7+矿井水文地质与水害防治.ppt

课堂练习题：1、影响煤矿生产的主要地质因素有、（至少六种）。2、岩溶发育必须具备的四个条件：,7矿井水文地质与防治7.1水文地质基本知识7.2矿井充水条件7.3矿井水文地质观测与涌水量预计7.4矿井水文地质观测及其水害的防治,本章教学要求重点：矿井水害的防治难点：矿井充水条件要求：了解地下水的基本知识，掌握矿井水害的防治的方法,白皎煤矿矿井水处理系统,鹤煤集团矿井水处理系统,长宁天坑1,长宁天坑2,长宁天坑附近废弃的矿井,江安天坑,7.1地下水的基本知识7.1.1地球上水的循环大循环：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：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。,水循环意义？,7.1.2地下水的概念地下水：埋藏在地表以下以各种不同状态（气、液、固）存在于岩石空隙中的水。地下水具有分带性：包气带：岩石空隙未被水充满的地带。饱水带：地下水面以下，岩石空隙被重力水全部充满的部分。,地下水的存在形式：1、气态水（水蒸气）：凝结成液态水后，可成为地下水的来源2、固态水：以固体的形式存在于岩石空隙之中。3、液态水：包括毛细水和重力水。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，矿井涌水等（主要的研究对象）。,4、结合水包括吸着水和薄膜水吸着水：水分子在岩石表层在强大的静电引力作用下被牢固地吸附在岩石颗粒表面，又称强结合水。（不受重力作用影响，不被植物吸收，不能自由运动）。薄膜水：包围在吸着水外层的水膜，又叫弱结合水，静电引力作用小。（有溶解能力，易被植物吸收）。结合水无论是强结合水还是弱结合水，其在岩石中的数量都是微不足道的，因此对矿井生产五影响，研究意义不大。5、矿物中的水存在与矿物内部的结晶水和结构水,7.1.3地下水的赋存7.1.3.1岩石的空隙性根据空隙的成因和结构，可将其划分三种类型：1、孔隙：松散岩石和未完全固结的沉积岩，岩石颗粒之间的空隙。孔隙度：孔隙体积Vn与包括孔隙在内的岩石体积V之比。用百分数表示：Kn=Vn/V100%决定因素：岩石颗粒的大小，形状，分选程度，排列方式、胶结程度和充填物的性质。,2、裂隙：由于受地壳运动或外力作用，坚硬岩层中的各种裂缝。裂隙度：裂隙体积Vt与包括裂隙在内的岩石总体积V之比。用百分数表示：Kt=Vt/V100%决定因素：岩石的性质，裂隙成因，岩石所在的构造部位，以及裂隙在形成过程中的各种自然因素。,3、喀斯特：又称岩溶，可溶性岩石中的洞穴。岩溶度：可溶性岩层中洞穴体积与包括岩溶洞穴在内的岩石总体和V之比。用百分数表示：Kk=Vk/V100%决定因素：可溶岩的成分，结构，地质构造，地貌特征和地下水的活动有关。,7.1.3.2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（重力水）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（水文地质主要的研究对象）。构成含水层的条件：土层或岩层有储存重力水的空隙；下伏有隔水层。隔水层：透水性能差（重力水）的岩层叫隔水层或叫不透水层。常见的岩石类型为：黏土，致密完整的页岩，岩浆岩和变质岩。,7.1.4地下水分类7.1.4.1按埋藏条件分类1、上层滞水：埋藏在离地表不深的包气带中局部隔水层之上的重力水。分布局限，水量少，季节性明显，对煤矿生产无影响。,2、潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上，具有自由水面的重力水。潜水的特征：（1）潜水的分布区和补给区是一致的。（2）潜水有一个自由水面，称为潜水面。潜水面上任意一点均受大气压力作用，而不承受静水压力，所以潜水是无压水。（3）潜水的水量、水位、水质均有明显的季节性变化。（4）潜水在重力作用下，始终由高水位向低水位不断运动。（5）潜水是矿井充水重要来源之一，必须重视。,3、承压水埋藏并充满两个稳定隔水层之间的，对顶板产生静水压力的含水层中的重力水。1）承压水特征：（1）承受静水压力；（2）补给区与排泄区不一致；（3）季节变化不明显。（4）承压水是矿井充水重要来源之一，需高度重视。,2）自流盆地：赋存承压水的向斜盆地。（1）补给区a：盆地四周位置较高处含水层出露的地带。（2）承压区b：含水层上部具有隔水层的地段。钻孔或水井揭穿顶板时，承压水便涌入孔内，并继续上升到一定高度后稳定，此时的水位承压水位。承压水位到隔水顶板面的距离承压水头H。两个隔水层之间的垂直距离含水层厚度M。3）自流斜地：赋存承压水的单斜构造。（1）由断层形成的自流斜地：,断层不导水：承压水无独立的排泄通道，当补给水量大于含水层所能容纳的水量时，含水层的水就通过补给区低洼区排泄，此时补给排泄区一致。断层导水：含水层通过断层排泄，断层与地表相交并形成泉。（2）含水层岩性变化形成自流斜地：含水层在低洼处有泉水出露,4）承压水的等水位线图:,7.1.4.3按含水层性质分类:1、孔隙水：赋存和运移在松散岩层中的底下水。岩土颗粒大而均匀，含水层空隙大，透水性好，水量大，流速快，水质好。反之.孔隙水对采矿的影响取决于空隙含水层厚度，岩层颗粒大小及其与煤层的相互关系。,2、裂隙水：埋藏在基岩裂隙中的地下水。1）按埋藏条件可形成上层滞水、潜水、承压水。2）赋存和运移取决于裂隙的性质（大小、数量、分布面积等）3）可分为：（1）风化裂隙：（2）成岩裂隙（3）构造裂隙（节理和断层）,3、喀斯特水：赋存和运移在可溶性岩石中的地下水。1）喀斯特水的特征水量大、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。,2）岩溶发育的层位：（1）质纯可溶性岩层。（2）可溶性岩层的断层部位。（3）可溶性与不可溶性岩层接触部位。（4）褶曲轴部。（5）可溶性岩层的浅部。（6）可溶性岩层产状急剧变化部位。,7.1.5地下水的物理性质和化学成分7.1.5.1地下水物理性质1、温度：变化大；0以下100以上（100？）2、颜色：决定与地下水化学成分与所含悬浮物质，地下水无色，含有某些化学成分或悬浮杂质时呈现不同的颜色。如含FeO为浅兰色，含Fe2O3为褐红色，含腐植质为黄褐色。,3、透明度：决定于固体和胶体悬浮物含量。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。4、气味：取决于水中化学成分和有机质。含H2S臭鸡蛋味含有机质鱼腥臭味,5、味：取决于水中化学成分。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：决定于水中所含盐分的多少。溶解较多盐分则密度可达1.21.3。,7.1.5.2地下水化学成分及其化学性质1、地下水中的主要化学成分：1）离子状态：H+Na+K+Mg+NH4+等阳离子；OH-、SO42-、HCO3、CO3等阴离子。2）化合物状态：FeO3、Al2O3等。3）气体状态：N2、CO2、O2、CH4、H2S等。4）地下水中分布最广的7种离子：Cl、SO42-、HCO3、Na+、K+、Ca2+、Mg2+地下水的化学类型分为：1）重碳酸钙型水：水中主要成分为HCO3-、Ca2+2）硫酸钠型水：水中主要成分为SO42-、Na+,2、地下水的化学性质：1）PH值：地下水按PH值划分：强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水饮用水96.58.52）水的硬度：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+的含量地下水按总硬度划分：（毫克当量/升）,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；,7.2矿井充水条件矿井充水：指矿井开采时，矿区范围内及其附近的各种来源的水，通过各种方式流入矿井的现象。矿井水：流入井筒、巷道和工作面的水。矿井充水条件：水源，通道，水量大小，动态变化，涌入特征。,一、矿井水的来源及其影响因素矿井水的水源：大气降水，地表水，地下水及老窑水。1、大气降水的渗入1）矿井涌水程度与降水大小、降水强度和持续时间有关。2）矿井涌水量有明显的季节性变化。3）大气降水渗入量随开采深度增加而减少。,2、地表水的渗入:地表水体包括：河流、湖泊、池沼、水库等。在评价地表水体时矿井充水影响时，需要考虑以下几个问题：其本身特点：距地表水体的距离，水体的大小，地层的渗透性，开采方式与煤层的相对关系：,3、地下水的渗入:有些矿体本身充满了地下水，这些水在开采时可以直接流入巷道，成为涌水水源。有些矿体本身不含水，但其围岩有较多的空隙并含有地下水，当巷道与空隙相通时，成为涌水的水源。静储量和动储量？主要的地下水包括孔隙水、裂隙水和喀斯特水。孔隙水：水量稳定，伴有流沙裂隙水:水量小，流速慢，水压大喀斯特水：水量大，水压高，来势猛，水量稳定，不易疏干，威胁大,4、老窑水的渗入采空区或废弃巷道，由于长期停止排水而积水的地下水称老窑水。老窑水的特点：水量大，来势猛，时间段，破坏性大。象地下水库，且浅部分布较多。分布无规则，准确位置不易确定。酸性大，多为强酸性水。,7.2.1.2影响涌水量大小的因素影响矿井涌水量大小的因素有：充水来源、充水通道、覆盖层岩性、围岩岩性、地形条件等。1、覆盖层及围岩岩性：2、地形条件：3、地质构造：4、开采方法：充填法与陷落法，,7.2.2矿井涌水通道分析1、岩石的孔隙这种通道往往存在于未成岩的松散沉积物中，其透水性能取决于孔隙的大小和形态，孔隙大涌水量就大。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。,2、岩石的裂隙风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙均能构成矿井涌水通道，构造裂隙包括：节理、断层和巨大的断裂破碎带。节理：脆性岩石中节理较发育，且为张性节理，透水性好，柔性岩石中节理细小，透水性差。断层：1）隔水断层；2）透水断层。断裂破碎带：具有较高的空隙，有利于突水。,3、岩石的溶隙岩石的溶隙是可溶性岩层被溶蚀而形成。岩溶区岩溶水的运动和岩溶溶洞的发育、分布,具有垂直分带性：包气带（I）：位于最高地下水位以上。水位季节变动带（）：位于高水位和低水位之间饱水带（）：处于地下水面以下。深部循环带（）：位于当地侵蚀基准面以下。,4、人工通道崩落法采煤造成的裂隙。钻孔造成的涌水通道。,7.3矿井水文地质观测与涌水量计算矿井水文地质观测包括地面水文观测和井下水文观测。,7.3.1.1地面水文地质观测地面水文地质观测的内容包括：气象观测、地表水观测和地下水观测等。1、气象观测：2、地表水观测：3、地下水观测：,7.3.1.2井下水文地质观测包括：巷道充水性和矿井涌水量的观测1、巷道充水性观测：（1）含水层观测（2）岩层裂隙发育调查观测（3）断裂构造观测（4）出水点观测（5）出水征兆观测（工作面）,2、矿井涌水量观测：1）观测要求观测点布置：各巷道排水沟出口处、主巷道排水沟流入水仓处、采区石门排水沟出口处、井下出水点并分水平观测。观测时间：一般每旬观测一次。水文复杂矿区则每旬2-3次，雨季次数应增加。,2）观测方法（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）。Q=v/t迎头水窝容积计算法:Q=FH/t（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：Q=FL/t,（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：矩形堰：梯形堰：（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；（6）水泵有效功率法：,堰测法：,HR型流速仪XY-1型多功能流速、流量监测仪,7.4矿井水的防治矿井水防治总体要求应坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，落实“防，堵，疏，排，截”综合治理措施。应在查明矿井地质、水文地质条件的基础上，因地制宜采取措施加以防治。应坚持先易后难，先近后远，先地面后井下，先重点后一般，地面与井下相结合，重点与一般相结合。应注意矿井水的综合利用，实现排供结合，保护矿区地下水资源。,7.4矿井水的防治7.4.1地面防水指在地表修筑排水工程，以防止或减少大气降水和地表水渗入井下。1、截水沟、水库与防洪堤位于山麓或山前的矿区，山洪或潜流的的侵袭，可淹没露天矿坑、井口和工业广场，或沿着采空塌陷区、含水层露头等大象渗漏造成矿井涌水。排（截）水沟的作用：拦截洪水和浅部地下水，并利用自然坡度将水引出矿区。也可采用防洪堤拦洪或修建水库进行蓄洪。,2、河流改道矿区内有河流通过，并严重影响矿井生产时，可对河流进行改道。河流改道工程一般工程量大，投资多，应通过技术经济比较后选用施工方案进行精心设计施工。设计时，应注意如下问题：保证经济合理，确保实效，坝址及人工河道应选择在隔水层上，必要时应进行河段防渗处理；人工河道坡度要合理，不宜过大或过小，以免冲刷或淤塞；人工河道的断面应能保证通过最大洪水量；旧河道要妥善处理；要考虑矿区发展远景和工农业布局，既要避免二次改道，又不要因改道影响矿区的工农业和生活用水。,3、整铺河床使用粘土，料石，水泥铺设不透水的人工河床。4、堵塞河道使用粘土，块石，水泥，钢筋混泥土等堵塞与井下有水力联系的坑道。,漏水河床(冲沟)铺底措施,整铺河床示意图1-灰岩；2-页岩；3-整铺后的人工河床,7.4.3井下防水7.4.3.1探放水：超前探放水（有疑必探，先探后掘）老空区、含水断层、含水层1）小窑老空区积水的探放确定老窑范围、划定“三线”:积水边界线：以其最深下山确定探水线：按积水范围可靠程度、积水量、水头压力、煤厚及倾角，沿积水边界线平行外推60-150m警戒线：沿探水线在平行外推50-150m,2）断层水及其可疑水源探放与探断层构造孔结合，查明：断层位置、产状、断层带宽度、充水情况、水力联系、静止压力、涌水量大小。,3）探放水钻孔的布设：（1）布置原则：其布置应以确保不漏古巷道，保证生产安全，而探水工作量又以最小为原则。(2）布置方式：在巷道中钻孔可以成平面上，也可以垂直面上。,2、断层水的探放断层是矿井充水的主要通道之一。需要探明断层及断层水的赋存条件，然后采取不同的措施。3、含水层水的探放三种情况探放影响采掘工作的顶板强含水层水；探放影响采掘工作的底板强含水层水；巷道穿越强含水层前的探放水。,7.4.3.2井下防水煤柱的留设：在受水害威胁的地段，预留一定宽度和厚度的煤层不采，使工作面的水体保持一定的距离，以防止地下水或其它水源馈入工作面，所留设的煤层防水煤柱。在矿区遇下列情况应留设防水煤柱：1）急倾斜煤层上覆含水层（疏松含水层）：2）煤层直接与含水丰富的岩层接触时。3）煤层被强含水层所掩盖时。4）巷道接近导水断层时。,7.4.3.3防水闸门和防水墙1、防水闸门在可能出现突水的井底车场、井下泵房、变电所等出入口处应设置防水闸门。2、防水墙某区段开采结束后，为隔绝有继续大量涌水可能的一种永久性封闭水建筑。多用圆柱形防水墙，因其能抗压，施工简易。,2、酸性水的防治1）形成条件：硫和富含游离氧的地下水存在是酸性水形成的必要条件。2）按硫酸根的含量，矿井水可分为三类：（1）无侵蚀性水SO4=（2）弱侵蚀性水SO4=250-800mg/g（3）强侵蚀性水SO4=800mg/g,3）防治措施：（1）分区排除酸性水：条件允许可单独建立排水系统，使酸性水中一次排除。（2）分级排除，降低扬程（3）中和酸性水：（4）冲淡酸性水：（5）利用牛皮罐代替水泵排酸性水。,3、地下暗河的防治1）形成：可溶性岩石，在受大降雨和地下水的溶蚀作用以后，便形成一些复杂的管道系统。2）分布规律：（1）只存在于灰岩、白云岩等可溶性岩石中。（2）受构造控制：如沿走向断层发育等。（3）受地形控制：从高处流向低处的特点。（4）多数暗河为一独立管道系统，与同一含水层的水力联系不密切。3）防治：（1）堵塞；（2）绕过；（3）截流；（4）断流。,5、井下截水建筑物的设置：1）水闸门：是预防井下突然涌水威胁矿井安全而设置的一种特殊闸门，它在正常情况下不妨碍运输、通风和排水，一旦发生水害时，将其关闭可控制水流，把水害控制在一定范围内，保证其它采区安全生产。2）水闸墙：可分为临时性水闸墙和永久性水闸墙。临时性水闸墙是用木料和砖料砌筑；永久性水闸墙为混凝土或采用钢筋混凝土。,7.4.4含水层的蔬干：1）吸水钻孔：将煤层上部含水层中的水通过钻孔放入下部含水层中。使用的条件是：（1）煤层下部含水层的水位低于煤层底板或煤层下部岩层干燥无水。（2）煤层下部含水层的吸水能力大于上部含水层的泄水量。2）放水钻孔：当煤层下部含水层水压很高，有突水危险时，常常采用此方法。,石门多含水层疏水,利用