矿床水文地质.doc

矿床水文地质课程设计第一章：矿区区域地质水文地质概况第一节：矿区自然地理条件1.地形矿区位于华北河北省邯郸市地区1，其地形总体与华北地区地形一致（即地势起伏变化小），矿区的面积约为88平方公里。结合该区水文地质图、近东西向/剖面和近南北向/剖面图，纵观全区知：其地形标高总体在300500米之间，出露地貌以丘陵为主且坡度变化小，总体略向东南倾斜。在矿区内地质构造活动比较强烈，地形地势起伏变化却平缓，可以反应该区地质内营力作用较之外营力作用早，同时也反映该区外营力作用十分强烈，使得该区呈现上述地形地貌特点。该矿区的北、东、西三面环山（即丘陵），南部相对开阔，中间地势低缓且河流发育，最低点是在矿区南部出露的一号泉眼，其标高为310米，是该区域的最低侵蚀基准面（即汇水点）。因此，该矿区属于低山丘陵型盆地带，开发的矿床主要位于盆地的中心地带，顺河流沿着北东南西呈条带状分布，矿体整体发育在地面400米标高以下，地层较复杂，且构造较强的地段。2.水文矿区内有一条叫洺河的河流发育，是滏阳河的一条重要支流，该河流水流沿北东南西向贯穿整个矿区，且是矿区唯一的地表水系。洺河主要发育在矿区的中部，也就是整个丘陵型盆地的比较低的地势，所以河流是该区的汇水面。在洺河的左岸是支流比较发育的地段，共有三条一级支流，还伴有许多二级、三级支流；而在河流的右岸，仅仅发育一条较大的支流。洺河汇水面积由于受到地形和地层的综合影响，沿流向方向，是由小到大，再有大变小的分布。整个河流流域面积占矿区面积的510，且伴有第四纪沉积物发育。该水系地形起伏较小，最大落差在百米以内，可以反映出河流切割不深。另外，河流主要发育在白垩系、石碳系和二叠系中，部分发育在奥陶系，不过由于奥陶系灰岩发育，使得河流在该地层中出现河水漏失现象，并伴有溶洞的发育。总体上，地表除发育洺河以外，并没有其它的河流、湖泊形成。洺河的一般特点是：丰水期集中在69月份，枯水期主要在冬季，以及来年的开春时节，水位变化较大。雨季时河流的流量可达到8.5万立方米每天，是枯水时期的多倍。总之，河流发育在开采矿体的上部，同时贯穿整个矿床。 在地表，除去河流以外，还出露许多泉眼，其中大部分发育在F1大断裂以东前震旦系片岩片麻岩与洺河二、三级支流接触地区，对于矿区煤矿开采几乎没有影响。少部分发育在整个矿区盆地的汇水点（即F4与F1断层相交附近），而F1大断裂以西地表出露其它的地层中几乎没有泉出露。另，F1大断裂以东出露的泉流量主要在0.010.3升/秒之间，而南部的一号泉流量达到8万立方米每天，所以其对整个矿区采用什么降、排水措施有控制性作用。3.气候矿区属于典型的大陆性季风气候：冬夏长、春秋短；冬季低温干燥；春季干燥多风沙；夏季高温多雨；秋季凉爽晴朗。年降水量400600毫米，年均气温在13.5摄氏度左右。结合课程设计上提供的华北煤田气象资料，我们利用Excel绘制其降水量与蒸发量历时曲线以及月湿润系数曲线（见图1）：结论与分析如下：（1）降水的特点：该矿区年降水量约775毫米，其中主要集中在69月份（即夏季），月均降水量约在164毫米，占全年降水的84.5；而在105（来年开春）月份，月均降水量约为15毫米，占全年降水量的15.5。总体上来说：该矿区的降水情况呈现一种明显的季节性变化。（2）蒸发的特点：该矿区年蒸发量1015毫米，其中主要集中在36月份，月均蒸发量约在187.5毫米，占全年蒸发的73.8；而在一年的其它月份里，月均蒸发量约为33毫米，占全年蒸发量的26.2。由于该区是盆地地形，所以主要的蒸发是集中在回水面，且由于地层岩性的差异，导致洺河左岸的蒸发量大于其右岸。（3）湿润系数：从图中我们可以看出69月份的湿润系数大于等于1，表明该区在这期间水分的收入大于支出，属于湿润状况；而在其它月份里，反映该区水分的收入小于支出，属于半湿润、半干旱或干旱状况。所以，从年均湿润系数比值可以反映该地区的气候干燥。第二节：区域地质条件1.地层在该矿区中出露了前震旦系，震旦系，中、下奥陶统，上、中石碳统，二叠系，白垩系和第四系等地层。按地层沉积序列知道该区缺失了上、中奥陶统、寒武系（该区有出露，但是不在矿区开采的范围内）、泥盆系、三叠系、侏罗系和第三纪地层。下面我们分层介绍：（1）前震旦系：该套地层分布在矿区东部（洺河的左岸），贯穿这个矿区南北向，其占整个矿区面积的25左右；该地层主要以片岩、片麻岩为主，与白垩系地层为角度不整合接触。（2）震旦系：该地层出露在矿区的最东南角，出露面积只有1.5平方公里，占全区面积的2不到；该地层主要以石英砂岩为主，与白垩系、中奥陶统地层为角度不整合接触。（3）中、下奥陶统：该地层分布在矿区西部（洺河的右岸），同样贯穿矿区南北向，其占整个矿区面积的25左右；该地层主要以结晶灰岩、白云岩为主，厚度约为8001000米，岩层产状：北东南西走向，倾角10度；与中石碳统地层为平行不整合接触。（4）上、中石碳统：此地层紧临奥陶系，位于奥陶系东侧，矿区中部西北向；该地层以页岩、铝土（厚约：3540米）、砂页岩（厚约：203米）和灰岩（厚约：58米）为主，其中以上石碳统砂页岩含有35层煤层可开采，岩层产状：北东南西走向，倾角10度；与二叠系地层存在部分平行整合接触，与白垩系地层存在部分平行不整合接触。（5）二叠系：该地层分布在矿区盆地中部，出露面积约46平方公里；该地层以砂页岩为主，厚度约250米，且夹有6米厚的可开采煤层；与白垩系存在平行不整合接触。（6）白垩系：该地层位于矿区的中部，沿洺河流向展布，出露面积占矿区的15左右；该套地层以凝灰质砂页岩为主，厚度约80140米，岩层产状：北东南西走向，倾角8度；其上部覆盖有第四系沉积物。（7）第四纪：该套地层主要是沿洺河河流两岸分布，主要是以砂砾互层为主，厚度050米不等，沿河流向沉积物厚度增加，且从岩性上可以初步判断该矿区内，河流为上游段或者是该河流又很明显的季节性变化。2.构造该矿区是属于华北地台的部分，属于中型构造区域。矿区总体上以断裂构造为主，褶皱构造为辅，区域构造线主要为近南北向发育，其与矿区褶皱构造轴向一致；在此基础上发育一条北东南西向F1纵断层和三条几乎垂直构造线的横断层。现从褶皱和断层两方面叙述如下：（1）断层该矿区共发育四条高倾角正断层，图中分别标记为F1、F2、F3和F4。F1断层：该断层位于洺河左岸，处于整个矿区的东部。其贯穿矿区的南北，且穿过前震旦系与白垩系地层，同时也是两地层的分界线；结合/剖面图，可以判断该断层切割了奥陶统，上、中石碳统，二叠系和白垩系地层。断层面的倾角大于70度，走向在矿区中部以上是近南北向，矿区中部以下折为北东南西向；上盘为白垩系地层，下盘为前震旦系地层；与F2、F3和F4断层几乎垂直相交。由于该断层为正断层，使得F1断层下盘（前震旦系）抬升出露，加之其岩性为片岩片麻岩，地表水系几乎不发育，偶有些许侵蚀下降泉出露。F2、F3和F4断层：分布于矿区的西部，F1断层以西向。这些断层与F1断层相交，它们之间又相互近平行（间距在1.53.0公里），主要发育在中、下奥陶统，上、中石碳统，二叠系，白垩系地层中，断层面的倾角在7085度，走向为北西西南东东向（F3和F4断层倾向相反）。由于断层平行切割地层，使得矿区西部由北到南，地形地势逐渐降低，河流的流域面积逐渐扩大，最终由于F4断层下盘地层导水性差，使得在此有大泉出露。（2）褶皱矿区的地层（出前震旦系）都有不同程度的弯曲变形，但是弯曲程度小，所以，我们可以肯定该区有整个区域上的褶皱构造现象，但从矿区研究的范围来看，这些地层的弯曲、倾斜只是一个区域褶皱的一翼。由于该褶皱中心新（白垩系），两翼老，我们定名为向斜。向斜的轴向沿北东北南西南向延伸，左翼岩层产状为：走向北东北南西南向，倾角810度。由于褶皱构造作用，使得矿区的西、北、东地势相对较高，呈现盆地的特征，使得水文系集中发育在矿区的中部。第三节：区域水文地质条件 1.岩石含水性由于水文地质资料相对缺乏，在此，我们主要是结合水文地质图，利用定性分析为主，针对各个地层的岩性、涌水量、矿化度、裂隙率或岩溶率、结构面及岩体纵衡向上岩性变化等方面来划分含水层与隔水层，具体见下：（1）第四纪：以砂砾互层为主，孔隙率较大，主要是伴河流沉积，堆积松散，所以使得该地层为具有良好的含水性；加之降水与河流对其直接补给，则此含水层富含水。其地下水矿化度为0.6克/升，属于淡水资源。由于其为孔隙含水，所以命名为：砂砾石孔隙水。（2）白垩系：该套地层以凝灰质砂页岩为主，其具有凝灰结构（碎屑粒径2毫米），使得本来富水性较差的砂页岩几乎没有很好的大开孔隙，使得该地层为相对隔水层。此套隔水层厚约80140米，结合/剖面图知：在其沿着河流流向方向其厚度逐渐变薄，在垂直河流流向上其厚度比较稳定。（3）二叠系：该地层以砂页岩为主，结合A1、A3和A4水文地质孔知道：其岩溶率为1.01.3，说明具有含水的空隙介质；其地下水位标高在312313米，说明其水位稳定；从抽水流量来看，结合单井涌水量判断其富水程度为水量中等，含水性一般；考虑井降深和矿化度的变化，我们得出顺着岩层的走向其含水性稳定，这很有可能是由于地表水的补给导致，而在垂直含水层走向方向上含水层矿化度、降深增加，表明其补给来源减少。（4）上、中石碳统：该地层分上、中期，其中中石碳统以页岩和铝土为主，含水性差，定位为隔水层，其厚度约3540米，沿北东南西向呈条带状分布；而下石碳统以砂页岩和顶部灰岩为主，含水层主要是该统上部灰岩，结合A1、A2、 A3和A4水文地质孔分析：其岩溶率为1.02.5，由北向南岩溶率变小，说明具有含水的大开空隙介质；其地下水位标高在313317米，说明其流线沿/剖面线向南；从抽水流量来看，结合单井涌水量判断其富水程度为水量中等，含水性一般；考虑井降深和矿化度的变化，我们得出顺着岩层的走向其含水水质趋于高矿化度，地下水运移路线长，最终定名为薄层灰岩岩溶裂隙水。（5）中、下奥陶统：主要以结晶灰岩、白云岩为主，结合A1、A2和A3水文地质孔分析：该层岩溶发育，出现落水洞；从抽水流量（10.611升/秒）来看，结合单井涌水量判断其富水程度为水量中等，是其它地层富水23倍；其矿化度约0.5克/升，与地表水体相近，说明其受大气的降水直接补给充足，最后我们给出其类型为厚层灰岩裂隙岩溶水。（6）震旦系：主要以石英砂岩为主，由于构造作用使得其出露地表的岩体具有一定的风化裂隙，所以具有含水性（可以称之为石英岩裂隙水），但是含水量很小，且其基岩是不富含水介质，所以我们定位隔水层。分布在矿区东南角，为一号泉的出露提供隔水边界。（7）前震旦系：该地层主要以片岩、片麻岩为主，同上也是发育有丰富的风化裂隙，但是由于其基岩本身性质决定该地层为一个贯穿矿区南北的隔水岩层。该地层发育面积广，表层伴有小流量的侵蚀下降泉出露。2.地表水与地下水水力联系矿区地表水主要是洺河河流，其贯穿整个矿区且南北向，另外伴有四条一级支流。河流流经前震旦系，中、下奥陶统，上石碳统，二叠系，白垩系和第四系等地层。其中由于河岸两侧都发育第四纪沉积物，所以该地层与地表水体有直接水力联系；而其它地层多数为间接水力联系或部分间接水力联系。在上石碳统，二叠系含水层中，由于地下水水位在315米左右，而矿区中部以北地表水位标高在390米以上，其水位相差75米，超过第四纪沉积物厚度，所以无论在洪水季节还是枯水期，几乎得不到河流的直接补给，因此与地表水没有直接水力联系；而在矿区中部以南河流水位标高降低到最低点310米，此时在枯水期地下水常期补给河流；在洪水期，河流水位涨到水位高与地下潜水时，地下水得到补给，我们称此现象为间歇性水力联系。而在中下奥陶统含水层中，由于其形成一定规模落水洞和溶洞，使得地表水体在与之接触部位产生直接水力联系，通过/剖面和/剖面图分析：无论雨季还是枯水期，河流的水位始终高于岩溶水水位线时，地下水始终得到补给，我们称此为单向水力联系。而在前震旦系地层中，由于其地势较之河流高，该地层潜水水位始终高于河水水位，此时，河流始终得到补给，我们称之为无水力联系。3.断层导水性及各含水层之间的水力联系寒武系与奥陶系相邻皆为灰岩，之间的水力联系应该较好。水文地质钻孔资料（如表1）所示，奥陶系、中、上石炭统、石炭二叠系的水头与矿化度均有一定差异，且以砂页岩（隔水层）相间，可推定其相互之间水力联系较差，越流补给量可以忽略不计。表1 钻孔资料水文地质孔号揭露地层水位标高m单位涌水量L/s矿化度g/L裂隙或岩溶率A1PC3120.131.01.2C33140.150.91.23165.300.53.7A2C33170.500.62.53290.550.54.1A3PC3130.300.61.3C33150.300.72.13204.000.53.1A4PC3120.200.51.0C33130.200.71.0（1）含水层之间水力联系通过上述，我们知道第四纪，下石碳统，中、下奥陶统为主要含水地层。在此，我们仅针对这几套含水地层讨论：第四纪是最上部地层，与下石碳统上部灰岩，中、下奥陶统灰岩在洺河右岸支流上有接触，且第四纪为砂砾互层，透水性十分好，所以与那两套地层有着十分良好的水力联系，尤其是中、下奥陶统地层还发育有溶洞；另外，下石碳统与中、下奥陶统地层之间存在一套为页岩、铝土的中石碳统隔水地层（层厚3540米），直接减弱两含水层之间水力联系。（说明：以上只是从含水层本身出发分析，而没有考虑断层等构造现象的影响，这部分在谈到断层导水性时给予说明）（2）断层导水性及影响F1高角度正断层水平上东侧为隔水层阻水，沿断裂带仅有流量较小的接触下降泉，而无溢流泉出露，因而该断裂水平、垂直上均阻水。F2、F3二断裂与F4相对照，F4断裂带处有泉群出露，而F2、F3则没有，因而F2、F3二断裂应为水平上导水、垂向上阻水的断裂，使得地下水从北部流向南部。F4断裂应为水平上阻水、垂向上导水。因水平方向上前方为隔水层地下水被迫沿断裂带上升至地表出露为泉。需要注意的是断层的导水性随时间是可以变化的。开采F2、F3二断裂处煤层时，有可能因开挖卸荷以及扰动改变原有应力状态而使断裂转为导水，所以一定要预留一定的距离，以保证开采安全。4.地下水补给、径流和排泄条件总体来讲，矿区以大气降水补给为主，在侧向上西北部区寒武系灰岩岩溶地下水补给，径流方向由北向南运移，以泉为主要排泄方式，在矿区南部与河流汇合流出。矿区西部奥陶系灰岩地区岩溶发育，形成一定规模的溶洞，大气降水以捷径式直接下渗入地下形成地下水沿裂隙、管道向南部运移，某些地区的地表河水部分还漏失转化为地下水亦向南部运移，在侧向上由于本身岩溶率较高，受到同岩性的寒武系灰岩岩溶水补给；在断裂处以溢流泉群的形式排出并注入地表河流进而流出区外，因为岩溶区受水范围广，除本区的大气降水外，还有区外的地下水侧向补给；其它砂岩层含水层及上石炭统的灰岩层均由北部该层裸露地表处接受大气降水补给，同时还由于F2、F3断层水平导水，奥陶系的岩溶水水位标高比上覆地层高，所以垂向上得到奥陶系岩溶水补给，最终断层顺层慢慢向南部F4断裂处运移，进而上升排出，但这种循环很慢，周期十分长。第四纪的砂砾石含水层主要受到大气降水和地表河流补给为主，在垂向上受到石碳二叠砂页岩的砂岩孔隙水补给，而在侧向主要以奥陶系灰岩补给为主；影响该含水层补给量主要是河流量的变化和湿润系数的波动；该区主要是排泄方式：向河流下游补给，在南部汇合，以泉形式排泄；还有向奥陶系岩溶水与石碳二叠砂岩孔隙水之间的排泄等等。矿区东部片岩片麻岩山区以大气降水补给为主的地下水，因片岩片麻岩隔水而含水性差，地下水不易渗透，所以仅存以小泉形式转为地表水外排。第二章：矿坑充水条件分析第一节：不同含水层对、号煤层开采的充水意义号煤层处于上石碳统（C3）地层中，其隔水底板为中石碳统页岩及铝土，厚度3540米，其隔水底板下覆为水压值300多米的奥陶系岩溶水，一旦底板突破，岩溶水将涌入坑道；而在号煤层顶板主要是砂页岩的相对隔水层，对其影响不大，所以我们在此主要评价含水层底板的稳定性，如果处理不当，下伏奥陶系地层中的地下水极有可能成为其充水水源，破坏方式为底板突破。号煤层同样处于上石碳统（C3）地层中，煤层上部为58米的薄层灰岩，该灰岩裂隙发育含岩溶裂隙水，加之砂页岩本身的抗张强度一般，使得其成为该煤层开采时的充水水源，而该地层底板是隔水岩层且厚度较大，几乎对煤层的开采不够成威胁，所以我们在此主要评价含水层顶板的稳定性，如果处理不当，将发生顶板破坏溃水现象。 号煤层处于石碳二叠系（Pc）地层中，岩性为砂页岩，本身相对隔水，虽然砂岩层中有承压水，可能会成为充水水源，但开采过程中，底板的厚度是相当可观，所以底板破坏可能性不大，另外，该煤层东段上扬与河床第四纪孔隙水含水层相接，此处煤层开采如“头顶一盆水”，可能会导致顶板塌落，导致地表水汇入坑道，因此在进行 号煤层的开采时应给予重视。第二节：断层对矿坑充水作用F1断层在垂向上和水平方向上是阻水的，基本上不会对煤层开采构成危险；F2和F3断裂把矿区分为三部分，它们在垂向上是都阻水的，一般来说，正常条件下不会构成导水通道，但断层的导水性随时间是可以变化的。因此在开采F2、F3二断裂处煤层时，有可能因开挖卸荷以及扰动改变原有应力状态而使断裂转为导水，所以一定要预留一定的距离，以保证开采安全。F4断层在垂向上是导水的，不管是Pc 煤层还是C3的二煤层，在接近F4断层时，开采都要十分小心，预留的距离比F2、F3二断裂处预留的距离还要大一些，因为它不仅存在着扰动的影响，而且存在着较大的水头压力（奥陶系的含水性极强，水头很大），很有可能在扰动的促使下地下水沿断层在煤层薄弱部位侵入。第三节：二号矿号煤层底板的稳定性评价依一矿资料：页岩平均抗张强度KP=0.16Mpa，平均容重=2.45T/ m3，巷道底板隔水层实际厚度t=30 m,坑道底宽L=10 m.预测二矿号矿煤层-50 m水平开采时，天然水位高位320 m的底板稳定性。当充水岩层为矿层的间接地板时，其中的地下水都具有承压性。承压水作用在巷道隔水地板上的水压，随埋深增加而增大，当水压值超过巷道隔水底板的强度时，可破坏底板，使水涌入巷道。承压水能否突破巷道底板，主要取决与含水层的水压值和隔水层底板的综合强度。因而隔水底板的综合强度又取决于底板的岩性和厚度。在岩性差别不大时，厚度则起主要作用，因此在预测底板突破时，常使用临界水压值HL和临界隔水层厚度tL两个指标作为评价的依据。具体分析如下：解：HLHP底板被突破第四节：河下开采条件已知煤层平均倾角= 100 ，开采厚度M =6 m，岩石碎胀系数K=1.3，河床第四系厚度为50 m，保护层厚度HC=20 m，确定河下采煤的安全开采深度。开采矿体在地下形成采空区，采空区顶板破坏为上复含水层，特别是为地表水提供了直接充水水源。开采区位于第四系砂粒岩互层（Qal）河床下部，存在顶板破坏的危险。采空区上方可以划分为三个不同的开采破坏影响带，即：冒落带、导水裂隙带、整体滑移带。具体分析如下：解：H1=M/（K-1）/cos=6/0.3/cos100=20.31 mHC顶板不安全，会塌落顶板破坏带最大高度的确定（安全开采深度确定）：H2=3* H1=3*20.31=60.93 m540，煤层为水平，缓倾斜。HW= H2，+ HC= H2* cos100+ HC=60.93* cos100+20=60+20=80 m H安全= HW+ H第四系=80+50=130 m河下采煤的安全开采深度为130 m。第三章：二矿矿坑涌水量的预测第一节：C3薄层灰岩涌水量初步预测用水文地质比拟法预测开采0 m水平二号煤时（坑道系统长2000m，宽1060m），C3薄层灰岩涌水量（一矿资料：+200 m水平开采二号煤时，天然水位标高321m，坑道系统长1500m，宽1000m，开拓排水一年后，矿坑涌水量为1200 m3/d）水文比拟法:利用充水条件相似，开采条件相似的矿区生产资料，预测新矿区或下一开采水平的矿坑用水量。单位涌水量法：F：单位开采面积S：地下水位降深（开采深度）改概念模型可抽象为裘不依完整承压井流，m=n=1 用水文地质比拟法预测开采0 m水平二号煤时（坑道系统长2000m，宽1060m），C3薄层灰岩涌水量为4500m3/d.2.初步预测开采-50m水平一号煤时对奥陶纪灰岩地下水降压的排水量2.根据A1孔抽水CK1观测孔资料，用特定条件标准曲线对比法计算奥陶纪灰岩含水层参数T、a。（A2孔测的含水层参数为T2=748 m2/d，a2=2.38* 105 m/d）A1孔抽水CK1观测孔资料（见附表一）绘的S Lgt曲线（见附图一）因在观测孔一侧存在隔水层，S Lgt曲线会出现几段直线段。在地下水动力学中，通常使用第一段直线求的参数T，而通过映射虚井到观测孔距离倒推求的a。奥陶纪灰岩含水层参数T、a求解过程如下：解：已知Q=920 m3/dL：虚抽水井到观测孔CK1的距离r:观测孔CK1与抽水孔A1的距离tc：两直线段交点C对应的时间t0：第一段直线与时间轴的交点在S Lgt曲线中得，第一段直线m1=0.26-0.045=0.215T1=0.183*Q/ m1=0.183*920/.215783 m2/dL=1.5*（a* tc）a1= L2/(1.52* tc)=350*350/(1.5*1.5*118) 461 m2/da2 推测L2/（4 a* tc）0.05不成立通过映射直线交点法求a1 不成立在第一段直线上求a1a1=0.445*r2/ t0=0.445*502/（6.2/24/60）=2.58* 105 m/dA2孔测的含水层参数为T2=748 m2/d，a2=2.38* 105 m/dA1、A2孔测的含水层参数T、a均是刻画奥陶纪灰岩含水层参数，因此取两孔资料的平均值来刻画该含水层的水文参数。T0=765.5 m2/d，a0=2.48* 105 m/d2.初步预测开采-50 m水平一号煤时所需对奥陶纪灰岩地下水压降的排水量及相应排水时间（试用直线孔排法进行疏水降压，坑道长1500m，距F1断层1500m，坑道中心距全群距离为6000 m） 附表1观测延续时间（min）水位累计降深（m）观测延续时间（min）水位累计降深（m）1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.015.020.025.030.040.050.060.070.00.00.0110.0200.0270.0330.0400.0470.0530.0580.0650.0950.1140.1320.150