方法不当，可造成崩落裂隙与地表水体相通或形成塌陷，发生突水和泥沙冲溃。2/8/202332能造成并巷涌水的含水层称矿床充水层。有些含水层，虽接近矿井，但在天然和开采时其中水皆不能进入井巷，则不属于矿床充水层。可是当采矿破坏了它的隔水条件时，亦可转化为充水层。当地下水成为主要涌水水源时，有如下规律。

１、矿井涌水强度与充水层的空隙性及其富水程度有关。一般，裂隙水的充水强度小、孔隙水中等，岩溶水最大；井巷位于富水地段者涌水量大，处于弱含水地段者小；矿体和围岩含饱水流砂时，可造成流砂冲溃。

２、矿井涌水强度与充水层厚度和分布面积有关。充水层巨厚、分布面积大者，矿井涌水量亦大；反之则小。（三）以地下水为主要充水水源的矿床2/8/202333

３、矿井涌水强度及其变化，与含水层水量组成有关。当涌入水以储存量为主时，揭露初期涌水量大、易突水，后逐渐减少，容易疏干；当涌水以补给量为主时，则涌水量由小变大，后趋于相对稳定，多不易疏干。2/8/202334老窖水是指被废弃的矿坑和淹没的生产井巷中的积水，是矿区浅部采矿常见的充水水源。其涌水特征：1、老空水涌水一般来势凶猛；2、酸性大、并含有害气体并携带块石，破坏性大；3、老空水涌水还可成为其它水源涌入矿坑的通道；4、老空水因年代久远，分布范围不清，调查困难。（四）、以老窖水为主要充水水源的矿床2/8/202335矿体及其周围虽有水存在，但只有通过某种通道。它们才能进入井巷形成涌水或突水，这是普遍规律。涌水通道可分为两类：地层的孔隙、断裂带等属于自然形成的通道；以及由于不合理勘探和开采造成的人为涌水通道。（一）、自然通道

1、地层的裂隙与断裂带坚硬岩层中的矿床中的节理型裂隙较发育部位，彼此连通可构成裂隙涌水通道。裂隙含水层，因裂隙发育不均一而含水不均匀，多为弱含水层．其透水性弱，矿井涌水量较小。在国内外采矿史上，因中小型断裂带形成的导水通道，造成突水者最为多见。依据勘探及开采资料，可把断裂带分为两类，即隔水断裂带和透水断裂带。三、充水通道2/8/2023362/8/202337（１）隔水断裂带：自然状态下断裂本身不含水，又隔断了断层两侧含水层间水平水力联系。它多分部在较软的粘塑性岩层中，或因断层构造岩或充填物被压密或胶结所致。井巷通过时多处干燥状态，对分区疏干和防治水有利。在垂直方向上：可为阻水的；也可为导水的，即可在其一侧或两侧破碎带中发生上下含水层间的水力联系，成为涌水通道。矿床开采后、这类断裂有可能转变成水平透水或垂直导水的断裂带。2/8/202338（２）透水断裂带：开采前断裂面间及两侧破碎带汇水并充满水，既可产生水平的又可产生垂直的水力联系。这类通道如与其他水源相连通，则可造成稳定的涌(突)水：于其它水源无联系者，则为孤立的含水带；涌水时，虽水压高，但涌水量一般不大，易于疏干。在一般情况下，一个较大规模的断裂带，皆系透水与隔水、阻水与导水段相间出观，水文地质条件复杂，故调查时应深人地分段研究。2/8/2023392/8/202340岩溶空间极不均一，可以从细小的溶孔直到巨大的溶洞。它们可彼此连通，成为沟通各种水源的通道，也可形成孤立的充水管道。我国许多金属与非金属矿区，都深受其害。欲认识这种通道．关键在于能否确切地掌握矿区的岩溶发育规律和岩溶水的特征。

(1)大、中、小型岩溶通道：由小型岩溶及溶隙形成的涌水通道，虽可增加矿井涌水量，但尚较小；由大、中型岩溶(溶洞及管道)及溶蚀断裂带形成的涌水通道，矿井涌水量将大增，更易造成突水灾害。2、岩溶通道2/8/202341

(2)、岩溶坍隔与“天窗”

岩溶坍隔是指覆盖于充水（或空气）空间之上的土层，因外力（抽、放水、暴雨）作用瞬间坍落，先期存在的岩溶网隙为容纳和运移坍落物质提供了必要的空间条件，它是岩溶动力地质作用的结果，与非可溶岩中产生的坍隔不同。岩溶坍隔是岩溶充水矿床严重的水文地质工程地质问题，它不仅造成突发性矿坑溃水，同时破坏地面多种设施，导致河水断流，破坏水资源。2/8/202342我国岩溶坍隔集中发生在南方溶洞充水矿床中，北方溶隙充水矿床仅占1.8%。

“天窗”是指岩溶充水含水层与上覆冲积层之间的未胶结、半胶结地层，因沉积相变或河谷下切而变薄甚至消失，导致充水含水层与上覆第四系含水层的直接接触，形成导水“天窗”。天然状态下，“天窗”是充水含水层地下水排泄通道，也是岩溶坍隔的有利部位。一旦“天窗形成坍隔，其补给方式立即由渗透补给演变为集中渗入式补给。2/8/202343指石炭二迭系煤系地层下伏中奥陶碳酸盐中的古洞、裂坍陷的柱体。它与现代岩溶坍陷不同，是石膏岩溶产物，灰岩中硬石膏因水解膨胀，使上覆坚硬岩层受挤压破碎坍落充填而成。主要分布在煤层底板厚度灰岩古剥蚀面附近，仅晋、鲁、冀、陕、豫、苏六省45个矿区就发现2875个，最大的空间体积有3×104m3,最分布密度70个/km2（山西西山煤矿）。多数岩溶陷落柱无水，只有少数因坍落物疏松，或在地震影响下充填物与围岩产生相对位移，成为导水通道，突水时水量大、来势凶、酿成灾害。如河北开栾范多庄煤矿，井深400m，遇一高280m，直径60m的巨在陷落柱，最大突水量2053m3/min，含水层水位下降51.44m，影响超过20km，突水后产生坍陷17处，周围供水井全部失去供水能力。（3）、岩溶陷落柱2/8/202344华北地区的奥陶系马家沟组灰岩顶部岩溶发育，有很多巨大的洞穴径在，致使上部顶板石炭二叠纪煤系地层在自重压力下，不断向下垮塌，形成陷落柱，并成为奥陶灰岩和煤系地层之间的联系通道。井巷或采煤工作面接近陷落柱时，则可能产生突水。开滦煤矿范各庄煤矿1984年的特大突水，就是奥陶系马家沟组灰岩中的岩溶裂隙水，通过陷落柱上升至工作面附近，突破煤壁而造成的。2/8/2023452/8/202346孔隙通道，主要是指松散层粒间的孔隙输水。它可在开采砂矿床和开采上覆松散层的深部基岩矿床时遇到。前者多为均匀诵水、仅在大颗粒地段和有丰富水源的矿区才可导致突水；后者多在建井时朗造成危害。此类通道可输送本含水层水入井巷，也可成为沟通地表水的通道。3、孔隙通道2/8/202347１、采空区上方冒裂带当采矿形成大面积采空区后，原始应力平衡受破坏，采空区顶板在集中应力的作用下，岩层破裂冒落，在采空区上方依次产生无规则冒落带、导水裂隙带和变化微弱的整体移动带，并在地面形成坍陷。上述分带规律在岩层缓倾的矿区较完整，并与崩落采矿法有关。冒落带和导水裂隙带统称为冒裂带。当冒裂带达到上覆地面水源时，将造成突水。因此冒落带和导水裂隙带的最大高度，是在强含水层或地表水下采矿时，是确保安全采深或开采上限的重要依据。（二）人为通道2/8/202348２、隔水底板与突水通道当采空区位于高压富水的岩溶含水层上方时，在矿山压力和底板承压水压力水头的作用下，岩溶水会突破采空区底板隔水层的薄弱地段涌入矿坑。因此，隔水层的薄弱地段，可初视为不同于其它导水通道的另类。2/8/202349３、封闭不良或未封闭钻孔

若对各种完工的钻孔处置不当，可成为沟通各水源涌入矿坑的直接通道，国内外均有钻孔突水淹矿的记录，因此要求对每口已完工的钻孔进行严格的封孔止水。一是为保护矿体免遭氧化破坏；二是防止地下水或其它水源的直接入渗大矿坑。导水通道在充水过程中的突发性、复杂性、灾害性是它的重要意义所在，三者相互依存，在大水矿床开采中得到最完整的体现。我国大水矿床的主要突水通道各异，北方以底板突水为主，南方以场面坍陷为主，它们均与断裂有关。因此，断裂岩溶坍陷，底板突水通道是研究重点。2/8/202350采矿活动对矿床充水的影响是十分巨大和明显的。采矿产生的矿山压力，造成矿层顶板冒落与底板隔水层的破坏，使矿坑与主要充水含水层或其它水源的直接接触；矿山压力也使一些隔水断层“复活”变成导水通道；矿坑排水改变充水层的补给、径流、排泄条件，使排泄区的地下水回流与境外其它水源沿排泄区进入矿区，造成排泄区及其下游地区水资源的枯竭；排水产生的地面坍陷，改变了矿床的开闭程度。排水还产生流砂等水文地质工程地质问题。所有主要水通道的形成均与采矿活动有关。四、采矿活动2/8/202351在开采前的调查阶段，衡量矿床充水的强弱，多间接用矿区内泉及井孔出水量数值来推测，很不准确；较精确的是用该矿开采时矿井涌水量值来衡量或比拟已开采相似矿井的涌水量来确定其充水强度。分析开采资料，可知矿井涌水量的大小，除直接与充水水源和通道的性质与特征有关外，还有下述主要影响因素。五、矿床充水强度2/8/202352矿床与充水层的边界条件，对未来矿井涌水量大小起主要的控制作用。１、矿床的侧向边界：当矿床和直接充水含水系统之间有强透水边界时，则开采时外系统地下水或地表水会迅速而大量地流入矿井。供水充足的边界越长，则涌水量越多、越稳定。如矿体或直接充水层校隔水边界所封闭，则矿井涌水量较小或由大变小，甚至于涸。如因开采导致原非充水层或新水源进入矿井时，则将形成新的充水系统，矿井涌水量将增大，原边界将转变成新的边界条件。（一）矿床的边界条件2/8/2023532/8/202354２、矿床顶、底部边界：矿床及其顶、底部的隔、透水条件，对矿井涌水强度亦起控制作用。因此，如能保持它们的隔水性能或减弱其渗透强度，即可达到保持或减弱矿井涌水量的目的。顶底剖面边界有四种情况：１）直接顶底板均是可靠隔水层，基本无外部水补给；２）底板隔水．矿体与直接充水层只能获得较强或弱的大气降水或地表水补给；３）围顶板隔水，仪通过弱送水底板产牛越流或直接获得强补给；４）顶板及底板皆内强或弱透水居构成。如隔水层的急性致密，则隔水能力强，如其厚度大而稳定且完整性好，矿井的涌水量及其变幅皆较小；在其变薄、缺失或破碎等抗张强度降低的地段上，涌水量则会增加。2/8/202355

地质构造的类型、规模和分布，对矿井总涌水量的形成起制约作用。如矿床位于褶皱或断裂构造中．则其对矿床与充水层的空间分布、地下水的补径排条件会有较大的影响，充水强度也必然受影响。处在同一类型构造中的矿床，随构造规模及矿井所处构造部位的不同，矿井涌水量大小亦各异。（二）地质构造条件2/8/202356充水层及矿体的出露程度愈高，盖层透水性愈强，与补给水体接触面积愈多，矿井涌水强度愈大。（三）充水岩层接受补给的条件2/8/2023572/8/202358图可代表华北石炭二叠系煤田上部的充水条件、充水层暴露程度及与水源的接触情况。它们对矿井涌水强度的影响很大。（三）充水岩层接受补给的条件2/8/202359

Ａ条件下的矿井：处在缺乏补给的山前地带，其直接项板为较强的充水层．但其上覆层为粘土层，在a处得到的补给少。涌水量一放在５０－２００ｍ３／ｈ，开采初期水量较大、们衰减快，易疏干。（三）充水岩层接受补给的条件2/8/202360B条件下的矿井：分布在平原区，基岩无水层与上覆砂砾石层直接接触，并在b处得到补给。矿井涌水量常稳定在500—１０００ｍ３／ｈ，较不易疏干。2/8/202361

Ｃ条件下的矿井：为湖水下采矿、矿床与充水层直接出露在湖底，c处常年受地表水威胁、易造成量大而稳定的突水，极易淹井且难于恢复。开采中既要留足安全矿住，又要严格加强顶板管理，避免导致湖水突入井巷。2/8/202362D条件下的矿井：充水层直接出露地表，仅接受大气降水渗人补给(在d处得到补给)。矿井涌水量一般较小，动态随季节变化，易于疏干。2/8/202363E条件下的矿井：分布在季节性河流的下面，河水流量呈季节性变化，矿井水在e处接受河水补给，亦呈季节性变化。涌水量在中、小之间变化，少数矿区在丰水季可造成突水。此类矿床应从远河处向近河处开采，且留足矿柱，而河下应在旱季开采。2/8/202364主要内容第一节、矿床类型与矿床开采第二节、矿床充水因素分析第三节、矿床水文地质类型第四节、矿坑涌水量预测第五节、矿床疏干与排供结合第六节、矿床水文地质工作特点第七节、矿区环境地质2/8/202365长期的勘探与开采实践表明，相似水文地质条件的矿床，具有基本类同的充水条件与接近的矿坑涌水量及采后主要水文地质工程地质问题。随着资料和经验的积累，逐渐揭示了矿床所处的内外环境与充水条件，充水强度之间的内在联系，为在理论上分类奠定了基础。分类既要对我国复杂多变的矿床充水条件具有高度的概括，又应明确多类型的基本水文地质特征，同时不同类型之间的界线清楚便于掌握应用。2/8/2023661993年水文地质、工程地质研究所提出了《中国岩溶充水矿床水文地质勘探类型》，将岩溶充水矿床进一步划了溶隙充水、溶洞充水和暗河管道充水三个亚类。1991－10－01国家技术监督局在吸纳了《岩溶充水矿床水文地质勘探类型》和1982年地质矿产部颁发的《矿区水文地质工程地质普查勘探规范》的基础上，颁发了新的国家标准《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719－91）。该方案如下：2/8/2023671.类及亚类首先根据矿床主要充水层的储水空间特征，将充水矿床划分为三类：第一类：以孔隙含