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1、第八章 矿井充水条件,第一节 影响矿井充水的自然因素,第二节 影响矿井充水的人为因素,第三节 矿井充水条件分析,矿井充水条件,矿井水：采矿过程中涌入矿井巷道的水称为矿井水。 人们将矿井充水水源、充水通道和影响矿井充水程度等三类因素的综合作用结果称为矿床的充水条件。,矿井充水条件既取决于矿井所处的自然地理、地质和水文地质特征，也取决于矿井建设和生产过程中采矿活动对天然水文地质条件的改变，它是一系列自然因素和人为因素错综复杂的 影响结果。 因此在正确分析和评价矿井充水条件前，应首先了解各种自然因素和人为因素对矿井充水所起的作用。,大气降水 地形 地表水 井巷围岩的性质 地质构造 岩溶陷落柱,第一节
2、 影响矿井充水的自然因素,一、大气降水,是主要补给来源。其影响，既与降水的特点有关，也与降水的入渗条件有关。,对于露天矿：降水直接降落在矿坑内，形成降雨径流，其水量大小决定于降雨量、露天坑范围及其汇水条件；矿坑充水与降水关系极为密切，雨后坑内水量立即增大。由于大气降水的多样性和自然地理条件的 复杂性，使降水的入渗过程十分错综复杂，对矿井充水的影响千差万别。,（一）周期性变化 季节性（年周期性)变化 2多年周期性变化,（二）降水的影响随深度减弱,特点：,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,如图,二 地形,地形直接影响矿井水的汇集和排泄，它是控制矿井涌水量大小
3、和防治工作难易程度的主要因素之一。 地形影响反映在矿井相对于当地侵蚀基准面的位置。 （一）位于当地侵蚀基准面以上的矿井 （二）位于当地侵蚀基准面以下的矿井,（一）地表水涌入或灌入矿井的途径1通过第四系松散砂砾层及基岩露头。如山东新汶西港矿大汶河水通过松散砂砾层补给四灰含水层而导致矿井充水。,三、 地表水 能否成为充水水源，取决于地表水体与井巷之间有无直接或间接联系的通道。,2通过小窑采空区，如山东淄博洪山矿1962年雨季东大沟洪水位上升，淹没沟两岸的南北炮台两对小窑，地表水沿小窑采空隙泄入井，最大涌水量达614m3/h； 3通过地表岩溶塌陷，如湖南涟邵恩口二井，木杉河洪水冲垮河堤，灌入塌陷区，
4、溃入矿井，最大涌水量达3500m3/h。 4地表水体下采煤，冒落裂隙带与地表水体沟通，如吉林辽源梅河一井水库透水造成淹井。,图2 地表水通过松散沙砾层补给薄层灰岩导致矿井充水 1-石灰岩；2-含水砂砾岩；3-河水位；4-黄土层；5-煤层；6-断层；一六为灰岩名称,（二）影响涌入量大小的因素 1井巷与地表水体间的岩石渗透性 2地表水体与井巷的相对位置 井巷低成为充水水源；如湖南某矿，距河下50m深的巷道涌水量为132m3/h360m3/h，其中76%81%为河水补给；距河下125m250m深的井巷，涌水量减为11m3/h17m3/h, 河水几乎没有影响。 3地表水体的性质和规模 当常年性水体，则
5、水体为定水头补给边界，量大而稳，淹井后不易恢复；若为季节性水体，间断补给，量随季节变化。,四、 井巷围岩的性质,围岩为含水层时，储存于其中的地下水就会成为矿井充水的水源。 围岩为隔水层时，如果厚度大而稳定，且具有足够的强度，则可起阻止周围的水向矿井充水的作用,（一）充水岩层对矿井充水的影响,1）孔隙充水岩层,2）裂隙充水岩层,3）岩溶充水岩层,1充水岩层的含水空间特征,1）孔隙充水岩层,（1）当井筒穿过松散孔隙含水层时，常发现孔隙水和流砂溃入事故。,（2）井下开采第三系煤层时，煤层顶、底板含水砂层中的水及流砂会溃入矿井。,（3）隐伏煤田露天开采时，覆盖层中的孔隙水是露天矿坑的主要充水水源，必须
6、在剥离前进行预先疏干。,（4）露天剥离岩层中孔隙水的存在还会改变岩的物理力学性质，导致粘土膨胀、流砂冲溃、边坡滑动等工程地质问题。,（5）在松散含水层下采煤时，随着顶板岩层的冒落，也会产生溃水、溃砂和溃泥的事故。,（一）充水岩层对矿井充水的影响,1充水岩层的含水空间特征,根据充水岩层的含水空间特征，分为孔隙充水、裂隙充水和岩溶充水岩层。,1）孔隙充 水岩层,（1）当井筒穿过松散孔隙含水层时，常发现孔隙水和流砂溃入事故。 60年代以来采,取冻结、沉井、降水等特殊凿井方法通过这类含水层，,基本避免了这类水害的发生。,（2）井下开采第三系煤层时，煤层顶、底板含水砂层中的水及流砂会 溃入矿井。,（3）
7、隐伏煤田露天开采时，覆盖层中的孔隙水是露天矿坑的主要充水水 源，必须在剥离前进行预先疏干。,（4）露天剥离岩层中孔隙水的存在还会改变岩层的物理力学性质，导致 粘土膨胀、流砂冲溃、边坡滑动等工程地质问题。,（5）在松散含水层下采煤时，随着顶板岩层的冒落，也会产生溃水、溃 砂和溃泥的事故。,图8-5 吕家坨矿3771工作面透水透砂示意图,2）裂隙充水岩层 含水空间发育不均一，且具有一定的方向性，其富水性 受裂隙发育程度、分布规律和补给条件的控制，一般富水性不强。,3）岩溶充水岩层 由于其含水空间分布极不均一， 致使岩溶水具有宏观上的统一水力联系而局部水力联 系不好，且水量分布极不均一的特点。因此，
8、岩溶充 水岩层对矿井充水影响的两个特点：一是位于岩溶发 育强径流带上的矿井易发生突水且突水频率高，矿井 涌水量大。如焦作韩王矿、演马庄矿 位于九里山断 层强径流带上，为该矿区突水最频繁、水量最大的矿 井；二是矿井充水以突水为主，个别突水点的水量常 远远超过矿井正常涌水量，极易发生淹井事故，如开 滦范各庄矿2171工作面，奥灰水通过陷落柱突水（图 8-6），最大水量达2053m3/min。,图8-6 开滦范各庄矿2171工作面陷落柱突水及封堵情况示意图,2充水岩层的厚度和分布面积,越大，地下水储存量愈丰富，对矿井充水影响愈大； 反之，则小。如峰峰矿区，野青灰岩厚约2m，井巷揭露时涌水量约3m3/
9、min 5m3/min，大青灰岩厚约6m，井巷揭露时达13m3/min24m3/min，若分布范围 很大的巨厚奥灰含水层参与充水，矿井涌水量会更大。,3充水岩层的出露和补给条件,可分为平面边界（周边界）和剖面边界（上、下边界）。 前者指充水岩层与区域地下水的联系，反映其接受侧向补给的能力；后者指充水岩层和上、下含水层的水力联系，反映其接受垂向补给的能力。 按边界透水与否，可分为隔水边界和透水边界。透水边界习惯上称为补给边界，又分为定水头边界和定流量边界。透水边界还可按透水性强弱，分为强透水边界和弱透水边界。,（二）隔水岩层对 矿井充水的作用, 隔水岩层的阻水能力,2隔水岩层的厚度和稳定性,3隔
10、水岩层的岩性组合关系,3隔水岩层的岩性组合关系,松散层中粘土、坚硬岩石中含泥质高的柔性岩石和胶结很好且裂隙、岩溶不发育的岩层，以及经过后期胶结的断层破碎带都可以起到良好的阻水作用。 例如，水体与导水裂隙带之间只要有一定厚度的粘土层或泥质岩层，即可实现安全采煤；当巷道围岩是隔水层时，可阻止含水层或其它水体中的水向矿井渗透；隔水断层和岩浆侵入体可阻止地下水的侧向补给。 需要指出的是，地质剖面中的砂质粘土、粘质砂土、粉砂岩或一些裂隙不发育的坚硬岩层等，其透水性介于含水层与隔水层之间，当其垂向渗透系数较大时，含水层与含水层之间或者充水岩层与井巷之间仍可能通过其产生越流补给，向矿井充水，特别是在上、下含
11、水层水头差很大或水压较大时；隔水岩层的隔水性质不是不变的，粘土或隔水断层在水压作用或长期渗透影响及矿压等人为因素影响下，可由阻水变为导水。, 隔水岩层的阻水能力,2隔水岩层的厚度和稳定性,隔水岩层的厚度越大，越能在各种情况下有效地阻止水进入矿井；厚度不大的隔水层或经受不住水压的作用，或在开采活动等人工作用下遭受破坏使阻水能力降低，甚至完全失去阻水能力而导致矿井充水。此外，由于地质作用的复杂多变性，隔水层既可能因变薄、尖灭而形成“天窗”，也可能因断层、陷落柱等破坏其完整性而形成导水通道，使矿井充水。,隔水岩层常常是由不同岩性岩层组成的岩组，如焦作矿区二叠系大煤与太原组八灰之间的隔水层，即由砂岩、
12、薄层灰岩、泥岩、砂质泥岩及页岩组成的互层。 据李金凯等的研究，刚性较强的岩层，如灰岩、砂岩等具有较高的强度，对抵抗矿压的破坏起较大作用； 柔性岩石，如泥岩、页岩等，具有强度较低，抵抗矿压破坏的能力差，但其隔水阻水能力较强。 由刚、柔相间的岩层组成的隔水岩层更有利于抵抗矿压与水压的综合作用，在厚度相同的情况下更有利于抑制底板突水。,3隔水岩层的岩性组合关系,大多数矿井突水都与地质构造有关。 （一） 褶曲构造 1褶曲的类型和规模 褶曲的类型决定地下水的储存条件和储存量大小。向斜构造与单斜、背斜相比，易于汇集和储存地下水，常形成蓄水构造或自流盆地。同属向斜构造，其规模愈大，含水层的分布范围愈广，地下
13、水储存量愈丰富，对矿井充水的影响愈大。 2褶曲伴生裂隙的导水作用 褶曲形成过程中，由于地层的弯曲，常在褶曲的不同部位产生一系列伴生裂隙。 1）平行主应力的横张裂隙导水性强。如徐州新河一井沿NW向主应力方向产生的张裂面与近似SW和NWW方向的两组剪裂面相比较，NW向断裂导水最好，突水点多分布在NW向断裂附近。 2）褶曲轴部，特别是向斜轴部的纵张裂隙常常是底板突水的通道，如峰峰二矿的11个底板大青灰岩突水点中除与断层有关外，向斜轴部的纵张裂隙也有重要的作用（图8-7）。,五、 地质构造,图8-7 峰峰二矿2673外溜子道突水点剖面示意图,3） 褶曲形成过程中产生的层间裂隙有利于灰岩中岩溶的发育和地
14、下水的汇集与运移。通常，褶曲两翼过于平缓，表明构造变动轻微；褶曲两翼岩层倾角过大，表明构造变动强烈，层面近似压性结构面的特征，层间裂隙均不发育；褶曲两翼倾角为3050时，极易发育张开程度较好的层间裂隙，有利于地下水的储存和运移。如江苏徐州新河一井，南翼灰岩近于直立，局部倒转，层面裂隙不发育，岩溶发育差，富水性弱；而北翼地层倾角较缓，层面裂隙发育，张开程度好，灰岩岩溶亦相应较发育，富水性强，井下突水点亦都分布于北翼。此外，褶曲转折端断裂较为发育，也是矿井突水的重要部位。,1断层对矿井充水的影响 充水重要通道，地下水、地表水，甚至大气降水都可能沿导水断层渗入或涌入矿井。断层对矿井充水的影响表现在三
15、个方面。 1）断层的导水和储水作用。当采掘工作面揭露或接近导水断层时，充水岩层中的水便会沿断层涌入矿井。如山东肥城杨庄矿9101工作面回风巷掘进时，揭露了FI-1断层，奥灰水和徐灰水沿断层涌入矿井，最大涌水量达到4409m3/h（图8-8）。 2）断层缩短了煤层与对盘含水层的距离，当采掘工作揭露或接近断层时突水。 除断层落差外，断层倾角的变缓也会使上盘煤层与下盘含水层之间的距离缩短。如河南焦作冯营矿1301工作面位于断层的上盘，原推测断层倾角为70，留设37m的断层防水煤柱，煤柱端点距下盘二灰含水层（L2）46m，实际断层面倾角在深部变缓，为5550从而使煤柱宽度减为19m，煤柱端点至下盘L2
16、的距离减至36m，因煤柱抗水压能力变弱而使二灰水沿煤柱突出（图8-9）。,（二）断层,3）断层降低岩层的强度。 断层构造的存在，除破坏岩层的完整性外，还显著降低断层附近岩层的强度。由于断层破碎带地段隔水层的强度比正常地段低，断层破碎带及其近旁常是整个隔水岩层最薄弱的地段。钻探和物探资料表明，在某些条件下，隔水层底部的承压水常沿裂隙上升到煤层底板隔水层中的某一高度（甚至沿煤层越过断层），形成承压水大原始导高，使隔水层的有效厚度降低，甚至完全丧失隔水、阻水作用。因此，断裂构造及其近旁是矿井突水最多的部位。据不完全统计，在河北井陉、峰峰和淄博矿区，与断层有关的突水点，分别占各矿区全部突水点的97%、94%90%和70%80%。在焦作矿区，与断裂构造有关的突水常发生在两条主干断裂的复合部位及其锐角一侧，以及主干断裂旁侧的“人”字型小构造、断裂密集带、断层尖灭端、断层交叉点等部位（图8-10）。,图8-8 杨庄矿9101工作面突水点剖面图,图8-9 冯营矿1301工作面突水点平、剖面图 a平面图 A-A剖面图,断裂是否导水、隔水，主要取
