矿床水文地质内容简介 已打印.doc

矿床水文地质地下水对采矿有比较大的威胁，是水害或水患。因此，矿床水文地质是把地下水作为需防治和排除的对象而加以研究的。矿坑涌水及突水是矿产资源开发过程中常遇见的一种水患，会给井巷开拓和回采工作带来困难，需耗巨资建立防排水工程、增加采矿成本；超过排水设备能力的大型突水(突水点峰值流量超过lm3s)，还会造成重大的人身伤亡和整个矿井的淹没。 矿床突水事例：1、2001年7月17日发生在广西南丹矿的特大矿山突水事故造成了83人死亡，直接经济损失达8000余万元。2、1984年6月3日开滦煤田范各庄矿发生的突水，在世界采矿史上是空前的。突水发生后仅21小时就将年产3106t煤的范各庄矿全部淹没，根据淹没体积测算，突出高峰期(11小时)的平均涌水量为3422m3/s,分别是国外最大突水量(南非西德律方天金矿：7m3s)和我国历史上最大突水量(山东淄博北大井：74m3s)的数倍。3天后又淹了吕家坨矿，之后陆续涉及唐家庄矿与赵各庄矿。3、2005年吉林省蛟河煤矿突水死亡39人以及广东梅州淹矿等。 由于受到突水淹矿威胁使得我国大量的固体矿产资源得不到充分开发。仅就煤炭资源而言，目前我国北方主要的矿务局，有130余个矿井受水威胁，随着向深部开采，水压不断增加，突水灾害威胁日趋严重。北方岩溶地区的煤炭矿床约有150多亿吨储量，铁矿床约有8亿多吨储量，因受水的威胁而难于开采。随着我国经济的持续高速增长，能源与矿产的相对紧缺日显突出，因此加强矿床水文地质工作，不仅能够保证能源与矿产开发的安全，相对能够极大地提高我国的能源与矿产资源的储量，意义十分重大。本章以讲授矿床水文地质为主，侧重于自然状态下的矿床充水条件的探讨、矿井涌水量的预测，兼顾某些矿井水文地质的内容以及矿区环境地质等内容。 第一节 矿床类型与矿床开采一、矿床类型矿床是指在当前经济技术条件下，具有开采价值（品位、储量）的含矿地质体。按其成因可分为：岩浆矿床、沉积矿床、变质矿床、。按矿体的产状分：层状矿体、非层状矿床。矿体本身一般不含水，就是含水也是少量的裂隙水，对矿床充水无意义。矿床充水主要因围岩含水所造成，围岩含水性决定矿床的充水条件与矿坑涌水量。不同类型矿床的含水性各异。岩浆矿床：围岩多为岩浆岩，含裂隙水，矿坑涌水量小，但也有分布在碳酸盐岩分布区的接触交代型与侵入型矿床，因围岩是可溶岩，矿坑涌水量大。沉积矿床：视含砂沉积建造的特点而异，陆相沉积建造矿层的顶底板均为碎屑岩，涌水量小；海陆交互相沉积构造，因矿床顶底板分布碳酸盐，涌水量大。变质矿床：要视其原生性质而定。二、矿床开采1.矿田与井田的划分矿田：是指一个矿床的天然分布范围，如：一个煤盆地，称煤田；一个铁矿分布地称铁矿田。井田：是一个大矿田中的基本单元。如：一个分布为数千km2的大煤田，只有将它分割为若干单元才好开采；也可以将数千个规模较小的相邻矿体（如金属矿）划归一个单元进行开采。每一个基本开采单元称矿井（地下开采）或露天矿，其分布范围称为井田。井田的范围与边界是根据效益规模（储量、开采年限）人为划分的。 边界的划分关系到井田的矿坑涌水量。因为在同一含矿地下水系统中的不同部位，含水层的补给径流条件与富水性各不相同，造成同一矿田中的不同井田的矿坑涌水量有很大差异。2.开采方式2.1露天开采：浅埋矿床一般宜露天开采。露天开采的经济、安全、机械化程度和效率高。如晋、蒙五大露天矿，设计年产量均为1500万T，相当于5个特大型矿井的开采量。露采时，把矿层分割为一定厚度的水平分区，由上而下梯状开采。2.2井下开采：按主井的形式可分为：竖井：一般位于矿体中部，生产能力大，但投资也大；斜井：适用于缓倾矿体，尤其是含矿沉积盆地边缘的矿体开采；平硐：适用于多山地区，有利于自然排水与矿石运输。水平（中段）与采区：由于矿体空间分布大，井采前首先需将矿体分割成若干开采块段，在垂向上，层状矿称水平，非层状矿称中段。每一水平控制的开采厚度为100150m，中段略小；在平面上称采区。开拓、采准、回采：它们依次是井采的三个阶段。开拓阶段：主要任务是从地面到矿体通过开掘一系列的井（垂直的）、巷（水平的）建立运输、通风、排水、供水系统。这些通称为开拓井巷，均分布在围岩中，故开拓井巷涌水量在矿坑总涌水量中所占比例较大；采准阶段：是对采区作进一步的分割，以形成更多的采矿工作区，也主要分布在围岩中；回采阶段：回采坑道均为临时的，采后即废，形成采空区。支撑采矿法，崩落采矿法，充填采矿法：支撑采矿法分天然和人工两种，天然支撑法又称矿柱法，采用保留安全矿柱（永久、临时）的方法保持围岩稳定性，适用于围岩稳固的采区；人工支撑采矿法：是用人工支撑的方法控制地压，保护采区安全生产；崩落采矿法：运用崩落上盘岩石来充填采空区，控制围岩的位移，确保安全生产。一般适应于无地表水或顶底板无强含水层的地区。充填采矿法：优点在于基本不改变上覆地层的情况下进行开采，但成本高，大多用于城镇、道路、地表水下和顶底板有强含水层的情况下。崩落法是最常用的采矿方法，但它对矿床充水的威胁也最大。第二节矿床充水因素矿体尤其是围岩中赋存有地下水，这种现象称矿床充水。这些地下水及与之有联系的其它水源，在开采状态下造成矿坑的持续涌水。把水源引入矿坑的途径称充水通道。水源与通道构成了矿床充水的基本条件，其它各种因素只是通过对水源与通道的作用，影响矿坑涌水量的大小，称充水强度影响因素。如由于采矿扩大了天然通道，产生新通道既属于充水强度因素。水源、通道、强度影响因素，通称矿床充水因素，它们在充水过程中的不同组合，形成了不同的充水条件。其中，充水水源的规模，充水通道的导水性以及导致采后发生变化的采矿因素，是矿床充水因素分析的重点。矿床充水是矿坑涌水、矿坑突水的前提条件。充水因素分析，贯穿矿床勘探与开采的全过程，勘探阶段，主要根据矿床所处的自然环境及矿区水文地质条件，初步预测采后主要充水水源和通道，为矿坑涌水量的预测提供依据；开采阶段，充水因素分析更具体，可结合具体开采条件为解决矿坑充水水源和充水通道问题，为所采取的防治矿坑充水措施提供依据。一、充水水源（一）降水 降水是地下水的主要补给水源，所有矿床充水都直接或间接与降水有关。有时降水还是唯一的矿床充水水源，如位于当地侵蚀面以上的矿床和无地表水分布的矿区。研究降水对矿床充水的意义：一是降水作为矿床水文地质的宏观影响控制作用；二是对以降水补给为主矿床的直接作用。 如：分水岭地段和地下水位变幅带内的矿床，矿床浅埋充水含水层基本裸露的矿床，西南高原岩溶管道充水的矿床；三是季节性降水对位于调蓄库容巨大的蓄水构造中矿床的影响。1.充水特征降水量是决定矿床充水大小的根本原因，南方湿润多雨地区的矿床充水强度普通大于北方半干旱地区，而西北干旱地区的矿坑涌水量很小；降水入渗随矿体埋深而减弱，并出现涌水量迟后的特征；矿坑涌水量呈季节性周期变化，最大涌水量是正常涌水量的数十倍，如位于分水岭地段的湖南花岭多全属岩溶管道充水矿床，最大涌水量是最小涌水量的30倍。矿坑出现突然涌水均与降水强度有关，一般出现在暴雨后数小时至数日内，矿坑淹井都发生在历史上最大降水量的丰水年。.分析与评价方法分析降水的充水影响，首先要考虑矿体与当地侵蚀带和地下水的关系，以及地形的自然泄水条件，然后具体地分析矿体的埋深，入渗条件和汇水条件；矿坑涌水量预测的重点是丰水年雨季峰期的最大涌水量，预测方法常以均衡法为主，尤其是位于分水岭地区的矿床，其雨季地下水渗流场呈大起大落的垂向运动，与渗流理论的基本原理根本不符；降水入渗系数在山区可通过小流场均衡试验实测或选用宏观经验值；在平原地区一般根据降水量与地下水位的长期观测资料计算取得；在泉域地区还可采用描述地下水排泄量（泉流量）与降雨量关系的集中参数系统模型（黑箱模型），求得整体泉域降水的有效补给量（入渗量）及其迟后特征，但是这些天然状态值的应用，要考虑采后的影响。（二）地表水位于矿区或矿区附近的地表水，往往成为矿坑水的重要充水水源，给采矿造成很大威胁。因此，地表水是矿床水文地质条件复杂程度划分的重要要素之一。1.充水特征与补给方式地表水的规模及其矿体之间的距离，直接影响矿床的充水强度。一般地表水的规模愈大，距离愈近，威胁也愈大，反之则小；位于季节性河流附近的矿床，平时涌水量一般不大，仅在雨季对矿床的威胁较大；随开采深度增加，地表水的影响也会明显减弱。如湖南某矿，在河下50m处涌水量为3.36104m3/d，采深至120150m时，平均涌水量仅0.35104m3/d。此外，若对矿坑排水管理不当，其回渗量也可成为矿坑水的重要来源，如湖南煤炭坝煤矿，在治理前的一段时期内，其矿坑排水的下渗量占总涌水量的22.3%。地表水对矿床充水影响的强弱，取决于地表水对矿坑的补给方式：（1）渗透补给：这种补给方式无大水矿床，其条件是充水围岩以裂隙含水层为主，或地表水体下分布稳定的弱透水层。前者如海下采矿的辽东华铜等矿，主要充水围岩是含微裂隙的前震旦系大理岩，岩层倾向海体且上覆为片岩隔水层，阻挡了海水的大量入侵，至上世纪60年代，开采已伸入离海岸200m处，最大采深已在海平面以下693m，但矿坑总涌水量仅为1.74104m3/d，主要是通过断层和裂隙引入的第四系孔隙水。在矿坑总涌水量中，海水入渗量仅占总涌水量的9.8%，约0.17104m3/d。后者如湖下采矿的大冶铜汞山矿，充水含水层为岩溶较发育的三迭系灰岩，但在湖底分布稳定的粘土隔水层，矿坑涌水量仅0.89104m3/d。（2）灌入式补给：大多数发生在大水矿床中，如海水沿构成海底板的奥陶系灰岩溶洞倒灌的辽东复州湾粘土矿在上世纪80年代数值法预测105水平的涌水量为27.5104m3/d，矿坑涌水量巨大；河水沿疏干漏斗内河床二迭系茅口灰岩的岩溶塌陷坑回灌的湖南恩口煤矿，在1977、1980、1990三次暴雨中，两条河水断流，沿河床塌陷段回灌，矿坑水涌水量分别为0.5104m3/h、0.5104m3/h、24104m3/h；河流通过强透水冲积层直接灌入的内蒙古元宝山煤矿，预测的矿坑涌水量为33104m3/h。2.分析与评价方法对地表水补给条件的评价，应从上述两种补给方式的基本条件入手，分析河水通过导水通道灌入或渗入矿坑的可能性。 一是要分析地表水与充水围岩之间有无覆盖层及其隔水条件；二是分析开采状态下有无出现导水通道的条件，如覆盖层变薄或尖灭形成“天窗”、断裂破碎带、地面塌陷、顶板崩落等。此外，应利用一切技术手段掌握地表水与充水围岩之间的水力联系程度，如：抽水试验、地下水动态成因分析、同位素测试、实测河段入渗量或用数值法反演计算不同河段的入渗量等。但是准确评价大型地表水的充水强度是很困难的，往往直至矿井开采结束前都在观测研究地表水溃入的可能性。在地表水下采矿时一般要采用保护顶板稳定性的采矿方法，如充填采矿法、支撑采矿法等以防地表水的溃入。（三）地下水地下水是矿坑涌水的直接来源，造成矿坑涌水的含水层称充水含水层（或充水围岩）。同时它还是其它水源进入矿坑的主要途径。1.充水特征充水含水层的空隙性决定矿床的充水强度。空隙是矿床水文地质分类的依据。在宏观上：岩溶充水矿床最强；裂隙充水矿床最弱；孔隙充水矿床居中。我国的大水矿床（指矿坑涌水量10104m3/d）多数为岩溶充水矿床。充水含水层与矿体的接触关系决定了矿坑的进水条件，是直接进水或间接进水。充水含水层的规模及其补给径流条件，影响矿坑涌水量大小和动态。含水层规模大、补给径流条件好，矿坑涌水量大而稳定；反之，涌水量隨排水逐年减小，易疏干；此外，开采初期矿坑涌水量受储存量影响大；后期则主要反映充水含水层的补给径流条件。在我国，对矿床威胁最大的充水含水层依次是：北方中奥陶系灰岩；南方二迭系茅口灰岩和石炭系壶天灰岩，共同特点是岩石质纯厚度大、岩溶发育，90%的大水矿床分布其中。2.分析与评价方法对矿床充水含水层的研究与评价，除常规水文地质条件分析方法外，最有效的技术方法是抽水试验。对于一般的充水矿床，常通过1至数个典型地段的抽水试验，查清典型地段含水层的水文地质条件，获取矿床充水含水层的代表性水动力参数及涌水量与水位降的统计关系，作为评价其富水性及补给径流条件的依据，并为解析法和数理统计方法等矿坑涌水量预测方法提供基本数据。对于水文地质条件复杂的矿床，我国普遍采用大流量、大降深、大口径大范围的大型群孔抽水试验，从整体上揭示充水含水层的结构特征及其补给、径流、排泄条件。（四）老窑水是指被废弃矿坑和淹没的生产井巷中的积水，是矿区浅部采矿常见的充水水源。老窑水涌水一般来势凶猛，酸性大、并含有害气体和携带块石沙土，破坏性大；同时，老窑水涌水还可成为其它水源涌入矿坑的通道，此时危害更大。老窑水因年代久远，分布范围不清，调查困难。对老窑水的调查很重要，主要通过调查编制老窑水空间分布图，划分危险区，估计容积水量，查清与其它水源的联系。除上述几种主要水源外，玄武岩中的同生、次生洞穴，煤矿中因煤层自然形成的窑洞均充满积水，虽然储存量不大，有时也会对开采造成不良影响，尤其是当它们成为导水通道时，可能对矿坑充水强度影响很大，因此也应给予一定的关注。二、充水通道矿坑充水通道是矿坑充水的重要因素，由于矿坑充水通道种类繁多，性质千差万别，以下仅对矿坑构成直接威胁的溃入式导水通道进行论述。（一）构造断裂带1.充水特征对于不同类型的充水矿床，断裂带的充水意义各不相同。裂隙充水矿床因其富水性弱，断裂带中的地下水可以成为矿坑的主要充水来源；岩溶充水矿床断裂带本身是否富水意义不大，重要的是它的导水作用。断裂的导水作用因其在矿区的分布位置而异。 （1）隔水断层：一般为压性断层或断裂带被粘土质充填。隔水断层分布在充水含水层内时，常分割充水含水层的水力联系，但强烈的采矿活动可使其转化为导水断裂带； 若分布在边界上，能阻止区域地下水的补给；当切穿顶底板隔水层时，会降低其隔水性，在开采条件下可造成顶板或底板的突水。（2）导水断层：边界的导水断层起充水含水层接受区域地下水补给的通道作用；矿区内导水断层与地表水连通时，常成为地表水溃入矿坑的导水通道；井巷通过充水含水层内的导水断层时，涌水量增大，也可产生溃水。（3）不同规模的断层，在矿床充水中的意义各有不同：规模大的断层一般组成矿田的天然边界或井田的人为边界，控制矿床或矿坑的地下水补给径流条件，影响矿坑涌水量大小；分布在矿区内的中小断层或区域性构造裂隙带，是矿坑顶底突水中最多见的突水通道，在华北石炭二迭系煤田中占50%以上的突水事故都与该类断裂有关。2.分析与评价方法对断裂带导水作用的调查研究，是矿床水文地质工作的重点。应从其自身水文地质特性入手，查清断层不同部位的导水性及其与力学性质，两侧地层岩性变化的关系，在此基础上根据断层的分布位置，结合开采条件评价其充水作用：是作为沟通充水含水层与其它水源之间联系的间接充水作用，还是导致矿坑大量突然涌水的直接通道作用。后者是关键，勘探时常需投入大量勘探与试验工程，并利用各种技术方法综合评价其导水控水作用，如：钻探、坑探、物探、抽水试验以及地下水水位，水化学，动态等特征的对比分析等。（二）岩溶塌陷与“天窗”1.基本概念与充水特征 岩溶塌馅是指覆盖于充水（或空气）空间之上的土层，因外力（抽水、放水、暴雨）作用瞬间坍落，先期存在的岩溶洞隙为容纳和运移坍落物质提供了必要的空间条件，它是岩溶动力地质作用的结果，与非可溶岩中产生的塌馅不同。其形成过程：首先是洞隙上复土层在地下水变动带内遭潜蚀崩解脱落，然后土层物质受流动地下水转移成大洞，并逐渐扩大使土洞顶板变薄，最后在自然和人为作用下洞顶向下馅落。岩溶塌馅是岩溶充水矿床严重的水文地质工程地质问题，它不仅造成突发性矿坑溃水，同时破坏地面多种设施，导致河水断流，破坏水资源。我国岩溶塌馅集中发生在南方溶洞充水矿床中，北方溶隙充水矿床仅占1.8%左右。“天窗”是指岩溶充水含水层与上覆冲积层之间的未胶结、半胶结地层，因沉积相变或河谷下切而变薄甚至消失，导致充水含水层与上覆第四系含水层的直接接触，形成导水“天窗”。天然状态下，“天窗”是充水含水层地下水排浅通道，也是岩溶塌馅的有利部位。如：山东莱芜铁矿，1995年中奥陶灰岩中的大型疏干工程放水试验，最大放水量10.6104m3/d，平均水位降59.04 m，地面出现岩溶塌馅27处，其中位于汶河及其支流的覆盖层变薄处占88.9%，共24处。一旦“天窗”形成塌馅，其补给方式立即由渗透补给演变为集中溃入式补给。 岩溶坍陷的形成受三要素控制，即：可溶岩浅部岩溶发育；上覆盖层薄而松散；水动力场发生急剧变化。其分布规律是：地下水降落漏斗范围内；构造断裂及裂隙密集带；河床及沿岸；地面低洼长年积水或岩溶水排泄带；可溶岩与非可溶岩接触带，岩溶水位在覆盖层附近等地段。2.预测方法据上所述，研究岩溶塌陷最有效的方法，是利用抽、排水和暴雨过程，观测岩溶塌陷的分布规律和形成发展过程及与抽水、排水、暴雨时的流场变化关系，并根据塌陷形成三要素建立预测模型，预测发展趋势。预测方法有：1）地质分析法：综合历史与现状，根据岩溶发育的地质背景条件与内外动力因素，预测开采状态下的发展趋势；（2）多元逐步回归分析：用塌陷强度（因变量）与影响因素（自变量）构建回归方程，通过两者之间的显示程度检验，确定关系密切的自变量进入回归方程，建立预测模型；（3）经验公式：如利用抽、放水试验，建立塌陷范围（或强度）与水位降的关系式。（三）岩溶陷落柱岩溶陷落柱指石炭二迭系煤系地层下伏中奥陶碳酸盐中的古洞、塌陷的柱体。它与现代岩溶塌陷不同，是石膏岩溶产物。灰岩中硬石膏因水解膨胀，使上覆坚硬岩层受挤压破碎塌落充填而成。 岩溶陷落柱主要分布在煤层底板灰岩古剥蚀面附近，仅晋、鲁、冀、陕、豫、苏六省45个矿区就发现2875个，最大的空间体积有3104m3，最分布密度70个/km2（山西西山煤矿）。多数岩溶陷落柱无水，只有少数因塌落物疏松，或在地震影响下充填物与围岩产生相对位移，成为导水通道，突水时水量大、来势凶、酿成灾害。如河北开滦范各庄煤矿，井深400 m，遇一高280 m，直径60 m的巨大陷落柱，最大突水量2053 m3/min，含水层水位下降51.44 m，影响超过20km，突水后产生塌陷17处，周围供水井全部失去供水能力。此外，河北井陉煤矿，陷落柱的分布与突水点重合，并与现代地下径流方向一致，造成矿坑的严重突水。 （四）采空区上方冒裂带1.基本概念与突水特征当采矿形成大面积采空区后，原始应力平衡受破坏，采空区顶板在集中应力的作用下，岩层破裂冒落，在采空区上方依次产生无规则冒落带、导水裂隙带和变化微弱的整体移动带，并在地面形成塌陷。上述分带规律在岩层缓倾的矿区较完整，并与崩落采矿法有关。冒落带和导水裂隙带统称为冒裂带。当冒裂带达到上覆地面水源时，将造成突水。因此冒落带和导水裂隙带的最大高度限制，是在强含水层或地表水下采矿时，确保安全开采上限的重要依据。（五）隔水底板与突水通道当采空区位于高压富水的岩溶含水层上方时，在矿山压力和底板承压水压力水头的作用下，岩溶水会突破采空区底板隔水层的薄弱地段涌入矿坑。因此，隔水层的薄弱地段，也可视为特殊的导水通道。1.隔水底板突水通道的形成条件首先要有富水性强的充水含水层，一般而言大突水点均分布在岩溶发育的强径带上；矿坑底板长期处于高水头的压力下；隔水底板厚度变薄或裂隙发育的地段是突水高发的薄弱地段，据统计5090%以上的突水点与断裂有关；矿山压力是诱发底板突水的外力，其作用有一过程，少则数天，多则数月，甚至多年。 如河北开滦煤矿赵各庄有一石门风道，开拓后12年无突水迹象，1972.3.3在东 断层处出现淋水，5日开始涌水，水量1.08 m3/min，至15日突水量最大值达52.7 m3/min，并随流溃冲下矿石175 m3。2.预测方法底板突水对我国主要煤炭生产基地的石炭二迭系煤田（上世纪90年代产量占全国一半以上）威胁极大。但底板突水预测的难度很大，勘探阶段均用半经验公式突水系数法计算，满足充水因素分析要求。（六）封闭不良或未封闭钻孔 若对各种完工的钻孔处置不当，可成为沟通各水源涌入矿坑的直接通道，国内外均有钻孔突水淹矿的记录，因此要求对每口已完工的钻孔进行严格的封孔止水。一是为保护矿体免遭氧化破坏；二是防止地下水或其它水源的直接入渗矿坑。导水通道在矿坑充水过程中的突发性、复杂性、灾害性是它的重要意义所在，三者相互依存，在大水矿床开采中得到最完整的体现。我国大水矿床的主要突水通道各异，北方以底板突水为主，南方以地面塌陷为主，它们均与断裂有关。因此，断裂岩溶塌陷，底板突水通道是研究重点。三、采矿活动 采矿活动对矿床充水的影响是十分巨大和明显的。采矿产生的矿山压力，造成矿层顶板冒落与底板隔水层的破坏，使矿坑与主要充水含水层或其它水源直接接触；矿山压力也使一些隔水断层“复活”变成导水通道；同时，矿坑排水改变充水层的补给、径流、排泄条件，使排泄区的地下水回流并与境外其它水源沿排泄区进入矿区，造成排泄区及其下游地区水资源的枯竭；排水产生的地面塌陷，改变了矿床的开闭程度。试想一个河床塌陷坑的地表水倒流量可能比数十km2裸露面积的降水入渗量对矿坑的威胁更大；此外，排水还产生流砂等水文地质工程地质问题。可以说，所有主要水通道的形成均与采矿活动有关。（一）矿山压力矿山压力是指由于采矿形成的采空区，破坏了矿区顶底天然的均衡受力状态，在上覆岩层的重力作用下出现顶板下沉、破碎、冒落；底板膨胀，底鼓出现采动裂隙，这种造成岩层变化的力，称矿山压力。矿山压力隨采空区的采深的加深和面积的扩大而增强，是造成顶底板突水的基本要素。采空区顶板冒落一般从顶板弯曲、产生裂隙开始，最终崩落，其过程由下而上一层一层的冒落，直到填满整个采空区，并在冒落带上方形成导水裂隙和岩层的整体移动。采空区底板的弯形破坏，一般隨采矿工作面的推进，呈现出采前压缩、采后膨胀、采后再压缩和采后稳定等变形过程.我国煤矿冒落带高度一般是煤层厚度的23倍，个别可达8倍以上 采空区底板的弯形破坏，一般隨采矿工作面的推进，呈现出采前压缩、采后膨胀、采后再压缩和采后稳定等变形过程。从研究采矿压力与突水关系出发，压缩区与膨胀区分界线上岩层受剪切力最大，底鼓和采动裂隙最发育，尤其是在采面推进方向的前方剪切线是底板最薄弱的位置，是突水点集中分布的位置。（二）矿山排水矿山排水形成采矿井巷为中心的地下水降落漏斗，并隨采空面积和采深的增加而不断延展，有的岩溶充水矿床其疏干影响距离可超过数十km，并彻底改变区域水文地质背景条件和矿床的充水条件。 具体影响如下：（1）改变充水含水层的渗透性：疏干漏斗范围内地下水力坡度与流速增大，含水层的充填物被冲刷、流失、原始的空隙结构遭破坏。1977年开始的岩溶充水矿山回访调查表明，矿坑排水量大的多数岩溶充水矿山的主要充水含水层的渗透性有所增大，影响矿坑涌水量预测精度。（2）改变地表入渗条件：疏干漏斗范围内的地表覆盖层遭不同程度的破坏，地表入渗条件增强，一些岩溶充水矿山调查表明，疏干前降水、融雪大多流泄地表，排水后基本入渗地下。3）扩大矿床的充水含水层，转移天然补给边界：在长期疏干状态下，下伏区域含水层中的地下水会通过对疏干层的补给涌入矿坑，造成充水含水层的扩大；此外，隨疏干漏斗的不断外延，境外新水源隨之进入矿区。 实例湖南恩口煤矿，主要充水含水层为底板下茅口与栖霞灰岩，地表壶天河、小碧河、涟水河自东向西横切矿区，天然状态下矿区与东部壶天河之间存在地下分水岭，充水含水层是茅口灰岩，勘探时以壶天河与小碧河为定水头补给边界。1966年建井至1982年，发现东部地下水分水岭已基本消失，下部栖霞灰岩地下水已进入疏干范围，西部疏干漏斗已跨越小碧河以西2000多米，并继续向西的涟水河方向扩展。在滨海地区则隨疏干漏斗的发展造成海水倒流，如辽东复州湾粘土矿。第三节矿床水文地质分类及主要矿床水文地质类型的基本特点一、矿床水文地质分类及主要矿床水文地质类型的基本特点我国矿山淹井事故之多，水量之大，可谓世界之最。因此提高矿床充水勘探与预测水平，始终是矿床水文地质工作追求的目标。长期的勘探与开采实践表明，水文地质条件相似的矿床，具有基本类同的充水条件与接近的矿坑涌水量及采后的主要水文地质工程地质问题。随着资料和经验的积累，人们逐渐揭示了矿床所处的内外环境与充水条件，充水强度之间的内在联系，为在理论上分类奠定了基础。分类既要对我国复杂多变的矿床充水条件具有高度的概括，又应明确各类型的基本水文地质特征，区别不同类型之间的差异。1.类及亚类首先根据矿床主要充水层的储水空间特征，将充水矿床划分为三类：第一类：以孔隙含水层充水为主的矿床，简称孔隙充水矿床。第二类：以裂隙含水层充水为主的矿床，简称裂隙充水矿床。第三类：以岩溶含水层充水为主的矿床，简称岩溶充水矿床。岩溶充水矿床又可按岩溶形态划分三个亚类。第一类为溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿床。第二类为以溶洞为主的岩溶充水矿床，第三类为以暗河为主的岩溶充水矿床。2.不同充水方式与型按矿体（或层，下同）与主要充水含水层的空间关系，上述各类充水矿床充水方式分为：直接充水的矿床，指矿床主要充水层（含冒落带和底板破坏厚度）与矿体直接接触，地下水直接进入矿坑；顶板间接充水矿床，指主要充水层位于矿层冒落带之上，矿层与其之间有隔水层或弱透水层，地下水通过构造破碎带、弱透水层进入矿坑；底板间接充水矿床，指主要充水层位于矿层之下，矿层与其之间有隔水层或弱透水层，承压水通过底板薄弱地段、构造破碎带、弱透水层或导水的岩溶陷落柱进入矿坑。各类充水矿床又可分三个型： 第一型：水文地质条件简单的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面上，地形有利自然排水，或主要矿体虽在基准面以下，但附近无地表水体。矿床主要充水层和构造破碎带富水性弱至中等，地下水补给条件差，很少或无第四系覆盖，水文地质边界简单。第二型：水文地质条件中等的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，地形有自然排水条件，主要充水含水层和构造破碎带富水性中等至强，地下水补给条件好；或主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，但附近地表水不构成矿床的主要充水因素，主要充水含水层、构造破碎带富水性中等，地下水补给条件差，第四系覆盖面积小且薄，疏干排水可能产生少量塌陷，水文地质边界较复杂。第三型：水文地质条件复杂的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层富水性强，补给条件好，并具较高水压，构造破碎带发育，导水性强且沟通区域强含水层或地表水体，第四系厚度大，分布广，疏干排水有产生大面积塌陷、沉降的可能，水文地质边界复杂。二、岩溶充水矿床岩溶充水矿床是指分布在可溶岩地区，以岩溶充水为主的矿床。90%以上已开采的大水矿床均属此类。由于岩溶的形成发育条件、空间形态受区域地质、气候等因素控制，形成很强的区域性特征，北方以溶隙为主，南方以溶洞为主，西南则以岩溶管道为主，形成三种不同的区域性矿床充水类型。 （一）溶隙充水矿床溶隙充水矿床分布在秦岭大别山淮河以北中朝准地台大地构造的大部分地区。重要矿床类型有海陆交互相沉积矿床和矽卡岩型矿床。矿床充水以溶隙充水为主，最大特点是矿坑涌水量大，以底板突水为主。主要充水含水层是寒武奥陶系灰岩，其中以厚200600m的奥陶系灰岩为主；岩溶形态以地表干谷、大泉和地下溶隙网络强径流带为主要特点。此外，还有局部的地面岩溶塌陷与古岩溶陷落柱分布。1.主要特点（1）巨型蓄水构造：以大型向斜、单斜构造盆地为主，形成完整的岩溶地下水系统。构造盆地宽缓，分布面积可达千km2以上。 埋藏区受区域构造方向与断裂发育程度、强度的控制，沿构造断裂带、断块构造的地垒，无压向承压转化的过渡带及排泄区等地分布；在裸露区受断裂构造、地表水文网及岩体控制，沿断裂、水文网分布。水循环深度在埋藏区可达-500m；在水平方向上形成富水性与导水性极强且含水较均匀的集中径流带，水井成功几乎近100%，导水系数达万十万m3/d。矿坑大水量的突水点和地面岩溶塌陷均分布其上。溶隙网络强径流带中的地下径流在向排泄区运动中，因减压作用一般呈网络状分散溢出，在地表形成既分散又集中的数至数十个岩溶大泉。因此，可以从泉流量大小，集中程度了解强径流的规模与水力性质。埋藏区受区域构造方向与断裂发育程度、强度的控制，沿构造断裂带、断块构造的地垒，无压向承压转化的过渡带及排泄区等地分布；在裸露区受断裂构造、地表水文网及岩体控制，沿断裂、水文网分布。水循环深度在埋藏区可达-500m；在水平方向上形成富水性与导水性极强且含水较均匀的集中径流带，水井成功几乎近100%，导水系数达万十万m3/d。矿坑大水量的突水点和地面岩溶塌陷均分布其上。溶隙网络强径流带中的地下径流在向排泄区运动中，因减压作用一般呈网络状分散溢出，在地表形成既分散又集中的数至数十个岩溶大泉。因此，可以从泉流量大小，集中程度了解强径流的规模与水力性质。寒武奥陶系灰岩分布厚而稳定，具有相对统一的地下水面。地下水储存量可达数十亿m3，调蓄库容大，蓄水构造的裸露区面积一般占总面积的2050%以上。地下水的补给以降水补给为主，干谷是入渗集中补给区。矿坑涌水量位居国内之最的河南焦作煤矿（89.17104 m3/d）和河北峰峰煤矿（33104 m3/d）皆属此类型充水矿床；在鲁冀等地岩溶出露区有岩体入侵，分布有矽卡岩型铁矿，因裸露面积大，且矿体与中奥陶灰岩直接接触，矿坑涌水量也大，常见以地面岩溶塌陷溃水为主，如我国北方著名的大水矿床山东莱芜和河北王窑铁矿。（2）溶隙网络强径流带：它是分布于巨型岩溶蓄水构造中地下水长距离径流过程产生强烈溶蚀分异作用的产物，如同地表水一样，它也分干流与支流，在蓄水构造中起汇流、储存、传输和调节作用。 （3）构造断裂对充水矿床的影响极大，大到控制蓄水构造，矿床、井田边界以及岩溶水的循环深度与强径流带的分布；小到控制突水点的分布及其突水量；此外，断裂又是岩体入侵通道，岩体控制充水围岩的厚度与边界；断裂与岩体的分割穿插常将岩溶水系统分割并造成富水性各异的含水条带，使断层两侧矿坑涌水量差异巨大。如河北黑龙洞岩溶水系统中的王 凤煤矿和杨二庄铁矿分别位于南洺河阻水断层的南、北两侧，南侧为大水矿床，北侧因岩体分割包围为中等偏弱充水矿床。（4）矿坑涌水量大小取决于：蓄水构造的规模；裸露区面积大小；强径流带的发育程度；(煤矿)埋藏区在岩溶水系统水循环中的地位,在正地形中，埋藏区位于系统的中下游汇流区，多大水矿床；在负地形中由于埋藏取位于系统上游的缓流区,无大水矿床。2.主要水文地质问题（1）矿坑涌水量大，底板突水严重截至1990年，该类型充水矿床的煤铁矿床的总排水量为239104 m3/d，占矿床分布区岩溶水的19.7%。19561988年境内煤矿共发生突水1220次，直接经济损失30亿以上；1988年底受底板突水威胁而无法大面积开采的煤炭资源159.87亿吨，占已探明资源的38.33%。（2）矿区供排矛盾突出该类型矿区岩溶水天然资源为401.46m3/s，其中半数分布在煤矿所在的52个岩溶水系统中，计201.29 m3/s。它们既是境内工农业生产的主要水源，又是煤矿开采的主要充水因素，由于矿山长期排水，已引起相关岩溶水系统所在地区的用水紧张，供排矛盾日趋突出，据原煤炭部调查，1986年各主要煤矿山供水缺水达86104 m3/d。（二）溶洞充水矿床溶洞充水矿床主要分布在秦岭大别山淮河以南地区。处于该类型充水类型下的地区矿产种类较多，其中多金属矿及煤、铝土矿均在国民经济中占重要地位。主要充水含水层为泥盆二叠系灰岩，二叠系的茅口灰岩厚度最大（300500m），岩溶发育，富水性最强，是该地区大水矿床的主要充水含水层。其最大特点是地层岩溶塌陷沟通地表水体对矿床开采的重大威胁。地表岩溶形态千姿百态，地下以溶洞为主，溶隙为辅。洞与洞之间有溶隙相通，组成具特色的洞、隙网络，局部有岩溶暗河管道分布。在地壳持续间歇性上升地段，溶洞具成层性，上层溶洞在雨季是下层溶洞的蓄水库。1主要特点（1）蓄水构造规模小：其规模因矿床成因类型而异，但与溶隙充水矿床相比规模小是其基本特点。受岩体控制的矽卡型矿床的蓄水构造，小则仅数km2，含煤构造台地稍大，但也以数十km2为主，少数为100300 km2。因此地下水储存量与补给量极有限，对矿床充水强度并不起控制作用。（2）岩溶发育极不均匀：在垂向上，上部为溶洞带，分布在-100-200m上下，下部溶隙带，一般在-300m以上；水平方向，沿断裂、岩体与灰岩接触带、硫化矿床氧化带和地表水附近岩溶极发育；岩溶充填率高达4080%以上，尤其在浅部溶洞均为充填或半充填，是造成地面岩溶塌陷普遍发育的主要原因。（3）地面岩溶塌陷规模大具普遍性：由于境内多溶洞、充填率高、降水强度高、入渗强烈，加上蓄水构造规模小，矿坑排水时渗透场水力坡度大、作用力强，使地面岩溶塌陷不仅有普遍性且规模大。岩溶塌陷一般沿疏干漏斗范围内的岩体与充水围岩接触带、硫化矿床氧化带、断层和地表水附近分布，河水和暴雨沿塌陷坑的回渗，是大水矿床形成的主要原因。（4）矿坑涌水量大小的主控因素因矿床成因而异：本类矿床的矿坑涌水量一般以小和中等为主，超过5104 m3/d的较少，最大威胁来自雨季地表水沿塌陷坑的溃水造成淹井事故。矽卡岩型矿床（大水矿床占国内25%左右），因岩体与充水围岩直接接触，多溶洞溃水，其涌水量大小取决于成矿围岩的富水性，岩体对充水围岩的封闭程度与断层的作用。其大水矿床的形成还需两个条件，即采后地面塌陷与地表水的规模； 2、开采阶段的主要水文地质问题地面岩溶塌陷对溶洞充水矿床的开采危害最大，且具普遍性。对境内20个矿山截止1985年的统计：总岩溶塌陷坑为20588个，平均每个矿山达1027.9个。其中如湘中恩口煤矿，19721986年共产生塌陷坑6100个，面积25km2，毁坏农田9500亩，小型水库8座，1.83万m2民房搬迁。1977年的暴雨使二条河流因岩溶塌陷而倒灌，矿坑涌水量增至17104 m3/d，后耗资980万元进行回填治理。此外，溶洞充水矿床由于溶洞的充填率很高，开采时也普遍存在泥沙突击问题，其最大突击量有时可以占总溃水量的50%。因受水动力条件控制一般发生深部井巷开拓的初期。恩口煤矿1980.9.23曾发生突泥沙封住工作中12人死亡的事故。（三）暗河管道充水矿床暗河管道充水矿床是指具有管道充水特征，并是开采中的主要充水水源的矿床。1主要特点（1）管道流的特点：岩溶管道中地下水运动与地表水有若干类似，人称加盖的地表水，不符合地下水渗流理论的基本特征；暗河中管道流与分散流并存，分散的裂隙水流量虽小，但它是暗河较稳定的补给源，使大多数暗河终年不枯；管道流在流场图上呈低水槽形态，雨季瞬间流场则呈反漏斗形态，抽水时因含水不均难以形成统一的降落漏斗；其水动力场流速大、水力坡度大（如四川红岩煤矿，最大流速20225/d，主管道平均水力坡度2%），衰减系数和不稳定系数、流量与水位动态沿暗河管道呈时空不同步状态，疏干漏斗范围据13个矿区统计一般仅数百米。（2）矿床充水特征矿坑涌水量时空分配悬殊，涌水量在枯季小，而雨季涌水量为平均水量的数数十倍。由于流速快，雨后数十小时最多数天后涌水量猛增。因此多以溃水携带泥沙涌进矿坑，但雨停既退。矿坑的平均涌水量很少超过万m2 /d，涌水量大小取决于地面汇水面积、降水强度以及所处构造部位。一般汇水面积大，矿坑涌水量大而较稳定，反之则差；位于褶皱向斜部位的矿坑涌水量较大、单斜次之、背斜部位最小。降雨强度直接影响矿坑涌水量大小，也是溃水突泥沙的直接控制因素。2开采阶段的主要水文地质问题溃水突泥沙是该类矿床的最大危害。由于管道系统规模有限，流速快，故调蓄动能差，暴雨期间多发灾害性突泥。境内几乎所有矿山都无一能免，轻则淹井淤泥，重则造成人员伤亡甚至报废矿井。如湖南翻花岑金属矿，1990.11的一次溃水中突泥一万吨；四川红岩煤矿10次溃水突泥淹井事故中，最大矿坑涌水量67104 m3/d。由于矿坑涌水量变化悬殊，给防治水设计带来很大困难。若据常见水量值设计矿坑排水沟断面、水泵排水能力、水仓容积，到暴雨时会淹井，若据最大预测值设计，则耗资巨大，利用率低，不经济，因为最大涌水量仅仅出现在一瞬间，多则一年12次，少则几几十年才遇一次。（四）岩溶充水矿床水文地质工作的思路与重点由于岩溶发育及其富水规律受可溶岩的岩性厚度、地质构造、水动力条件等区域性因素的影响和控制。因此矿床水文地质工作应从上述区域性背景条件入手，才能掌握岩溶的发育特征与充水含水层的富水规律；在此基础上，结合矿床补给条件、分布位置的特点与矿体和充水含水层之间关系对矿床的充水条件、充水强度进行预测评价。对于不同充水类型的矿床，如溶隙充水矿床，应以底板突水条件与构造控水作用为重点；溶洞充水矿床要以溶洞的分布发育规律及地面岩溶塌陷的形成条件为重点；暗河管道充水矿床主要是查明暗河管道的空间结构、规模、分布规律及形成条件。三、裂隙充水矿床裂隙充水矿床是指碎屑岩、岩浆岩、变质岩等坚硬岩层中的煤和各种金属非金属矿。该类型充水矿床的最大特点是矿坑涌水量小，大多分布于山区，以降雨补给为主，地形有利于自然排泄，地表入渗条件差；除沉积矿床外，多数分布面积小，以数数十km2为最多见；充水含水层是各种脆性岩层的裂隙含水层（带），富水性较弱。其中对矿床充水影响较大的有：层状矿床的脆性岩层中由区域性构造裂隙组成的层状裂隙含水层，有玄