（矿业工程专业论文）马路坪矿段深部开采涌水量预测及防治研究.pdf

摘要 矿床进入深部开采后，地下涌水的研究是生产中一个十分重要的课题。 地下水的来源、水量大小、地表水与矿区地下水是否有水力联系、联系的 密切程度以及其对矿坑充水的影响程度等，都是矿区水文研究中要解决的 重要问题。它决定着矿床水文地质条件复杂程度和矿山防治水设计难度， 是矿山排水和矿床疏干设计的重要依据。特别是在岩溶矿区，水文地质条 件相对复杂，地下水力联系一般较为密切，能否准确预测延深开采后的矿 坑涌水量，关系着矿山生产建设工程和投资规模、矿石生产成本和矿山生 产经济效益，还影响着矿山治水方案的确定。因此，对矿段延深进入地下 后的涌水进行研究具有重要的现实意义。 本论文在广泛调查研究、收集资料的基础上，研究分析了马路坪矿段 井下充水水源和充水途径，得出了井下涌水主要来自大气降雨入渗且水量 不会随开采降深进一步增加的重要结论。论文对井下涌水量的计算及其理 论进行了探讨，运用解析法和回归方程对矿坑水量进行了预测，并针对具 体情况，提出了一套系统的井上下防洪治水措施，为矿段防治水方案的制 定提供了有价值的参考意见。 关键词：矿山，矿坑涌水，预测，防治 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f u j l d e 唱m u n d w a t e r g u s l l j n gi sav e uj m p o r t a n tt o p j ci nt h e p r o d u c t i o na f t e re n t e r i n g t h ed e e pm i n e 1 m e o r i 酉no f t 圭l e g r o u n dw a t e r ，t h es i z e o fa m o u n to fw a t e r ，w h e m e ri th a v i n gw a t e r p o w e rc o n t a c to ft h es u r f 如ew a t e r a n dt h eg m u n dw a t e ro rn o t ，t 1 1 ei n t i m a t ed e g r e eo fc o n t a c ta 1 1 di t s i n f l u e n c 洫g d e g r e e t ot | 1 ed a m p n e s s p e n e 仃a t j o no fm i n i n gp i t ，w h i c hd e c i d et h ec o m p l i c a t e d d e g r e eo ft h ec o n d i t i o no f h y d r o l o g i c a lg e 0 1 0 9 yo fd 叩o s i ta 1 1 dt 1 1 ei m p o n a n t f 如t o ro fm i n ed e s i g no fw a t e 【p r o o fa n dw a t e rc o n t r o l ，a r ea l lv e r yi m p o r t a n t p r o b j e mn e e dt o r e s o i v ei nt t l e h y d r o l o g yr e s e a r c h o fm i n 抽ga r e aa n dt h e i m p o n a i l tb a s e so f t h em i n es e c u r i 瓴廿l em i n ed r a i l la l l dm ed e s i 印o f d e p o s i t d r a i n i n g t h ec o n d i t i o no fh y d r o l o g i c a lg e o l o g y i sf e l a t i v e l yc o m p l e x i 够a n dt h e c o n t a c to fw a t e r p o w e rj sq u j t ei n t i m a t ee s p e c i a l l yi nk a r s tm i n ea r e a i td e c i d e s t h e p m d u c t i o n a n dc o n s t m c tp r o j e c to fm i n e ，t h es c a l eo fi n v e s t n l e n t ，m e p r o d u c t i o nc o s to f o r ea n d p r o d u c t i o ne c o n o m i c b e n e 矗to fm i n ea i l da f f e c t st h e c o n f i n n a t i o no ft h ep r o j e c to f m i n i n gw a t e rc o n t m lw h i c hc a nf o r e c a s t 锄o u n t o fw a t e rg u s h i n go fd e p o s i t s o ，m er e s e a r c ho fw a t e rg u g h i n gt om a l ua f t e r e n t e r i n g m e u n d e 唱m u n d h a si m p o r t a n tr e a l i s m m e a n i n g t h ep a p e rh a si n v e s t i g a t e da n dr e s e a r c h e dm er e s o u r c ea r l dm er o u t eo f d a i l l p n e s sp e n e 仃a t i o ni n t h em i n eb a s e do nt h ew i d ei n v e s t i g a t i n ga n dc o l l e c t i n g d a t aa n de d u c e dt h ec o n c l u s i o nt h a tt 1 1 eg u s h i n gm o s t l yc o m e 丘d mt i l er a i n f a l l a n da m o u n to fw 砒e ru n a b l et oi n c r e a s ea l o n gw i m 山ef a l l i r 堰o f e x p l o i t a t i o n a t t h es a m et i m e ，t h ep a p e r h a sd i s c u s s e dt 1 1 ec a l c u l a t i o na 1 1 dt h et 1 1 e o d ，o fi n f l o w o fw a t e ri nm em i n e 锄df o r e c a s t e d 锄o u n to fw a t e ri n 廿1 em i n i n gp i tb ym e a 1 1 a l y s i sm e t h o d a n dt h er e g r e s s i o ne q u a t i o na n d p u tf o 州a r da s u i to f s y s t e m i c p r e v e n to rc o n t r o ln o o da n dw a t e 卜c o t l 缸d lm e a s u r ea tt h eu pa n dd o w n o fm e m i n ea i ma tm ep h y s i c a lc i r c 啪s t a l l c e s ，w h i c hp r o v i d e dv a l u a b l er e f e r e n c ef o r t h ef o r m u l a t eo f w a t e rp m o fa i l dw a t e r - c o n t r o ld e s i g ni nm em i n e k e yw o r d sm i n e ， p i tw 缸巳r ， f o r e c a s t ， p 刚e n t i o n 姐d c o n t r 0 1 3 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 1 ，、+ 作者签名：生：k 翌；日期：盘! 土生鱼目塞旦 关于学位论文使用授权的说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：迫导师签名：考弛毖盐日期：鱼，盟年互月丛日 1 程硕 ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开洋磷矿区简介 丌洋磷矿位于贵州省中部乌江流域，行政上属开阳县金中镇管辖。矿区东距开阳县 城2 9 k m ，西距息峰县城2 5 k m ，西南距贵阳市8 8 k m ，均有公路相通，矿区与川黔线上 的小寨坝车站有铁路支线相连，交通方便。 矿区为一梭形不对称短轴背斜，轴向北东2 5 0 ，走向长约1 4 k m ，东西宽约6 8 k m ， 总面积5 5 k m 2 。背斜轴面东倾，周边倾没完全。东翼地层倾角3 5 0 左右。西翼产状略陡， 北部4 5 7 0 0 ，南部1 0 3 0 。背斜核部出露板溪群清水江组薄层泥质、粉砂质板岩及变 余粉砂岩等地层，翼部出露下震旦统南沱组冰碛层和上震旦统陡山沱组、灯影组及下寒 武统牛蹄塘组、明心寺组等地层。 区内地质构造中常，褶曲不发育，断裂构造以平行轴向的逆断层和正断层为主，横 向断层较少，且断距不大。背斜东西两翼断裂构造较为发育，其中尤以f 4 1 逆断层逆推 致使磷矿层及灯影组地层重复出露，对矿区勘探、开采影响最大。 根据地质构造特点及开采技术条件，全矿区划分为六个矿段，分布在背斜东西两翼， 东翼由北向南依次为沙坝土矿段、马路坪矿段和牛赶冲矿段，西翼由北向南为极乐矿段、 两岔河矿段和用沙坝矿段( 附图1 ) 。矿区内矿石储量大，质量好，杂质含量低，埋藏集 中，目前探明的储量累计达4 0 6 亿吨，占全国3 2 以上的高品位磷矿石储量的7 8 ， 居全国富磷矿区之首。 矿区地形属中一低山地貌类型，区内地势陡峻，山脊和切割深谷纵横，冲沟及地表 水系发育，地形复杂，两翼高山海拔高度达1 2 0 1 6 0 0 m ，中部河谷标高一般为 7 3 0 一9 2 0 m ，相对高差5 0 旺8 0 0 m ，矿体露头南高北低，一般标高9 0 0 一1 3 0 0 m 。 矿区内主要河流有洋水河和两岔河，两条河流在矿区北部汇合后注入乌江支流一息 烽河。洋水河沿轴向纵贯矿区，形成狭长的河谷地带。矿区现有工业及民用建筑主要布 置在洋水河两岸。 矿区属北温带丘原潮湿气候区，夏季闷热，多夜雨，冬季多雾，年降雨量在 1 2 0 0 一1 6 0 0 m m ，蒸发量在1 1 7 0 一1 4 2 9 m m ，雨水多集中在5 9 月份，年平均降雨曰数 为1 1 0 一1 7 0 天，最大日降雨量达1 4 5 1 r 砌。 矿区植被以灌木为主，乔木稀少。由于四周山高坡陡，土层薄，大部分岩石裸露， 水土流失严重，第四纪土壤层不发育，仅在河谷两岸堆积。 l ：程硕士学位论文 第一章绪论 1 2 矿段开采现状 开阳磷矿1 9 5 8 年开始筹建，先后建成有马路坪矿、青菜冲矿、用沙坝矿和沙坝土 矿，是我国优质磷矿石生产的主要矿山。截止到2 0 0 1 年，累计为国家提供磷矿石3 0 0 0 多万吨，为我国磷肥工业发展做出了较大贡献。近年来，每年产量都在2 0 0 万吨左右， 对我国磷肥生产具有举足轻重的作用。 马路坪矿段是开阳磷矿区的一期工程。1 9 “年设计，1 9 6 6 年建成北区马路坪矿 ( f 2 l _ e 1 5 线) ，1 9 7 0 年建成南区青菜冲矿( e 1 5 e 4 ) ，原设计生产能力1 5 0 万吨 年。目前矿段年产量实际安排在6 0 7 0 万吨，占全公司年总产量的三分之，是公司开 采的主要矿段之一。 矿段实行南北区分区开采，8 2 0 m 中段以下以e 1 5 线为界( 8 6 0 中段以上以e 1 2 + 1 线 为分界线，8 2 0 m 中段实际越界至e i 3 + l 线) ，各自形成独立的材料、人员、废石提升运 输和压气、通风、排水系统。 北区8 6 0 m 以上采用平硐溜井开拓，中段电机车运输。各中段矿石由e 1 8 线附近1 # 、 3 荐溜井下放到8 6 0 m 水平，再由电机车牵引经8 6 0 m 脉外运输平巷及8 6 0 m 主平硐至中 心卸矿仓。8 6 0 m 以下，设计采用胶带斜井与辅助斜坡道联合开拓，中段汽车运输。各 中段矿石由e 1 8 线附近1 # 、2 # 溜井下放到7 4 0 m 水平，由胶带斜井皮带输运到中心卸矿 仓。 南区9 0 0 m 以上采用平硐溜井开拓，各中段矿石由e 9 十1 附近1 群、3 # 溜井下放到8 6 0 m 水平，在溜井车场装车后，电机车牵引经8 6 0 m 脉外运输平巷及主平硐至中心卸矿仓。 采矿方法南北二区均采用沿走向端部退采的分段空场法和锚杆护顶分段空场法。北 区已采至8 0 0 m 水平，南区已采至9 l o m 水平( 见表i 1 ) 。 表卜一1马路坪及相邻矿段开采标高情况表 沙坝土矿段马路坪矿段牛赶冲段 f 2 l o 以北 f 2 l o - e i5 ( 北区) e 1 5 一e 4 ( 南区) e 4 以南 上盘矿无8 6 0 9 4 0 1 0 2 0 下盘矿 7 4 08 0 09 1 09 8 0 工程硕士学位论文第一章绪论 图卜1 开阳矿区分布图 3 程硕t 学位论文 第一章绪论 矿段自6 6 年建矿到2 0 0 0 年以前，三十多年来一直沿用平硐溜井( 竖 井) 开拓，自流排水方式，采矿工作一直在地平面以上进行。2 0 0 0 年起， 开始向地平面以下的7 5 0 延深，进入地下水侵蚀基准面以下。至2 0 0 2 年， 7 5 0 中段脉外开拓大部完成，进入脉内采准、回采工作，地下涌水已成为今 后影响矿山生产的主要因素之一。 1 3 本研究的主要目的及内容 1 。3 。1涌水量研究的目的及意义 矿坑涌水量是矿山制定疏干排水设计的主要依据。矿坑涌水量的大小，直接影响矿 山基建工程的投资规模、矿石生产成本和矿山生产经济效益的高低，也影响着矿山治水 方案的确定。地下水大量涌入矿坑，影响采掘工作，增加采矿成本，严重时威胁矿山工 作和人身安全。例如，据资料记载，1 9 3 9 年9 月山东淄搏一煤矿发生的突水事故，只一 个多小时，水泵房就被淹没，牺牲矿工5 3 0 名，后果惨重。 矿坑涌水量预测是否准确，首先取决于对矿坑充水条件的正确分析和计算参数的合 理选用。不论选用什么计算方法，如果充水条件分析不正确或者选用计算参数原始数据 有误，都无法保证涌水量的预测精度，甚至有可能引向严重错误。 例如：山东某铁矿，主要含水层为中奥陶统马家沟灰岩含水层，含水丰富。因所做 工作不足，得出了矿区充水条件简单、矿坑涌水量不大的结论并据此进行了设计和基建， 设计只按一般矿山考虑了排水措施。矿山基建花费2 0 0 0 万元，建设初具规模时，发生 淹井事故，证明矿区充水地质条件复杂，被迫进行补充勘探，并将矿山疏干排水方案改 为防渗帷幕方案。 又如山东一铁矿先后进行两次矿坑涌水量预测。1 9 5 8 1 9 5 9 年间的勘探阶段，根据 单孔抽水试验资料求得矿区主要含水层中奥陶统大理岩的渗透系数k ，o 2 1 5 州d ，据此 计算的o m 、一1 5 m 、一1 0 0 m 和一1 5 0 m 各阶段矿坑涌水量分别为4 1 7 、6 1 0 、“4 2 、和 1 7 3 9m 3 d 。1 9 7 0 一1 9 7 3 年根据坑道放水试验的三次稳定降深资料，重新对渗透系数进行 了复算，其结果为：k i _ 1 6 3 4 n 们，k 3 = 1 1 6 7 刊d 。采用k 3 值对一2 、一2 5 和一6 5 m 各 水平进行复算，相应矿坑涌水量为：5 2 9 3 6 、6 1 8 4 7 和6 8 3 7 0m j 继。但在矿山进行第二次 坑道放水时，矿区中心地下水位平均降深5 9 m 时，矿坑动态流量介于8 7 1 0 6 1 0 4m 3 d 。 即第一次预测o m 水平涌水量偏小2 5 0 倍，第二次预测的涌水量也偏小4 1 0 4 m 3 d 。 开磷集团建矿以来，由于地质地形条件，多年来采矿工作一直在地平面以上进行。 随着浅表磷矿石的不断消耗，采矿活动已开始向地表平面以下转移。地下涌水逐渐成为 今后影响矿山生产的主要因素之一。为适应今后开采需要，必须查清矿段水文地质特征 4 一 ：程硕士学位论文第一章绪论 和地下水运动规律，对地下充水条件、各项地质水文参数及疏排水方案进行量化评价研 究，指导矿山今后设计和开采工作。 本课题在此背景下，根据中南大学与公司领导安排，针对马路坪矿段的开采情况， 对矿段水文地质条件和井下涌水量进行研究，为今后矿段的延深提供防排水参考依据。 1 3 2本研究的方法及内容 本研究按照“生产实际中出现问题一分析、研究问题一提出解决方案一应用、验证、 修正方案一最终解决问题”的技术路线，通过收集资料，分析研究矿段水文地质特征及 有关参数，查清地下水运动规律及井下涌水各因素相互关系以及水文地质条件的变化情 况，较为准确地预测矿段地下涌水量，为今后制定井上下防排水方案提供参考意见。 具体工作内容包括： ( 1 ) 收集、调查有关水文地质资料，分析矿段充水水文地质条件； ( 2 ) 调查马路坪矿由于采矿活动引起的地面塌陷、地表开裂、山体崩塌分布范围 以及对地表溪沟水的影响程度； ( 3 ) 通过对主要排水坑道、地表溪沟水文观测资料的收集、分析、整理，对矿段 含水构造划分补给区、迳流区和排泄区，确定矿段在区域范围内的渗入系数，迳流模数 等水文参数： ( 4 ) 研究矿段充水水文地质条件，预测7 5 0 m 以下各中段矿坑涌水量，并提出矿 床初步的井上下防排水方案。 l 程硕士学位论文 第二章矿段水文地质条件分析 第二章矿段水文地质条件分析 2 。1 水文地质状况分析方法 矿山开采时经常会遇到各种水流流入采矿坑道。一般性涌水就会妨碍采矿活动，危 及工人健康、影响建井和采矿速度，增加成本；大量涌水则会淹没矿井、摧毁矿山设备， 造成矿工伤亡，甚至使大量矿产得不到开发。 为了保证矿山正常开采，要求在矿产地质调查和采矿中进行相应的水文地质工作， 为综合评价矿床提供可靠的水文地质资料。只有在有了较高质量的矿床水文地质成果之 后，才能正确地阐明矿区( 山) 水文地质条件、较为精确地查明矿坑涌水量，作出开采 设计。并为采矿中认识、利用、保持、改造矿区水文地质条件提供科学依据。 2 1 1 分析方法及内容 水文地质状况分析是运用适当的矿床水文地质分类及井巷突水预测理论及方法，分 析不同条件下充水水源、通道及各种因素对矿床充水的影响及作用，阐明各类矿床水文 地质特征，并按照生产要求，从理论上说明矿床水文地质分类及依据，在总结矿山井巷 突水规律的基础上，提出不同条件下矿坑涌水量计算方法及、突水预测及预测的半经验 公式。 矿坑充水条件好坏的根本原因在于矿区充水水源的规模和充水途径的导水性能，矿 区仅有充水水源存在，还不能决定矿坑充水，必须同时查清矿坑充水水源与充水途径二 方面的情况，并且根据充水水源规模和充水途径的导水能力，才能对矿坑充水程度作出 评价。 矿区主要充水水源有地下水、地表水、大气水和老窿水。主要充水途径有断裂带、 接触带、采空区上方冒落裂隙带、地面塌陷、底板突破、深切河谷、封密不良钻孑l 和含 水层露头区等。另外，矿坑开采后充水条件往往发生很大变化，因此分析矿坑充水条件， 不仅要评价充水水源和充水途径在自然状态下对矿坑的充水作用，而且还应预测它们在 矿山开采后的变化。 2 12 充水水源 2 1 2 1地下水 地下水是矿坑的直接充水水源，富含地下水的岩层成为矿坑水的含水层称为充水含 水层。充水含水层的规模、富水性以及补给、径流条件是决定矿坑充水程度的根本因素。 上程硕士学位论文第二章矿段水文地质条件分析 当矿坑揭露或通过含水层时，地下水会立即涌入矿坑，尤其是开挖石门、平硐、井筒等 巷道时，往往揭穿含水层数量较多，给矿坑充水创造了极为有利条件。 一、涌入矿坑的水量多少与矿坑所揭露的含水层的空隙性质有关 1 、矿体围岩或顶底板含水层、岩溶含水层为灰岩岩溶含水层时，这类矿床水文地 质条件一般均较为复杂，常因岩溶水补给量、贮存量及静水压大而发生矿坑突水事故， 给矿山开采带来困难与威胁。 2 、矿坑揭露的含水层为坚硬裂隙岩层时，一般矿坑涌水量较小，但在揭露裂隙含 水层时，由于裂隙断裂带可能汇聚有大量地下水，揭穿它们时，矿坑涌水量有时会突然 猛增，也会造成矿坑突水。 3 、岩层主要为砂砾石组成时，由于其透水性较好，尤其是第四系松散沉积物通常 埋藏在地面附近，与大气水、地表水关系密切，因此当矿体围岩为厚度大的孔隙含水层 时，矿坑涌水一般会较大。 二：、对同一类型含水岩层，矿坑涌水量大小与含水层的空隙发育程度、含水层规模 及补给、径流条件有关。空隙发育，储水构造大( 含水层厚度大、分布广) ，补给条件 好( 含水层出露程度高、补给区大、补给源充足) ，则相应含水层的补给量、贮存量都 较大，矿坑揭露此类含水层时，涌水量大且稳定：另外，浅部距地表近，风化裂隙发育， 一般比深部富水性大。 三、含水层的补给，径流条件好坏不仅影响着矿坑涌水量的大小，而且还影响着矿 坑涌水量的动态变化。如果充水层的补给条件很好，有稳定的水源补给，则进入矿坑的 地下水主要是补给量，矿坑涌水量往往比较稳定。相反，充水层补给差，无稳定水源补 给，则进入矿坑的地下水量较小或变化量较大。 2 1 2 2地表水( 海、河、湖、水库、池、积水坑水) 矿区内或附近地表水，均可成为矿坑充水的重要水源。分析矿区充水条件时首先要 研究所处的地形位置，是否位于当地侵蚀基准面以上( 或以下) 。 一、矿床位于侵蚀基准面以上时，地下水补给地表水。矿床充水水源主要为大气降 水，排水条件好，矿坑涌水量一般不大，只在雨季涌水量会稍大些。 二、矿床位于侵蚀基准面以下时，地下水积聚条件较好，地表水有可能补给地下水， 尤其是多雨洪水季节，矿坑涌水量可能增加较大。 地表水作为充水水源首先渗入补给矿区含水层( 或含水带) 后再涌入矿坑，所以它 对矿坑的充水作用主要取决于地表水体本身水量大小，地表水和地下水之间水力联系紧 密程度，地表水体至矿坑的距离以及充水岩层的透水性等因素。矿区内单有地表水体存 在，但缺乏充水途径，地表水仍然不可能成为矿坑充水水源。此外，对矿井排水管理不 当，矿井排水回渗也可能成为矿坑充水不可忽视的水源之一。 7 ：1 程硕士学位论文第二章矿段水文地质条件分析 2 1 2 3大气降水 大气降水是地下水的主要补给来源，在多数矿区也是矿坑水的主要补给来源，有时 也是矿坑唯一的充水水源。 对井下矿，大气降水首先渗入补给充水含水层，然后再涌入矿坑，是一个间接充水 水源，其对矿坑的充水作用取决于降水量大小及充水含水层接受大气降水的条件。 1 、降雨量是决定大气降水对矿坑充水的根本因素，直接支配着矿坑涌水量的多少。 2 、大气降水渗入量还与降雨性质、充水含水层出露程度、岩石吸水透水能力、出 露地段地形及植物覆盖等情况有关。 3 、由于一年中降雨量分布不均，往往集中在几个月份，因此一年中雨季与干旱， 矿坑充水情况不同。特别是位于地势低洼的浅埋矿床、裸露型的岩溶充水矿床，雨季与 旱季涌水量相差很大，雨季防洪成为矿山生产中的主要问题。 4 、矿坑涌水量高峰出现时间比大气降水高峰滞后一段时间，其长短取决于矿坑埋 深及充水含水层透水性。矿坑埋深越浅，岩层透水性越强，则滞后时间越短。 2 1 2 4老窿水 老窿水实质上属于地下水的一种充水水源，其矿坑充水作用较特殊，主要存在于一 些老矿区。这些老矿区由于长年不排水，贮有大量地下水。这种水常以贮存量为主，易 于疏干，但矿坑遇上或接近它们时，往往容易突水，且来势凶猛，水中携带泥砂石块， 有时还含有有害气体，使矿坑涌水量突然增大，造成狍时淹井事故。 2 1 3 充水途径 勾通地表水与充水含水层联系的主要充水途径有充水含水层露头区，深切河谷，隔 水顶板尖灭“天窗”，顶板冒落裂隙带、断裂和地面塌陷等途径。 2 1 3 1 构造断裂带与接触带 断裂带与接触带是地下水进入矿坑的重要途径之一，矿坑突水事故大都与其有关。 一、构造断裂带与接触带地段岩层破碎。裂隙、岩溶相对其它地段发育，因而岩层 透水性增强，含水丰富，常常成为地下水汇集带和强径流带。当矿坑接近或触及这些地 段时，矿坑涌水量常会突然增大，有时甚至会造成突水淹井事故，特别是当断层位移时， 开采矿层或含水层与矿区内富水佳强的含水层连通时，断裂带涌水量大且稳定。有时充 水含水层虽然未与含水层直接接触，但如果它们相距很近，开采前借助胶结面微弱的断 层充填物，不发生水力联系，但开采后，因矿内充水含水层被疏干，断层两侧相邻含水 层水位加大，此时矿外高压水也有可能突破断层充填物而涌入矿坑，使矿坑涌水量增加 或淹矿。 二：、断层是否能导水与断层性质、两盘岩性以及断裂带充填物成分、胶结程度等直 接有关，尤其与断层两盘岩性关系最大。一般张性断层张开大，易形成较宽的破碎带， 工群硕士学位论文第二章矿段水文地质条件分析 充填物大多为角砾组成，疏松多孔，为地下水运动、赋存提供了有利条件；压性断层一 般张开性差，断裂带本身常充填有不透水或透水性弱的断层泥、糜棱岩，断层本身表现 为隔水性或弱透水性。断层两盘岩性为脆性岩层( 如石英岩、灰岩和硅质灰岩等) 时， 张性断层往往形成导水断层，而压性断层形成弱透水断层；如果断层一盘为脆性岩性， 另一盘为柔性岩层时，断裂带往往形成粘土胶结的角砾带或糜棱岩，断层一般表现为隔 水或弱透水性，脆性岩层一侧往往成为地下水的富水带，在高压水的作用下，胶结微弱 的断层充填物有时被冲走，使断层导水能力增强；如果两盘均为柔性岩层时，则断层表 现为隔水。 三、岩脉的导水性质依其岩性、裂隙发育程度而有所不同。脆性较大的岩脉一般裂 隙较发育，起汇集周围层状裂隙水的作用，因此往往形成较富水的脉状水带。而柔性岩 层，裂隙一般发育较差，往往成为阻水岩脉。 2 1 3 2采空区上方冒落裂隙带 采空区上方岩层因其下部采空失去平衡引起岩层破坏和断裂，其破坏程度随着远离 采空区而减弱。在缓倾斜岩层地区，采空区上方根据岩层变形和破坏情况，可分为冒落 带、裂隙带和弯曲沉降带三带。 一、冒落带位于采空区上方，因其岩层失去支撑而产生裂隙和断裂，岩层呈无规则 冒落，自由堆积。从水文地质角度看，冒落带透水性好，当其直接与水源接触时，往往 形成突水事故。 二、裂隙带位于冒落带上方，其岩层在重力作用下剧烈向下位移，在层理、节理等 岩层结合力薄弱部位，产生较大的层间滑动，形成裂隙带。裂隙带接触水源时，能引起 突然充水和井下涌水量激增。 三、弯曲沉降带由裂隙带上方岩层组成，其岩层整体性未遭破坏，只是因裂隙带以 下岩层冒落导致上方岩层下沉，使其形成与采空区无裂隙连通的弯曲下陷沉降区。弯曲 沉降带由于远离采空区，受采动影响最小，故岩层能保持原有性能，如其为粘土层时， 经过沉降弯曲仍为良好隔水层；当厚度较薄，尤其是砂岩等硬质岩层时，沉降弯曲后有 少量透水现象。 三带能否形成，主要取决于矿层埋藏条件、开采方法以及岩层物理力学性质等因素。 而采动后岩层形成三带的规律，一般较适合层状岩层。 确定冒落带和裂隙带高度，对分析矿坑充水条件具有重要意义。 2 1 3 3底板突破 地f 水头较大地段，承压水能够突破矿坑底板隔水层涌入坑道，造成矿坑涌水量突 然增大甚至淹井，对安全造成威胁。 一、临界水压值与临界隔水层厚度概念：l 衙界厚度是指刚刚能抵抗住水压而不致发 9 f ：程硕士学位论文第二章矿段水文地质条件分析 生突水的隔水层厚度，临界水压值是指刚刚使隔水顶底板裂开的水压值。临界水压与l 临 界隔水层厚度关系不是简单的正比比系，而是呈幂函数关系。隔水层厚度增加一倍，其 抵抗水压的能力会增加不止一倍。 二、底板是否能突水与底板岩石强度、力学性质、隔水层厚度、所受水压大小及开 采条件等一系列因素综合作用有关。 1 、底板岩石强度大的地段，临界水压高，抵抗水压的能力也大。相反，在构造断 裂带地段，岩层破碎厉害，岩层强度大为削弱，则易引起底板突破。 2 、隔水层薄，水压大地段，底板突破的可能性也大。如随着矿山开拓的延深，矿 山压力、地下水压力会越来越大，对底板突破的威胁也随之增大。 3 、底板的稳定性还与采空区形状有关。例如，工作面长或采空顶宽，则采区抵抗 水压的能力就弱，临界水压就低，也就容易发生突水。 4 、相同水文地质条件下，底板隔水层岩性不同，其隔水性能不会相等。一般根据 岩体强度，对各岩层厚度加以换算，得出一个假定岩体强度均一的等效隔水层厚度。例 如，以砂岩岩体强度为标准单位，则砂质页岩的岩体强度比值为o 7 ，页岩为0 5 ，断层 岩为0 3 5 ，以此比值乘上该岩体实际厚度即改为该岩体( 岩层) 的等效隔水层厚度，各 分层岩石的等效厚度之和即为隔水层总的等效隔水层厚度。 2 ，1 3 4地面塌陷 矿区井下大量抽排水，会引起地面发生开裂、沉降和塌陷等工程地质现象，引起地 表水、第四纪孔隙水的大量倒灌和下渗、地面构建筑物破坏、大量泥沙涌入矿坑，对矿 山开采带来一系列影响。其中尤以塌陷的危害最大，地表水可通过塌洞溃入矿坑，成为 矿坑充水的主要水源。因此，研究矿区塌陷分布规律对评价岩溶矿床充水条件具有重要 的意义。 一、抽排水引起的地面塌陷均发生在岩溶充水矿床，覆盖松软层较薄地段。可溶岩 层一般浅部岩溶较发育，自然状态下，灰岩含水层水位往往高于灰岩顶板，接近或高于 孔隙含水层水位，灰岩中地下水的浮托力支撑着岩溶洞隙中的充填物和上覆松软岩层， 地下水对松软岩层底部、溶洞充填物的潜蚀、搬运作用很弱。矿区大量抽排水时，灰岩 中水位大幅度下降，当水位降到灰岩顶板以下一定厚度时，溶洞充填物和上覆松软层失 去灰岩水的浮托，会引起第四纪i l 隙水以及地表水的倒灌倒渗，溶洞充填物和上覆松软 地层底部在地表水、地下水的潜蚀、冲蚀、搬运加强作用下被带走，开始在松软地层底 部形成隐伏拱形土洞，继而土洞不断向上、向周围发展，最后扩展到地面，引起地面开 裂、沉降和塌陷。在上覆松软土层隔水性能较好地区，当岩溶水位迅速下降，浅部溶洞 被疏干，形成真空或小于一个大气压，此时也可促进形成塌陷。 二、地面塌陷的形成与岩溶发育程度、含水层透水能力、灰岩水位下降幅度、上覆 r 程硕：b 学位论文 第二章矿段水文地质条什分析 松软岩层岩性、厚度以及地表水与地下水的水力联系程度等因素有关。 1 、在质纯可溶岩、断裂带部位、灰岩浅埋地段，岩溶发育强烈，地面塌陷也多。 2 、地下水降落漏斗中心地段，灰岩水位下降大，流速快，潜蚀、淘空搬运能力强， 在这些地区上覆松软地层不厚时，塌陷发生最多。同时，随着漏斗扩展，塌陷范围亦相 应扩大。 3 、深埋岩溶矿区，塌陷多发生在浅埋灰岩分布区。这里往往岩溶发育，上覆松软 岩层薄，故塌陷多。尤其在矿区天然排泄区附近，径流好，岩溶发育。 4 、在岩溶发育程度、富水性、水位降低基本相同性况下，上覆松软层厚度大、岩 性为粘土类物质，其凝聚抗拉力大，出现塌陷少。反之，砂土松散，凝聚抗拉力小，有 利地下水潜蚀、淘空与搬运，塌陷则多。 2 1 3 5隔水层顶板尖灭的“天窗”地带 矿区主要充水含水层可通过隔水顶板尖灭的“天窗”地段与地表水及其它含水层发 生水力联系。正常状态下，一般含水层水位较高，这些地段成为地下水的排泄通道。当 矿区疏干时，由于充水含水层水位大幅下降，其它含水层中的地下水及地表水通过“天 窗”渗入或倒灌进矿区充水含水层，使矿坑涌水量明显增大。 2 1 3 6 充水含水层露头区 在露头区，充水含水层可直接接受大气降水的补给，充水含水层出露面积越大，接 受大气降水补给量也越大。当露头区内，如有地表水体通过时，地表水即可通过露头区 补给充水层。因此，裸露矿区的涌水量随季节降雨量变化也较大。 地表水对矿坑充水的作用取决于露头区至矿坑的距离和充水含水层的透水性。 、当露头区至矿坑的距离较长时，则大气降水的入渗途径长，入渗水量会逐渐分 配在较长的时段内，从而降低矿坑涌水量受大气降雨的影响程度。 二、当含水层的透水性较强时，地表降水会在短时间内进入矿坑，从而使矿坑受地 表降水的影响增大。 2 1 3 7封密不良钻孔 完工后的勘探孔，由于封密质量不好也可成为一种充水途径，将矿层顶板含水层中 的地下水引入矿坑。因此，勘探完毕后的钻孔，应严格按照规定进行封密。 上述各种充水水源和充水途径在同一矿区中常会同时存在，因此在分析矿坑充水条 件时，必须根据具体矿区条件，找出主要充水水源与主要充水途径，采取有效防水或排 水措施，才能取得好的效果。 2 2 水文地质学基本概念术语 j ：程硕+ 学位论文第二章矿段水文地质条什分析 2 2 1 大水矿床 预测的矿坑正常涌水量在1 m s 以上时，称为大水矿床。0 1 m 3 s l m 。s 为中水 矿床，小于0 1 m 。s 为小水矿床。 实测马路坪矿段2 0 0 1 年井下涌水量：q 最大= 1 5 2 5 8 3 m 。d = 1 7 6 6 m 3 s ，q 最小 = 4 1 0 8 3 i n j d = o 4 7 6 m s ， q 正常= 7 0 2 3 6 m 3 d ：o 8 1 3 m s ，基本上属中等涌水量矿床。 2 2 2隔水屡 一般将钻孔单位涌水量小于o 0 0 1 l s m 的岩层称为隔水层。 根据历年开采情况及钻探资料看，矿区南沱组( z a n n ) 粉砂质页岩、泥质粉砂页岩 及板溪群( p t b n ) 清水江组( p t b n q ) 粉砂质板岩、中厚泥质板岩、变余粉砂岩内布置的 巷道及钻孔均干燥无水，故上述岩层均属于隔水层。 2 。2 。3 主要含水层的富水性 当钻孔单位涌水量小于o 1 l s m ，或邻近类似条件矿井的正常排水量小于5 0 0 0 0 d 时。属富水性弱的含水层；当钻孔单位涌水量小于l l s - m ，或邻近类似条件矿井的正常 排水量小于5 0 0 0 2 0 0 0 0 m j d 时，属富水性中等的含水层；当钻孔单位涌水量大于l l ，s m ， 或邻近类似条件矿井的正常排水量小于2 0 0 0 0 l n j ，d 时，属富水性强的含水层。 根据马路坪矿段实际开采情况及地勘抽水试验结果： 矿段白云岩上部( 8 0 0 m 标高以上) 钻孔的涌水量在o o l7 5 8 珈7 8 0 8 l s f m ，属于 富水性中等的含水层。 矿段自云岩下部( 8 0 0 m 米标高以下) 钻孔的涌水量在o 0 13 7 珈0 6 4 5 u s m ，属 于富水性弱的含水层。 2 2 4岩石坚硬性 岩石的坚硬性是指岩样的单向极限抗压强度r 。一般按以下标准划分为：坚硬岩石： r 6 0 0 k c m 2 ：半坚硬岩石： 6 0 0 k g c m 2 r 3 0 0 k g ，c m ；软弱岩石：r 1 0 m d 粗砂岩、砾岩、岩溶发育岩石 透水岩石 k = 1 0 _ 一1m d 砂岩、裂隙发育岩石 微透水岩石 k = 1 _ o 0 1m d 砸砂土、发育微弱岩石 极弱强透水岩石 k = 0 0 1 _ 0 0 0 1m ，d 亚粘土、粘土、淤泥 不透水岩石 k 弋 o 0 5o 0 l 1o 9 9 71 0 0 01 20 5 3 20 6 6 l 2o 9 5 00 9 9 01 3o 5 1 40 6 4 1 3o 8 7 80 9 5 91 4 0 4 9 7o ，6 2 3 4o 8 1 10 9 1 71 50 4 8 20 6 0 6 50 7 5 4o 8 7 41 60 4 6 80 5 9 0 60 7 0 70 8 3 41 70 4 5 60 5 7 5 70 ，6 6 60 7 9 81 8o 4 4 4o 5 6 1 80 6 3 20 7 6 51 90 4 3 3o 5 4 9 90 6 0 20 7 3 52 00 4 2 3 o 5 3 7 1 00 5 7 60 7 0 82 10 4 1 3 0 5 2 6 1 1o 5 5 3o 6 8 42 2o 4 0 4o 5 1 5 工程硕十学位论文第三章井下涌水量预测理论基础 3 1 - 2 2 曲线相关 当二个相关变量之间不是直线关系时，首先把各组的o 与s 观测数据画成散点图， 然后根据散点图的分布形状及特点选择适当曲线拟合观测数据。确定函数类型后再确定 函数式中的未知数。一般是先通过变量变换，把非线性函数化成线性关系，如对数关系、 双曲线关系、幂函数等。 3 1 2 3 二元直线回归方程 当影响因素不止一个时采用。在多元回归中也可以先通过变量变换，把非线性函数 化成线性关系求解。在多元回归中，为了分清k 个因素对开采水量影响的主次关系，可 用标准回归系数b 7 ，来衡量。标准回归系数的绝对值愈大，相应的因素对开采水量的影 响就愈大。利用相关系数分析法，应尽量增加观测数据组数，增大观测数据中自变量的 离散程度，以提高回归分析的精度：还要注意地下水的补给量以论证其保证程度。 实践证明，利用相关系数分析法预测近期，且预测开采程度与实际最大降深差别不 大时效果较好。随着预测深度与实际深度的差别增大、预测期的延长，计算的误差也随 之增大。因此，应根据实际观测数据不断补充修正回归方程，逐年进行预测。 3 1 3水均衡法 水均衡法是根据水均衡原理，查明矿床开采时地下水在一定时期内收入与支出之间 的关系，获得开采地段的涌水量。水均衡法的关键是均衡式的建立及其均衡要素的测定。 由于在解决这两个问题时都存在一定困难，如强烈的降压疏干使地下水运动速度和水力 坡度增大；开采造成漏斗范围内岩体变形塌陷，产生大量裂隙，使地表渗水作用加强； 在长期疏干影响下，漏斗不断扩大导致地下分水岭位移，形成新的补给源等。 水均衡法虽然存在一些不足，但它能在查明有保证的补给来源情况下，确定矿床极 限涌水量值。因此，在补给来源有限时，该方法可以单独应用，也可以作为核对解析法、 数值法等其它方法计算结果的一种补充性计算。 根据水均衡法，地下水的收入项一般有下列几部分组成： q l 从其他地区间一含水层流入均衡区的地下水量，m 3 d ； 0 2 从其他含水层或含水带流入均衡区供水含水层的水量，一d ； 0 3 地表河流或地表水体补给供水含水层的水量，m 3 ，d ； 0 4 灌溉水、排水、废水等人工补给水流入均衡区供水层的水量，m 3 d ； q 5 大气降水渗入补给地下水的水量，矗d ， 地下水的支出项有下列几项组成： q 。从本区供水层流出均衡区外同一层的水量，m 3 ，d ； 0 2 从均衡区内供水层流往其他含水层或含水带的水量，m 3 ，d ； 0 3 区内供水层排入河流或地表水体的水量，r n j ，d ； i 程硕士学位论文 第三章井下涌水量预测理论基础 q 区内供水层由于蒸发和植物蒸腾消耗的地下水量，m 3 d ； q 5 区内矿山排水和供水量，m 3 d 。 在一个均衡时期t 内，地下水收支不平衡时将造成供水层中水量储存变化v ，对 潜水层，此贮量变化将反映在该时期潜水位的上升或下降h m 。对承压水，将引起承 压充水层的水压升降s 。因此地下水均衡方程普遍式如下： 潜水：警即2 ( q 。+ q ：+ q ，+ q 。+ q ，) 一( q f + q ：+ q ；+ q ：+ q ；) ( 式3 1 5 ) 承压水： 等即。= ( q - + q z + qs + q + qs ) 一( q ：十q ：+ q ；+ q ：+ q ；) ( 式3 1 6 ) 式中：f 均衡区面积，m 2 ； u 潜不层给水度； “，贮水系数。 在一些条件下，上式可能会因缺项或其量很小可以忽略不计而大大简化。最简单情 况下： 鲈= q 1 等即 或 q f 5 _ q 1 筹即。 ( 式3 1 9 ) 即该条件下矿坑涌水量由大气降水汉渗入补给及矿山疏干消耗储存量二部分组成。 一般情况下，一个均衡期至少要一年，若包括丰水年和枯水年的均衡期，则评价精 度会更高。各均衡要素处理方法如下： q l 和q 7 l 可根据断面法在均衡区的补给、排泄边界处加以确定。 q 2 和q 7 2 根据具体水文条件决定。当供水顶底板为弱含水层有越流时用下式决定： q 越( 或q 幺) = k e f 4 h ( 式3 _ 2 0 ) 式中：k 。供水层顶底板越流层的越流系数，1 d ： f 均衡区面积，m 2 ； h 区内越流层与供水层之间的水头差，m 。 q 3 和q 2 3 根据地下水与地表水有联系的河段漏失量或增加量确定；也可根据进入 与流出均衡区河流流量的差值确定。 q 4 和q 7 5 可通过调查确定。q 5 和q7 t 可根据均衡区内布景的地中渗透仪记录的大 气降水渗入量和地下水蒸发量确定：也可以根据均衡区内典型地段长期水位动态观测资 料利用水动力学有限差分方程式确定：还可以根据山谷口断面径流量确定渗入系数和大 1 r 程硕士学位论文第三章井r 涌水量预测理论基础 气降水渗入量。 单位时间大气降水补给量： q 5 _ 等米3 日 式中：a 年降雨量，m ； f 大气降水渗入充水层的面