矿井水文地质及防治水

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1、 矿井水文地质及水害防治 主讲人李兴照本次分五节来讲：第一节 矿井水文地质的基础知识第二节 矿井充水条件第三节 矿井水害防治第四节 地球物理勘探技术第五节 煤矿常用的物探技术 自然界中，水的存在形式有大气水、地表水和地 下水。存在于大气圈的水，称为大气水。分布于 地表上的海、河湖、冰川中的水，称为地表水； 埋藏于岩石空隙中的水称为地下水。煤层周围岩 层（围岩）中蕴藏的地下水是复杂的自然系统， 他的形成条件、赋存规律、物理性质、化学成分 和水动力特征等，与含水介质（岩石）和环境介 质（大气系统、地表水系统和人类工程系统）既 统一又互相制约。 第一 节 地下水的基本知识 一、地下水的来源 各种起源

2、的上，进入地壳岩石空隙中，并在其中 储存、运动和变化，则形成地下水。地下水是地 球上上循环的重要组成部分。 （一）地球上的水循环 自然界中的水（大气上、地表水和地下水）在太 阳辐射与地心引力的作用下，不断地运动循环， 往复交替着。 海洋是地球上水分的主要源地，在自然条件下， 地球上水的循环是从海洋蒸发开始，蒸发的水汽 进入大气圈，并被气流输送至各地，一部分深入 内陆，一部分留在海洋上空，在适当条件下，凝 结而形成降水。 落在陆地表面的降水，除固体水分布区以外，一 部分沿地形坡度从高处向低处流动，汇入水的循 环是从海洋蒸发开始，蒸发的水汽进入大气圈， 并被气流输送至各地，一部分深入内陆，一部分

3、留在海洋上空，在适当条件下，凝结而形成降水 。河流，称为地表径流；另一部分渗入地下变为 地下水，在透上层中由水头高处向水头低处运动 ，称为地下径流。地表径流和地下径流最后都汇 入海洋。这种从海洋出发最后又回到海洋，周而 复始的水分运动称为水循环。 从海洋大气陆地海洋的循环称为大循环； 从海洋大气海洋或者从陆地大气陆地的 循环称为小循环。 （二）地下水的起源 关于地下水的起源有多种学说，如渗入说（渗入 水）、凝结说（凝结水）、初生说（初生水）、 埋藏说（埋藏水）和脱出说（脱出水）。通常认 为，煤矿床地下水的起源主要是渗入水；分布于 沙漠、石漠和山区的矿井水，部分是凝结形成的 地下水。 1.渗入水

4、。地表水和降雨融雪渗入地下形成地下水 ，是普遍接受的观点。 2.凝结水。含水汽的空气进入地下以后与较冷的岩 石颗粒接触，即凝结于表面而成凝结水，由凝结 水不断地积聚而形成地下水。 二、水在岩石中的存在形式 按物理性质和分布状态的不同，可将存在于岩石 空隙（孔隙、裂隙、岩溶等）中的水分为气体水 、液体水（吸着水、薄膜水、毛细水和重力水） 和固体水等形式。 （一）气态水 气态水和空气一起分布于岩石的空隙中，其活动 性很大，但不能被植物吸收。即使在空气不移动 的情况下，气态水也可以从绝对湿度大的地方向 绝对湿度小的地方迁移，从而造成水在岩石中的 重新分配。 （二）液态水 液态水包括结合水、毛细水和重

5、力水。其 中结合水有强结合水、弱结合水之分。 1、强结合水（也称吸着水）。岩石的颗粒 表面带有电荷，水分子又是偶极体。在静 电引力或分子引力的作用下，岩石颗粒表 面往往可以吸附水的分子，并形成一层极 薄的水层，这一部分水称为强结合水。 2、弱结合水（也称薄膜水）。在强结合水 的外围继续吸附水分子，并形成一定厚度 的水膜，称为弱结合水。 3、毛细水。含水介质中通常含有毛细空隙（直径 小于1mm的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙）， 由毛细力支持而充满于毛细空隙中的水，称为毛 细水。毛细水不仅受毛细力的作用，同时又受重 力的作用。 4、重力水。弱结合水的水膜厚度增大至分子引力 所不能控制时，在重力

6、作用下，部分弱结合水将 脱离岩石颗粒的控制。在岩石空隙中自由运动的 这部分水，称为重力水。平常从泉眼、水井、钻 孔及矿井巷道中流出的地下水，都是重力水。它 们不仅可以自由运动，也可以传递静水压力，并 且具有导电性。重力水是煤田水文地质学研究的 主要对象。 （三）固态水 岩石中的水在温度低于0时，则变成固态水。冬季土壤 冻结，就是液态水变成固态水的缘故。 上述各种形式的水，在地壳表层分布有一定的规律性。例 如，在疏松岩石层中打井时，一开始似乎土石很干燥，其 实在这些土的空隙中和颗粒表面上已有气态水、强结合水 存在；继续向下挖时，土色变暗、潮湿度会增大，这是毛 细水出现的标志；再继续向下挖，井中会

7、出现流动的液态 水，并逐渐汇集成一个稳定的地下水面，这些水即为重力 水。 在地下水面以上岩石的空隙中是没有重力水的，只有气态 水、结合水和毛细水的分布，这一范围称为包气带，即岩 石空间未被水充满的地带。在地下水面以下，岩石的空隙 被重力水充满的部分，称为饱和带。 三、地下水的基本类型及特征 地下水分类的方法很多。按起源不同，可 将地下水分为渗入水、凝结水、初生水和 埋藏水等。按矿化度的不同，可分为淡水 、微咸水、咸水、盐水及卤水。此外，还 可以按地下水的温度、气体成分、运动性 质极其动态特征进行分类。 根据煤矿建设和生产的实际需要，对地下 水分类是按地下水的埋藏条件和含水岩体 空隙性质进行综合

8、分类的。分为上层滞水 、潜水、承压水 （一）上层滞水 从赋存条件看，上层滞水是埋藏在包气带 中局部隔水层之上的重力水。由于它距地 表近，直接受降水补给，补给区与分布区 一致。季节性存在，雨季出现，干旱季节 消失，其动态与气候、水文因素的变化密 切相关。因此分布范围有限，水量少，对 矿山的建设和生产几乎没有影响。 （二）潜水 1、潜水的特征。潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水 层以上，具有自由水面的重力水。在自然界中，潜水一般 赋存于第四纪松散沉积物的空隙及坚硬岩层的风化裂隙、 溶洞内。 潜水的特征受其埋藏条件的影响，主要表现在三个方面： （1）潜水无隔水顶板，而有一个自由水面，称为潜水面 。

9、（2）潜水面至隔水层之间充满重力水的部分，称为潜水 含水层。潜水面至隔水层的距离，称为潜水含水层厚度。 潜水面向上至地表之间的距离，称为潜水的埋深。 （3）潜水在重力作用下，由高向低水位方向运动。潜水 的水量、水位、水质等变化与气象、水文因素的变化密切 ，因此潜水的动态有明显的季节性特征。 2、潜水面的形状及其表示。 潜水面是一个自由表面，其形状可以是一个平面，也可以 是一个呈缓斜抛物线，其倾斜方向指向潜水水流的方向。 平面状的潜水面在自然界中是少见的，常见的是倾斜或缓 倾斜潜水面。潜水面的起伏通常与地形一致，但潜水面的 坡度一般小于地形坡度。排泄条件好的，潜水面坡降大； 反之则小。 潜水面的

10、变化与含水层的透水性和厚度变化有一定的关系 。当含水层的透水性由弱增强或厚度由小增大时，潜水面 的坡度由陡变缓；反之，则由缓变陡。雨季由于降水的渗 入，潜水面升高；干旱季节因缺乏补给来源，潜水面则下 降。洪水期间由于河流水位猛涨，当河流水位高于潜水水 位时，即产生河水补给潜水现象。人工浇灌、排水，对潜 水面变化的影响也很明显。 总之，潜水面是一个随时间变化而不断变化的自由水面。 为了反应潜水面的形状及特征，通常用水文地质剖面图和 等水位线图来表示。 （三）承压水 1、承压水的特征。承压水是充满于两个稳定隔水 层之间的含水层中的重力水。凡是具备上述埋藏 条件的孔隙水、裂隙水和岩溶水等，都可称为承

11、 压水。其基本特征为： （1）由于承压水受上下隔水层限制并充满于含水 层之间，因而承受静水压力。当所承受的静水压 力较大，且地形条件也适合时，即可喷出地表而 自流。 （2）由于承压水有隔水的顶板存在，因此大气降 水和地表水只能通过承压水的补给区进行补给， 造成补给区与分布区不一致。 （3）由于承压水受隔水层限制，它与大气圈、地 表水圈的联系较弱，因此，气象、水文因素的变 化对承压水的影响较小，常表现出较稳定的状态 。 2、承压水的形成与地质构造条件的关系 从赋存条件看，承压水的形成主要取决于地质构造。最适 合形成承压水的地质构造为向斜构造和单斜构造。向斜构 造称为承压水盆地（自流盆地）；单斜构

12、造称为承压水斜 地（自流斜地）。 1）承压水盆地 按照水文地质特征，承压水盆地由补给区、承压区和排泄 区三个部分组成。 在盆地四周位置较高处，含水层出露的范围称为补给区。 它直接接受大气降水或地表水的补给，迳流条件好，不承 受静水压力，为无压区。因此，在承压区当有钻孔或水井 揭穿承压水含水层的顶板后，承压水便涌入孔内，并继续 上升到一定高度后稳定下来，此时的水位，称为静止水位 或测压水位。从静止水位到隔水顶板面的垂直距离，称为 承压水头。隔水顶、底板之间的垂直距离称为含水层厚度 。 盆地的低洼处通常是排泄区的分布范围，在该区 范围内，承压水通过泉或其他方式排出。承压水 有两种排泄方式：一种是承

13、压水沿隔水顶板被切 割的导水断层排泄，该承压水盆地属于开放型自 流盆地；另一种是在含水层完全封闭的情况下， 承压水只能通过上覆弱透水性的隔水层或天窗以 越流方式进行缓慢排泄，该盆地属于封闭性自流 盆地。 在向斜构造的承压水盆地中，往往存在多个承压 含水层，每个含水层又有各自的补给区、承压区 和排泄区。承压水盆地有顺地形与反地形的例子 类型。前者，地形与构造一致；后者，地形与构 造不一致。不论何种类型，测压水位高的含水层 都会通过越流或钻孔、断裂带补给测压水位低的 含水层。 2）承压水斜地 通常有两种类型，一种是断块构造形成的承压水 斜地，其含水层的上部出露地表，成为补给区， 下部为断层所切。若

14、断层不导水，当补给水量超 过含水层所能容纳的水量时，地下水就要通过补 给区的较低部位进行排泄，造成补给区与排泄区 一致或相邻的情形；若断层导水，则地下水可以 通过断层排泄。另一种是由含水层岩性发生相变 或受各种侵入体阻挡而形成的承压水斜地，含水 层上部出露地表，下部尖灭或突变，地下水只能 通过补给区进行排泄。 3.承压水测压水位面的表示 反映承压水测压水位面特征的基本图件是等水压 线图，也称承压水测压水位等高线图，它是根据 承压水面上测压水位标高相同点的连线绘制而成 。根据等水位线图，可以解决以下四个问题： （1）确定承压水的流向、水头梯度。承压水的运 动方向垂直等水位线，由高水位向低水位方向

15、运 动。等水位线越密，水头梯度越大。 （2）判断含水层岩性和厚度的变化。 （3）确定承压水的埋深和承压水头值。 （4）确定潜水与承压水的水力联系。 （四）孔隙水 第四纪和部分第三纪沉积物及坚硬基岩的风 化壳，通常较为疏松，赋存于这些疏松岩层 孔隙中的地下水，称为孔隙水。 孔隙水因埋藏条件不同，则有上层滞水、潜 水和承压水之分，分别称为孔隙上层滞水 、孔隙滞水、孔隙承压水。孔隙水的存 在条件和特征，取决于岩层的孔隙情况。由 于孔隙水的分布及其形成规律直接与疏松岩 层的形成条件有关，因此不同成因的疏松岩 层，其中的孔隙水往往具有不同的分布规律 和形成特征。重点介绍矿区最常见的两种孔 隙水。 1、洪

16、积物中的孔隙水 山洪形成的沉积物称为洪积物，多分布于山前平 原和山间盆地，呈扇形，故又称洪积扇积扇。地面坡。地面坡 度由山前向平原方向逐渐减小，沉积物逐渐变细度由山前向平原方向逐渐减小，沉积物逐渐变细 ，顶部主要为砾石和砂，尾部为亚砂土、亚黏土，顶部主要为砾石和砂，尾部为亚砂土、亚黏土 。因此，岩石的透水性由顶部到尾部逐渐减弱，。因此，岩石的透水性由顶部到尾部逐渐减弱， 地下水的埋藏深度也逐渐变浅，这种变化规律决地下水的埋藏深度也逐渐变浅，这种变化规律决 定了顶部迳流带（溶虑带）、中部溢流带（弱矿定了顶部迳流带（溶虑带）、中部溢流带（弱矿 化带）和尾部垂直交替带（盐化带）的水文地质化带）和尾部垂直交替带（盐化带）的水文地质 分带性。分带性。 2、冲