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1、1,煤矿地质学,宋党育 资源环境学院,2,第七章 矿井水文地质,第一节 地下水的基本知识 第二节 矿井充水条件 第三节 矿井水文地质的观测与预测 第四节 矿井水的防治,3,一、自然界中水的循环 自然界中水的组成：海水（咸水），淡水（冰川、河湖和地下水）。 自然界中大气水、地表水和地下水是统一水体，它们之间存在着内在联系和不断相互转化的循环过程。 水循环 水通过水圈、大气圈、岩石圈和生物圈处于连续不断地循环运动的过程，称为水循环。 水循环包括内陆循环、海陆循环、海洋循环。,第一节 地下水的基本知识,4,水的循环示意图,第一节 地下水的基本知识,5,水的循环示意图,第一节 地下水的基本知识,6,7
2、,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。,8,二、地下水 地下水是指埋藏在地表以下，储存在岩石空隙中的水。他主要以气态水、吸着水、薄膜水、毛细水和重力水几种形式存在于岩石中。对煤矿生产安全造成影响的是重力水。,第一节 地下水的基本知识,9,三、含水层与隔水层 1. 含水层（带） 地下岩层空隙中，储存有在重力作用下可以自由流动的水，称含水层（带）。连通的空隙、隔水地质条件和补给水源。 2. 隔水层（带） 有些岩层的空隙不发育，不透水。 含水层与隔水层在空间上是互为依赖
3、，相伴共存，从而构成含水地质结构，因为有不透水的隔水界面，含水层才能赋存地下水。,第一节 地下水的基本知识,10,四、地下水的分类 （一）按地下水的埋藏条件分类 1. 上层滞水 是指埋藏在离地表不深的饱气带中局部隔水层上的重力水，储量小。,第一节 地下水的基本知识,11,2. 潜水 是位于第一个稳定隔水层以上，且具有自由水面的重力水。其水面是起伏不平的面，称为潜水面。 潜水主要由大气降水和地表水补给。多数情况下，补给区与分布区一致。所以潜水的埋藏深度及含水层厚度经常是变化的，而且变化范围较大，其中以气候、地形的影响最为显著。 对采矿工作来说，潜水对建井及露天开采的影响较大，对地下开采影响较小。
4、,第一节 地下水的基本知识,12,潜水的特征： A）潜水直接接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给； B）潜水面不承受静水压力； C）在重力作用下，由高向底流动，称潜水流； D）潜水的埋深因地而异，与水位、水量变化有关。,第一节 地下水的基本知识,13,第一节 地下水的基本知识,14,3. 承压水（自流水） 是埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水，其运动受上下隔水层的约束和水压的作用，通常是从补给区流向排泄区。,第一节 地下水的基本知识,15,承压水的特征： A）承压水具有静水压力； B）以侧向补给位主，因此补给区与分布区不一致； C）承压水迳流严格受隔水层控制，其埋藏分布主要取决于地质
5、构造； D）承压水的动态受降水、蒸发、水文等因素影响，但不如潜水显著，水位变化幅度小，一般有滞后性； F）由于有连续的隔水层的覆盖，承压水不易污染,第一节 地下水的基本知识,16,第一节 地下水的基本知识,17,在承压水区，当断裂或人工打井穿过其上面的隔水层时，承压水即可上涌，如出水口低于水源区，就会出现自流井(泉)。,第一节 地下水的基本知识,18,19,（二）按含水层空隙性质分类 1. 孔隙水 是指存在于疏松岩层的孔隙中的水。 2. 裂隙水 是赋存和运动于基岩裂隙中的地下水。 3. 岩溶水 是储存和运动于可溶蚀裂隙和溶洞中的地下水。,第一节 地下水的基本知识,20,21,一、地下水的来源
6、1. 大气降水 是露天矿的直接充水水源，是地下采煤的间接充水水源。,第二节 矿井充水条件,22,2.地表水 分布在井田范围或附近的地表水，可能成为矿井充水水源；,第二节 矿井充水条件,23,3.含水层水 是矿井的最经常和最主要的充水水源，多数情况：大气降水、地表水 含水层 矿井。 4.老窑水 是早期或近期的采空区及废弃巷道，长期停止排水而积存的地下水。老窑水的特点： 1）像地下水库，且浅部分布较多。 2）分布无规则，准确位置不易确定。 3）酸性大，多为强酸性水。,第二节 矿井充水条件,24,第二节 矿井充水条件,25,5.断层水 断层破碎带，常是地下水良好聚集场所和通道。断层水对矿井的影响，主
7、要是由于巷道揭露或由采掘活动破坏了围岩的隔水性能造成断层带的水涌入井下； 断层水主要特点：其静储量不大，但往往与地表水、高压强含水层沟通，对矿井生产造成巨大威胁； 断层有时使煤层与富水性很强的岩溶水对口相接；或者由于断层的存在碰坏了岩层的完整性，因而降低了岩层的强度，这些常使矿井水文地质条件复杂化。,第二节 矿井充水条件,26,二、矿井涌水通道 1.岩石的孔隙 这种通道往往存在于未成岩的松散沉积物中，其透水性能取决于孔隙的大小和形态，孔隙大涌水量就大。 2.岩石的裂隙 风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙均能构成矿井涌水通道，其中构造裂隙是矿井涌水和矿井突水的主要通道。构造裂隙包括：节理、断层和巨大的
8、断裂破碎带。 3.岩石的溶隙 岩石的溶隙是可溶性岩层被溶蚀而形成。,第二节 矿井充水条件,27,岩溶区岩溶水的运动和岩溶溶洞的发育、分布，具有垂直分带性： 1）包气带(I)：位于最高地下水位以上。 2）水位季节变动带()：位于高水位和低水位之间 3）饱水带()：处于地下水面以下。 4）深部循环带()：位于当地侵蚀基准面以下。 4.人工通道 1）钻孔造成的涌水通道。 2）采矿活动造成的断裂。,第二节 矿井充水条件,28,第二节 矿井充水条件,29,三、影响涌水量大小的因素 影响矿井涌水量大小的因素有：充水来源、充水通道、覆盖层岩性、 围岩岩性、地形条件等。 1.覆盖层及围岩岩性 有一定厚度(5m
9、)且稳定的弱透水或隔水层可有效阻挡水的渗入。 2.地形条件 取决于开采深度与当地侵蚀基准面的关系。 3.地质构造 地质构造是影响矿井涌水量大小的重要因素。,第二节 矿井充水条件,30,1）断裂面 （1）压性断裂面；（2）张性断裂面；（3）扭性断裂面。 2）构造部位 （1）断层产生的裂隙发育地段，对矿井涌水量影响大。 （2）断层交叉点容易突水。 （3）断层密度大的地段，岩石破碎、裂隙发育、易突水。 （4）有些矿井断层上盘次一级的断裂较发育，突水性强。,第二节 矿井充水条件,31,第二节 矿井充水条件,32,正确的预测和计算未来井巷及采区的涌水量大小，是一项重要而复杂的工作。它对煤田的技术经济评价
10、有很大的影响，并且也是开采设计部门选择采掘方案，制定疏干措施，确定排水设备的主要依据。 一、地下水的运动 1.地下水的运动条件,第三节 矿井水文地质的观测与预测,33,水力坡度：沿水流方向上单位距离内的水位差。 I 水力坡度； H1 过水断面1处水位标高； H2 过水断面2处水位标高； L 两断面间的距离。,第三节 矿井水文地质的观测与预测,34,2.地下水的运动状态,第三节 矿井水文地质的观测与预测,35,3.地下水的运动规律 反映层流运动的基本定律叫达尔西定律： 其中：Q渗透流量（m3/s）； K渗透系数（m/s）； H水位差（m）； L岩样长度（m）； 过水断面积。,第三节 矿井水文地质
11、的观测与预测,36,二、矿井水文地质观测 1.巷道充水性观测 充水性反映矿井水文地质条件的复杂情况： 1）含水层观测：厚度、岩性、裂隙和岩溶情况、标高、含水量、水压 2）岩层裂隙发育调查及观测 3）断裂构造观测 4）出水点观测：出水量、原因、水源 5）出水征兆观测：潮湿、淋水、顶底板变形、膨胀,第三节 矿井水文地质的观测与预测,37,2.矿井涌水量观测 1）矿井涌水量 单位时间内涌入矿井的水量（m3/h）。 2）观测方法 （1）容积法 将巷道顶板或涌水钻孔的水流直接引入量水桶中，然后计算涌水量，公式：Q = V/t V量水桶体积； t流满量水桶的时间。,第三节 矿井水文地质的观测与预测,38,
12、（2）浮标法 用于巷道排水沟测量的一种方法。 Q =0.85FV 式中：0.85阻力系数； F过水断面面积(m2)； V流速(m/s)，V =L/t ； L浮标移动距离(m)； t所用时间(s)。,第三节 矿井水文地质的观测与预测,39,（3）堰测法 使排水沟的水通过固定形状的堰口，通过测量堰口的水头高度计算流量。 a. 三角堰 式中：Q流量； h堰口水头高度。,第三节 矿井水文地质的观测与预测,40,b. 梯形堰 式中：Q流量； B堰口宽度； h堰口水头高度。,第三节 矿井水文地质的观测与预测,41,c. 矩形堰 有缩流（堰口窄于水沟）时： 无缩流（堰口等于水沟宽度）时： 使用堰口法时，堰口
13、的上下游一定要形成水头差。,第三节 矿井水文地质的观测与预测,42,（4）流速仪法 使用流速仪测定矿井涌水量。 （5）水仓水位观测法 （6）水泵有效功率法,第三节 矿井水文地质的观测与预测,43,一、地表防水 1.合理选择井筒位置 1）力求避免穿过强含水层或富水带； 2）井筒所选定地点的岩层要完整、稳定，避开破碎带和岩溶发育地段； 3）距离矿井可能突水的危险地段要有足够的安全距离； 4）在地表井口标高要高于历年最高洪水水位，保证在任何情况下均使井口或其他地面设施，不致于被水所淹。,第四节 矿井水的防治,44,2.河流改道 若矿区内河流通过并严重影响生产时，可考虑该方法。 3.铺设人工河床 在河
14、流不能改道时，可在漏水地段利用水泥等材料铺设不透水人工河床，或局部填塞裂隙以制止河水漏失。 4.修筑排（截）水沟 5.堵漏 对地表的裂隙、洞穴以及陷 坑等漏水地段，用粘土填堵。,第四节 矿井水的防治,45,第四节 矿井水的防治,46,二、井下防水 1.探放水 “有疑必探，先探后放”，老窑积水、断层水、强含水层上层采空区积水、防水煤柱附近、明显出水征兆。 1）老窑积水的探放 （1）调查老窑区分布； （2）探水起点 a. 积水线：调查核定的采空区边界。 b. 探水线：积水线外推60-150m的一条线。其确定依据：,第四节 矿井水的防治,47,第四节 矿井水的防治,48,资料的可靠性、积水区水头压力
15、和煤层厚度等条件。 c. 警戒线：探水线平行外推50-100m所圈定的一条线。 （3）积水量计算 W静：老窑积水静储量，m3； M：采厚，m； F：老窑采空区面积，m2；：煤层倾角； K：老窑采空区充水系数，0.30.5。,第四节 矿井水的防治,49,（4）探、放水钻孔布置 布置原则：其布置应以确保不漏古巷道，保证生产安全，而探水工作量又以最小为原则。上山巷道布置成扇形，煤平巷布置成半扇形。 几个概念 允许掘进距离：经探水后证明无水害威胁，可以安全掘进的长度，允许掘进距离的终点处，钻孔间距3m。 超前距：允许掘进终点到中心眼终点间的距离，一般为20m。 帮距：中心眼与外斜眼终点的距离，一般等于
16、超前距。,第四节 矿井水的防治,50,第四节 矿井水的防治,51,c. 布置方式：在巷道中5个钻孔可以成平面上，也可以垂直面上。 2）断层水和其他可疑水源探放 与老窑水相似，但探水钻孔的数量略少。 2.酸性水的防治 1）形成条件：煤中黄铁矿和富含游离氧的地下水存在是酸性水形成的必要条件。 2）按硫酸根的含量，矿井水可分为三类 （1）无侵蚀性水 SO42-250mg/g （2）弱侵蚀性水 SO42- 250800 mg/g （3）强侵蚀性水 SO42- 800 mg/g,第四节 矿井水的防治,52,3）防治措施 （1）分区排除酸性水：条件允许可单独建立排水系统，使酸性水一次排出。 （2）分级排除，降低扬程 （3）中和酸性水：加入生石灰中和。 （4）冲淡酸性水：加入中性水。 （5）采用耐酸的排水设施。 3.留设井下防水煤柱 1）露头直接为疏松含水层所覆盖或位于地表水体之下。,第四节 矿井水的防治,53,第四节 矿井水的防治,54,2）断层导致煤层与含水层接触，煤层既与含水层接触有被部分富水层覆盖。,
