煤矿设计资料第5章-矿井水文地质(57)PPT课件.ppt

第五章矿井水文地质 1 矿井突水是危害煤矿安全生产的主要因素之一 地下水是促进国民经济发展的宝贵资源 2 第一节地下水的基本知识地下水是指埋藏在地表以下 储存于岩石空隙之中的水 3 一 自然界中的水循环大循环 外循环 全球范围内水分从海洋蒸发上升 运移到陆地上空凝结后下降 并以地表或地下径流方式回归海洋 小循环 内循环 水分从海洋蒸发 再降落到海洋 或从陆地湖泊 河流 地表 植物叶面蒸发 又在当地降落 4 水的循环示意图 5 水循环意义a 使大气圈 水圈 岩石圈和生物圈之间不断地进行着能量交换和物质迁移 b 使大气降水 地表水 地下水 土壤水之间相互转化 使水资源形成不断更新的统一系统 6 二 岩石的空隙性与水理性质1 岩石的空隙性岩石空隙的大小 多少 形状 联通程度 分布状况 称为岩石的空隙性 岩石空隙分为三类 孔隙 裂隙 溶隙岩石的空隙率 H 岩石的空隙体积 Vn 与岩石总体积 V 之比 用百分数表示 H Vn V 100 7 2 岩石的水理性质含水性 岩石的空隙含有一定水量的性能 持水性 岩石在重力作用下保持一定水量的性能 给水性 在重力作用下 含水岩石自由流出一定水量的性能 透水性 水透过岩石的性能 用渗透系数 单位时间水力坡度为1时 水在岩石中渗透的距离 单位为m d 日 表示 8 根据渗透系数K大小 岩石分为三类 透水岩石K 1m d半透水岩石K 0 01 1m d不透水岩石K 0 001m d 9 三 水在岩石中存在的形式 气态水 水蒸气 凝结成液态水后 可成为地下水的来源 结合水 水分子在被牢固地吸附在岩石颗粒表面的水 不受重力作用影响 不被植物吸收 称为吸着水 包围在吸着水外层的水膜之水 叫薄膜水 毛细水 储存在岩石孔隙 裂隙等毛细空隙中的水 可垂直运动 重力水 岩石空隙中受重力作用而运动的水 如井水 泉水等 重力水可形成稳定的地下水面 固态水冻土地区的地下水终年为固态冰 10 四 地下水的物理性质和化学成分 一 地下水的物理性质包括温度 颜色 透明度 气味 觉味 密度 导电性 放射性等 1 温度 变化大 0 以下 100 以上2 颜色 一般无色 颜色取决于水中化学成分和悬浮物 如含FeO为浅兰色 含Fe2O3为褐红色 含腐植质为黄褐色 11 3 透明度 取决于水中固体物质与胶体颗粒悬浮物含量 透明度测量方法 内径3 长50 100 平底带放水嘴的量筒来测定 透明 100 水柱可明显看见黑线十字图形和铅字 半透明 30 水柱可见图形和铅字 微透明 30 水柱可见图形和铅字 不透明 缩小水柱仍不能见图形和铅字 12 4 气味 地下水无气味 有气味则取决于水中所含气体成分和有机物质 含H2S 臭鸡蛋味含有机质 鱼腥臭味5 觉味 地下水应无味 有味道的水与水中含盐分和气体分子有关 含NaCl 咸味 含有机质 甜味 Na2SO4 涩味 含CO2气体 清凉可口 MgSO4 苦味 6 比重 一般为1 但取决于水中溶解盐分的多少 溶解较多盐分则比重可达1 2 1 3 13 二 地下水的化学成分1 作为一种良好的溶剂 地下水不断从岩石中获取化学元素 目前地下水中所发现的化学元素有70余种 2 化学元素在水中的状态1 离子状态 阳离子 H Na K Ca2 Mg2 等 阴离子 OH Cl NO32 CO2 等 2 化合物状态 Fe2O3 Al2O3等 3 气体状态 N2 O2 CO2 CH4等 14 3 地下水的化学类型 表征地下水化学类型的七种离子 Cl Na K Ca2 Mg2 SO42 HCO3 其类型分为 1 重碳酸钙型水 水中主要成分为Ca2 HCO3 2 硫酸钠型水 水中主要成分为SO42 Na 15 4 表征地下水化学性质的常用指标 氢离子浓度 PH值 硬度 总矿化度 侵蚀性1 氢离子浓度 PH值 强酸性地下水PH 5弱酸性地下水PH为5 7中性地下水PH 7弱碱性地下水PH为7 9强碱性地下水PH 9饮用的地下水PH值在6 5 8 5之间 16 2 硬度 1 硬度取决于水中Ca2 Mg2 的含量 又分为 总硬度 水中所含Ca2 Mg2 的总量 包括暂时硬度和永久硬度 暂时硬度 水沸腾后 由HCO3 与Ca2 Mg2 结合生成碳盐沉淀出来的Ca2 Mg2 的含量 永久硬度 水沸腾后 残留于水中的Ca2 mg2 的含量 17 2 硬度表示法有二种 德国度 H 1H 相当于1升水中含有10mg的CaO或7 2mg的MgO 即1升水中含有7 2mgCa2 或4 3mg的Mg2 1毫克当量每升 meq L 1meq L等于20 4mg L的Ca2 或12 6mg L的Mg2 换算 1meq L 2 8H 18 3 硬度分类 根据水的总硬度将地下水分为五类 地下水硬度分类 19 3 总矿化度 指单位体积水中所含离子 分子和各种化合物的总量 g L 总矿化度反映水的矿化程度 即水中溶解盐分的多少 反映地下水的循环条件 矿化度高 地下水循环条件差 矿化度低 地下水循环条件好 据总矿化度将地下水分为五类 20 4 侵蚀性 地下水侵蚀性取决于水中侵蚀性CO2含量 当水中游离的CO2含量超过平衡重碳酸根离子HCO3 所需要的CO2量时 将使地下水具有侵蚀性 超出的CO2称为侵蚀性CO2 平衡HCO3 所需要的CO2叫平衡CO2 侵蚀性CO2将溶解碳酸盐而破坏岩石 21 五 含水层与隔水层地下水能穿过岩石内部连通的孔裂隙而运动 透水层 能被水透过的岩层叫透水层 含水层 透水性能好且含有地下水的岩层都是含水层 隔水层 透水性能差的岩层叫隔水层或叫不透水层 22 六 地下水的分类 一 按埋藏条件分类可分成三类 1 上层滞水 埋藏在离地表不深的包气带中潜水位之上的季节性水 分布局限 水量少 性明显 对煤矿生产无影响 23 2 潜水 埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上 且具有自由水面的重力水 1 潜水面 潜水的自由水面 2 潜水埋深 地表到潜水面的垂深 3 潜水含水层厚度 潜水面至其底板隔水层顶板之距 4 潜水是矿井充水重要来源之一 必须重视 24 25 3 承压水充满于上 下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水 又称为自流水 26 自流盆地 承压水盆地 储存承压水的向斜构造 它又分为补给区 承压区和排泄区 承压水等水压线图 即同一含水层承压水位相同的点连接的等高线图 从图中可判定承压水流向 水力坡度 每一点的承压 水位与潜水的补给关系等 承压水是矿井充水重要来源之一 需高度重视 27 28 二 按含水层空隙性质分类可分成三类 1 孔隙水 储存于疏松岩层孔隙中的水称为孔隙水 特点 岩石颗粒大而均匀 则孔隙大 透水性好 水量大 岩石颗粒细小而不均匀 则孔隙小 透性性差 水量小 29 2 裂隙水 埋藏于基岩裂隙中 按裂隙成因分三类 1 风化裂隙水 多分布于基岩表面 大部分为潜水 补给来源为大气降水 可作为饮用水 2 成岩裂隙水 多存在于火成岩中 喷出岩出露地表接受降水补给后可形成层状潜水 侵入岩与围岩接触部分裂隙发育 形成富水带 3 构造裂隙水 赋存在构造裂隙中的地下水 分为两类 层状裂隙水 存在于沉积岩 变质岩节理和片理中 能互相联通 可形成潜水 也可形成承压水 脉状裂隙水 存在于断裂破碎带中 呈承压水性质 构造裂隙水对煤矿安全生产威胁很大 30 3 岩溶水 1 埋藏于溶洞溶隙中的重力水 2 裸露石灰岩分布区的岩溶水为潜水为其它岩石所覆盖的岩溶水深埋地下时则成承压水 3 特点 水量大 运动快 分布不均衡 易接受降水的渗入 在地下流动很快 埋藏深 常造成地水缺水 在谷地常形成泉水出露 水量大 水质好 但对煤矿安全威胁极大 31 第二节矿井充水条件 32 一 矿井充水条件1 矿井充水的水源1 大气降水直接水源 2 地表水3 含水层水4 断层水5 老窑积水 33 2 矿井充水通道1 孔隙存在于第四系疏松未胶结成岩的地层中 透水性能取决于孔隙大小和连通性 煤层围岩为大颗粒松散层或流砂层时 孔隙水才能构成威胁 34 2 裂隙包括风化裂隙 原生裂隙 构造裂隙 压力裂隙都是矿井充水的通道 当裂隙与其它矿井充水水源 地表水沟通时 可成为主要的矿井充水的通道 35 3 断层断层是矿井充水的主要通道 有两类断层 1 隔水断层 压应力 部分扭应力所形成的扭性断裂 并充填胶结而成 本身不含水 并起隔水作用 2 透水断层 张扭性断层为多 少数是压扭性断层 本身含水 有水力联系 水量大而稳定 不易疏干 36 4 溶隙可溶性岩石溶蚀所成 一般分布在构造裂隙发育的厚层石灰岩中 能形成互相连通的溶洞 地壳运动又会使溶洞通道复杂化 水量大 当巷道靠近或揭露时 易造成矿井突水事故 37 5 人工通道 1 勘探钻孔因封孔质量差而造成的充水通道 2 矿井长期排水 地面发生塌陷沉降 造成地表水倒灌 下渗 3 采矿活动在采空区上方使岩层发生移动变形而形成 三带 垮落带 断裂带 沉降弯曲带 从而形成充水通道 38 3 影响矿井充水量的其它因素1 覆盖层的透水性及煤层围岩的出露条件上覆岩层透水性好 补给水量和井下涌水量就大 煤层围岩在地表出露面积愈大 接受大气降水越多 井下涌水量愈大 2 地形条件矿井开采深度高于当地侵蚀基准面 涌水量较少 矿井开采深度低于当地侵蚀基准面 水文地质条件复杂 涌水量较大 古地形 古侵蚀区 古河床 39 3 煤层埋藏条件煤层倾角 厚度 埋深影响到充水程度 煤层倾角 厚度大 垮落带 断裂带 沉降弯曲带就大 易形成充水通道 华北奥灰水对C P纪矿井的严重威胁 40 二 矿井充水程度的表示方法1 含水系数 Km 矿井排出的水量Q m3 与同时煤炭产出量m t 的比值 Km Q m涌水小的矿井Km 2涌水中等的矿井Km为2 5涌水大的矿井Km为5 10涌水特大的矿井Km 10 41 2 矿井涌水量单位时间流入矿井的水量 Q m3 h 时 涌水量小的矿井Q 100m3 h涌水量中的矿井Q为100 500m3 h涌水量大的矿井Q为500 1000m3 h涌水量特大的矿井Q 1000m3 h 42 第三节矿井涌水的防治处理一 矿井涌水对煤矿生产的影响1 影响煤矿安全生产2 增加原煤成本3 造成采掘困难 43 二 地下水的动态观测及应用 一 钻孔水位观测预报透水事故 了解断层导水性 了解突水水源 了解地下水与地表水的补给关系 44 二 生产矿井涌水量的观测观测方法有 1 容积法 单位时间内流入量水桶中的水量 时间一般为小时 分 秒 迎头水窝容积计算法 2 浮标法 在规则水沟上下游测定两个过水断面面积 取平均值F 两断面之距离为L 浮标漂流时间为t 涌水量Q为 45 3 堰测法 使排水沟的水通过形状固定的堰口 量测堰口的水头高度 即可计算出涌水量 三角堰 适合流量小于0 5m3 s的情况 其中 Q 流量L s h 水头高度cm 梯形堰 其中B为堰口底宽cm 矩形堰 堰口窄于水沟 堰口与水沟等宽 注意 堰口上下游要形成水头差 46 4 流速仪法 在巷道水沟中选定一个面 用流速仪测流速 5 水仓水位观法 用标尺读出时间内的水位差 H2 H1 而水仓平面积F是可测度的 47 三 矿井涌水的防治处理方法 一 地表防治水1 合理选择井筒位置 井口标高均应高于历年最高洪水位 如受地形限制时 应筑防水堤或改变水流方向 2 河流改道 穿过或附近流经矿区的河流严重影响井下生产时应使其改道 3 铺设人工河床 上述河流不能改道 可铺设不透水的人工河床 4 修筑排 截 水沟 山区降水后在井田外围或漏水区段的上游垂直水流方向修筑排水沟使其不流入矿区范围 5 堵漏 地表裂隙 洞穴 陷坑 可用粘土堵塞 48 二 疏放地下水1 老窑 采空区探放水 超前探放水 有疑必探 先探后掘 钻孔孔径不大于75mm 钻孔应布置在水源以外70m处 49 2 煤层顶 底板的疏放1 巷道疏水2 钻孔放水3 钻孔导水布置 以淄博矿区为例 上山探 放水钻孔布置成扇形 煤层平巷布置成半扇形 在允许推进距离终点 探水孔间距 3m 超前距为20m 帮距约等于超前距 50 三 井下防治水1 探放水有疑必探 先探后掘1 老窑水的探放调查 物探 经验 确定三线 积水线 探水线 警戒线 51 2 探放水钻孔的布置 1 超前距 a 的计算 a 0 5AL 3p k 2其中 A安全系数 2 5 L巷道宽度m P水头压力MPa k煤的抗张强度 实验数据 MPa 2 钻孔密度 孔间距 允许掘进距离终点的孔间距应 3m 钻孔孔径不大于75mm 钻孔应布置在水源以外70m处 3 钻孔布置的方式上山探 放水钻孔布置成扇形 煤层平巷布置成半扇形 可参考煤矿安全手册 52 3 断层水的探放结合探断层构造孔 查明水源 水压 水量情况分别处理 53 2 留设防水煤柱 1 煤层露头直接为疏松含水层所覆盖或在地表