煤矿地质学第9章 矿井水文地质

第九章矿井水文地质

矿井突水是危害煤矿安全生产的主要因素之一；地下水是促进国民经济发展的宝贵资源。第一节地下水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防治

第一节地下水基本知识主要内容：一、自然界中的水循环二、地下水的概念三、含水层与隔水层四、地下水的分类五、地下水的物理性质和化学成分六、泉

一、自然界中的水循环大循环（外循环）：全球范围内水分从海洋蒸发上升，运移到陆地上空凝结后下降，并以地表或地下径流方式回归海洋。小循环（内循环）

：水分从海洋蒸发，再降落到海洋；或从陆地湖泊、河流、地表、植物叶面蒸发，又在当地降落。水的循环示意图

水循环意义

a.使大气圈、水圈、岩石圈和生物圈之间不断地进行着能量交换和物质迁移。b.使大气降水、地表水、地下水、土壤水之间相互转化，使水资源形成不断更新的统一系统。

二、地下水的概念

1、地下水

埋藏在地表以下、储存于岩石空隙之中的水。

2、存在形式:

气态水（水蒸气）：凝结成液态水后，可成为地下水的来源。

吸着水：水分子在岩石表层在强大的静电引力作用下被牢固地吸附在

岩石颗粒表面，又称强结合水。不受重力作用影响，不被植物吸收。

薄膜水：包围在吸着水外层的水膜，又叫弱结合水，静电引力作用小。

毛细水：储存在岩石孔隙、裂隙等毛细空隙中的水，可垂直运动。

重力水：岩石空隙中受重力作用而运动的水，如井水，泉水等。

重力水可形成稳定的地下水面。

3、饱气带：地下水面以上的范围。

饱水带：地下水面以下的范围。

三、含水层与隔水层地下水能穿过岩石内部连通的孔裂隙而运动。透水层：能被水透过的岩层叫透水层。含水层：透水性能好且含有地下水的岩层都是含水层。隔水层：透水性能差的岩层叫隔水层或叫不透水层。

四、地下水的分类

（一）按埋藏条件分类可分成三类：

1、上层滞水：埋藏在离地表不深的包气带中局部隔水层之上的重力水。分布局限，水量少，季节性明显，对煤矿生产无影响。

2、潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上，且具有自由水面的重力水。

（1）潜水面—潜水的自由水面。

（2）潜水埋深—地表到潜水面的垂深。

（3）潜水含水层厚度—潜水面至其底板隔水层顶板之距。

（4）潜水是矿井充水重要来源之一，必须重视。

3、承压水：充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水，又称为自流水。①自流盆地（承压水盆地）：储存承压水的向斜构造，它又分为补给区、承压区和排泄区。

②自流斜地（承压水斜地）：储存承压水的单斜构造。③承压水等水压线图——即承压水测压水位等高线图。从图中可判定承压水流向、水力坡度、每一点的承压、水位与潜水的补给关系等。④承压水是矿井充水重要来源之一，需高度重视。（二）按含水层空隙性质分类可分成三类：

1、孔隙水:

储存于疏松岩层孔隙中的水称为孔隙水。特点：岩石颗粒大而均匀，则孔隙大、透水性好、水量大；岩石颗粒细小而不均匀，则孔隙小，透性性差，水量小。

2、裂隙水：埋藏于基岩裂隙中，按裂隙成因分三类：

1）风化裂隙水：多分布于基岩表面，大部分为潜水，补给来源为大气降水，可作为饮用水。

2）成岩裂隙水：多存在于火成岩中，喷出岩出露地表接受降水补给后可形成层状潜水；侵入岩与围岩接触部分裂隙发育，形成富水带。

3）构造裂隙水:

赋存在构造裂隙中的地下水。分为两类：①层状裂隙水：存在于沉积岩、变质岩节理和片理中，能互相联通，可形成潜水，也可形成承压水。②脉状裂隙水：存在于断裂破碎带中，呈承压水性质。构造裂隙水对煤矿安全生产威胁很大。

3、岩溶水:1）埋藏于溶洞溶隙中的重力水。

2）裸露石灰岩分布区的岩溶水为潜水为其它岩石所覆盖的岩溶水深埋地下时则成承压水。

3）特点：①水量大、运动快、分布不均衡；②易接受降水的渗入，在地下流动很快；③埋藏深，常造成地水缺水④在谷地常形成泉水出露；⑤水量大，水质好，但对煤矿安全威胁极大。

五、地下水的物理性质和化学成分（一）地下水的物理性质

包括温度、颜色、透明度、气味、觉味、密度、导电性、放射性等。

1、温度：变化大；0℃以下~100℃以上

2、颜色：一般无色,颜色取决于水中化学成分和悬浮物,如含FeO为浅兰色，含Fe2O3为褐红色，含腐植质为黄褐色。

3、透明度：取决于水中固体物质与胶体颗粒悬浮物含量。

透明度测量方法：内径3㎝，长50-100㎝平底带放水嘴的量筒来测定：

透明：100㎝水柱可明显看见黑线十字图形和铅字；

半透明：＞30㎝水柱可见图形和铅字；

微透明：＜30㎝水柱可见图形和铅字；

不透明：缩小水柱仍不能见图形和铅字。

4、气味：地下水无气味，有气味则取决于水中所含气体成分和有机物质：含H2S—臭鸡蛋味含有机质—鱼腥臭味

5、觉味：地下水应无味，有味道的水与水中含盐分和气体分子有关：含NaCl—咸味；含有机质—甜味；

Na2SO4—涩味；含CO2气体—清凉可口。

MgSO4—苦味；

6、密度：取决于水中溶解盐分的多少，溶解较多盐分则密度可达1.2~1.3。

（二）地下水的化学成分

1、作为一种良好的溶剂，地下水不断从岩石中获取化学元素，目前地下水中所发现的化学元素有70余种。

2、化学元素在水中的状态

1）离子状态：阳离子：H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。阴离子：OH-、Cl-、NO32-、CO2-等。

2）化合物状态：Fe2O3、Al2O3等。

3）气体状态：N2、O2、CO2、CH4等

3、地下水的化学类型：

表征地下水化学类型的七种离子：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+

、Ca2+

、Mg2+

。

其类型分为：

1）重碳酸钙型水：水中主要成分为HCO3-、Ca2

+

2）硫酸钠型水：水中主要成分为SO42-、Na+

4、表征地下水化学性质的常用指标：

氢离子浓度（PH值）、硬度、总矿化度、侵蚀性

1）氢离子浓度（PH值）强酸性地下水

PH＜5

弱酸性地下水

PH为5~7

中性地下水

PH=7

弱碱性地下水

PH为7~9

强碱性地下水

PH＞92）硬度（1）硬度取决于水中Ca2+、Mg2+的含量。又分为；①总硬度：水中所含Ca2+、Mg2+的总量，包括暂时硬度和永久硬度。②暂时硬度：水沸腾后，由HCO3-与Ca2+、Mg2+结合生成碳盐沉淀出来的Ca2+、Mg2+的含量。③永久硬度：水沸腾后，残留于水中的Ca2+、mg2+的含量（2）硬度表示法有二种：

①德国度（H°）：1H°相当于1升水中含有10mg的CaO或7.2mg的MgO，即1升水中含有7.2mgCa2+

或4.3mg的Mg2+

。

②1毫克当量每升（meq/L）：1meq/L等于20.4mg/L的Ca2+或12.6mg/L的Mg2+

。

换算：1meq/L=2.8H°

（3）硬度分类：根据水的总硬度将地下水分为五类。地下水硬度分类类

型硬

度每升毫克当量（1meq/L)德国度（H°）极软水软

水微软水硬

水极硬水＜1.51.5~3.03.0~6.06.0~9.0＞9.0＜4.24.2~8.48.4~16.816.8~25.2＞25.23）总矿化度：

指单位体积水中所含离子、分子和各种化合物的总量（g/L）。总矿化度反映水的矿化程度，即水中溶解盐分的多少，反映地下水的循环条件：矿化度高，地下水循环条件差；矿化度低，地下水循环条件好；据总矿化度将地下水分为五类：名称干涸残余物(g/L)名称干涸残余物(g/L)淡水＜1盐水（高矿化水）10～50微咸水（弱矿化水）1～3卤水＞50咸水（中等矿化水）3～10

4）侵蚀性：地下水侵蚀性取决于水中侵蚀性CO2含量。当水中游离的CO2含量超过平衡HCO3-所需要的CO2量时,将使地下水具有侵蚀性，超出的CO2

称为侵蚀性CO2

，平衡HCO3-

所需要的CO2

叫平衡CO2

。侵蚀性CO2将溶解碳酸盐而破坏岩石。

六、泉

地下水的天然露头叫泉。按泉的形成方式分上升泉和下降泉：（一）下降泉由潜水含水层形成的泉称下降泉，又分为三类：

1、侵蚀下降泉：因河谷、冲沟下切到潜水层所致。

2、接触下降泉：地形被切割到含水层之下的隔水层，潜水从其接触处涌出地表。

3、溢流下降泉：当岩石透水性变弱或隔水层底板隆起，潜水流动受阻而溢出地表。（二）上升泉由承压含水层形成的泉叫上升泉，又分为二类：

1、侵蚀上升泉：河底、冲沟切割承压含水层隔水顶板时，泉水涌出地表。

2、断裂上升泉：导水断层或张性裂隙通过承压含水层时,沿断层或裂隙上升，当地面标高低于承压水测压水位（静止水位）时便涌出地表成上升泉。3、温泉（1）温泉：一般均为上升泉；其热源为地热增温、岩浆活动等。（2）类型：

①受地热增温影响形成的温泉，地下水埋藏很深，然后沿断裂带上升到地表。

②受地下侵入岩体岩浆余热、放射性蜕变热影响，使地下水加热而喷出地表，多出现在火山地区。第二节矿井充水条件

主要内容：一、矿井水的来源二、矿井充水通道分析三、影响矿井涌水量的因素

一、矿井水的来源

1、直接水源：矿体及围岩空隙中的地下水地表水老窑积水

2、间接水源：大气降水——起控制作用（一）矿体及围岩空隙中的地下水

1、孔隙水水源：存在于松散岩层的孔隙中。

2、裂隙水水源：多为围岩裂隙水，水量小、水压大，无水力联系时涌水量渐减至干涸；若有水力联系则涌水量增大，甚至造成事故。

3、喀斯特水水源：在我国常见于奥陶系石灰岩地层中。水压高、水量大、来势凶，涌水量稳定，不易疏干、危害性大。

（二）地表水源

当矿井开采区域位于江河湖泊水库海洋等水体影响范围内时，适当的条件下，可成为矿井充水水源。影响因素：距离水体的距离、季节变化、隔水层性质、开采方法等。（三）大气降水

1、矿井充水程度与地区降水量大小、性质、强度及持续时间有关；

2、矿井水量变化随气候季节性变化而变化。

3、大气降水渗入量随开采深度增加而减少。（四）老窑及采空压积水强酸性水、腐蚀性大、突水时来势猛，若有水力联系时难以疏干。二、矿井充水通道分析充水通道类型：孔隙、裂隙、溶隙、人工通道四种。（一）孔隙

存在于疏松未胶结成岩的地层中。透水性能取决于孔隙大小和连通性。煤层围岩为大颗粒松散层或流砂层时，孔隙水才能构成威胁。（二）裂隙

构造裂隙是矿井充水的主要通道，断层又是构造裂隙中最危险的进水通道，有两类断层：

1、隔水断层：压应力、部分扭应力所形成的扭性断裂，并充填胶结而成，本身不含水，并起隔水作用。

2、透水断层：张扭性断层为多，少数是压扭性断层。本身含水，有水力联系，水量大而稳定，不易疏干。（三）溶隙

溶洞发育规律：1、一般分布在厚层石灰岩中；2、分布在构造裂隙发育部位：断裂集中或交叉部位、褶曲核部，可溶性岩石、与非可溶性岩石接触部位；3、水循环交替及地壳运动使溶洞通道复杂化。①垂直循环带：潜水面以上的岩体，地表水渗透形成垂直发育互不连通的溶洞，多分布在含水层浅部或顶部。②季节变动带：喀斯特潜水随季节而变化；枯水期以垂直运动为主，洪水期以水平运动为主，成垂直、水平溶洞均发育。③水平循环带：在潜水最低水位以下到当地侵蚀基准面以上的范围，水平运动形成水平溶洞，暗河发育。④深部循环带：在当地侵蚀基准面以下，地下水运动缓慢，溶洞不发育，仅见溶孔。4、地壳运动的控制：地壳上升，老溶洞抬高，下部将形成新溶洞。（四）人工通道

1、勘探钻孔因封孔质量差而造成的充水通道

2、采矿活动形成断裂：采穿上方岩层发生移动变形而形成“三带”：第Ⅰ带：岩层垮落带。垮落高度：

h—垮落带高度（采空底界面超）m；

k—顶板岩石碎胀系数，一般采用1.3；

m—煤层采厚，m；

—煤层倾角。第Ⅱ带：断裂带:位于第Ⅰ带上方，因顶板垮落，岩层下沉而出现许多张性裂隙，其高度为垮落带高度的2-3倍。

第Ⅲ带：整体沉降弯曲带:位于Ⅱ上方，岩层缓慢沉降弯曲，但一般不出现裂隙，即能起到隔水作用。三、影响矿井涌水量的因素

从三方面分析：（一）覆盖层的透水性及煤层围岩的出露条件上覆岩层透水性好，补给水量和井下涌水量就大；煤层围岩在地表出露面积愈大，接受大气降水越多，井下涌水量愈大。（二）地形条件矿井开采深度高于当地侵蚀基准面、涌水量较少；矿井开采深度低于当地侵蚀基准面，水文地质条件复杂，涌水量较大。（三）地质构造

1、断裂面的力学性质：（1）压性断裂面：影响小，透水性差，能隔水。（2）张性断裂面：断裂充填物孔隙多而大，常有次级断裂面，对矿井涌水影响较大。（3）扭性断裂面：延展远发育深度大，次级断裂发育，也是良好的通道，对矿井涌水量影响较大。

2、不同构造部位对矿井充水的影响：（1）断层端点及其两侧岩层裂隙特别发育，易出现突水；（2）断层交叉部位应力集中，裂隙发育，导水性能好；（3）断层密度大的地段，应力集中，岩层破碎，导水性能好；（4）断层上盘裂隙较发育，易出现突水现象。第三节矿井水文地质观测及其水害防治主要内容：一、矿井水文地质观测二、矿井水的综合治理

一、矿井水文地质观测（一）地面水文地质观测

从四方面分析：

1、气象观测：观测内容：降水量、蒸发量、气温、相对湿度等。资料整理：绘制气象要素变化图、降水量与矿井涌水量变化关系图。

2、地表水观测：

①对河流、水沟观测：流量、水位、雨季最大流量和水位、通过构造断裂带的流失量，洪水期淹没带等。②对湖泊、水库、大型塌陷段水区的观测：积水范围、水深、水量、水位标高。对以上观测应整理成各种曲线图并标在平面图上。

3、地下水观测：对象：泉、井、钻孔、探巷、被淹井巷并组成观测系统。资料整理：编制各种综合图件如等水位线（等水压线）图、水化学剖面图等。4、导水断裂带发育高度的观测：观测煤层采空后的地面形变、采空区垮落带、断裂带（三带）的高度。

（二）井下水文地质观测

1、巷道充水性观测：分巷道充水性观测和矿井涌水量观测两部分（1）含水层观测巷道通过含水层：含水层厚度、岩性、裂隙、岩溶、标高、水压、水温、涌水量并取水样化验水质。

（2）岩层裂隙发育调查观测井下见含水层的裂隙调查：裂隙产状要素、长度、宽度、成因类型、张开和充填程度、充填物成分、地下水活动痕迹，测量裂隙率（面密度）。裂隙率（K）

Li：落入统计面积内的某一裂隙长度，m；

bi：某一裂隙宽度，m；

F：观测统计面积，m2。

u：节理数目（3）断裂构造观测断层性质、产状要素、落差、破碎带宽度，充填物性质及透水性。（4）出水点观测出水时间、地点、层位、岩性、厚度、出水形式、出水量、水压、标高、围岩、巷道变形等情况，分析出水原因及水源，采水样化学分析。（5）出水征兆观测（工作面）潮湿、滴水、淋水、顶底板及支柱变形情况。

2、矿井涌水量观测：

1）观测要求观测点布置：各巷道排水沟出口处、主巷道排水沟流入水仓处、采区石门排水沟出口处、井下出水点并分水平观测。

观测时间：一般每旬观测一次。水文复杂矿区则每旬2-3次，雨季次数应增加。

2）观测方法（1）容积法：①单位时间内流入量水桶中的水量（时间一般为小时、分、秒）。②迎头水窝容积计算法（2）浮标法：在规则水沟上下游测定两个过水断面面积，取平均值F，两断面之距离为L，浮标漂流时间为t，涌水量Q为：（3）堰测法：使排水沟的水通过形状固定的堰口，量测堰口的水头高度，即可计算出涌水量：①三角堰：适合流量小于0.5m3/s的情况：

其中，Q—流量L/s；h—水头高度cm②矩形堰：，其中B为堰口底宽cm③梯形堰：堰口窄于水沟：堰口与水沟等宽：注意：堰口上下游要形成水头差

（4）流速仪法：在巷道水沟中选定一个面，用流速仪测流速（5）水仓水位观法：用标尺读出时间内的水位差（H2-H1），而水仓平面积F是可测度的：

（6）水泵有效功率法：利用水泵排水量和实际效率进行换算。二、矿井水的综合治理（一）地表防治水

1、合理选择井筒位置:

井口标高均应高于历年最高洪水位,如受地形限制时，应筑防水堤或改变水流方向。

2、河流改道:穿过或附近流经矿区的河流严重影响井下生产时应使其改道。

3、铺设人工河床:上述河流不能改道，可铺设不透水的人工河床。

4、修筑排（截）水沟:

山区降水后在井田外围或漏水区段的上游垂直水流方向修筑排水沟使其不流入矿区范围。

5、堵漏:

地表裂隙、洞穴、陷坑，可用粘土堵塞。（二）井下防治水1、探放水：超前探放水（有疑必探，先探后掘）——老空区、含水断层、含水层

1）小窑老空区积水的探放①确定老窑范围、划定“三线”:

积水边界线：以其最深下山确定探水线：按积水范围可靠程度、积水量、水头压力、煤厚及倾角，沿积水边界线平行外推60-150m

警戒线：沿探水线在平行外推50-150m②老窑积水量估算:其中：W静—老空积水静储量m3；M—采厚m；

F—老空区平面积m2;—煤层倾角；

K—充水系数0.3~0.5。③小窑老空区探、放水钻孔的布置钻孔布置：上山巷道布置成扇形煤层平巷布置成半扇形在允许推进距离终点，探水孔间距≤3m

超前距为20m，帮距约等于超前距，超前距的计算：其中：a—超前距，m；l—巷道最大跨度（宽或高），m；

p—水头压力kg/m2；kp—煤柱的抗张强度,kg/cm2

2）断层水及其可疑水源探放

与探断层构造孔结合，查明：断层位置、产状、断层带宽度、充水情况、水力联系、静止压力、涌水量大小。查明后，据水量大小及水力联系情况，可放水疏干，若水量大，可封闭钻孔。2、煤矿酸性水的防治：（1）分区排除酸水；对区域性酸水用单独系统排放。（2）分级排水，降低水泵扬程，减少对水泵腐蚀速度。（3）引入