矿床水文地质

1、13 矿床水文地质,13.1 矿床与矿床开采 13.2 矿井充水条件 13.3 矿井突水及其预测评价 13.4 矿床水文地质类型 13.5 矿井涌水量预测,矿床水文地质,矿床水文地质主要是研究矿床水文地质条件、矿床开采中出现的水文地质问题及为解决这些问题提供依据。是为矿床开采服务的，它是把地下水作为需防治和排除的有害对象而加以研究的。 矿坑涌水及突水是矿产资源开发过程中常遇见的一种水患，影响井巷开拓和回采工作，需耗巨资建立防、排水工程，增加了采矿成本。,13.1 矿床与矿床开采,矿床与矿产： 矿床：指在地壳中由地质作用形成的、其品位和储量在当前经济技术条件下具有开采价值的含矿地质体。由矿体和围

2、岩组成。 矿产：指地壳中由地质作用形成和能被利用的矿物资源。 地下采矿方法简介 自然支撑法：一般用于矿石和围岩均较稳定的矿区里。空场法、留矿柱法。 人工支撑法：水泥柱、木柱等支撑顶板。 充填法：对采空区用碎石、泥沙或水泥进行人工充填 崩落法：让采空区顶部崩落充填采空区，对顶板岩层破坏较大，主要适用于围岩不稳定的矿区。,13.2 矿井充水条件,13.2.1概念 矿床充水：自然状态下，矿体尤其是围岩中通常充满一定数量的地下水，称为矿床充水。 矿井充水：开采矿床时，这些地下水和某些地表水，可持续地流入采矿井巷，称为矿井充水。 矿井水：采矿过程中涌入矿井巷道的水称为矿井水。 矿井水害：指地表水、地下水

3、、采空区积水等以不同的形式进入井下，并对矿井安全生产或经济效益产生不良影响的现象。 矿井突水：矿井充水水源通过导水通道在未能预见的情况下，突然涌入矿井所产生的突水事故。,矿井充水特点和强度取决于矿井充水条件： 矿井充水水源：大气降水、地表水、地下水、老窑水 矿井充水通道：断裂构造带、岩溶陷落柱、岩溶塌陷和天窗、构造裂隙、采动裂隙、钻孔。 二者组合为必备条件，必须结合起来分析，才有实际充水意义。,13.2.2 矿井充水水源,一、以大气降水为主要充水水源的矿床 多为矿层埋藏较浅的矿床、充水岩层裸露的矿床、位于分水岭地段的矿床、处于包气带中的矿床、露天矿等。最主要的是露天矿和有集中入渗通道的矿井。

4、矿井涌水特征： 周期性变化：矿井涌水动态与当地降水的变化过程一致或具有相似性，表现出明显的季节性和多年周期性的变化规律。 降水的影响随深度减弱：同一矿井随开采深度增加矿井涌水量逐渐减少，滞后时间延长。 矿井涌水量的大小与降水性质、强度、延续时间、入渗条件密切相关。（连续长时间的中到大雨、汇水条件好、充水岩层裸露、地表渗透性大的矿区涌水量大。）,图1 淄博洪山矿涌水量与降水量关系曲线图 1-月降水量；2-月矿井涌水量,13.2.2 矿井充水水源,二、以地表水为主要充水水源的矿床 多位于山区河谷和平原河流、湖泊、海洋、水库附近或其下。 地表水能否成为矿井充水水源，关键在于二者之间有无水力联系，即是

5、否存在充水途径：天然的（充水岩层和导水断裂等）和人为的（采空区顶板破裂带、疏干排水引起的岩溶地面塌陷等。） 地表水作为充水水源时影响涌水量大小的因素： 地表水体的规模和性质：当地表水是矿井充水来源时，若为常年性水体，则水体为定水头补给边界，矿井涌水量通常大而稳定，淹井后不易恢复；若为季节性水体，只能定期间断补给，矿井涌水量随季节变化。,13.2.2 矿井充水水源,地表水体与矿井的相对位置（高程的相对关系、地表水体与矿井之间的距离）：只有当井巷高程低于地表水体时地表水才能成为矿井充水水源；当井巷高程低于地表水体，在其它条件相同时，距离愈小，影响愈大，充水作用愈大，矿井涌水量愈大。反之则影响减小。

6、 矿井与地表水体之间岩石的透水性：若为隔水层，一般无影响或影响甚微；若为透水岩层，则其透水性愈强，矿井涌水强度愈大。反之则小。 采矿方法的影响：开采方法不当，则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。,13.2.2 矿井充水水源,三、以地下水为主要充水水源的矿床 分布在矿层顶底板和周围的地下水，在矿床开采时可通过某种途径进入矿井，成为矿井充水水源。 矿井充水层：能造成井巷涌水的含水层。 依据矿床与充水层的关系分类： 直接充水水源：充水层直接被矿井揭露，地下水直接进入矿井； 间接充水水源：通过不透水围岩的局部导水通道才能进入矿井。,13.2.2 矿井充水水源,以地下水为主要充

7、水水源时，充水特点、强度及其规律性： 矿井涌水强度与充水岩层的空隙性质有关（地下水类型）及富水程度有关。 矿井涌水强度与充水层的厚度和分布面积有关。 矿井涌水量及其变化与充水层中地下水量的组成及水量大小有关。,13.2.2 矿井充水水源,四、以老窑水（老窑、采空区和废弃的旧井巷中的积水）为主要充水水源的矿床 在我国许多矿山的浅部，有很多老窑、采空区和废弃的旧巷道，其中往往有大量积水，称为老窑水或老空水。 老窑水积水范围不明，联通复杂，水量大，酸性强，水压高。老窑水一般为容积储存量。 充水特点：水势猛、时间短、破坏性大，腐蚀性强。水量随时间急剧减少。,13.2.3 矿井充水通道,矿井充水通道：断

8、裂构造带、岩溶陷落柱、岩溶塌陷和天窗、构造裂隙、采动裂隙、钻孔。 1.断裂构造带（断层）：能否成为充水通道，主要取决于是否透水和含水（和两盘和断裂带破碎的岩性特征，断层形成的力学性质、受力强度、充填胶结及后期破坏以及人为作用等因素有关）。 分类：隔水断裂和透水断裂 断裂的充水作用： 构成矿井的直接水源（富水断层、导水断层）； 破坏顶、底板隔水层的连续性，沟通其上下充水岩层，或地表水体，使之与矿井发生水力联系，成为地下水或地表水的充水途径； 使充水岩层与矿层接近或直接接触； 降低隔水顶底板岩层的力学强度，形成突水的薄弱带； 构造隔水边界。 断裂通道往往是矿井充水的最大威胁，也是矿床水文地质调查的

9、重点对象。,河南焦作冯营矿1301工作面突水点剖面图,13.2.3 矿井充水通道,2.岩溶通道：导水岩溶陷落柱、岩溶塌陷及天窗等。 岩溶陷落柱：由于下伏碳酸盐地层中发育有大型岩溶洞穴，导致上覆的非可溶岩层不稳定、不断向下垮落而形成的柱状体。 全充水型：危害最大，井巷工程一旦揭露就发生突水，突水量大而稳定 边缘充水型：一般以滴淋水为主，涌水量不大 疏干型（或不充水型被揭露时只有少量滴水或无水，巷道甚至可穿过柱体。 1984年6月2日，开滦范各庄矿2171工作面揭露的9号陷落柱，最大突水量为2053m3/min，其水量之大为世界之最。 岩溶塌陷：岩溶充水矿区，特别是我国南方岩溶充水矿区突出的环境问

10、题和地质灾害。 大气降水和地表水常沿塌陷大量灌入井下，增大矿井涌水量，甚至造成矿井排水的往复循环，并常常伴以涌泥、涌砂等现象发生。,开滦范各庄矿2171工作面陷落柱突水及封堵情况示意图,13.2.3 矿井充水通道,3.构造裂隙 褶皱裂隙：张裂隙导水性好 地震裂隙通道：地震作用可以在水源与井巷之间造成新的裂隙。彼此相连，称为充水通道，使水流入井巷，增加矿井涌水量。 4.采动裂隙 煤层在天然状态下与周围岩层相接触，并保持其应力平衡状态。当煤层采出后，使采空区周围的岩层失去支承而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，原始应力状态亦随之发生变化。随着采矿工作面的不断推进，围岩的移动、变形和破坏不断由采场向外

11、、向上和向下扩展，导致顶板底板和煤壁的破坏，在采场周围形成破坏带或人工充水通道。当其波及充水水源时，就会发生顶板突水、底板突水。 5.钻孔 所有钻孔终孔后都应按封孔设计要求和钻探规程的规定进行封孔。未进行封孔或虽封孔，但质量不合乎要求的钻孔便成为沟通煤层上部或下部含水层的导水钻孔。当采掘工程揭露或接近时，会酿成突水事故。,山东新汶良庄矿1962年7月14日在0水平11煤层下山掘进中，遇封孔不合格的35号钻孔突水，使上部流砂层水、一灰水和下部四灰水导入矿井，最大涌水量288m3/h，造成矿井局部停产,新汶良庄矿35号钻孔突水剖面图,13.2.4 影响矿井充水的其他因素,一、充水岩层出露条件和接受

12、补给条件 充水层和含水矿体的出露程度愈高，该层的透水性愈强，与补给水源接触面积愈大，则矿床充水愈强，矿井涌水量愈大。 对于间接充水层，与间接充水层与直接充水层的接触面积有关。 与地形有关 二、矿床的边界条件 侧向边界和顶底板条件：形态及透水性和隔水性,三、地震的影响 矿区地下水位与矿井涌水量，震前下降，震时突升，震后逐渐恢复。震时涌水量的变化幅度，与地震强度成正比，与震源距离成反比。,13.3 矿井突水及其预测评价,13.3.1 矿井突水征兆 13.3.2 采掘活动对煤层顶板岩层的破坏 及顶板突水预测评价 13.3.3 采掘活动对底板岩层的破坏 及底板突水预测评价,13.3 矿井突水及其预测评

13、价,13.3.1 矿井突水征兆 1.煤壁“挂汗”：具有一定压力的水透过煤岩体的微细裂隙而在采掘工作面煤岩壁上凝结成水珠的现象，称为挂汗。 2.煤壁：“挂红”：近老窑的煤层裂隙中的积水，当积水中含有铁的氧化物时，煤岩壁上所挂的“汗”呈铁锈色，故称“挂红”，是前方有老空积水的征兆。 3.空气变冷，煤壁发凉：水的导热系数比煤岩体大，所以采掘工作面接近积水区域时，空气温度会下降、空气变冷，人进去后有凉爽、阴冷的感觉。 4.采掘工作面出现雾气 5.工作面煤岩壁发出水叫声 6.工作面淋水加大，底板鼓起或产生裂隙并出现渗水 7.工作面出现压力水流（或称水线） 8.工作面有害气体增加 9.煤层发潮、发暗,13

14、.3.2 采掘活动对煤层顶板岩层的破坏及顶板突水预测评价,一、采动条件下覆岩破坏的规律 (一)三带”的形成及其形态特征 （二）影响冒落带、裂隙带发展的因素 二、覆岩破坏对顶板突水的影响极其评价,一、采动条件下覆岩破坏的规律(一)“三带”的形成及其形态特征,煤层采出后,上覆岩层要发生破坏和位移,即引起顶板岩体的开裂、塌落和移动，并具有明显的分带性.按顶板岩层的破坏程度和形式，可将整个破坏影响区在剖面上划分为三个分带如图所示：,覆岩破坏分带示意图 -冒落带；-裂隙带；-弯曲带；a-垂向裂隙；b-离层裂隙；c-地表裂隙；1-不规则冒落带；2-规则冒落带,1冒落带,煤层采出后,上覆岩层失去平衡,由直接

15、顶岩层开始逐层向上冒落,直到开采空间被冒落岩块充满为止。冒落带下部,岩层呈不规则的岩块杂乱堆积于采空区内,称不规则冒落带；向上冒落岩块渐大,甚至过渡为似层状断块，不连续地覆盖于不规则冒落带之上,称规则冒落带。 冒落带最高点至回采上边界的垂直高度称为冒落带高度。冒落带内岩块之间空隙多,连通性强,是水体和泥砂溃入井下的通道。 冒落岩石由于碎胀,体积增大，增大的比率称为碎胀系数。煤层直接顶岩性愈坚硬、煤层采厚愈大,碎胀系数愈大；反之则小。厚煤层分层开采时,冒落岩块因受重复破坏,岩块碎度增大,碎胀系数减小,2. 裂隙带,煤层顶板岩石自由冒落后,冒落带上方的岩层继续下沉弯曲,当其弯曲超过本身强度时,便产

16、生离层裂隙或垂直张裂隙,以至断裂。这一过程逐层向上发展,直到上覆岩层整体下沉为止,这部分称为裂隙带。裂隙带导水能力较强,当其波及水体时可将水导入井下,但一般不导砂。 一般将冒落带和裂隙带称为冒裂带或导水裂隙带。裂隙带最高点到回采上边界的垂直距离,称为冒裂带高度或导水裂隙带高度。导水裂隙带发育的规律及其最大高度的确定,是地表水体及富含水层下采煤的重要工作之一,也是决定防水煤柱尺寸的主要依据。,3. 弯曲带,弯曲带是指导水裂隙带顶界到地表的那部分岩层.弯曲带基本呈整体移动,故又称整体移动带。其上部很少出现离层裂隙,其下部可能出现离层裂隙,但仅局部充水,不与导水裂隙带连通。 弯曲带上方的地表,一般会

17、形成下沉盆地,盆地边缘出现张裂隙,其深度约3m5m,一般不超过10m,上宽下窄,直至闭合消失。因此,弯曲带具有隔水保护层的作用。 需要指出,“三带”仅对层状岩层有意义,岩浆岩不存在“三带”。“三带”发育是否完整取决于采深,采深较小时(一般小于100m)“三带”发育不完整。,煤层倾角不同时,“三带”(特别是冒落带、裂隙带)的形态有所不同（如左图）。这是由于随着煤层倾角的增大,在倾斜方向上产生冒落岩块向下滚动加剧,采空区下部易被充填,从而限制了冒落带、裂隙带下边缘向上发展，而采空区上部,煤柱开裂、冒落,使冒落带、裂隙带的上边缘大大超过采空区上边界,冒落带、裂隙带的高度随之增大。当煤层倾角很大，顶、

18、底板岩性坚硬，煤层厚且松软时，则可能沿煤层抽冒，高度可超过百米，形成地表塌陷。,冒落带、裂隙带的形态特征 a-水平、缓倾斜煤层；b-倾斜煤层；c-急倾斜煤层,（二）影响冒落带、裂隙带发展的因素,1覆岩性质及组合特征 坚硬一坚硬型 硬岩一般不易冒落、不易弯曲，但冒落后岩块大，碎胀系数大。由于坚硬老顶下沉缓慢，下沉量小，整个开采空间需碎胀块充填，所以冒落充分。又由于坚硬岩层弯曲断裂，故冒落带、裂隙带均发育较高，冒落带高度可达采厚的56倍，裂隙带高度可达采厚的1828倍。 软弱-软弱型 软岩易弯曲、冒落，下沉快、幅度大。直接顶冒落快，因老顶下沉也快，采空区极易被岩块充满而终止冒落，故冒落带发育不充分

19、，加之岩性软弱不利于裂隙发育，两带高度均较低。一般冒高约为采厚的2-3倍，裂高约为采厚的9-12倍。 软弱坚硬型 直接顶易冒落，老顶不易弯曲下沉。若直接顶薄，则冒落不充分，冒高、裂高均小；若直接顶厚，则冒落充分，冒高可达采厚的810倍，裂高约为采厚的1316倍。 坚硬软弱型 直接顶冒落后，老顶很快弯曲下沉，占据采空区上部空间，冒落不充分，两带高度均较低,什么叫伪顶,直接顶,老顶,直接底,老底,人工顶板,再生顶板(补充),伪顶是紧贴在上覆煤层之上,极易垮落的薄岩层,厚度一般小于0.5M,常由炭质页岩等硬度较低的岩层所组成. 直接顶上覆于伪顶或煤层之上,一般由一层或几层泥岩,页岩,粉砂岩,砂页岩等

20、比较容易跨落的岩层所组成. 老顶一般位于直接顶之上,有时也直接覆于煤层之上,厚而坚硬的岩层,常有砂岩,石灰岩等岩层组成. 直接底位于煤层之下,一般强度较低的岩层. 老底位于直接底之下,一般由砂岩,石灰岩等坚固的岩层所组成. 人工顶板是开采下分层煤时为阻挡上分层跨落的顶板岩石进入工作空间而铺设的隔离层. 再生顶板是分层开采时上分层跨落的顶板岩石自然胶结或人工胶结而形成的顶板.,1）采厚 导水裂隙带高度与采厚基本呈直线关系,图9-3 导水裂隙带高度与采厚关系图,2煤层赋存及开采因素,2）分层数及回采垂高 水平至倾斜的煤层分层开采或近距离煤层群重复采动条件下，裂隙高度随分层数增加而递减(如左图),裂

21、高采厚比与开采分层书的关系 1.中硬覆岩 2.软弱覆岩,2煤层赋存及开采因素,3）开采面积 开采倾斜、缓倾斜煤层时，裂隙随采区扩大而向上发展。当采区扩大到一定范围，裂隙带高度达最大值后，采区继续扩大，裂隙带基本上不再发展。当岩层移动趋于稳定后，原有的冒裂隙将逐渐趋于压缩状态，裂隙带高度甚至会随之降低。,2煤层赋存及开采因素,4）地质构造 由于构造破碎带岩石的力学强度降低，在采动条件下会加剧冒落带、裂隙带的发展。位于正常冒落带、裂隙带以上的断层，可能会使冒落带、裂隙带发展至该断层(左上图)。位于正常冒裂带范围内倾角比较平缓的断层，一般对冒落带、裂隙带高度的影响不大(左下图)。,断层位于导水裂隙带

22、范围外,断层位于导水裂隙带范围内,2煤层赋存及开采因素,5）采煤方法及顶板管理：正确选择采煤方法和顶板管理方法是控制两带高度及覆岩沉降的重要手段。选择采煤方法时，应考虑有利于限制导水裂隙带高度，使上覆岩层形成均衡破坏。 常用顶板管理方法有：全部陷落法、全部充填法和煤柱支撑法（条带开采）等。采用全部充填法和煤柱支撑法管理顶板，有利于控制两带高度的发展。,2煤层赋存及开采因素,6） 覆岩破坏的延续时间 覆岩破坏高度的发展是个时间过程。当裂隙高度未达最大值时，其随时间的延长而增大。导水裂隙带达到最大高度的时间与覆岩性质有关，一般中硬岩层为回采放顶后12个月；坚硬岩层长些；软弱岩层短些，约0.51个月

23、。裂隙高度达最大值后，覆岩仍在移动。覆岩坚硬时，导水裂隙带高度一般不再随时间变化；对于中硬或软弱覆岩，裂隙带高度随时间延续略有减小。厚煤层分层开采时，随分层数增加，裂隙带高度达最大值的时间逐层加快。,2煤层赋存及开采因素,二.覆岩破坏对顶板突水的影响及其评价,在采动破坏下，覆岩破坏后在采空区上方形成“三带”，其中的冒落和裂隙带是采动破坏形成的人工导水通道。当其波及采空区上方的地表水体或含水层，即冒落带、裂隙带高度大于地表水或含水层等水体与工作面之间的距离时，就会引起顶板突水。因此，评价覆岩破坏是否会引起顶板突水，关键在于确定冒落带、裂隙带的最大高度。常用的确定冒落带、裂隙带最大高度的方法有以下

24、几种,方法,.（一）类比法 选用与本矿区的地质条件（煤层倾角、覆岩性质及组合结构等）、开采（采厚、分层或回采垂高、采煤方法和顶板管理方法等）相似的其它矿区的数据，通过对比，充分分析采用类比值的有利条件和不利条件，以确定本矿区的两带高度。,（二）经验公式法 我国煤矿工作者通过在许多矿区开展水体下采煤的试采研究实践，总结出一套适合我国国情的计算冒落带与导水裂隙最大高度的经验公式（见下表）,冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式,注：1表中M累计采厚（m）；n煤层层数;m煤层厚度（m）；h采煤工作面小阶段垂高（m）。 2岩石抗压强度为饱和单轴极限强度。4据矿井水文地质规程。,13.3.3 采掘活动对底

25、板岩层的破坏及底板突水预测评价,当煤层底板下存在承压含水层时，由于采掘工作破坏了煤层底板隔水层的天然受力状态，底板承压水在静水压力和矿山压力的作用下突破底板隔水层涌入矿井，造成底板突水。 一、影响底板突水的因素 二、底板突水的评价方法,一、影响底板突水的因素,1含水层富水性及水压（底板突水的内在因素和基本动力） 2隔水层厚度及岩性组合（底板突水的抑制因素） 3断裂构造（底板突水的重要因素） 4矿压破坏（底板突水的诱发因素） 5. 地应力（附加力源）,1含水层富水性及水压,含水层的富水性是底板突水发生的内在因素，决定着突水量的大小及其稳定性；水压则是底板突水的基本动力。在煤层底板隔水层条件相同时

26、，水压愈大，底板突水的机率愈高。在我国受奥灰或茅口灰岩水影响的矿井，随着矿井的延深，底板承受的水压愈来愈大，矿井受底板水的威胁也随之增大。,2隔水层是底板突水的抑制因素,当其它条件相同时，隔水层的厚度越大不易发生底板突水。 隔水层抑制底板突水的能力除取决于其厚度外，还与其岩性及组合关系有关。 柔性岩石有利于阻止水的渗入；刚性岩层抵抗矿压破坏的能力较强；刚柔相间的底板有利于抑制底板突水。,3断裂构造,断裂构造是底板突水的重要因素。据统计，我国矿区80%90%以上的突水与断层有关。 断裂构造所起的作用表现为: 降低底板隔水层的强度; 缩短煤层与对盘含水层的间距，减少底板隔水层的厚度（承压含水层的水

27、沿断裂带导升至底板隔水层中）; 成为承压水涌入矿井的导水通道. 从而导致底板突水,4矿压破坏是底板突水的诱发因素,矿压对煤层底板的变形破坏主要是在隔水层上部形成矿压破坏带从而直接影响隔水层的有效厚度，为突水的发生创造条件。 在天然条件下，水压的作用与经过原生破坏后的隔水层的阻水能力已大体上处于相对平衡状态，一旦加上矿压的破坏作用，相对平衡即遭破坏，底板突水随之发生。因此，人们将矿压视为底板突水的诱发因素。 矿压诱发突水的时间有长有短，一般回采工作面诱发时间较短，掘进工作面则可能很长。有些断层被巷道揭露很长时间，甚至被巷道几度穿越均未发生突水，但经过一定时间后突然发生涌水。据大量突水资料统计，回

28、采工作面突水前常有工作面压力增大或产生底鼓、裂缝的过程，或突水点位于采空区内，有些巷道突水则是发生在掘进后12年或更长的时间，这些都说明矿压对隔水层的破坏有时间滞后效应。,回采过程中底板受力情况,压缩一膨胀一再压缩的过程，以离层形式导致层间裂隙的产生；沿采空区周边形成剪切破坏带；采空区底板浅部出现的拉应力和横向位移，可导致薄弱带出现竖向裂缝。这些裂隙的形成是矿压破坏底板和诱发底板突水的重要原因。,采煤工作面底板受力、剪切带分布图,回采过程中底板受力情况,随采煤工作面推进底板受力工程示意图,矿压对底板的破坏可简述为，随着回采工作面推进，其底板任一断面都要经受采前超前支承压力而压缩、采后悬顶减压而

29、膨胀及后期顶板冒落再压缩的过程,矿压破坏深度,矿压破坏对隔水层厚度的影响主要取决于矿压破坏深度。破坏深度愈大，隔水层有效厚度的减少愈大，诱发底板突水的可能性愈大；反之则小。矿压破坏的深度的大小与回采工作面尺寸、开采方法、煤层厚度及倾角、开采深度及顶底板的岩性及结构等因素有关，其中最主要的是工作面斜长。根据若干工作面的测试资料，矿压对底板隔水层的破坏深度一般为614m。 山东矿业学院特殊开采所根据全国11个采面的测试成果，总结出底板破坏深度与采面斜长关系的经验公式为: h1=1.86+0.11L （13-1） 式中 h1底板破坏破坏深度，m； L工作面斜长，m。,根据矿压对底板的破坏，矿压诱发采

30、场底板突水有以下规律：,1）在时间上，底板突水多发生在采面初次来压或周期来压时，尤其以初次来压时居多，其原因是此时控顶距及悬顶面积大。 2）在空间上，底板突水在走向上多发生剪切带的部位。 3）从工作面推进速度看，推进慢比推进快易突水，停采线附近也易突水，其原因是剪切带有充分的时间发展、延深，从而加剧对底板的破坏。,5. 地应力,地应力是导致底板突水的附加力源。 焦作矿区19601970年矿区突水与地震统计资料的对比分析也可发现，二者之间有一定的联系。,焦作矿区地应力与突水关系图 1月震次数曲线；2月突水次数曲线,1,2,上述因素并非同时作用于每一个突水点，更不可能起同等重要的作用。概括地说，上

31、述因素中承压水水压的大小和隔水层的稳定性强弱是决定底板能否突水的一对基本矛盾。一般而言，水压是矛盾的主要方面，底板下没有承压含水层（不存大水压）或承压力水的水头低于煤层底板，隔水层再不稳定也不会造成底板突水。如果底板下含水层具有一定的水压，隔水层的稳定性就成了控制底板突水的决定因素。当水压和隔水层的稳定性处于相对平衡时，构造（主要是断裂）和矿压的作用将促使矛盾由不突水向突水转化。当自然条件下的水压与受构造影响削弱的隔水层稳定性处于相对平衡状态时，矿压则成为诱发底板突水的主要因素。地应力大时，更会加剧底板突水的发生。,二、底板突水的评价方法,1斯列萨列夫公式 斯列萨列夫根据静定梁理论推导出评价巷

32、道底板突水时计算安全水头的公式:,巷道安全水头计算示意图,式中 H安安全水头，即巷道隔水层底板所能承受的极限水头值，10-2MPa； Kp底板隔水层抗张强度，10-2MPa； t巷道底板隔水层实际厚度，m； L巷道宽度，m； 巷道底板隔水层密度。,安全厚度的计算公式 ： （13-3） 式中 t安安全厚度，即巷道底板抵抗实际水头的极限厚度，m； H作用于巷道底板的实际水压，10-2MPa。 若H安H实或t安t实，说明巷道底板不安全，可能发生底板突水。,2. 突水系数法,突水系数：指单位隔水层厚度所承受的水压，又称水压比。其表达为 （13-4） 式中 T突水系数， MPa/m P作用于底板的水压，

33、MPa； M隔水层底板厚度，m. 临界突水系数Ts:每米隔水层厚度所能承受的最大水压。 用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数Ts。若TTs则说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。,临界突水系数是对矿区大量突水资料统计分析后得出的，我国一些突水资料丰富的矿区总结出的Ts值见下表。,由上表所列资料认为，底板受构造破坏块段临界突水系数一般不大于0.060PMa/m，正常块段Ts不大于0.150MPa/m。考虑矿压对底板破坏后，隔水层的有效厚度会减小，煤炭科学研究总院西安分院对式13-4进行了修改，修改后表达式为： （13-5） 式中 Cp矿压破坏深度，m。,。,突水系数是通过长期生产

34、实践总结出的一种规律性认识，在煤矿生产实践得到广泛的应用，对评价与预测煤层底板突水起到了积极的作用。 但也存在一些问题：由于已知突水点的80%90%发生在断层带及其附近，由这些突水资料总结出的临界突水系数值用于评价和预测构造破坏地段的底板突水较为可靠，评价或预测正常地段底板突水则偏于保守；根据对大量突水资料的统计分析，临界突水系数随采深的增加，在浅部是一条直线，深部则变为曲线，且Ts的增量随采深增加而变大，因此用浅部突水资料来预测或评价深部突水也会偏于保守；在实际突水资料缺乏或较少的矿区，临界突水系数值难以确定；在实际应用中，因受专门水文地质孔数量的限制和灰岩含水层岩溶发育和富水性的极不均一，

35、在通过内插法编制的等水压线图上确定的水压值很难满足精度要求。,3“下三带”确定方法,山东矿业学院特殊开采所通过对大量现场实际观测资料进行统计分析后认为，当开采层底板下存在承压含水层时，采动矿压对煤层底板的破坏存在着“三带”，即：自上而下依次为底板导水破坏带、完整岩层带与承压水导高带。 底板导水破坏带：是指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带。该带的厚度即为“底板导水破坏深度”。 完整岩层带：位于底板导水破坏带与承压水导高带之间，其特点是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能，故称为完整岩层带。因其是阻抗底板突水的关键，故又称为有效保护层带。 承压水导高带：是指含水层

36、中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度，也有人称为原始导高。原始导高在开采后还可以再导升，但上升值很小。由于隔水层中裂隙发育的不均匀性，不同矿区或同一矿区不同地段因其底板岩性及地质构造的不同、则原始导高大小不一，少数断裂可使承压水导升很高，甚至接近或超过煤层，有些矿区或同一矿区的正常块段也可能无原始导高带存在。因此，有人对承压水导高带在平面上是一个完整的带持有疑义。,设煤层隔水底板总厚度为h，底板导水破坏带、完整岩层带与承压力水导高带的厚度依次为h1、h2和h3，则 h2 = h -（h1 + h3) （13-6） 当hh1+h3时，则保护层存在；当hh1+h3时，是否会发生底板突

37、水，则取决于完整岩层（有效保护层带）的厚度及其阻抗水能力。保护层的阻抗水能力，可根据现场压水破坏试验成果确定。,13.4 矿井水文地质类型,根据充水条件和矿井开采时所产生的水文地质问题划分的矿井类型，称为矿井水文地质类型。（即按水文地质条件划分）矿井水文地质类型的划分是在系统整理、综合分析矿床普查勘探和矿井建设生产各阶段所获得的水文地质资料和经验教训的基础上，对矿井充水条件的高度概括与归纳。其目的在于指导矿井水文地质勘探、矿井防治水和矿区地下水的开发利用。 分类原则：便于应用；突出控制矿井充水条件的主导因素，以便揭示主要问题；概念明确，简单实用。 我国对矿井水文地质类型的划分开始于1955年，

38、历经多次修订发展，至1991年，国家技术统计局批准发布的矿区水文地质工程地质勘探规范（GB12719-91）中，第一次明确了矿井水文地质勘探类型的国家标准。,根据矿井充水的主要含水层类型分 按矿层与主要充水含水层的接触关系分 根据水文地质条件复杂程度分,根据矿井充水的主要含水层类型，将充水矿井分为以下三类： 第一类 以孔隙含水层充水为主的矿井，简称孔隙充水矿井。 第二类 以裂隙含水层充水为主的矿井，简称裂隙充水矿井。 第三类 以岩溶含水层充水为主的矿井，简称岩溶充水矿井。本类又可按岩溶形态划分为以下三个亚类： 第一亚类 以溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿井。 第二亚类 以溶洞为主的岩溶充水矿井。 第三

39、亚类 以暗河为主的岩溶充水矿井。,各类充水矿井按矿层与主要充水含水层的接触关系，充水方式分为以下三种： 1直接充水的矿井 矿井主要充水含水层（含冒落带和底板破坏厚度）与矿层直接接触，地下水直接进入矿井。 2顶板间接充水的矿井 矿井主要充水含水层位于煤层冒落带之上，矿层与主要充水含水层之间有隔水层或弱透水层，地下水通过构造破碎带、导水裂隙带或弱透水层进入矿井。 3底板间接充水的矿井 矿井主要充水含水层位于煤层之下，煤层与主要充水含水层之间有隔水层或弱透水层。承压水通过底板薄弱地段、构造破碎带、弱透水层或导水的岩溶陷落柱进入矿井。,当其充水方式为直接充水时，应着重查明直接充水含水层的富水性、渗透性

40、，地下水的补给来源、补给边界、补给途径和地段；直接充水含水层与其它含水层、地表水、导水断裂的关系。当直接充水含水层裸露时，还应查明地表汇水面积及大气降水的入渗补给强度。 当其充水方式为顶板间接充水时，应着重查明直接顶板隔水层或弱透水层的分布、岩性、厚度及其稳定性、岩石的物理力学性质和水理性质、裂隙发育情况、受断裂构造破坏程度，研究和估算导水裂隙带高度，分析主要充水含水层地下水进入矿井的地段。 当其充水方式为底板间接充水时，应着重查明承压含水层径流特征，直接底板的岩性、厚度及其变化，岩石的物理力学性质和水理性质，以及断裂构造对底板完整性的变化程度，分析、论证可能产生底鼓、突水的地段。,根据主要煤

41、层与当地侵蚀基准面及地表水位的关系，地表水体的影响程度，主要含水层和构造破碎带的富水性、导水性、补给条件、矿层直接顶底板隔水层的稳定性等影响因素,将矿井水文地质类型划分为： 第一型 水文地质条件简单的矿井。主要煤层位于当地侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水，矿井主要充水含水层和构造破碎带富水性弱至中等；或主要煤层位于当地侵蚀基准面以下，但附近无地表水体，矿井主要充水含水层和构造破碎带富水性弱，地下水补给条件差，很少或无第四系覆盖，水文地质边界条件简单。 第二型 水文地质条件中等的矿井。主要煤层位于当地侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水，主要充水含水层和构造破碎带富水性中等至强，地下水补给条件好

42、，或主要煤层位于当地侵蚀基准面以下，但附近地表水不构成矿井的主要充水因素，主要充水含水层和构造破碎带富水性中等，地下水补给条件差，第四系覆盖面积小且薄，疏干排水可能产生少量塌陷，水文地质边界较复杂。 第三型 水文地质条件复杂的矿井。主要煤层位于当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层富水性强，补给条件好，并具较高水压，构造破碎带发育，导水性强且沟通区域强含水层或地表水体；第四系厚度大，分布广，疏干排水有产生大面积塌陷、沉降的可能，水文地质边界复杂。,孔隙充水矿井主要分布于山间盆地、山前平原和河流冲积平原。 水文地质特征：矿床主要分布在有一定厚度的松散含水层分布区。主要充水岩层埋藏浅或直接出露地表，多

43、数矿区的主要充水来源为降水，部分受地表水补给，矿井涌水量季节性变化较大。矿井充水强度取决于松散岩层的透水性、厚度，一般为直接充水，井巷涌水量较大；地表水体的规模及其与含水层的联系程度，以及开采方法。充水层为沙层，煤层顶、底板和露天采矿场边坡稳定性能差，常产生流砂冲溃与边坡滑落等不良工程地质问题，开采时的工程地质条件比较复杂矿床一般位于当地侵蚀基准面以下，补给较易，水文地质条件比较复杂。 水文地质勘探时应着重查明：含水层的成因类型、分布、结构、粒度、磨圆度、分选性、胶结程度、富水性、渗透性及其变化；查明流砂层的空间分布和特征，含（隔）水层的组合关系，各含水层之间、含水层与弱透水层以及与地表水之间

44、的水力联系，评价流砂层的疏干条件及降水和地表水对矿井开采的影响。,裂隙充水矿井大多分布于山区和丘陵区，如华北煤田开采的二迭系山西组和石盒子组煤层的一些矿区。 充水特征：矿井充水以裂隙水为主，充水岩层的富水性受裂隙发育程度控制，多由大气降水和地表水补给，富水性中-弱。多为直接充水，在井巷内主要是沿裂隙产生涌水，且有季节性变化；涌水量一般较小，且具有不均匀性，疏干排水时影响范围较小；当煤层位于当地侵蚀基准面以下，附近有地表水体，并有巨大的构造破碎带或采空塌陷裂隙与水体沟通时，水文地质条件较为复杂，其他情况一般为简单-中等。 水文地质勘探时应着重查明：裂隙含水层的性质、规模、裂隙发育程度、分布规律、

45、充填情况及其富水性；岩石风化带的的深度和风化程度；构造破碎的性质、形态、规模，以及其与各含水层和地表水的水力联系；裂隙含水层与其相对隔水层的组合关系。,岩溶充水矿井水文地质条件一般比较复杂，矿井涌水量大，开采这类矿井时常发生突水事故，且地表水与地下水关系密切，水流通道较畅，排水影响范围大。但其富水不均一，各向异性明显，常以集中突水为主要充水方式，有时还有井下突泥、突砂、地表岩溶塌陷的现象发生。这类矿井在我国分布较广，如开采华北型煤田太原组煤层和开采华南晚二叠世煤层的矿井。 水文地质勘探时应着重查明：岩溶发育与岩性、构造等因素的关系，岩溶在空间的分布规律、充填深度和程度、富水性及其变化，地下水主

46、要径流带的分布。 以溶隙、溶洞为主的岩溶充水矿井应查明：上覆松散层的岩性、结构、厚度，或上覆岩石风化层的厚度、风化程度及其物理力学性质，分析在疏干排水条件下产生突水、突泥、地面塌陷的可能性，以及塌陷的程度和分布范围对矿井充水的影响。对层状发育的岩溶充水矿井，还应查明相对隔水层和弱含水层的分布。 以暗河为主的岩溶充水矿井，应着重查明岩溶洼地、漏斗、落水洞等的位置及其与暗河之间的联系；暗河发育与岩性、构造等因素的关系；暗河的补给来源、补给范围、补给量、补给方式及其与地表水的转化关系；暗河入口处的高程、流量及其变化；暗河水系与矿井之间的相互关系及其对矿井开采的影响。,13.5 矿井涌水量预测,13.

47、5.1 概述 一、矿井涌水量及预测内容和要求 矿井涌水量：矿山开拓与开采过程中，单位时间内涌入矿井的水量。（单位：m3/d、m3/h、m3/min） 矿井正常涌水量：指平水年（或平水期）开采系统达到一定标高时，正常状态下保持相对稳定的总涌水量。 矿井最大涌水量：指丰水年雨季开采系统的最大涌水量。 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。 疏干工程的排水量：指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（疏干流量） 意义：它是对煤田进行技术经济评价、合理开发的重要指标，也是设计和生产部门制订采掘方案，确定排水能力和防治措施的重要

48、依据。在矿区勘探和矿井建生产中有重大意义。,二、矿井涌水量预测的特点 复杂性：工作区地质条件、水文地质条件本身的复杂性； 局限性：勘探、调查对水文地质条件认识的局限性； 合理性：选择计算方法、确定计算参数的合理性； 后期改造性：矿区开采、长期疏降引起水动力条件、边界条件发生很大的变化。 只有查清自然条件和开采条件下的水文地质条件，才能比较准确的预计矿井涌水量。,三、矿井涌水量预测的方法、步骤 （1）查清条件，建立矿井水文地质模型 地下水流态：稳定流、非稳定流； 含水介质特性：均质、各向同性、等厚等； 边界条件：隔水、补给； （2）确定合适的计算方法，建立数学模型 方法：水文地质比拟法、回归分析法、涌水量曲线方程法、解析法、数值法、均衡法等。 确定性数学模型：查清水文地质条件 非确定性数学模型：不用求水文参数、仅用动态观测数据建立回归方程即可 （3）解算数学模型和评价预计结果,13.5.2 类比外推法,一、水文地质比