矿井防治水基本理论理与方法1.doc

矿井防治水基本理论与方法专业人员培训教材地质测量处组织编制目录绪言第一章 地下水与矿井水的基本知识第一节 参与自然界水循环的地下水 第二节 含水层与隔水层第三节 地下水的分类及其特征第四节 地下水化学成份及其形成第二章 地下水渗流理论与矿坑涌水量计算方法第一节 地下水渗流理论第二节 井筒涌水量计算方法第三节 灰岩突水量计算方法第四节 “四含”涌水量计算方法第五节 采区涌水量计算方法第六节 放水试验中的参数计算方法第七节 老塘水积水量预测方法第三章 矿井水害类型及其防治方法 第一节 矿井充水条件的分类 第二节 冲积层水害及其防治方法第三节 灰岩水害及其防治方法 第四节 其它水害防治方法 绪 言水文地质学研究的对象:是研究地下水的科学,研究地下水的形成、运动、分布规律；研究合理开发利用地下水资源，有效地消除地下水的危害。矿井防治水工作的主要任务：查明矿井水文地质条件，预测各类水害，提前采取预防和治理措施，避免水害事故的发生，为矿井生产建设服务。为提高矿区防治水工作人员专业技术水平，满足矿井防治水工作对专业技术人员的要求，我们组织编写了这篇培训教材，供专业人员培训班使用。本教材共分三个部分。第一部分地下水与矿井水的基础知识，主要是介绍水文地质学基本概念，是其他专业人员从事防治水工作的基础知识。第二部分地下水渗流理论与矿坑涌水量计算方法，从实用角度介绍了地下水动力学基本理论、计算原理和解题方法，可以帮助学员提高解决实际问题的能力。第三部分矿井水害类型及其防治方法，主要是专门水文地质学方面的内容，在矿床水文地质学的基础上，对矿区常见的水害类型、危害程度、防治方法、安全评价标准等内容进论述。本教材编写过程中，得到各级领导和矿区广大水文地质工作者的大力支持，在此表示感谢！限于编者的水平有限，难免有疏漏、错误之处，敬请批评指正。第一章 地下水与矿井水的基础知识第一节 参与自然界水循环的地下水 一、自然界的水循环地球上的水以气态、液态和固态存在于大气圈、水圈和岩石圈。各相应圈层中的水，分别称为大气水、地表水和地下水。它们之间有着密切的联系，通过水循环相互转化和迁移：大循环：从海洋蒸发的水分凝结降落到陆地，再通过径流形式返回到海洋。小循环：从海洋（或陆地）蒸发的水分再降落到海洋（或陆地）。自然界中的水在循环过程中保持均衡。年均衡量为：自然界水均衡情况 矿井地质工作手册区域面积（Km2）水均衡要素水的体积水层厚度mm海洋降水、蒸发、河流流入量4121034481033610311401200100陆地外流区降水、蒸发、河流流入量99.310363.010336.3103860540310陆地内流区降水、蒸发、7.71037.7103240240整个地球降水或蒸发518.61031017二、中国水循环状况中国全境几乎均属于季风气候，有明显的旱季与雨季之分。东南乃至华北、东北内陆某些地区，受太平洋副热带高压影响，四至八月份为雨季。而云南到西藏一带，受印度洋季风的影响，六至九月为雨季。中国水资源（或称循环量）在时间分配上相当不均匀。由于绝大部分地区全年的降水量集中在短时间内降落，造成地表径流激增甚至出现洪害。而大部分时间降水量很少，造成河流断流。同时，由于太阳黑子爆发，太阳幅射能增大，以12至13年为周期出现丰水年（或枯水年）。中国水资源在空间分配上也极不均匀。东南沿海降水量最高可达2000至3000mm，向西北内陆地区逐渐减少，直到接近于零。长江流域降水充沛，水循环量较大。华北和东北一些地区虽然降水量不少，但干旱季节长，普遍缺水。西北地区降水量小，属于干旱、半干旱地区。地下水的补给水源归根结底是来自大气降水，所以，一般来讲降水量大的地区，地下水较为丰富，矿井水害也表现得较为严重。三、水文学中的几个基本概念1、湿度空气的湿度是指空气中水的含量。绝对湿度（e）：某一时刻空气中水的含量。表示方法有二：一是一立方米空气中水汽的克数（g/m3）；二是水汽的张力即水银柱的高度（mm）或是水汽的压力（毫巴相当于0.75mm水银柱的压力）。水汽达到饱和状态时的含量称为饱和含量（E）。它是一个随空气温度、压力变化而改变的参数。相对湿度（e1）：空气中实际存在的水汽含量（e）与同温度、同体积空气内水汽达到饱和状态时的含量（E）之比。以百分数表示：饱和差（d）：一定温度下空气中水汽的饱和含量与实际含量之差：说明：空气中的饱和水汽含量随温度的升高而增加。当相对湿度达到100%时，水汽可以凝结形成降水。空气是水汽达到饱和时的温度称为露点。当温度降低到低于露点时，则剩余的水汽亦能凝结形成降水。空气中湿度的大小对土壤、砂层中的地下水的蒸发影响很大。湿度大，蒸发小，有得于地下水的形成和聚集。反之亦然。2、降水降水是指由大气中的水汽凝结降落到地表的过程。降水的形式：低层降水：低层水汽在地面物体表面或植被表面凝结形成的降水。如雾、露、霜等。一般对地下水的形成意义不大，但在干旱沙漠地区是主要的补给水源。高层降水：高空水汽遇冷凝结降落在地表的降水。如雨、雪、雹等。以雨雪对地下水的形成意义最大。降雨表征要素：雨量：表示在一定地点，一定时间内降雨的厚度。雨时：表示降雨的持续时间。雨率：表示降雨的强度，即单位时间的降雨量。降雨等级：小雨：能使地面潮湿，但不泥泞，雨量110mm/天。中雨：雨降到屋面有淅淅声，洼地有积水，雨量1025mm/天。大雨：降雨如倾盆，落地四溅，雨量2550mm/天。暴雨：降雨比大雨还猛，能造成山洪，雨量50100mm/天。大暴雨：降雨比暴雨还猛，或时间长，能造成洪涝灾害，雨量100200mm/天。特大暴雨：造成严重洪涝灾害，雨量200mm/天。3、蒸发蒸发是指在太阳能作用下，水由液态转变为气态的过程。蒸发包括陆面蒸发、水面蒸发和叶面蒸发。蒸发度：气象站用蒸发皿测得的蒸发量。它不能代表一个地区的蒸发量，只能表示一个地区的蒸发强度。蒸发量：指一个地区的实际总蒸发量。它由陆面、水面和叶面蒸发量组成。一般采用近似公式计算。4、水文因素水文因素是指反映地表水流特征的因素。河系：某一干流和其全部支流组成的一个独立的水道系统。称为河系或水系。流域：某河系全部汇水面积称为该河系的流域。支流汇水面积称为支流的流域。分水岭：相邻河系之间（或相邻支流之间）流域的分界线称为分水岭。径流：指汇集到流域出口的全部水流。它等于这个流域内的降水量与蒸发量之差。其要素为：流量（Q）：单位时间内流过河流断面的水量 （m3/s）径流总量（W）：一定时间(年)内流过河流断面的总量 (m3)径流率（径流模数M）：单位时间内、单位流域面积上流出的水量 (l/s.Km2)径流高度（h） 径流率与径流高度是同一概念，只是单位不同。其换算公式为：某一时期（年）内的流域径流总量，均匀分布于整个流域面积上的水层厚度 （mm）径流系数（）某时期内的径流高度与同一时期的降水量之比 （%）第二节 含水层与隔水层一、岩层的水文地质特征1、岩石中的空隙地下水存在于岩石中的空隙中。地球的地壳约35Km，上部十几公里特别是一、二公里，空隙分布较为普遍，就象饱含水的“海绵”。岩石中的空隙不仅是储水空间，也是地下水运移的通道。空隙分为三类：、孔隙：胶结不好的松散层颗粒之间不可能完全靠紧，必然存在空间。这些空间相互连通，呈小孔状，称为孔隙。孔隙大小和数量取决于颗粒的大小、形状、分选程度、排列方式、胶结程度和充填物的性质等因素。储存空间为孔隙的地下水，称为孔隙水。孔隙度（n）：孔隙比（）：、裂隙：坚硬岩层在构造应力的挤压、拉伸、剪切作用下，形成大小和密度不等的裂缝，称之为裂隙（构造裂隙）。储存空间为裂隙的地下水，称为裂隙水。线裂隙率（Ktl）：面裂隙率（Ktf）：、溶隙：易溶岩石，如盐岩、石膏、石灰岩、白云岩等，在地下水的溶蚀下，形成散布、网状或管状的溶穴，统称为溶隙。储存空间为溶隙的地下水，称为岩溶水。岩溶率（Kkv）：2、水在岩层中存在的形式岩石空隙中存在着各种形式的地下水。有吸着水（强结合水）、薄膜水（弱结合水）、毛细水（半自由水）和重力水（自由水）。、吸着水：由分子和静电引力紧密吸附于岩石颗粒（裂隙）表面的水分子薄膜，是结合水的内层，也称为强结合水。它不受重力影响，不传递静水压力，不溶解盐类，不为植物吸收，-78C不冻结，105C转为水汽。、薄膜水：为结合水的外层，引力减弱，称为弱结合水。它亦不受重力影响，不传递静水压力。、毛细水：由水的表面张力形成的毛细支撑面充满于岩石毛细空隙中的水。它受重力作用，能为植物吸收，但不能形成地下水流，称为半自由水。、重力水：指饱和于岩石空隙中，在重力作用下可以自由流动的水。它能传递静力压力，是水文地质研究的主要对象。另外，岩层中的水有时以固态、气态等形式存在。3、岩石的水理性质及其表示方法容水性：岩石能容纳一定水量的性质。 持水性：在重力作用下仍能保持一定水量的性能。给水性：饱水岩石在重力作用下自由流出一定水量的性质。 贮水性（释水性）：承压含层当水位上升（或下降）时，引起弹性贮存（或释放）一定水量的性能。贮水系数（u*）承压含水层水位变化一个单位时，单位含水层面积中贮存或释放的水的体积。透水性：岩石中重力水通过的性能。渗透系数（K）相当于水力坡度（j）为1（45）时，水在岩石中渗透的速度（V）。渗透是一种假想的、水流不仅通过空隙而且通过颗粒的流动状态。渗透速度与水的实际流速存在很大的差异。导水性：岩石传导不的性能。导水系数（T）相当于单位水力坡度下，单位宽度含水层的导水速度。即（M为含水层厚度）。导压性：岩石传递水压的性能。导压系数（a）表示水压从一点传到另一点的速率，或表示在承压含水层中抽水，不同时间降落漏斗扩展的速度。二、含水层与隔水层含水层与隔水层是一个相对的概念。人们把能够透过并给出一定水量的岩层叫含水层。把不能透过和给出一定水量的岩层叫隔水层。从矿井防治水的角度，推荐含、隔水层的划分标准：含水性泥砂含量%单位涌水量l/s.m渗透系数m/d矿井突水量M3/h极强极少1050600强150.01K+Na+，暂时硬度等于重碳酸根离子含量。当有负硬度存在时，则： 总硬度=暂时硬度 负硬度=总硬度-总碱度。第二章 地下水渗流理论与矿坑涌水量计算方法第一节 地下水渗流理论一、渗流的基本概念地下水存在于岩石的孔隙、裂隙或溶穴中，并在其中运动。地下水动力学中，把含有地下水的岩石称为介质（多孔介质、裂隙介质或岩容介质），地下水在介质中的运动称为渗透。1、渗透水流地下水在介质中的实际运动状态相当复杂。在地下水动力学中，人们不去研究个别液体质点的运动轨迹，而是研究介质中液体的平均运动。所谓渗透水流（渗流），是一种效果上与真实地下水流完全相同的假想的水流：用液体充满整个含水层（包括岩石中空隙所占的空间和固体所占的空间）的假想水流来代替只在介质空隙空间中运动的真实水流；通过任一断面上的流量与真实水流通过同一断面的流量相等；在某一断面上的压力或水头与真实水流的压力或水头相等；在介质内所受到的阻力与真实水流所受的阻力相等。满足上述条件的假想水流称为渗透水流，简称渗流。2、渗透速度垂直于渗流方向的岩石截面称为过水断面。实际水流只在过水断面的空隙的面积中流过，而渗流则通过整个过水断面。渗流在整个过水断面上的平均流速称为渗透速度（渗流速度）。（）渗透速度与真实流速差异巨大。3、测压高度和测压水头含水层中某一点到水面的距离称为测压高度（h）。含水层底板（基准面）到水面的距离称为测压水头（H 图2-1-1）。在静水条件下，水面为一平面，含水层中各点的测压高度虽然不同，但测压水头却处处相等。在地下水流动的情况下，沿流线方向发生水头损失，渗流场中的测压水头发生变化。把水头值相等的各点连成的空间面称为等水头面。等水头面在平面上或剖面上表现为一根水头相等的线，称为等水头线。平面上或剖面上的等水头线与流线，组成正交网格，称为流网。4、水力坡度流线是一条假想的曲线。在渗流场中，这根曲线上的每一个液流质点在某一时刻的渗透速度矢量都和这根曲线相切。流线与质点的轨迹不一定相同。只有在稳定流条件下，某一点的流线和同一点的轨迹才相互重合。地下水在介质中运动时，沿流线方向产生水头损失。如果沿流线方向任意取一个剖面，就可以得到一条水头降落的曲线，称为降落曲线（对于潜水要称为浸润曲线）。曲线的坡度称为水力坡度（J）。(见图2-1-2)（）5、液体的两种运动状态层流和紊流液体的流束不混杂的流动称为层流运动。液体的流束混乱而无序的运动称为紊流运动。试验表明，液体的层流和紊流主要与流速有关。人们把由层流转变为紊流的流速称为临界速度。不同介质中，液体的临界速度相差很大。孔隙、裂隙介质中，临界速度很大，绝大多数为层流运动。但在岩溶介质中，尤其在管道岩溶介质中，临界速度小，往往发生紊流运动。6、地下水运动特征分类：稳定流与非稳定流根据地下水运动要素（流速、流量、水头、流线）随时间变化和程度，分为稳定流和非稳定流。运动要素不随时间发生变化的渗流称为稳定流。而运动要素随时间发生变化的称为非稳定流。线性流、平面流和空间流根据运动要素在空间上的表现形式，分为：线性流（一维流）：所有流线与一个固定的直线平行(图2-1-3a)。平面流（二维流）：所有流线不平行于一条固定直线，但平行于一个固定平面。可分为剖面二维流和平面二维流(图2-1-3b、c)。空间流（三维流）：所有流线既不平行于一条固定直线，又不平行于一个固定平面(图2-1-3d)。渐变流和急变流在非稳定运动中，把流线曲率半径很大，近于一条直线，同时，流线之间夹角很小，近于平行的渗流状态称为渐变流。否则，称为急变流。 二、达西定律1、线性渗透定律1852年至1855年，法国水力学家达西（Darcy）通过大量试验，得到线性渗透基本定律达西定律。在渗流场（层流）中，同一介质液体的渗透速度v 只与水力坡度J成正比。不同介质的比例系数渗透系数K不同。渗透系数K是表示岩层透水性的指标。它是有关含水层的重要水文地质参数之一。当水力坡度为1时，渗透系数在数值上等于渗透速度。即渗透系数相当于水力坡度为1 时的渗透速度。因为水力坡度无量纲，渗透系数的量纲与速度的量纲相同，常用m/d表示。渗透系数主要取决于岩层的性质，如粒度成份、颗粒排列、充填状况、裂隙性质和发育程度等因素。但是，它与渗透液体的性质（容重、粘滞性）存在一定关系。对于水是一种渗透系数，而石油又是另一种渗透系数。有人进行了专门研究，绝大多数地下水的运动都是层流运动，符合达西定律。当层流向紊流过渡和紊流条件下，达西定律就不适用了。有人讨论过达西定律适用下限问题，指出存在一个起始水力坡度，当实际水力坡度小于起始水力坡度时，水流就不流动了。2、非线性渗流定律在紊流条件下，地下水渗透服从哲才（A.Chezy）公式：在地下水渗流运动中，不符合达西定律的场合比较少见的。3、达西定律的简单应用例：计算地下水天然流量。均质各向同性潜水含层上、下游水头分别为h1、h2，渗透系数为K，上下游距离为L，计算单宽含水层天然流量(图2-1-4)。 解：设含层厚度为h，则单宽含水层过水面积f=1h=h式中q、K为常数，h、l为变量。分离变量，得： 由上游过水断面到下游过水断面积分： 则： 即单宽含水层天然流量，与两个过水断面之间含水层平均厚度、平均水力坡度成正比。利用达西定律，可以推导出一系列关于含水层计算的公式。在以后的矿井涌水量计算方法中，我们还将利用达尔西定律。第二节 井筒涌水量计算方法一、集水建筑物的类型用来揭露地下水的人工建筑，叫做集水建筑物。水平集水建筑物：排水渠、集水廊道、排水巷道等垂直集水建筑物：钻孔、水井、竖井等，统称为井。按所揭露含水层性质，分为潜水井、承压水井、承压无压水井等。按揭露含水层厚度，分为完整井（揭露含水层整个厚度，并且在全部含水层厚度上进水）、非完整井（只揭露分部含水层或只有部分含水层进水）。按工作方式，分为抽水井、注水井、放水（疏干）井。二、井流理论解决的问题1、对于供水来讲，解决井的出水量问题；2、对于疏干来讲，解决井的排水量问题。不管供水还是疏干，都要考察井流影响范围内各点的水位降深、设计井的数量、排列方式。3、水文勘察阶段，利用抽水、注水、流量测井、脉冲干扰试验，求取水文地质参数。三、裘布衣井流条件裘布衣在推导井流公式时，对实际情况进行了简化。在使用井流公式时，一定要根据不同的模型，选用不同的公式。裘布衣公式的模型是：1、完整井；2、层流；3、静水位是水平的，隔水层是水平的，即含水层是等厚的；4、含水层是均质各向同性的；5、含水层是无限的。指抽水影响没达到边界。6、水位降相对含水层厚度来讲很小。这样，就可以看作为平面二维流，垂直方向没有分速度。实际的过水断面是一个围绕井轴的圆柱面，在平面上都是同心圆，运动要素只随以井轴为圆心的半径而变化。这种水流称为径向流。7、稳定流。承认抽水初期相当长时间内是非稳定流，认为这时出水量一方面来自侧向补给，另一方面来自降落漏斗静储量的释放。但抽水一定时期后，降落漏斗边界和形状固定下来，此时的出水量全部来自侧向补给，在影响半径以内，任一过水断面上的流量都相等，且等于抽水量。应该说明，这种简化与实际情况之间存在很大出入。但是，当抽水相当长时间后，会出现近似稳定流的情况。用裘布衣公式计算的出水量接近实际出水量。四、裘布衣公式的推导（一）、以承压完整井为例，计算模型和各符号意义见图2-2-1。根据达西定律，有对上式两边积分，分为三种情况：1、没有观测孔（裘布衣公式）没有观测孔情况下的边界条件是：在x 趋向井边r处，y=h，在x趋向影响边界R处，y=H。2、有一个观测孔（蒂姆公式）：有一个观测孔的边界条件是：在x趋向井边r处，y=h，在观测孔x1处，y=y1。3、有两个观测孔（蒂姆公式）有两个观测孔的边界条件是：在x趋向内观测孔x1处，y=y1，在x趋向外观测孔x2处，y=y2。（二）、以潜水完事井为例，计算模型和各符号意义见图2-2-2。根据达西定律，有对上式两边积分，分为三种情况：1、没有观测孔（裘布衣公式）没有观测孔情况下的边界条件是：在x 趋向井边r处，y=h，在x趋向影响边界R处，y=H。2、有一个观测孔（蒂姆公式）：有一个观测孔的边界条件是：在x趋向井边r处，y=h，在观测孔x1处，y=y1。3、有两个观测孔（蒂姆公式）有两个观测孔的边界条件是：在x趋向内观测孔x1处，y=y1，在x趋向外观测孔x2处，y=y2。在地下水动力学计算中，有观测孔时的计算精度，远比没有观测孔时来得精确。这是因为，有观测孔时，更接近实际流场情况。故，在重要水文地质条件勘探中，常采用“群孔”试验，而不采用单孔试验。在水文地质试验中，应尽量满足“稳定流”条件。勘探规范规定，抽水试验必须满足水位稳定8小时以上。合格工程必须有一个落程。优质工程，必须有三个落程。五、承压无压完整井公式在矿井涌水量计算中，常常遇到承压无压井流模型。它实质上是降深较大，远处属于承压水流状态，近处属于潜水流状态（见图2-2-3）。对于潜水段，有：对于承压水段，有：分别由（1）、（2）式解出。从而得出承压无压公式：裘布衣各种公式参见矿井地质手册（下册）。六、井流势函数引进井流势函数的概念，目的是推导统一的井流公式，以便学员进一步掌握井流理论，随时根据不同水文地质条件，创建相应的井流计算公式。1、符号说明：H0静水头。Hw抽水井水位，即动水位。r任一断面距抽水井距离。rw抽水井半径。2、井流势函数表达式对于承压水井，有对于潜水，有从而得到统一的井流势函数方程：r一定，就是一个定值。当时，；当时，。说明势函数是无意义的。在有限范围内（rR），势函数在各点上有意义。3、井流势函数的应用设影响边界上的井流势函数为：设井壁上的井流势函数为：两处的势函数差为：这就是一个统一的井流公式表达式。对于承压水、潜水完整都适用，只是势函数不同。承压水势函数为：潜水势函数为：将不同类型的势函数代入统一公式，就可以得到不同的井流公式。结论：采用井流势函数，可以把繁多的公式写成统一的公式形式。这样，对今后研究新的动力学问题带来极大方便，可以采用势叠加原理，处理复杂的地下水模型问题。七、层状非均质含水层中井流计算集水建筑物揭露多个含水层，不同含水层的渗透系数不同。这在矿井涌水时计算是很常见的类型。分两种情形：1、漏斗面未越过岩层界面时(小降深)：Q=Q1+Q2+Q3.这是一个简单情形，分别计算各个含水层涌水量，然后相加。但要注意，各个含水层的渗透系数不同，含水层厚度不同。对于承压水井（图2-2-4），有对于潜水井，有（二层结构图2-2-5）2、漏斗面越过岩层时（大降深）：、吉林斯基（函数）法通过半径为r厚度为的圆环外侧上的流量。引用吉林斯基函数 分离变量，求积分，得：由边界条件：注：z1、z2、 z3是各含水层中点到隔水层底板(基准面)的距离。式中的h代表以隔水层底板为基准面的各断面上的水头。结论：利用吉林斯基势函数，把层状非均质含水层井流公式(包括潜水、承压水)，转化成与均质含水层井流公式相同的模式。但在具体计算时，要代入相应的势函数：非均质岩层水井势函数为：、两次加权平均法（近似法）主要思路是对渗透系数Ki进行两次加权平均，用平均渗透系数Km代替非均质岩层的K，视为均质岩层。第一次：计算影响边界上的加权平均渗透系数：计算井壁上的加权平均渗透系数：第二次：计算总的加权平均渗透系数：八、边界井计算方法、概述裘布衣井流公式只适用于无界含水层。但在实际工作中，往往会遇到有界含水层。凡边界对井有直接影响的含水层，都称为有界含水层。1、边界井的类型：、直线边界井：对工作井产生直接影响的只有一条直线边界。又称半无限含水层。、正交边界井：对工作井产生直接影响的有两条正交边界。又称象限含水层。、斜交边界井：对工作井产生直接影响的是两条斜交边界。又称扇形含水层。、平行边界井：对工作井产生直接影响的是两条平行边界。又称条带含水层。、箱边界井：