地下水防治方法与技术课程设计.doc

地下水防治方法与技术课程设计地下水防治方法与技术课程设计学号：班级：姓名：中国地质大学（武汉）环境学院2012年12月20目录（一）矿区水文地质条件分析31.矿区自然地理条件3（1）地形3（2)水文3(3)气候32. 区域地质4（1） 地层4(2) 构造53. 岩石含水性54. 分析地表水与地下水之间的水力联系65. 分析各含水层之间的水力联系及断层的导水性6（1） 各含水层之间的水力联系6（2） 断层的导水性76. 分析矿区地下水补给、径流、排泄8（二） 矿坑充水条件分析91. 分析不同含水层对、号煤层开采的充水意义92.分析断层对矿坑充水的作用103.分析二号矿号煤层底板的稳定性104. 分析河下采煤条件11（三） 初步预测二矿的矿坑涌水量121. C3薄层灰岩涌水量初步预测122. 初步预测开采-50m水平一号煤时需对奥陶纪灰岩地下水降压的排水量12（一）矿区水文地质条件分析1.矿区自然地理条件（1）地形矿区面积大约90km2，地形整体较为平坦，其中北部和西部地势较高，平均标高约500m，东部次之，平均海拔400m左右，最低海拔位于南部洺河河谷，约300m，整体上看是洼地地形。洺河位于矿区中部，由北向南流淌。（2)水文 矿区内发育的主要水系为洺河，流向由北向南，其伴随有5条主要支流，其中河道东部为奥陶系岩溶发育地段，降雨主要入渗到地下，仅有一条支流，河道西部发育有前震旦系变质岩，降雨主要形成地表径流支流较为发育，有4条。据测水站记录知，上游流量为3000,下游流量为85000。区内出露12个泉，其中下降泉11处，主要位于东部的前震旦系片岩片麻岩中，流量0.01-0.5；上升泉有一处，位于矿区南部第四系内，流量为80000(3).气候根据华北煤田有关气象资料，绘制了气象要素（降雨量、蒸发度）变化曲线图（图一）。图一据图可知月平均降雨量约65mm，6月至9月降雨量占全年降雨量的84.5%，最大月降雨量为8月的205mm；月平均蒸发度为85mm，主要集中在3月到7月占全年的80.8%，最大月蒸发度为5月的250mm。2.区域地质（1） 地层矿区主要有前震旦系（Al）、震旦系（Z)、寒武系（）、奥陶系（O）、石炭系（C）、石炭二叠系（Pc）、白垩系（K）、第四系(Q)等地层。主要含煤地层为石炭、二叠系砂页岩。制成表一如下：表一年代单位年代符 号厚度（m）描述第四系Q0-50位于区域中部，沿洺河流域分布，岩性主要为砂砾互层白垩系K80-140位于区域中部，南北向条状展布，岩性为凝灰质砂页岩二叠系Pc约250位于区域中部，南北向条状展布，岩性为砂页岩中石炭统C2/位于区域中部，南北向条状展布，岩性为页岩和铝土。上石炭系C3203位于区域中部，南北向条状展布，岩性为砂页岩。岩层中可开采煤层3-5米，煤层顶部含有5-8米灰岩。奥陶系O800-1000分布于图区西北部，沿西北向条状展布，岩性主要为结晶灰岩及白云岩。岩溶发育强烈，从剖面图可看出，与上覆地层之间缺失泥盆系及志留系地层，但是新老顺序未变，可知与上覆石炭系地层为平行不整合接触关系。寒武系/位于区域西西部和北部，岩性为灰岩页岩。震旦系Z/位于区域西南角，岩性为石英砂岩。前震旦系Al/位于区域东部和东南部，出露面积较大，岩性为片岩片麻岩。(2) 构造 区内主要发育4条断层，均为正断层，其中F2、F3、F4为东西走向断层，F1南北向延伸贯通整个区域，使东西向断层被南北向断层切割，形成 “棋盘格”状的构造格局。从整体上看，该地区为向斜的一部分。走向断层。3. 岩石含水性由A2孔制成表二如下：表二岩层符号PcC3O单位降深抽水量（）0.30.44含水性相对隔水层相对隔水层含水层第四系松散堆积层中地下水为孔隙水，主要接受大气降雨及地表水补给；奥陶系(O)及寒武系（）灰岩中地下水为岩溶裂隙水及岩溶水，含水性较好，都为为含水层；前震旦系片麻岩（Al）及震旦系（Z)石英砂岩中地下水为基岩裂隙水，主要接受大气降雨补给，但裂隙大多都比较闭合，由出露的泉来看，其流量为0.01-0.5，可知其含水性一般，为相对含水层;石炭系及二叠系砂页岩中地下水为砂岩裂隙水，由表二可知，其单位降深抽水量远小于奥陶系灰岩，故其含水性较差，为相对隔水层；白垩系凝灰质砂页岩、二叠系及石炭系页岩含水性很差,为隔水层。4. 分析地表水与地下水之间的水力联系 由华北某煤田水文地质图可知，矿区内西北部形成的地表径流较少，降雨主要入渗到地下，为地表水补给地下水。矿区中部第四系潜水分布区，地表水与地下水联系紧密，丰水季节地表水补给地下水，枯水季节地下水补给地表水。区内东南部发育有12个泉，其中1号泉为上升泉，流量80000，其余的为下降泉，流量0.01-0.5，为地下水补给地表水。从当地的三个测水站记录数值可知：1号测水站流量为85000，而其余两处源流的测水站的流量之和仅为4000，加上2-11号泉的流量，远小于85000，所以其补给主要是1号泉的矿区地下水补给，故得出结论图区内总体的补给关系是地下水补给地表水。5. 分析各含水层之间的水力联系及断层的导水性（1） 各含水层之间的水力联系中下奥陶统（O)结晶灰岩及白云岩岩溶水较发育，其与第四系(Q)砂砾含水层接触，第四系内的地下水与岩溶水之间存在着互补关系，所以中下奥陶系含水层与第四系的水力联系很好。由A1、A2、A3、A4四个水文地质孔的数据可知，石炭二叠系（Pc）砂岩含水层与上石炭统（C3）砂岩含水层的水位标高、矿化度及裂隙率相差不大，故两含水层之间存在一定的水力联系。由剖面图可知，由于F4断层垂向导水，使得前震旦系片岩片麻岩含水层与震旦系石英岩含水层之间有一定的水力联系。水文地质孔A1、A2、A3的数据表明中下奥陶统（O）灰岩含水层与上石炭统（C3）砂岩含水层的水位标高、矿化度及裂隙率相差较大，说明两含水层之间的水力联系微弱。由剖面图知，第四系（Q）下面为白垩系（K）凝灰质砂页岩隔水层，阻断了它们之间的水力联系。（2） 断层的导水性矿区共发育有4个断层F1、F2、F3、F4，都为正断层，但各断层的导水性有一定不同。现分别分析如下：由华北某煤田水文地质图知，F1断层贯穿区内南北，断层处仅出露10、11号泉，且泉流量很小，是前震旦系片岩片麻岩中裂隙产生的侵蚀下降泉，故F1断层垂向上是阻水的。由于地质图中F1断层东面为前震旦系片岩片麻岩的相对隔水层，所以F1断层在横向上也是阻水的。由断层F2附近的A2水文地质孔资料可知，上石炭统（C3）砂页岩和中下奥陶统（O）结晶灰岩含水层中的地下水位标高、矿化度、裂隙率都有明显差异，且没有泉水出露于地表，故F2断层在垂向上是阻水的。由A2、A3水文地质孔中上石炭统（C3）砂页岩和中下奥陶统（O）结晶灰岩含水层中水的矿化度、裂隙率相差不大，证明F2断层两盘的含水层之间存在水力联系，故F2断层在水平向是导水的。F3断层附近的A4孔数据中的不同地层（Pc、C3）含水层中的地下水位标高、矿化度、裂隙率都有明显差异，且无泉水出露，故F3为垂向阻水。而A2、A3孔数据中的水位标高、矿化度基本一致，所以F3断层两盘的含水层之间存在水力联系，故F2断层在水平向是导水的。由剖面图知，F4断层下盘都为变质岩（Z、Al）隔水层，上盘相对为含水层，两盘岩层的含水量相差很大，说明二者之间水力联系不大，即证明F4断层在水平向是阻水的。且由剖面图看到F4断层地表出露1号上升泉，流量较大，为80000，此泉是由断层上盘各含水层中的地下水汇集后遇断层而流出地表的，进而证明了F4断层在垂向上是导水的。综上所述绘制表三如下：表三 断层 导水性方向F1F2F3F4横向阻水导水导水阻水垂向阻水阻水阻水导水6. 分析矿区地下水补给、径流、排泄矿区区内地下水的主要补给来源为大气降水、地表水入渗以及地下径流的侧向补给。地下水的径流方向基本与地形一致，从西、北、东三个方向向南部地势较低处流动。排泄除蒸发外主要以泉的形式向地表排泄，特别是F4断层处1号上升泉，其流量较大，为80000，为主要排泄途径，其他2-12号泉为基岩裂隙下降泉，泉流量叫小，为0.01-0.5，占排泄的小部分。矿区各含水层之间存在一定的水力联系，现在分别对各含水层的补、径、排作分析如下：第四系砂(Q)砾石中的孔隙水补给来源有：大气降雨和地表河水的补给以及地下各含水层径流的侧向补给。补给量的大小由降雨量、岩石孔隙度、地下水径流强度决定。排泄主要以蒸发、补给洺河以及向周边含水层排泄为主。震旦系（Z)石英砂岩及前震旦系(Al）片麻岩中的基岩裂隙水主要来源于大气降雨，以泉的形式向地表排泄，并对洺河进行补给。奥陶系（O)及寒武系()灰岩中的地下水主要来源于大气降雨下渗、洺河河水的补给以及上石炭统砂页岩的越流补给，排泄主要以F4断层处形成的1号上升泉向地表河流排泄。石炭系(C)及石炭二叠系（Pc）二叠系砂页岩中的地下水补给来源主要为大气降水下渗和其周边含水层的侧向径流补给，排泄途径主要以1号上升泉向地表河流排泄为主，少部分通过地下径流方式补给了其他含水层。（2） 矿坑充水条件分析1. 分析不同含水层对、号煤层开采的充水意义矿区内能成为充水岩层的含水层有：第四系（Q)砂砾石含水层、上石炭统（C3)砂页岩含水层、上石炭（C3)统薄层灰岩含水层、二叠系(Pc）砂页岩含水层、寒武系及奥陶系灰岩含水层。各含水层对、号煤层开采的充水意义分析如下：1） 第四系(Q)砂砾石含水层 Q虽然未与煤层接触，但与其它含水层都有水力联系，是、号煤层开采时的间接充水水源。2） 上石炭统砂（C3）页岩含水层 这一含水层中含有、号煤层，是、号煤层开采时的直接充水水源，其上覆的二叠系砂页岩是弱含水层，含有号煤层，故上石炭统砂页岩含水层可能会成为号煤层开采时的间接充水水源3） 上石炭（C3)统薄层灰岩含水层 上石炭统薄层灰岩含水层下覆的为号煤层，所以是二号煤层的直接冲水水源；其上覆的上石炭统砂页岩为弱含水层，故其对号煤层的开采有影响，是号煤层开采的间接充水水源；下伏为含有号煤层的上石炭统砂页岩，所以是号煤层开采的间接充水水源。4） 二叠系(Pc）砂页岩含水层 二叠系砂页岩弱含水层中含有号煤层，是号煤层开采时的直接充水水源。下伏的上石炭统砂页是弱含水层，且含有、号煤层，是、号煤层开采时的间接充水水源。5） 寒武系()及奥陶系(O)灰岩含水层 寒武系()及奥陶系(O)灰岩含水层上覆的中石炭统页岩隔水层起隔水作用，F2、F3断层在垂向上是阻水的，故寒武系及奥陶系灰岩含水层不能成为、号煤层开采的充水水源。对号煤层而言，煤层上覆一层5-8m薄层灰岩，具有导水性，由于F4断层的垂向导水性，因此寒武系()及奥陶系(O)灰岩含水层中的水可能补充进灰岩中，作为号煤层开采的间接充水水源。2.分析断层对矿坑充水的作用综合上文中对断层的导水性的分析，F1断层横向和垂向都阻水，故F1断层对一、二、三号矿坑的充水没有影响；F2、F3断层均为横向导水，垂向阻水的断层，垂向上的阻水作用使各含水层之间没有水力联系，只起到地下水径流方向的一致性，并没有对各矿坑的产生影响；F4断层的垂向导水性使各含水层之间的水力联系紧密，故其为各矿坑提供了良好的充水条件，对安全开采造成一定的威胁。综上所述，F1、F2、F3断层对矿坑冲水无影响，F4断层对矿坑冲水有一定的促进作用。3.分析二号矿号煤层底板的稳定性由一矿资料：页岩平均抗张强度KP0.16MPa，平均容重2.45T/m3，巷道底板隔水层实际厚度t=30m，坑道底宽L10m。预测二号矿号煤层-50m水平开采时，天然水位标高为320m的底板稳定性。计算过程如下：设极限水压值 上式中：Kp-页岩平均抗张强度（MPa） Kp=0.16MPa -岩层容重() = -隔水底板厚度（m） =30m -坑道底宽（m） =10m解得=3.6MPa转化成地水位标高下为=m=367.35m由于煤层是在-50m开采，H=367.35-50=317.35m=320m综上所述，二号矿号煤层底板不稳定。4. 分析河下采煤条件已知煤层平均倾角，开采厚度m=6m，岩石碎胀系数K=1.3，河床第四系厚度为50m，保护层厚度=20m，确定河下采煤的安全开采深度。此煤层由倾角可知为缓倾斜煤层，故由经验公式：式中，K 岩石的碎胀系数，K=1.3M 开采厚度，（m）,M=6m 煤层倾角（），=10解得：H（冒）=6/(1.3-1)*cos10)=20.31m又H（导）=（2-3）H（冒），取比值为2故H（导）=40.62m防水矿柱高度：Hw=H+Hc缓角度时HII=H（导）Cos()Hw=H（导）Cos()+Hc=40.62*Cos(10)+20=60m所以，河下煤层的安全开采深度为H（总）=Hw+H（第四系）=60m+50m=110m综上所述，要达到河下安全采煤，需留设安全防水矿柱的高度为60m，河下安全开采的深度是110m。（3） 初步预测二矿的矿坑涌水量1. C3薄层灰岩涌水量初步预测一矿资料：+200m水平开采天然水位标高321m，坑道系统长1500m，宽1000m，开拓排水一年时，矿坑涌水量为1200 m3d。二矿资料：开采0m水平二号煤时，坑道系统长2000m，宽1060m。用水文地质比拟法求解如下：上式中，Q1-一矿涌水量，（m3d），Q1=1200m3d； Q2- 二矿涌水量，（m3d）； F1- 一矿开采面积，（m）,F1=1500*1000=1.5*10 m； F2- 二矿开采面积，（m），F2=2000*1060=2.12*10 m； S1 一矿降深(m),S1=321-200=121m； S2 二矿降深（m）,S2=321-0=321m；求得： Q2=1200*（2000*1060/1500/1000）*（321/121）=4500（m3d） 故开采0m水平二号煤时，C3薄层灰岩的涌水量为4500m3d。2. 初步预测开采-50m水平一号煤时需对奥陶纪灰岩地下水降压的排水量（1） 根据A1孔抽水CK1观测孔的感测资料，用特定条件标准曲线对比法计算奥陶纪灰岩含水层的参数T、a（据A2孔抽水资料算得的参数T=748、）。依据泰斯井流理论及泰斯公式，观测井的水位降深方程为：设; lgS-lgt曲线1/u=1,Wm(u)=1时=3.5，=0.92CK1孔观测数据：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）1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.015.020.025.030.040.050.060.070.00.00.0110.0200.0270.0330.0400.0470.0530.0580.0650.0950.1140.1320.1500.1780.1980.2140.23080.090.0100.0150.0200.0250.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.01200.01500.02000.00.2430.2550.2650.3200.3600.3900.4190.4450.4800.5150.5400.5600.5800.6000.6400.6600.740平面图A1孔定流量抽水作图计算表u1W(u1)Wm(u1)0.1104900.000100.00010.252450.00114800.0011480.33.333333333163.33333330.00893900.0089390.42.5122.50.0249100.024910.61.66666666781.666666670.0746500.074650.81.2561.250.146900.14691.01490.219400.21942.00.524.50.559800.55983.00.33333333316.333333330.836100.83616.00.1666666678.1666666671.35780.0000341.35783410.00.14.91.82290.0012911.82419120.00.052.452.46790.026682.4945830.00.0333333331.63333