《水文地质基础知识》PPT课件.pptx

矿井矿井水水文地文地质基础知识质基础知识 1 矿井 水文 地质 基础 知识 一、地下水的形成与分类 三、矿井充水条件分析 二、含水层与隔水层 四、矿井涌水量预测 2 一、地下水的形成与分类 （一）地下水的概念 地下水是指埋藏在地表以下，储存 在岩石空隙中的水。它主要以气态水、吸 着水、薄膜水、毛细水和重力水等几种形 式存在于岩石空隙中。 3 （二）地下水的起源（假说） （1）渗入说：公元前 1世纪，认为地下水 是由雨水和雪水渗入地下形成的。 （2）凝结说：公元前 4世纪，认为地下水 是由空气中水蒸气凝结而成的。 4 （3）沉积说：20世纪初，在人们发现地下深 处存在高温卤水以后，认为地下水与含水岩石同时 形成于沉积盆地中，两者的年龄一致，并把这种水 命名为沉积水（同生水）。 （4）初生说：1902年由奥地利地质学家E.修 斯提出。认为初生水来自岩浆源的分异作用，初生 水的基本标志是高温、溶解有特殊的与岩浆有关的 化学成分。 5 （5）内生说：由前苏联水文地质学家.卡明 斯基提出。认为凡是早于渗入循环与沉积循环生成的地 下水均可命名为内生水，它主要由岩浆及变质(由地球 内力作用引起岩石的改造与变化)起源的水、汽组成。 20世纪60年代以来，已逐渐公认地下水的起源与 地球水圈起源紧密相关，原始地壳出现以后，地球水圈 才逐渐形成。包含在地球水圈中的水（包括地面水和地 下水）主要是整个地质时期从地球内部持续地逸出起源 的。 6 （三）自然界的水循环 分大循环（海陆之间）和小循环（海陆内 部）。在全球范围内，水分从海洋表面、陆地的河 湖、岩土表面蒸发，植物叶面蒸滕的水分，上升的 水汽随气流转移到陆地上空，以降水的形式降落到 陆地表面，又以地表径流及地下径流的形式汇入大 海之中，称为大循环。循环周期长达数千年或几 天。 7 自然界中水循环 动态观点：通过循环水的质量得以净化、水的数量得以再生，可持续发展得到保证。 降水 蒸发 径流 水汽输送 入渗 蒸发 降水 水汽输送 8 （四）地下水的分类 （1）按地下水的埋藏条件分为： 上层滞水 潜水 承压水 9 上层滞水 一般认为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。一般对煤矿生 产几乎没有影响。 10 潜水 是指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以 上，且具有自由水面的重力水。潜水的自由水 面，称为潜水面；潜水面上任一点的标高，称 为潜水位。对于煤矿来说，潜水是矿坑充水的 重要水源之一。 11 注：民用水井与矿井排水。 12 注：井下施工上山巷道与泵坑积 水。 13 承压水 充满于上下两稳定隔水层之间的含水层中 的重力水，称为承压水。储存承压水的向斜构造 ，在水文地质学中通常称为承压水盆地或自流盆 地。自流盆地按其水文地质特征可分为补给区、 承压区及排泄区三部分。 对矿井开采来说，承压 水对矿井影响较大，甚至造成淹井事故，必须引 起高度重视。 14 15 泉：是地下水的天然露头，是地下水的一 种重要排泄方式。按泉的形成方式可分为下降泉和 上升泉。 下降泉：由潜水含水层形成的泉。根据泉水 出露的原因又可分为侵蚀下降泉、接触下降泉、溢 流下降泉。 上升泉：由承压水含水层形成的泉。根据上 升泉出露的原因又分为侵蚀上升泉和断裂上升泉。 16 （2）按含水层空隙性质分为： 孔隙水 裂隙水 岩溶水 17 孔隙水 储存于疏松岩层孔隙中的水。一般情况下，岩石颗 粒大而均匀，则含水层孔隙大、透水性好、水量大、运动 快、水质好；反之，则正好相反。孔隙水对采矿的影响主要 取决于孔隙含水层厚度、岩层颗粒大小及其与煤层的相互关 系。（第四系含水层等） 孔隙的大小：取决于沉积物颗粒形状、大小、均匀 程度、排列情况及胶结程度等。颗粒越粗大，其间孔隙越 大。颗粒大小相等，呈立方体排列（疏松排列），其孔隙要 大于呈四面体排列（紧密排列）。沉积物颗粒不均匀，粗颗 粒间的孔隙常被小颗粒充填，使孔隙变小。 18 裂隙水 埋藏于基岩裂隙中的地下水。按成因，岩石的 裂隙可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类 型，相应的裂隙水也分为三种。（顶板砂岩含水层 ） 裂隙是坚硬岩石中的空隙。包括裂隙的宽 度、长度、数量、分布及连通情况。 19 岩溶水 埋藏于溶洞溶隙中的重力水，或称喀斯特水， 有时也称溶洞水。喀斯特水的水量大、水质好，可 作大型供水水源，但岩溶水对煤矿生产安全构成严 重威胁，尤其是岩溶化岩层厚度巨大时，多是造成 矿井重大水患的水源。 溶隙是可溶岩（石灰岩、白云岩、大理 岩、石膏、岩盐等）中的空隙。巨大洞穴或溶隙， 是水溶蚀结果。 20 二、含水层与隔水层 （一）含水层 通常指储有地下水的透水层，是地下 水赋存与运动的主要场所（如岩溶发育的石 灰岩和白云岩）。含水层的构成通常需要以 下三个条件：（1）储水空间（2）储存地下 水的地质构造（3）良好的补给来源 21 （1）储水空间 构成含水层，首先要具有良好的储水空 间。岩层的空隙愈大、数量愈多、连通性愈好 ，则透水性能就愈好，重力水就愈易渗入及流 动，有利于形成含水层。 22 （2）储存地下水的地质构造 具备利于储存地下水的地质构造也是构成含水 层的重要条件之一。在有隔水（不透水或弱透水）层 的存在下，可以避免重力水向下、向侧向流失。如分 布于向斜构造的透水层与隔水层组合，往往构成良好 的含水层。 23 （3）良好的补给来源 岩层具备了良好的储水空间和构造条件，但如 果水源不足，仍不能成为含水层。含水层通常会直接 或间接的接受大气降水、地表水或地下水的补给，补 给水量越大通常含水层富水性越强。 24 含水层根据埋藏条件和水力学状态可以分为 承压含水层和潜水（无压）含水层。 由于采掘活动而对矿井充水有影响的所有 含水层称为充水含水层，按其影响程度和性质可以 分为直接充水含水层和间接充水含水层。 直接充水含水层：指露天坑或矿井巷道直接揭露的 含水层，或通过煤层回采后的冒落裂隙带、回采工 作面及巷道底板破坏带等直接向矿井充水的含水 层。 间接充水含水层：指与直接充水含水层有水力联系 ，并通过直接充水含水层向矿井充水的含水层。 25 （二）隔水层 通常指透水性差，对地下水的运动、渗透起 着阻滞或阻隔作用的岩层，也叫不透水层（如胶结 致密、完整的坚硬岩层）。透水层和不透水层在自 然界是相对的。 26 含、隔水层具有相对性，可以相互转化。如 砂岩有未被充填胶结的孔隙，后期构造的影响，产 生了裂隙，因而砂岩中的孔隙、裂隙便成为储水空 间，具备了含水层的条件；但如果砂岩中裂隙不发 育，其储水量小，对于大型供水来说，供水条件差 ，划为相对隔水层；对于小型民用水，可满足供水 要求，划为含水层。 27 三、矿井充水条件分析 矿井充水条件：煤矿床开采过程中，地下 水或地表水以不同形式和程度向井巷（或矿坑 ）涌入时，其充水水源、充水通道及充水强度 的统称。 矿井 充水 条件 分析 内容 （一）充水水源 （三）充水强度 （二）充水通道 28 根据充水条件特征，可将矿井充水条件分析划 分为：自然充水条件和人为充水条件。 29 （一）矿井充水水源 矿 井 充 水 水 源 （1）大气降水 （3）地下水 （2）地表水 （4）老空水 30 （1）大气降水 当空气的温度低于露点时，空气中多余的水汽就要 凝结，以液态或固态形式降落到地表形成降水。降水量用 雨量计测量，用水层厚度（mm）表示。 降水渗入构成地下水的补给来源。其强弱取决于： 大气降水的强度及延续时间，当地的渗入条件，如地 表岩石的透水性、地形、植被等。即：单位时间内所降下 的雨量大，延续时间长，渗入条件好，地表岩石透水性好 ，地形平坦，植被良好，则补给地下水量就多。矿井充水 与降水关系密切，矿井充水滞后于降水的时间，一般为数 小时至数日。 31 2006年7月，受碧利斯台风影响，湖南省郴州、 衡阳普降暴雨，白沙煤电集团-前进煤矿从15日13时 20分至16时10分仅3个小时，矿井涌水量由200m3/h上 升至1300m3/h，矿井处于应急状态，广大干部职工全 力抗洪保井，与洪水抗衡了40多个小时，最终没有保 住矿井，于17日凌晨5时12分被洪水吞噬。 32 （2）地表水 当矿井附近有江河、湖泊、池塘、水库、沟渠、沼泽等 积水，以及季节性雨水时，如果当水位暴涨超过矿井井口标 高，这些水就会涌入井下，或由裂隙、断层或塌陷区渗入井 下，成为矿井充水水源，甚至导致淹井。 2007年8月17日，山东省新泰市华源有限 公司华源煤矿，柴汶河（地表水）决堤溃 入矿井，172名矿工下落不明。 溃水处 33 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。 通过第四系松散砂砾层及基岩露头 通过老窑采空区 通过地表岩溶塌陷 冒落裂隙带与地表水体沟通 洪水径流沿低洼地的井筒直接流入或溃入 地表水涌入或灌入矿井的途径 34 35 裂隙带 弯曲带 冒落带 地 表 水 导水裂隙带 36 （3）地下水 煤层顶底板岩层中的地下水是矿井最基本的充水 水源，根据其对矿井的作用可分为直接水源和间接水 源，前者是指井巷直接揭露或通过充水通道直接涌入 矿井的水源，后者是直接水源的补给水源。煤系地层 的地下水类型主要有孔隙水、裂隙水、岩溶水。 37 （1）孔隙水 含水空间发育比较均一，其富水性取决于颗粒成 分、胶结程度、分布规模、埋藏及补给条件。 当井筒穿过松散孔隙含水层时，常发生孔隙水和流 砂溃入事故。 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。如吉林省舒兰矿区，1960-1970 年共发生突水突砂事故18次，造成停产、巷道报废或淹井 事故，最大的一次持续达十年零七个月之久，总涌入水砂 量达150万m3。 38 隐伏煤田露天开采时，覆盖层中的孔隙水是露天坑的 主要充水水源，必须在剥离前进行预先疏干。如内蒙古元宝 山露天矿，第四泵松散卵砾层覆盖于煤系之上，且与地表水 有水力联系，露天坑开挖时最大疏干水量超过100万m3d。 露天剥离岩层中孔隙水的存在，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。 39 在松散含水层下采煤时，随着顶板岩层的冒落， 会产生溃水、溃砂和溃泥的事故。如淮南、淮北、徐州、枣 庄等地煤矿都发生过此类矿井灾害，我国东部矿区很常见。 例：徐州某矿开凿平硐，见淋水后，冒顶引起孔隙水突水， Qmax达到603m3/h，水中夹砂、砾石、黄泥，15天后地面出 现直径4m、深3m的漏斗状塌陷坑。 40 （2）裂隙水 发育特征：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。 充水特征：常构成煤层顶底板，使采掘工作最经常 揭露的直接充水含水层。通常表现为淋水、滴水和渗水，水 量不大，分布不均。当有水源补给时，矿井涌水量较大，甚 至构成水害。例：山西路英某矿，井筒断面见长约3m的大充 水裂隙，极言风化段Qmax达到349m3/h（即5.7m3/min），最 终导致淹井。 41 （3）岩溶水 发育特征：含水空间分布极不均一，在宏观上 有统一水力联系而局部水力联系不好，水量分布极不均 匀。 42 充水特征： a、位于岩溶发育强径流带上的矿井易发生突水，且频率高 ，矿井涌水量大。 b、矿井充水以突水为主，且突水量远超过正常涌水量，极 易发生淹井事故。例如：1984年6月2日10：20am，开滦范各庄 矿2171工作面陷落柱突水的最大涌水量达2053m3min，使该大 型矿井（年产煤3106 t）在21h内被全部淹没，成为世界采煤 史上最大的一次突水。造成后果：煤炭减产641.7万t，损失资 产27782万元，截止86年8月31日，治水费601158万元、矿井 恢复费919591万元、停工费328586万元、牺牲职工11名。 43 （4）老空水 采掘范围不明的古井、小窑积水、以及近代矿井采 空区与废巷的老塘积水，统称为老空积水，多分布在老矿 区的浅部。 44 老空水特点及对矿井充水的影响 位置不清、范围不明、连通复杂 难于分析判断和准确掌握，矿井充水带有突发性！ 多分布在矿床边缘或矿体浅埋处 突水位置不受介质制约，突水居高临下！ 水量大，水压高 短时间大量水涌入矿井，来势凶猛，破坏性很大! 与其它水源间的水力联系 短期疏干/长期补水，难以疏排，危害很大! SO42-含量高，PH值低，含有害气体 酸性强，腐蚀性强，破坏矿山设备，威胁矿工身体健 康! 45 （二）矿井充水通道 即水流入矿井的通道，充水通道往往控制着矿井 的涌水形式，涌水地点和涌水量大小。 矿 井 充 水 通 道 （1）断裂构造 （3）构造和地震裂隙 （2）岩溶陷落柱 （4）采动裂隙 （5）导水钻孔 （6）岩溶塌陷和天窗 46 （三）矿井充水强度 指涌入矿井水量的大小。影响矿井充水强 度的因素主要有：含水层的富水性及补给条件，边 界条件，地质构造，地形条件、隔水层及地下水动 态类型等。 充水强度分析可以通过上述因素定性分析，也 可以通过相关方法定量预测评价。 47 四、矿井涌水量预测 矿井涌水量:是矿井建设和生产中，通过各 种途径流入矿井的流量，统称为矿井涌水量。 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依据。在煤勘和 矿建生产中重大意义。 48 正常涌水量 开采系统达到某一标高时，正常状态下保 持相对稳定的涌水量，通常指年平均涌水量。 最大涌水量 正常状态下开采系统在丰水年雨季的最大 涌水量。 49 （一）涌水量预计步骤（两建一解模型) （）查清条件，建立矿井水文地质模型； （）确定合适的计算方法，建立数学模型； （）解算数学模型和评价预测结果。 50 （二）预计方法： （1）水文地质比拟法 （2）回归分析法（略） （3）涌水量曲线方程法（略） （4）解析法 （5）水均衡法（略） （6）其它方法简介 51 （1）水文地质比拟法 用地质、水文地质条件相似，开采方法相同的生 产井巷中积累的水文地质资料来预计设计井巷的涌水量。 它是以定性分析为主的一种近似定量预计方法。 预计步骤：1）分析可比性；2）定主要因数的关系 式 富水系数法（略） 52 单位涌水量法 一般矿井疏干面积A0和水位降深s0对矿井涌水量Q0的 影响较大。在Q0和A0 、 s0均呈直线关系时，其单位涌水量为 q0 ： 在水文地质条件相似的新矿井， 设计Q，A，S 53 上式是单位涌水量法的最基本公式。该公式简单，应 用方便。在涌水量随开采面积、水位降深的增加不具线性关 系，而能 用幂函数关系来比拟： 上述各式都是人们根据各自矿区的特点，探讨总结得 到的，不同矿区变化规律不同，开采条件如开采方法、开采强 度、机械化程度等变化很大，应用时必须分析其相似性，要具 有可比性，不可一律照搬使用。 54 （2）解析法 稳定流解析法 非稳定流解析法（略） 55 应用解析法预计涌水量的步骤是： 先定性调查工作：简化矿井水文地质条件,建立数学模型 计算参数的确定 水文地质参数计算 计算公式的选用：计算矿井的最大涌水量和平水期的正 常涌水量 56 简化水文地质条件，建立数学模型 a.矿井充水基本特征 b.确定预测区的内外边界条件 c.研究开采条件 57 a.矿井充水基本特征 主要分析充水含水层的类型（孔隙、裂隙、岩溶含水 层）和性质，属承压、无压、半承压，还是承压转无压； 判别地下水流态，属层流、紊流，空间流还是平面流 ； 确定是稳定流还是非稳定流；因稳定流公式简单，所以，生产 中能用稳定流时均不采用非稳定流，在预计最大涌水量时，多 用稳定流理论。 58 b.确定预测区的内外边界条件 包括矿井、采区、巷道（系统）的轮廓； 主要充水含水层的边界类型（供水、隔水、透水边界及其转化情 况）， 边界形态（直线、曲线、正交、斜交、条形边界等）； 含水层的空间位置，其受断层、侵入体切割情况； 含水层是否有上部渗入，下部越流补给，与地表水体及其它含水 层的水力联系和进水边界范围等。 定性分析各类边界后，将其概化为规则的几何形态，然后确定相 应的数学模型或计算公式。 59 c.研究开采条件 主要包括矿井开拓类型，属竖井、斜井、平硐还是露天 矿； 开采方法属水砂充填、房柱式还是顶板跨落法；巷道和采区布局 与规模。 它们对含水层的揭露程度（数目、形状、进水方式） ，充水含水层与外界水体联系情况和涌水量多少等均有很大影 响。同时，开采初期、中期也可分别采用不同数学模型。 60 计算参数的确定 a.引用半径（0） b.引用影响半径（0） c.静止水位和设计水位降深的确定 61 a.引用半径（0） 在预计巷道系统和露天矿采场的涌水量时，常把 它们想象成一个半径为0的大井，使大井的底面积（ r0）等于巷道系统所包围的面积。这个想象圆形大井