矿床水文地质学(野外工作培训).ppt

矿床水文地质学 王现国教授级高级工程师河南省地矿局第二水文地质工程地质二队二0一一年元月 第一章矿床水文地质概论 地下水对采矿威胁很大 矿床水文地质主要是研究矿床水文地质条件 矿床开采中出现的水文地质问题及为解决这些问题提供依据 矿床水文地质是为矿床开采服务的 它是把地下水作为需防治和排除的有害对象而加以研究的 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 影响井巷开拓和回采工作 需耗巨资建立防 排水工程 增加了采矿成本 矿坑突水还会造成重大的人身伤亡和整个矿井的淹没 因此 加强矿床水文地质工作 不仅能够保证能源与矿产安全开采 还能相对增大我国的能源与矿产资源的储量 意义十分重大 矿床水文地质工作可以分为矿床调查中的矿床水文地质调查工作与开采中的矿井水文地质工作 两者关系密切 不可分割 矿床水文地质的基本任务主要包含4个方面的内容 查明各类矿床的水文地质条件 即查明矿床水文地质类型 天然条件下矿床充水和开采时矿井涌水的水源及途径等规律性问题 预测未来开采时的矿井涌水量 探讨开采时矿床水文地质条件的变化 矿井突水及矿井水的防治 解决供 排水矛盾及保护矿区环境 矿床水文地质调查方法的研究 第一节矿床与矿床开采 一 矿床与矿产矿床是指在地壳中由地质作用形成的 其品位和储量在当前经济技术条件下具有开采价值的含矿地质体 矿床是由矿体和围岩组成的 按成因可把矿床为六大类 即 岩浆矿床 伟晶岩矿床 气水一热液矿床 风化矿床 沉积矿床 变质矿床 按矿体产状分为层状矿床 非层状矿床 矿产是在地壳中由地质作用形成和能被利用的矿物资源 根据工业用途矿产分为三大类 金属矿产 包括黑色金属 铁 锰等 有色金属 铜 铅 锌等 轻贵金属 铝 镁 金 银等 稀有和放射性金属 铀等 非金属矿产 如菱镁矿 磷灰石 钾盐 金刚石 云母 石英等 可燃有机矿产 煤 石油 天然气等 目前已知的常用矿产有150多种 其中最主要的有三五十种 第一节矿床与矿床开采 二 矿床开采 一 矿床开采单位的划分处于同一地质构造 同一成因的全部矿床 称矿田 煤矿则称煤田 如果矿田规模较大 可划分为若干部分 每一部分由一个矿井 坑口 进行开采 称为井田 图1 1 井田的边界可以是人为边界或自然边界 开采时 还必须把井田分成较小的部分 对倾斜矿层 常沿其倾斜方向按一定标高把矿层分成若干个平行于走向的长条部分 称为阶段 或称中段 其上下分界面称为水平 如图l 2 当阶段较小时 开采可沿全阶段一次开采 如阶段面积较大 还应进一步划分成n个采区 每个采区沿倾斜布置n个开采工作面 称区段 阶段的开采顺序 一般情况下自上而下进行 第一节矿床与矿床开采 图1 1矿区 矿田 井田划分示意图 图1 2阶段及分区布置示意图 阶段垂高 阶段斜长 第一节矿床与矿床开采 二 矿床开采方式矿床开采方式一般为露天开采或地下开采 某些矿床采用两种方式联合开采 1 露天开采当矿体埋藏较浅且厚度较大或开采深埋矿床的浅部矿体时 可采用露天方式开采 露天开采是从地面较大面积上直接向深处开掘 一般是把矿层分割为一定厚度的水平分区 由上而下梯状开采 从而形成工作面并采出矿石 其优点是施工简便 采掘能力大 效率高 成本低 劳动环境好 露天开采时直接在地面开挖采矿工程 其总体称为露天采 矿 场 图1 3 第一节矿床与矿床开采 图1 3露天采矿场示意剖面图1 台阶 2 台阶坡面 3 排水沟 4 矿体 5 台阶坡面角 图1 4地下开采井巷示意图1 竖井 或称井筒 立井 2 斜井 3 平硐 4 暗井 盲井 5 溜井 6 石门 7 矿门 8 溜道 9 上山 道 10 下山 道 11 小井 12 露天采矿场 13 光层平巷 14 矿层平巷 第一节矿床与矿床开采 2 地下开采开采埋藏在地下深处的矿产 多采用地下开采方式 即利用各种类型的巷道 使用不同的采矿方法 从地下开采出矿石 地下开采应用的巷道 如图1 4所示 1 垂直巷道 直立巷道 竖井 或称立井 由地面进入地下的大口径井筒 系主要垂直通道 小井 与地面相通作通风或安全出口或临时提升用的小型竖井 有时也称风井 暗 盲 井 与地表不直接相通的竖井 主要用于从下水平往上水平提升矿石 溜井 连接上 下水平 无通往地面出口的竖井 用于自上而下溜放矿石 2 水平巷道 平硐 由地面掘进的主要水平巷道 平巷 沿岩层或矿层走向开挖的水平巷道 分别称岩层平巷或矿层平巷 平巷不直接与地面相通 石门和矿门 在地下垂直 或斜交 矿体走向 开掘在岩层和矿层中的水平巷道 第一节矿床与矿床开采 3 倾斜巷道 斜井 在地面掘进的有一定倾角的大口径井筒 是主要倾斜通道 溜道 在地下自上而下溜矿用的倾斜巷道 上山 道 在地下沿矿体倾斜向上开掘的巷道 一般位于开采水平运输大巷以上 下山 道 在地下沿矿体倾斜向下开掘的巷道 一般位于开采水平运输大巷以下 以上介绍的是单一巷道 采矿生产时则是把各种巷道有机地结合起来综合使用 统称为巷道 坑道 系统 其中 把由一个井筒在地下联结形成的整个井巷系统称为矿井或矿坑 垂直巷道 竖井 的四壁称帮 下面称底 水平和倾斜巷道的顶称顶板 底称底板 两侧亦称帮 前进开掘的面称工作面或掌子面 采矿工作面也称回采面 回采后的空间称采空区 第一节矿床与矿床开采 三 矿床开采的步骤一般分为开拓 采准和回采三个步骤 1 开拓 系指从地面到矿体开掘一系列的井 垂直的 巷 水平的 建立运输 通风 排水和供水等系统 这些井巷统称为开拓井巷 开拓是采矿的第一个步骤 开拓巷道包括 竖 斜 井筒 平硐 暗 盲 井 石门 阶段平巷 主溜井 井底车场等 图1 5 其中用作提升或运输矿石的称主井 或主平硐 图1 5开拓系统示意图 第一节矿床与矿床开采 2 采准 采准就是采矿前的准备工作 其主要任务是对阶段 或称中段作进一步的分割 开掘采准巷道 把阶段进一步划分为采区或矿壁 刨造回采条件 同时作为行人 运输 通风之用 3 回采 系指从采区或矿壁中大量采出矿石的生产过程 采矿过程完成后即形成采空区 在采矿初期 开采 采准 回采是依次进行的 投产后 实行 采掘并举 掘进先行 的方针 保证开拓超前采准 采准超前回采 图1 6 图1 6阶段与采区示意图 第一节矿床与矿床开采 掘进和回采破坏了自然条件下矿岩的受力平衡状态 巷周围岩体因之受力不平衡产生了矿山压力 它可使巷道变形 冒顶 塌落 以致摧毁矿山设备和造成人身伤害亡 为安全采矿 应加强对巷道 即对地压 管理 多数情况下是进行支护或采用其他措施 在巷道中进行的地质 水文地质工作 都要在支护之前进行 四 地下采矿方法简介根据对采空区和地压的不同处理 将地下采矿方法分为以下四类 1 自然支撑法 在矿石和围岩均较稳定的矿区里 可采用自然支撑采矿法 图1 7 主要有以下两种方法 空场法 即对采空区不作处理 主要适用于围岩稳定的薄矿层 留矿柱法 在采空区之间保留适当的矿柱支护顶板 第一节矿床与矿床开采 2 人工支撑法 即随回采工作面的推进 采用人工的方法 水泥柱 木柱 支撑顶板 3 充填法 即对采空区用碎石 泥沙 或尾沙 水沙 或水泥进行人工充填 该方法对围岩破坏性小 顶板岩层下落的移动量小 但成本较高 主要适用于条件复杂 如水下采矿等 价值高的矿床 4 崩落法 让采空区顶部崩落充填采空区 故对顶板岩层破坏较大 主要适用于围岩 图1 7自然支撑采矿法采区示意图1 上阶段水平 2 本阶段水平 3 顶柱 4 底柱 5 间柱 6 上部崩落废石 7 矿房 矿柱界线 第一节矿床与矿床开采 不稳定的矿区 在能沟通富水含水层的地段或在城市 地表水体和重要道路桥梁下面 不允许用崩落法采矿 五 采空区顶板岩体破坏特征开采矿体在地下形成采空区 采空区上方顶板岩层失去支撑和平衡 在矿山压力的作用下 会产生变形和破坏 即引起顶部岩体的开裂 塌落和移动按顶板岩层的破坏程度和形式 可将整个破坏影响区在剖面上分为3个带 图1 8 图1 8顶板破坏分带示意图a 不规则冒落 b 规则冒落 c 严重断裂 d 般开裂 e 微小开裂 f 冒落带 g 裂隙带 h 整体移动带 i 破裂带 第一节矿床与矿床开采 1 冒 崩 落带 直接顶板分裂为碎块向下垮落的范围 可分为不规则冒落段和规则冒落段 这一带岩石碎胀 堆积 透水性好 可形成上部地下水或地表水向下灌人的通道 引起突水 一般不允许这一带发展到上部强含水层或地表水体 2 裂隙带 在冒落带之上大量出现切层 离层的采动裂隙的范围 该带可分为三段 严重断裂段 一般开裂段 微小开裂段 该带裂隙连通性好 透水性强 当该带达到补给水源时 能使矿坑涌水量急剧增加 甚至造成突水 3 岩层整体移动带 该带位于裂隙带之上 一般表现为地层整体弯曲变形或剪切位移 或带内整体弯曲下落 一般不产生裂隙 不会构成充水通道 第二节矿床 坑 水文地质条件 在自然状态下 矿体尤其是围岩中通常充满一定数量的地下水 人们把这种现象称为矿床充水 当开采矿产 床 时 这些地下水和某些地表水 可持续地流人采矿井巷 通常称之为矿坑 井 充水或矿坑 井 涌水 其水量大小称为充水强度或涌水强度 超过矿井正常排水能力的瞬时大量涌水 称为矿井突水或矿坑透水 矿床充水 或矿坑充水 特点及充水强度取决于矿床 坑 充水条件 矿床 坑 充水条件是指矿床 坑 充水水源 充水途径 即水源进入矿坑的途径 也称充水通道 及影响充水强度诸因素的组合和综合作用 在矿坑充水的形成作用上 水源是必要条件 充水途径 通道 是充分条件 二者的组合是形成矿井涌水的必备条件 如图1 9所示 若断层导水 河水可通过断层带进入矿坑 成为矿坑 第二节矿床 坑 水文地质条件 的充水水源 而断层构成充水途径 通道 若断层不导水 即没有充水途径 则河水电不能成为充水水源 因此 充水水源和充水途径必须结合起来分析 才有实际充水意义 正确掌握矿床 坑 充水条件 是认识矿区水文地质规律的第一步 是掌握矿床水文地质特征和指导水文地质调查 计算矿坑涌水量和有效防治矿坑实水的基础 图1 9矿坑充水分析示意图 第二节矿床 坑 水文地质条件 一 矿床 坑 充水水源大气降水 地表水 地下水 老窑水 老窑 采空区和废弃井巷的积水 均可构成矿坑充水水源 且具有不同的充水特点和影响因素 一 以大气降水为主要充水水源的矿床大气降水渗入是地下水的主要补给来源时 矿床 坑 充水直接或间接地受到大气降水的影响 这里是指主要的 而且是直接受大气降水补给的矿床而言 它与降水特征和地表入渗条件有关 以大气降水为主要充水水源的矿床 多为矿层 体 埋藏较浅的矿床 充水岩层裸露的矿床 位于分水岭地段的矿床 某些处于包水带中的矿床 露天矿等 第二节矿床 坑 水文地质条件 矿坑涌水特征 主要表现在以下几个方面 1 矿坑涌水动态与当地降水的变化过程一致或具有相似性 常表现出明显的季节性和多年周期性的变化规律 矿坑涌水量在旱季 雨季或枯水年 丰水年相差悬殊 一年中的涌水量最大值在融雪期和雨季 最小值在旱季 矿井最大涌水量出现在丰水年 干旱年最小 突水事故则多发生在丰水年的丰水期 2 同一矿床 随开采深度增加矿坑涌水量逐渐减少 且其涌水高峰值滞后时间加长 滞后时间一般为数小时至数十日 3 矿坑 井 涌水量的大小与降水性质 强度 延续时间 人渗条件密切相关 一般来说 连续长时间降中到大雨对入渗有利 入渗条件主要由渗透途径和地形汇水类型决定 渗透途径可分为面状渗入式和集中灌人式两种 地 第二节矿床 坑 水文地质条件 形汇水类型可分为散流地形 如山背 山坡等 滞流地形 平原 台地等 和汇流地形 如低洼谷地等 三类 若大气降水为面状渗入方式 降水入渗量将受到入渗速率限制 只有有效降水量对矿坑充水有意义 对于汇流地形中的灌入式通道 矿坑涌水量可随降水强度增大而增加 通常 长时司连续降中雨对人渗有利 汇水条件好 充水层裸露 地表渗透性大的矿区矿井涌水量大 反之则小 在进行矿床水文地质调查时 要对矿井涌水与降水动态 降水特征和人渗条件等作全面调查研究 寻找其规律性 以指导采矿工作 地表水能否成为矿坑充水水源 关键在于二者之间有无水力联系 即是否存在充水途径 通道 其充水途径 通道 可分为天然的 如充水岩层和导水断裂等 和人为的 采空区顶板破裂带 疏干排水引起的岩溶地面塌陷等 两类 第二节矿床 坑 水文地质条件 二 以地表水为主要充水水源的矿床以地表水为主要充水水源的矿床常赋存在山区河谷和平原河流 湖泊 海洋 水库附近或其下 我国许多煤田 金属和非金属矿床就位于这些地区 根据地表水进入矿坑的方式和强度 可分为四种情况 地表水不补给者 矿体顶部有较厚的可靠隔水层 矿体与地表水之间无水力联系 地表水微弱补给者 矿体顶部有弱隔水层 少量地表水可通过此层补给井巷 地表水渗入式补给者 疏干漏斗以地表水为界 地表水通过渗透通道 能较多地进入井下 地表水灌入式补给者 疏干漏斗以地表水为界 地表水通过强导水通道溃人井巷 造成灾害性突水 后二者即是以地表水充水为主的矿床 且多为大水矿床 第二节矿床 坑 水文地质条件 地表水作为矿坑充水水源时 它对矿坑的充水程度取决于以下几方面 1 地表水体的性质和规模 常年性的大水体可成为定水头强大补给水源 使矿坑涌水量呈现大而稳定的特点 且难于疏于 季节性中 小水体 只能定期 雨季 间断补给 矿坑涌水强度随地表水的丰枯呈现季节性变化 且较前者易于疏干 矿坑涌水量通常是增加快 减少慢 2 地表水体与矿坑的相对位置 地表水体与矿坑的相对位置包括两个方面 两者位置高程的相对关系 显然 只有位置高程大于矿坑的地表水体 才有可能成为充水水源 矿坑与地表水体的垂直距离愈小 开采时的矿井涌水量愈大 地表水体和矿坑之间的距离 一般情况下 矿坑距离地表水体愈近 影响愈大 充水作用愈强 矿坑涌水量亦愈大 图1 10 第二节矿床 坑 水文地质条件 图1 10排水矿坑与河流距离示意图1 含水层 2 隔水层 3 矿层 4 排水矿坑 5 排水水位线 第二节矿床 坑 水文地质条件 3 矿坑与地表水体之间的岩石透水性 二者之间若为隔水层 一般无影响或影响甚微 若二者之间为透水岩层 则其透水性愈强 矿坑涌水强度愈大 反之则小 在渗透性各向异性的矿区 则在透水性强的方向上影响较快 当两者之间为饱水岩层时 其矿坑涌水动态一般稳定为非给水岩层时矿坑涌水动态变化剧烈 另外 要注意采矿方法对地层透水性的影响或改变 4 采矿方法的影响 依据矿床水文地质条件选用正确的采矿方法开采近地表水体的矿床 其涌水强度虽增加 但不会过于影响生产 如选用开采方法不当 可造成崩落裂隙与地表水体相通或形成塌陷 发生突水和泥沙冲溃 第二节矿床 坑 水文地质条件 三 以地下水为主要充水水源的矿床分布在矿层顶底板和周围的地下水 在矿床开采时可通过某种途径进入矿坑 成为矿坑充水水源 能造成井巷涌水的含水层称为矿床充水层 有些含水层 虽接近矿井 但在天然和开采时其中水皆不能进入井巷 则不属于矿床充水层 依据矿床与充水层的关系 可分为直接充水水源和间接充水水源 直接水源是充水层直接被矿坑揭露 地下水直接进入矿坑 间接水源只能通过不透水围岩的局部导水通道才能进人矿坑 当地下水成为主要涌水水源时 其充水特点 强度和规律性如下 1 矿井涌水强度与充水层的空隙性质 地下水类型 及富水程度有关 一般情况下 裂隙水的充水强度小 孔隙水中等 岩溶水最大 以岩溶水和巨大砾石层中的孔隙水为充水源的矿层 多为大水矿床 且岩溶水充水一般都是 第二节矿床 坑 水文地质条件 来势猛 水量大而稳定 不易疏干 如孔隙层及周围饱含流沙时 可造成流沙冲溃 矿坑或井巷位于富水地段者 其涌水量大 处在弱含水地段的涌水量则小 2 矿井涌水强度与充水层的厚度和分布面积有关 充水层巨厚 分布面积大者 矿坑涌水量亦大 反之则小 3 矿井涌水量及其变化与充水层中地下水量的组成 或性质 及水量大小有关 流入矿坑的地下水是由储存量和补给量两部分组成的 储存量的大小决定于充水层空隙中所含的水体积和给水能力 补给量亦地下水径流量 其大小主要决定于含水系统规模和补给条件 若充水水源以地下水储存量为主 则排水初期涌水量大 易突水 之后水量逐渐减少 易于疏干 若充水水源以地下水补量为主 则矿坑涌水量由小到大 而后趋于相对较稳定 不易疏干 第二节矿床 坑 水文地质条件 四 以老窑水 老窑 采空区和废弃的旧井巷中的积水 为主要充水水源的矿床在我国许多老矿山的浅部 有很多老窑 采空区和废弃的旧巷道 其中往往有大量积水 称为老窑水或老空水 当生产井巷接近或崩落带达到它们时 其中存水便会涌入矿坑 井 成为突水水源 大多老窑水积水范围不明 连通复杂 水量大 酸性强 水压高 老窑水一般为容积储存量 其充水特征是 水势猛 时间短 破坏性大 另外 老窑水多为酸性水 对井下设备有较强的腐蚀性 尽管老窑突水水量大 但突水量会随时间急剧减少 第二节矿床 坑 水文地质条件 例如 山东淄博煤田已有上百年的开采历史 已查清有老窑2200多个 又如 2001年7月17日广西南丹大厂矿区拉甲坡锡矿厂 该矿山所采锡矿含锡量达40 由于非法开采 以采代探 乱采滥挖 矿工在井下作业时 打通了一有水废旧井巷 导致 105m以下采矿巷道骤然突水 大量涌水在瞬间淹没了相邻的7个矿井和正在作业面上采矿的81名矿工 井下81名矿工无一生还 全部死亡 直接经济损失达8000余万元 酿成震惊全国的广西南丹 7 17 特大透水 突水 事故和矿难 再如 河南登封东风煤矿2003年7月13日 由于矿工违章作业 打通了顶部一存满积水的废弃巷道 导致大水从天而降 发生突水事故 造成矿井被淹 21人死亡的惨剧 必须指出 矿坑 井 涌水大都是以某种水源为主 接受多种水源补给 因此调查中要区别出主要水源和次要水源 还要研究采前 自然 水源和采后 人为 水源 以便于提出准确的防治水措施 第二节矿床 坑 水文地质条件 二 矿坑充水通道 充水途径 矿体及其周围赋存的水源 尤其是间接水源 只有经过充水通道 或充水途径 才能进人矿坑 井巷 形成涌水或突水 因此 必须查明矿床 坑 充水通道 途径 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通道进行论述 一 天然局部充水通道 充水途径 1 构造断裂带一切大小断裂都可能成为充水水源进入矿坑的通道 途径 断裂带能否成为充水通道 主要取决于是否透水和含水 影响这种特征的因素很多 首先是断层两盘和断裂带破碎岩的岩性特征 其次还与断层形成的力学性质 受力强度 充填胶结及后期破坏以及人为作用等因素有关 第二节矿床 坑 水文地质条件 各矿层 体 间有不透水层隔开的充水岩层中地下水 往往是通过断裂带突人矿坑的 如华北石炭一二叠系煤田的底板奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙水 一般都是以断裂带为导水通道 例如 山东淄博煤田北大井 在1935年3月13日发生特大型突水 岩溶水通过导水断裂涌入矿坑 突水峰值流量达7 4m3 s 矿井瞬间被淹没 535名工人惨死井下 该矿井在被淹没39年之后 于1974年才得以恢复生产 据矿井恢复时查明 其突水点就是发生在一正断层的上盘 图1 11 图1 11山东淄博煤田北大井突水点 第二节矿床 坑 水文地质条件 根据断层水文地质特征 可把断层分为5类 依据调查及开采资料 也可把断裂分为表1 l所列类型 各类断裂的充水作用 可归纳为以下5个方面 1 构成矿坑的直接水源 如富水断层 导水断层 2 破坏顶 底板隔水层的连续性 沟通其上 下充水岩层 使之与矿坑或地表水体之间发生水力联系 成为地下水或地表水的充水途径 3 使充水岩层与矿层接近或直接接触 4 降低隔水顶底板岩层的力学强度 形成突水的薄弱带 第二节矿床 坑 水文地质条件 表1 1开采断层分类及其特征 第二节矿床 坑 水文地质条件 5 构造隔水边界 断裂通道往往是矿床 坑 充水的最大威胁 也是矿床水文地质调查的重点对象 2 岩溶通道岩溶空间极不均一 可以有细小的溶孔也可有巨大的溶洞 它们可彼此连通 成为沟通各种水源的通道 也可形成孤立的充水管道 岩溶通道主要包括 大中小型岩溶通道 导水岩溶陷落柱通道 岩溶塌陷及 天窗 通道等 第二节矿床 坑 水文地质条件 例如1984年6月2日河北开滦范各庄煤矿2171工作面奥陶系灰岩水通过岩溶陷落柱入水采矿井巷 图1 12 造成特大突水事故 使年产300 104t的矿井被淹 最大突水量2053m3 min 并导致邻近两个矿井此次水害影响产煤近100 104t 直接和间接经济损失达40亿元 此外这次突水 还使影响区域内许多供水井吊泵失去供水能力 造成10万人用水困难 并在矿区地面出现17个岩溶塌陷坑 建筑物遭到部分破坏 图12 12开滦范各庄矿2171工作面陷落柱剖面图 第二节矿床 坑 水文地质条件 3 地震裂隙通道位于地震活动区的矿井 由于地震作用可以在水源与井巷之间造成新的裂隙 彼此连接 成为漏水通道 使水流入井巷 增加矿井涌水量 如顶板或底板为隔水层 则地震裂隙可破坏它的隔水性 形成新的导水通道 如地震裂隙发育在含水层内 则形成新的汇水通道 并可导致矿井涌水量急剧增加 第二节矿床 坑 水文地质条件 二 人为充水通道及预测1 巷道顶底板突破及预测当充水岩层为矿层的间接顶底板时 尤其是为问接底板时 其中地下水都具承压性 当水压值超过巷道隔水底板的强度时 则可使底板破坏 使水涌入巷道 这种现象称为底板突破或底板突水 同理 也存在顶板突板 突水 问题 顶底板突水 是在矿床开采过程中发生的 是一种人为充水途径 通道 研究这种突水作用的实质 就是评价巷道顶底板的稳定性及安全性 顶底板能否突水 主要决定于顶底板承受的水压值和隔水层的厚度 岩性 抗张强度等 第二节矿床 坑 水文地质条件 顶底板能否突水 主要决定于顶底板承受的水压值和隔水层的厚度 岩性 抗张强度等 前苏联学者斯列萨列夫按梁和强度理论 给出计算临界水压值 或称理论安全水压值 HL 和临界隔水层厚度 或称最小安全厚度 tL 的公式 图1 3 式中 HL为临界水压值 即某一厚度的隔水顶底板所能承受的最大水压值 m或t m2 t为底板或顶板隔水层厚度 m L为巷道宽度 m KP为底板或顶板隔水层抗张强度 t m2 可由试验或巷道突水资料确定 为底板或顶板隔水层密度 t m3 可由试验确定 tL为临界隔水层厚度 即能承受某一水压值作用的隔水底板或顶板厚度 m H为作用在巷道底板或顶板的实际水压值 m或t m2 当H HL或t tL时 巷道底板或顶板是稳定安全的 或处于极限平衡状态 无突水可能或可能性小 当H HL或t tL时 巷道底板或顶板不稳定 可能突水 为防止突水 需降低水压 最小降低值为 s H HL 参见图1 13 第二节矿床 坑 水文地质条件 第二节矿床 坑 水文地质条件 图1 13安全水压值和最小安全厚度与含水层实际水压值关系示意图 图1 14巷道侧方承受净水压力示意图 第二节矿床 坑 水文地质条件 2 巷道侧向突破及预测斯列萨列夫据简支梁及强度理论 导出巷道 前方 或 侧帮 防止突水的临界水压值和临界隔水层宽度的计算公式 图1 14 第二节矿床 坑 水文地质条件 式中 PL为前方或侧帮承受含水层 体 的临界水压 或理论安全水压 t m2 或以水柱高度H m 表示 L为巷道高度 m a为 前方 或 侧帮 隔水层 或矿柱 的宽度 m Kp为隔水层 或矿柱 的平均抗张强度 t m2 aL为临界隔水层厚度 或隔水岩层的理论安全宽度 m P为实际水压值 t m2 H为实际水压的水柱高度 m 若P PL或a aL 巷道前方或侧帮是稳定安全的或是极限平衡的 否则 若P PL或a aL 则巷道侧帮不稳定 有可能突水 使用上述各公式 应按具体地质及开采条件 采用2 3倍的安全系数 第二节矿床 坑 水文地质条件 除上述和理论公式外 我国矿山部门依据突水实践 总结出底板突水系数 或称水压比 阻水系数 的经验公式 式中 KL为临界突水系数 Pa m P为底板承受静水压力 Pa M为隔水层厚度 m 由上式可知 突水系数的含义是每米隔水层厚度所承受的水压值 因此根据矿区试验和突水资料 总结出具体的临界突水系数 即可进行矿坑底板稳定性预测 为了计算更合理 还应考虑岩石的强度 用等效厚度计算突水系数 第二节矿床 坑 水文地质条件 3 采空区顶板破坏 采空区上方冒裂带 开采矿石 体 后在地下形成采空区 或采用崩落法采矿造成采空区上方顶板破坏 形成冒落带 裂隙带 整体移动带 其中冒落带 裂隙带可成为充水水源进入矿坑的通道 因此需计算冒裂带的最大高度h1 h2 图1 15 图1 15顶板破坏性影响区最大高度分布示意图h1 冒落带高度 h2 导水裂隙带高度 1 2 分别表示冒落带范围和裂隙带范围 第二节矿床 坑 水文地质条件 由于顶板破坏机理比较复杂 难以建立预测其最大高度的完善理论公式 通常是根据实际观测资料 采用关系图解法或数理统计法建立经验公式或半经验公式 我国过去常用原苏联的下列公式 式中 hl为顶板冒落带高度 m M为矿层厚度或采厚 m 为矿层倾角 h2为顶板裂隙带高度 m KS为岩石碎胀系数 即岩石冒落碎胀后的体积与冒落前原岩体积之比 其值见表2 2 第二节矿床 坑 水文地质条件 表2 2不同岩层的碎胀系数 根据我国矿山实验 上述两式对急倾斜煤 矿 层不适用 第二节矿床 坑 水文地质条件 4 地表塌陷主要包括开采塌陷和岩溶塌陷两种类型 开采塌陷 是在采空区上方及周围的地表由于开采矿体引起的地表变形 移动而产生的破坏 岩溶塌陷 主要是在有一定厚度松散层覆盖的岩溶矿区 对岩溶充水岩层进行疏干排水 在其排水影 向范围内地表所产生的塌陷 其波及面广 危害性极大 地表塌陷一方面可为大气降水和地表水提供直接进入坑道的途径 增加矿坑充水水源和水量 另一方面还严重影响各种地面建筑及设施 总之地表塌陷在适当条件下 可成为矿床 坑 充水通道 途径 由于危害性较大 必须高度重视 加强预防和治理 第二节矿床 坑 水文地质条件 5 钻孔造成的通道矿床开采时 如井巷揭露或接近未封闭或封闭不佳的钻孔时 它们可成为导致顶底板含水层 地表水等涌水井巷的通道 从而造成突水事故 当钻孔与其他水源勾通时 亦可造成来水猛 压力大的突水事故 例如 河北峰峰王凤矿大煤二巷因遇旧钻孔 突水量达3600m3 h 河南平顶山煤矿在1967 1974和1975年都在开采中遇旧钻孔突水 突水量分别为160 420和140m3 h 因此完成勘探任务后 矿床各种地质勘探钻孔应按要求封闭 矿床开采中靠近可疑钻孔 应进行探放水 以免突水 第二节矿床 坑 水文地质条件 三 矿床充水强度分析矿床 坑 充水强度 一般用矿坑 井 涌水量的数值来衡量 矿坑 井 涌水量的大小 除与充水水源和充水通道的性质和特征有关外 还有一些因素也影响矿床 坑 充 涌 水强度 简述如下 一 充水岩层出露和接受补给条件矿井涌水强度与充水层的出露程度 盖层透水性及与补给水源的接触面积大小有关 一般来说 充水层或含水矿体的出露程度愈高 盖层的透水性愈强 与补给水源接触面积愈大 则矿床充水愈强 矿井涌水量愈大 直接受大气降水补给的矿床和受地下水补给的矿床的充水强度均 第二节矿床 坑 水文地质条件 受这些条件的制约 当然 间接充水层的影响 则与间接充水层与直接充水层的接触面积 即 天窗 有关 地形也影响矿井涌水量 当矿井高于当地侵蚀基准面时涌水量较小 反之 矿井低于当地侵蚀基准面时涌水量则较大 综合华北型煤田开采上部几层煤所得到的资料 说明上部煤层的主要充水层是煤系中的薄层灰岩 但由于其出露和接受补给的条件不同 矿井涌水量有很大的变化 图1 16是薄层灰岩的出露和补给条件示意图 分为以下五种情况 A巷道所处部位的矿床 分布在缺乏侧向补给 第二节矿床 坑 水文地质条件 的山前地带 而且上覆大面积较厚的第四系粘土 粘质粘土层 当其开采疏干时初期涌水量稍大 而后显著减少 涌水一般在50 200m3 h之间 且季节变化小 随疏干地下水位不断下降 主要是消耗充水层储存量 B巷道所处部位的矿床 分布在平原地区 基岩充水层与上覆大面积富水的砂砾石含水层直接接触 疏于时可形成充足的补给源 矿井涌水量常达500 1000m3 h 还可导致泥砂冲溃 C巷道所处部位的矿床 分布在湖水之下 充水层伸人湖底成为水下采矿 开采受长年地表水威胁 如发生突水 则水量大而稳定 既会发生淹井又难于恢复 因而 第二节矿床 坑 水文地质条件 开采时需留足够的安全矿柱和严格控制冒落裂隙的发展高度 以不导致地表水涌人为目标 这类矿床矿井涌水量多在中等以上 D巷道的充水岩层或矿体直接出露地表 仅接受大气降水补给 这类矿井涌水量一般较小 且随季节变化 疏干时水位下降较快 E巷道处矿床分布在季节性河流的下面 受河水补给 矿井涌水量也呈季节性变化 河流流量的大小直接影响矿井涌水量的多少 图12 16充水岩层补给条件示意图1 片麻岩 2 砂岩 3 砂页岩 4 灰岩 5 开采煤层 6 粘土层 7 黄土 8 砂砾石层 9 地表水位 10 巷道 11 隔 阻水断裂带 上述五种矿井 薄层灰岩充水层在5个 a b c d e 部位上各自得到补给 矿床充水强度各异 第二节矿床 坑 水文地质条件 二 矿床的边界条件矿床及与之相连含水层的边界条件 主要指侧向边界和顶底板条件 边界的形态及透水或隔水性质 对矿床地下水的补给量大小有控制作用 对未来矿井涌水量大小也起主要控制作用 要求在矿床水文地质调查阶段查明 1 矿床的侧向边界条件矿床侧向边界性质 供水或隔水 分布状态及其封闭程度 是影响矿井涌水量大小的重要因素 应调查清楚 供水边界矿坑涌水量大而稳定 隔水边界时 矿坑涌水小 易疏干 2 矿床顶底板的隔水或透水条件1 矿床及其直接顶底板的隔水或透水条件 这是影响矿床充水强度的关键性因素之一 第二节矿床 坑 水文地质条件 顶底剖面边界一般有4种情况 直接顶底板均是可靠隔水层 基本无外部水补给 底板隔水 q 0 矿体或直接充水层仅能获得大气降水或地表水通过透水盖层或 天窗 补给 顶板隔水 降水补给为零 仅通过弱透水底板产生越流或直接补给 顶板及底板均由强或弱透水层构成 2 顶底板的隔水能力 当为间接水源时 顶底板的隔水能力是影响矿床充水强度的最主要因素 顶底板的隔水能力主要取决于隔水层的岩性 隔水层的厚度和稳定性 隔水层的完整性和抗张强度等 如隔水层的岩性致密 厚度大 完整性好则隔水能力强 反之 在其变薄 缺失或破碎等抗张强度降低的地段隔水能力弱 矿坑涌水量会增加 第二节矿床 坑 水文地质条件 三 地质构造条件地质构造的类型 规模和分布 对矿床充水强度亦起制约作用 构造类型 褶皱或断裂 不同 则充水层的空间位置 分布面积 补 径排条件皆有差异 矿床充水强度必随之而异 其规模大者充水强 规模小者 水量小且易疏干 即使同一构造中分布的矿床 由于矿井所处的部位不同 涌水量也各异 四 地震的影响一般规律是 矿区地下水位与矿井涌水量 震前下降 震时突升 震后逐渐恢复 地震时 矿井涌水量变化幅度 与地震强度成正比 与震源距离成反比 第三节矿床水文地质类型 一 矿床水文地质类型的划分根据充水条件和矿床开采时所产生的水文地质问题划分的矿床类型 称矿床水文地质类型 划分矿床水文地质类型的目的是为指导矿床水文地质勘查和矿区水源的综合调控及防治 分类时应遵循以下原则 理论联系实际 便于应用 必须突出控制矿坑充水条件的主导因素 以便揭示主要问题 概念明确 简单实用 1991年原国家地质矿产部 国家技术统计局联合颁发的国家标准 矿区水文地质工程地质勘探规范 GBl2719 91 中对矿床水文地质类型的划分 第三节矿床水文地质类型 首先以 矿床充水的主要含水层类型 将固体矿床划分为三类 第一类是以孔隙含水层充水为主的矿床 简称孔隙充水矿床 第二类是以裂隙充水含水层为主的矿床 简称裂隙充水矿床 第三类是以岩溶含水层充水为主的矿床 简称岩溶充水矿床 本类型又划分出三个亚类 第一亚类 以溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿床 第二亚类 以溶洞为主的岩溶充水矿床 第三亚类 以暗河为主的岩溶充水矿床 其次 将各类充水矿床 按矿体 或矿层 与主要含水层的接触关系及进水方式分为直接进水矿床 顶板间接进水的矿床 底板间接进水的矿床 最后 将各类充水矿床根据与当地侵蚀基准面及地表 第三节矿床水文地质类型 水位的关系 地表水体的影响程度 主要含水层和构造破碎带的富水性 补给条件 矿层直接顶底板隔水层的稳定性等影响因素 划分为三型 第一型 水文地质条件简单的矿床 第二型 水文地质条件中等的矿床 第三型 水文地质条件复杂的矿床 矿床水文地质类型按类 或亚类 进水方式 水文地质条件复杂程度来命名 上述规范中还规定富水性的界线 水文地质条件简单矿床的正常排水量小于5000m3 d 中等者介于5000 20000m3 d 复杂者大于20000m3 d 第三节矿床水文地质类型 二 主要矿床水文地质类型的基本特征l 以孔隙含水层充水为主的矿床 孔隙充水矿床 本类型矿床以孔隙水充水为主 主要包括产于第四系松散层中的砂矿床和产于第三系半胶结层中的煤和油页岩等矿床 本类型矿床的水文地质特征 矿床主要分布在有一定厚度的松散含水层分布区 矿床和充水岩层埋藏浅 或直接出露于地表 主要受大气降水和地表水的补给 受大气降水补给时涌水动态较稳定 充水强度取决于充水层的透水性 且多数矿床为直接充水 少数为间接充水 井巷涌水量一般较大 充水层本身主要是砂层 稳定性差开采时常发生流砂冲溃和露天开采边坡的滑动等不良工程地质问题 矿床一般位于当地侵蚀基准面以下 补给较易 水文地质条件多数较复杂 第三节矿床水文地质类型 2 以裂隙含水层充水为主的矿床 裂隙充水矿床 包括产于坚硬沉积岩 岩浆岩和变质岩中的各种矿床 多分布在高山区和丘陵区 裂隙充水矿床受到裂隙发育程度和分布规律的控制 其充水特点是 层状矿床常以构造及成岩裂隙充水为主 多由大气降水和地表水补给 富水性中等 脉状矿床则多以风化裂隙和断裂带充水为主 富水性中一弱 且由浅部至深部逐步减弱 多为直接充水 在井巷内主要是裂隙产生涌水且有季节性变化 矿坑涌水量一般比较小 1000m3 d 矿坑涌水具有不均匀性 疏干排水时的影响范围较小 水文地质条件复杂程度为简单 中等 第三节矿床水文地质类型 3 以岩溶含水层充水为主的矿床 岩溶充水矿床 岩溶充水矿床在我国分布很广 涉及金属 非金属 煤等各类矿种 多为大水矿床 水文地质条件复杂 岩溶充水矿床的矿床 坑 充水条件 主要取决于充水岩层的岩溶发育特征 由于岩溶发育和富水性的不均一性 岩溶矿床的充水特点主要是 矿坑涌水量大 以集中突水为主要充水方式 矿井排水的影响范围可以扩展很远 第三节矿床水文地质类型 孔隙 裂隙 岩溶三类充水矿床水文地质类型的基本特征见表1 4 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 表1 4不同类型矿床的水文地质特征 第二章矿坑 井 涌水量预测 第一节概述一 矿坑涌水量及预测内容和要求矿坑 井 涌水量是指矿山开拓与开采过程中 单位时间内涌人矿坑 包括井 巷和开采系统 的水量 常用单位为m3 d m3 h m3 min 它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一 关系到矿山的生产安全与成本 对矿床的经济技术评价有很大的影响 也是开采设计部门选择开采方案 制定疏干措施 确定排水设备及其生产能力的主要依据 因此 正确预测未来矿坑涌水量 是矿床水文地质勘查的主要任务之一 第一节概述 矿坑涌水量预测内容与要求包括以下4个方面 1 矿坑正常涌水量 通常是指平水年 或平水期 开采系统达到某一标高 水平或中段 时 正常状态下保持相对稳定时的总涌水量 2 矿坑最大涌水量 是指丰水年雨季开采系统的最大涌水量 3 开拓井巷涌水量 指包括井筒 立井 斜井 和巷道 平硐 平巷 斜巷 石门 在开拓过程中的涌水量 4 疏干工程的排水量 指在规定的疏干时间内 将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度 疏干流量 第一节概述 对于地质勘探阶段来说 主要是进行评价性的计算 以预测矿坑正常状态下的最大涌水量为主 为了正确预测矿坑涌水量 要求必须遵循的基本原则是 查清水文地质条件 计算参数要有代表性 正确选择计算方法和数学模型 二 矿坑涌水量预测的特点1 供水水资源评价 一般以确保枯水期最小开采量为目的 而矿坑涌水量预测则以准确地预测丰水期最大涌水量为目标 2 我国矿床大多分布于基岩山区 充水条件差异大 补排条件较为复杂 在边界条件概化中 非确定性因素多 第一节概述 含水介质非均匀性突出 参数的代表性难于解决 地下水流态复杂 常出现紊流 非连续流与管道流 组成概化模型的三大要素 边界 结构与流态复杂 定量化难度大 3 矿山井巷类型与空间分布千变万化 开采方法 开采速度与规模等生产条件复杂且不稳定 与供水的取水建筑物简单 生产条件稳定形成明显对比 给矿坑涌水量预测带来诸多不确定性因素 4 矿坑涌水量预测多大降深 大降深疏干将导致对矿区水文地质条件的严重干扰与破坏 其破坏强度又比较难预料与定量化 这与供水小降深采水有明显差异 使用供水时的计算理论与方法 通常难以满足要求 第一节概述 5 在矿床地质调查中 一般对水文地质工作投入的技术条件较差 投资少 工程控制程度低 在客观上也给涌水量预测带来较大困难 以上特点 决定了矿坑涌水量预测中存在诸多产生误差的客观条件 为了满足生产要求 除了通过完善勘探方法 提高预测精度外 还应完善预测成果的表达形式 指出预测成果的使用方法与注意事项 为设计与生产部门结合生产条件进行成果再开发提供依据 以提高预测成果的使用价值 第一节概述 三 矿坑涌水量预测的方法 步骤计算步骤如下 1 建立符合客观实际的水文地质模型 主要工作包括 概化已知状态下矿区的水文地质条件 给出未来开采矿坑的内边界条件 预测未来开采条件下的外边界条件 2 选择合适的计算方法 建立正确的数学模型 目前常用的计算方法有类比外推法 水文地质比拟法 Q S曲线法 相关分析法 水均衡法 解析法 数值法等 3 计算 评价预测 按要求进行有关计算评价预测 最后指出 实质上 如果将矿井排水视为供水 大井 在开采取水 则进入矿山井巷的预测涌水量 也就相当于对 第一节概述 供水井或水源地进行的地下水资源可开采量的计算和评阶 两者应用的计算预测或评价方法基本上是相同的 只是因具体目的任务不同 条件不同 在应用原则 观点和具体处理上有所区别而已 因此 本章仅就在矿坑涌水量预测中应用较多的类比外推法 解析法 水均衡法等方法在矿坑涌水量预测中的应用条件 特点阳与供水有区别之处加以介绍 而其他方法 如数值法 相关分析法等 与供水水文地贡基本相同 不再赘述 第二节类比外推法 一 水文地质比拟法1 原理和应用条件水文地质比拟法就是利用地质和水文地质条件相似 开采方法基本相同的开采矿区或生产矿井的排水资料 来预计勘探矿区或新建矿井的涌水量 该法的应用前提是勘探矿区或新建矿井的地质 水文地质条件与开采矿区或生产矿井基本相似 老矿井要有较长期的水量观测资料 以保证涌水量与各影响因素之间数学表达式的可靠性 一般而言 水文地质比拟法主要适用于条件比较简单 充水岩层的透水性比较均一的孔隙或裂隙充水矿床 特别是用于已有多年生产历史的矿井 根据上水平的实际排水资料预 第二节类比外推法 测延伸水平的涌水量 或根据生产采区的排水资料预测新扩大采区的涌水量 效果较好 但应注意 水文地质比拟法是一种近似的计算方法 2 计算方法 步骤1 富水系数比拟法 富水系数是指一定时期内从矿井排出的总水量Qo m3 与同期内的矿石开采量Po t 之比 以KP表示 第二节类比外推法 根据矿井涌水量与开采矿量成正比的规律 将生产矿井的K值乘同时期新矿井的设计开采量P 即得设计矿井的涌水量Q 富水系数不仅取决于矿区的自然条件 而且与开采条件有关 故采用此法时 要充分考虑生产条件 为了排除生产条件的影响 人们对该法作了修正 提出了采空面积 Fo 富水系数KF 采掘长度 LO 富水系数KL 等新概念 预测时一般以上述各富水系数的综合平均值为比拟依据 第二节类比外推法 2 单位涌水量比拟法 单位涌水量 qo是指单位水位降深和单位开采面积的平均涌水量 可根据相似生产矿井的资料求出 根据地下水符合层流状态还是符合紊流状态 按下述公式之一计算 式中 Fo SO QO分别为生产矿井的开采面积 水位降和排水量 第二节类比外推法 勘探矿区或新矿井涌水量Q的比拟计算式为 式中 F S分别为新矿井的设计开采面积和水位降深 第二节类比外推法 在许多情况下 矿井涌水量与开采面积和水位降深之间不呈线性关系 也不符合紊流关系 这时可对比拟计算式进行改进 即 式中 m和n为待定系数 依矿井的不同条件而异 可根据经验通过计算或曲线拟合确定 或用最小二乘法求得 第二节类比外推法 二 涌水量 Q 降深 S 曲线法1 原理和应用条件涌水量 Q 降深 S 曲线法 是根据稳定井流抽 放 水试验资料建立涌水量与降深的关系方程 根据勘探试验阶段与未来开采阶段水文地质条件的相似性 外推预测未来矿井的涌水量 采用Q S曲线法一般要求抽水试验条件尽量地接近未来的开采条件 一般要求 将试验井孔布置在未来开采疏干地段 试验孔的类型符合未来开采条件 尽量采用大口径 大降深 长时间的抽水试验 以使水文地质条件充分显示 这样所建立的Q S方程才能反映未来的开采条件 建立Q S曲线方程时 要求进行三次以上水位降低的抽 放 水试验 外推计算时 其范围一般不应超过抽水试验最大降深的2 3倍 第二节类比外推法 实际上 抽 放 水试验时Q S关系很复杂 影响因素较多 主要影响因素有 1 矿床水文地质条件的影响 如含水层规模 补给情况 边界条件等的差别 使Q S曲线类型各异 因此 要求抽 放 水地段的水文地质条件与预测地段相似 2 抽 放 水时水位降深的大小对外推精度影响极大 随水位降深加大 含水层的水力特性发生变化 如地下水由层流转为紊流 由二维流转为三维流 水流阻力加大等 因而 Q S曲线类型发生变化 从而使预测误差加大 所以允许外推范围应不超过抽水试验最大降深的2 3倍 第二节类比外推法 3 抽水井的结构和抽水时间影响 要考虑抽水井与采矿井巷的区别 抽水时间越长 误差越小 Q S曲线法的优点是避开了求取各种水文地质参数 计算简便 因此 它适用于水文地质条件复杂且难于取得有关参数的矿井及矿区 在一些水文地质条件复杂的矿区 如由于边界条件复杂而难以建立解析公式时 常用该法预测矿井的涌水量 第二节类比外推法 2 计算方法步骤1 建立各种类型Q S曲线方程 Q S曲线的类型 一般有4种 其对应的数学方程为 第二节类比外推法 2 鉴别Q S曲线类型 有以下两种方法 伸直法 把抽水试验取得的涌水量和对应的水位降深资料 放在表征各直线关系式的不同直角坐标系中 进行伸直判别 如在Q S坐标系中为直线 则为直线型 在Q S 坐标系中为直线 则为抛物线型 在lgQ lgS坐标系中为直线 则为幂曲线型 在Q lgS坐标系中为直线 则为对数曲线型 曲度法 用曲度n值进行鉴别 n值按下式计算 式中 S1 S2为第1次 第2次稳定水位降深 Q1 Q2为对应于S1 S2时的稳定抽水量 当n 1时为直线 12时为对数曲线 如果n 1则抽水试验有误 第