矿床水文地质及水害防治理论

1、8 8 矿床水文地质与水害防治理论矿床水文地质与水害防治理论 主要内容主要内容8.1 影响矿床充水的因素8.2 矿床水文地质分类 8.3 矿坑涌水量预测 8.4 矿井水的防治 8.5 水体(承压水)上开采8.1影响矿床充水的因素1 1影响矿床充水的自然因素影响矿床充水的自然因素1)1)大气降水大气降水 大气降水是地下水的主要补给来源，因此在多数矿区也大气降水是地下水的主要补给来源，因此在多数矿区也是矿井水的主要来源，有时还是唯一的来源。是矿井水的主要来源，有时还是唯一的来源。 当矿井的主要充水来源为大气降水时，一般具有以下三当矿井的主要充水来源为大气降水时，一般具有以下三方面的特征：方面的特征

2、：区域性特征区域性特征季节性特点季节性特点影响随深度减弱影响随深度减弱8.1影响矿床充水的因素1 1影响矿床充水的自然因素影响矿床充水的自然因素2)2)地形地形 地形直接影响矿井水的汇集和排泄条件，是控地形直接影响矿井水的汇集和排泄条件，是控制矿井涌水量大小和疏干难易程度的主要因素之制矿井涌水量大小和疏干难易程度的主要因素之一。8.1影响矿床充水的因素1 1影响矿床充水的自然因素影响矿床充水的自然因素 3) 3)地表水地表水 地表水渗入矿井的途径是；通过第四系松散砂砾层地表水渗入矿井的途径是；通过第四系松散砂砾层及基岩露头，先渗入补给地下水，而后在适当条件下渗及基岩露头，先渗入补给地下水，而后

3、在适当条件下渗入矿井；通过老窑直接渗入矿井；洪水期直接通过地表入矿井；通过老窑直接渗入矿井；洪水期直接通过地表低洼处的井巷灌入井下；地表水体下采煤，岩层移动产低洼处的井巷灌入井下；地表水体下采煤，岩层移动产生的导水裂隙与地表水沟通。生的导水裂隙与地表水沟通。8.1影响矿床充水的因素地表水渗入矿坑的几种途径 8.1影响矿床充水的因素 地表水能否渗入井下及渗入量的大小，取地表水能否渗入井下及渗入量的大小，取决于以下因素：决于以下因素：(1)(1)地表水体的性质和规模地表水体的性质和规模(2)(2)地表水体与井巷之间岩石的透水性地表水体与井巷之间岩石的透水性(3)(3)矿井或采掘工作面距地表水体的远

4、近矿井或采掘工作面距地表水体的远近(4)(4)采矿方法的影响采矿方法的影响8.1影响矿床充水的因素 举例：山东省不少煤矿，尤其是淄博、举例：山东省不少煤矿，尤其是淄博、枣庄、新汶等老矿区，受河流、水库（积水枣庄、新汶等老矿区，受河流、水库（积水坑）等地表水体以及雨季洪水的威胁，历史坑）等地表水体以及雨季洪水的威胁，历史上曾多次发生过地表水（含雨季洪水）通过上曾多次发生过地表水（含雨季洪水）通过井眼、矿井安全出口、采后塌陷坑、煤系含井眼、矿井安全出口、采后塌陷坑、煤系含水层露头、喀斯特岩溶塌陷等直接或间接地水层露头、喀斯特岩溶塌陷等直接或间接地透入矿井而造成事故。透入矿井而造成事故。 坑道突水较

5、严重的省份是：坑道突水较严重的省份是：山西山西、山东山东、安徽安徽、江西、广东、广西、河南，此外、江西、广东、广西、河南，此外吉吉林林、江苏、浙江、四川等省、江苏、浙江、四川等省(区区)也较为严也较为严重。重。8.1影响矿床充水的因素4)充水岩层的特征充水岩层的特征(1)充水岩层的含水空间特征充水岩层的含水空间特征孔隙含水层孔隙含水层：当井筒穿过松散孔隙含水层时，常发生孔隙水和流当井筒穿过松散孔隙含水层时，常发生孔隙水和流砂层溃入事故。砂层溃入事故。 开采位于松散沉积层中的矿床或部分中生代沉积物开采位于松散沉积层中的矿床或部分中生代沉积物中的矿床时，含水砂层中水及流砂的溃入。中的矿床时，含水砂

6、层中水及流砂的溃入。 在松散含水层下采矿时，随着顶板岩层的冒落，也在松散含水层下采矿时，随着顶板岩层的冒落，也会产生孔隙水和流砂溃入矿井的事故。会产生孔隙水和流砂溃入矿井的事故。8.1影响矿床充水的因素裂隙含水层裂隙含水层常构成矿床的围岩，是采矿中最经常揭露的常构成矿床的围岩，是采矿中最经常揭露的含水层。涌水特点通常是水压大、水量小。当裂隙含水含水层。涌水特点通常是水压大、水量小。当裂隙含水层与其它水源无联系时，多数矿井的涌水量随时间而减层与其它水源无联系时，多数矿井的涌水量随时间而减小。当裂隙含水层与较水大源有联系时，也会造成淹井小。当裂隙含水层与较水大源有联系时，也会造成淹井事故。事故。岩

7、溶含水层岩溶含水层含水较丰富，往往是某些矿井充水或灾害性含水较丰富，往往是某些矿井充水或灾害性突水的水源。这类水源突水的特点，一般是水量大、来突水的水源。这类水源突水的特点，一般是水量大、来势猛、水压高、涌水量稳定而不易疏干。势猛、水压高、涌水量稳定而不易疏干。8.1影响矿床充水的因素直接充水含水层直接充水含水层是指露天坑或矿井巷道直接揭露的是指露天坑或矿井巷道直接揭露的含水层，或通过矿床开采后形成的冒落带、巷道底含水层，或通过矿床开采后形成的冒落带、巷道底鼓裂隙等直接对矿井或露天坑充水的含水层。直接鼓裂隙等直接对矿井或露天坑充水的含水层。直接充水含水层决定矿井涌水量的大小。充水含水层决定矿井

8、涌水量的大小。间接充水含水层间接充水含水层是指与直接充水含水层有水力联系，是指与直接充水含水层有水力联系，并通过直接充水含水层向矿井充水的含水层。间接并通过直接充水含水层向矿井充水的含水层。间接充水含水层是直接充水含水层的补给水源，决定矿充水含水层是直接充水含水层的补给水源，决定矿井涌水量的持续时间和变化趋势。井涌水量的持续时间和变化趋势。8.1影响矿床充水的因素8.1影响矿床充水的因素岩溶陷落柱是由于底部石灰岩中岩溶充分发育所引起的顶部灰岩及上覆非可溶岩层向下塌陷所形成的锥状或柱状堆积体，俗称无煤柱。8.1影响矿床充水的因素(2)充水岩层的分布面积和厚度充水岩层的分布面积和厚度 在其它条件相

9、同的情况下，充水岩层的分布面在其它条件相同的情况下，充水岩层的分布面积和厚度越大，其中储存的水量就越多，矿井涌水积和厚度越大，其中储存的水量就越多，矿井涌水量也越大，反之，则小。量也越大，反之，则小。(3)充水岩层的边界条件充水岩层的边界条件 充水岩层的边界，决定其补给来源的好坏。充水岩层的边界，决定其补给来源的好坏。 8.1影响矿床充水的因素5)5)地质构造地质构造(1)(1)褶曲的类型和规模决定地下水储存量的大小。褶曲的类型和规模决定地下水储存量的大小。(2)(2)断裂构造是地下水进入矿井的良好通道。断裂构造是地下水进入矿井的良好通道。 隔水断裂 导水断裂 (3)(3)地震地震1980年峰

10、峰二矿2671 工作面突水示意图，是因断层面导水而导致工作面突水的典型例子。最大突水量1310m3h，造成两个采煤工作面和两个掘进工作面被淹。 8.1影响矿床充水的因素2 2影响矿床充水的人为因素影响矿床充水的人为因素1)1)老窑积水老窑积水 由老窑积水造成的突水，一般有以下特点；由老窑积水造成的突水，一般有以下特点；短时间内可以有很大的水量，来势猛，猝不及防时具有短时间内可以有很大的水量，来势猛，猝不及防时具有一定的破坏性；一定的破坏性；水中含有大量具腐蚀性的化学成分，易于腐蚀矿井设备水中含有大量具腐蚀性的化学成分，易于腐蚀矿井设备；与其它水源无联系时，易于疏干；若与其它水源有联系与其它水源

11、无联系时，易于疏干；若与其它水源有联系时，则可造成量大而稳定的涌水，危害较大。时，则可造成量大而稳定的涌水，危害较大。8.1影响矿床充水的因素2 2影响矿床充水的人为因素影响矿床充水的人为因素2)2)封闭不良的旧钻孔封闭不良的旧钻孔新汶良庄煤矿1962年土Om水平三采区11煤层下山掘进中，遇35号钻孔发生突水的地质结构剖面图。此次突水来势猛，最大突水量达288m3h ，稳定水量在72m3h , 给矿井带来了巨大损失。 8.1影响矿床充水的因素3)3)采掘工作对顶底板岩层的破坏采掘工作对顶底板岩层的破坏(1)(1)采掘工作对顶板岩层的破坏采掘工作对顶板岩层的破坏冒落带冒落带裂隙带裂隙带弯曲带弯曲

12、带8.1影响矿床充水的因素徐 州 青 山 泉 矿 二 号 井徐 州 青 山 泉 矿 二 号 井1961年在年在-120m水平泵房水平泵房施工中，因顶板垮落而施工中，因顶板垮落而导通上覆第九层灰岩水导通上覆第九层灰岩水突水的地质结构示意图，突水的地质结构示意图，当 时 最 大 突 水 量 达当 时 最 大 突 水 量 达1620m3h，淹没了整个，淹没了整个-120m水平。水平。8.1影响矿床充水的因素(2)(2)采掘工作对底板岩层采掘工作对底板岩层的破坏的破坏 承压水造成底板破坏承压水造成底板破坏的机理比较复杂。一般认的机理比较复杂。一般认为，底板突水是地质因素为，底板突水是地质因素( (矿层

13、与底板含水层之间矿层与底板含水层之间相对隔水层的性质与厚相对隔水层的性质与厚度度) )、水文地质因素、水文地质因素( (底板底板含水层静水压力含水层静水压力) )与采矿与采矿活动产生的矿山压力综合活动产生的矿山压力综合作用的结果。作用的结果。 h2h3h1破 坏 带保 护 带导 升 带a( a )h2h1h3保 护 带破 坏 带导 升 带断 层 带（ b ）h1h2h（ c ）h48.1影响矿床充水的因素4)4)岩溶塌陷岩溶塌陷8.1影响矿床充水的因素4)4)岩溶塌陷岩溶塌陷 岩溶塌陷的形成受岩溶塌陷的形成受3个要素控制：个要素控制： （1）可溶岩浅部岩溶发育）可溶岩浅部岩溶发育 （2）上覆盖

14、层薄而松散）上覆盖层薄而松散 （3）水动力场发生急剧变化）水动力场发生急剧变化8.1影响矿床充水的因素u 充水条件分析充水条件分析 是根据矿区的自然地理、地质和水文地质是根据矿区的自然地理、地质和水文地质资料，对影响矿床资料，对影响矿床( (或矿井或矿井) )充水的各种因素逐充水的各种因素逐一地进行分析，从而找出采掘过程中造成矿井一地进行分析，从而找出采掘过程中造成矿井充水的主要水源及通道，并进一步根据它们的充水的主要水源及通道，并进一步根据它们的特点，确定矿井的充水程度。特点，确定矿井的充水程度。8.1影响矿床充水的因素u矿井充水程度：矿井充水程度：(1)矿井涌水量矿井涌水量 矿井涌水量指单

15、位时间内流入矿井巷道的水矿井涌水量指单位时间内流入矿井巷道的水量，称为矿井涌水量，通常以量，称为矿井涌水量，通常以Q表示，根据矿井表示，根据矿井涌水量大小，可将矿床的充水程度划分为：涌水量大小，可将矿床的充水程度划分为： 充水弱的矿井充水弱的矿井(Q1000m3/h)。 近年来，人们习惯把涌水量大于近年来，人们习惯把涌水量大于105m3/d的矿的矿井称为大水矿井。井称为大水矿井。8.1影响矿床充水的因素(2)含水系数含水系数 含水系数又称富水系数，指一定时间内从矿含水系数又称富水系数，指一定时间内从矿井中排出的水量与同时期内采出的有用矿产产井中排出的水量与同时期内采出的有用矿产产量的比值，以量

16、的比值，以KB表示。表示。 含水系数常被人们认为是矿井的相对涌水量。含水系数常被人们认为是矿井的相对涌水量。根据含水系数的大小，可将矿井充水程度划分根据含水系数的大小，可将矿井充水程度划分为：为：充水弱的矿井充水弱的矿井(KB10)。8.2矿床水文地质分类1 1矿床水文地质类型划分概述矿床水文地质类型划分概述 目的：目的：一是一是生产上可依据同类型矿床具有相生产上可依据同类型矿床具有相似性的原理，预估新勘探或新开采矿床的水文地质似性的原理，预估新勘探或新开采矿床的水文地质特征，以指导矿床水文地质调查、矿床评价和开采特征，以指导矿床水文地质调查、矿床评价和开采工作；工作； 二是二是从理论上探讨各

17、类型矿床的水文地质规从理论上探讨各类型矿床的水文地质规律，为采矿中利用和改造矿床水文地质条件提供科律，为采矿中利用和改造矿床水文地质条件提供科学依据，以推动矿床水文地质学科的发展。学依据，以推动矿床水文地质学科的发展。 8.2矿床水文地质分类 目前使用的目前使用的矿区水文地质工程地质普查勘矿区水文地质工程地质普查勘探规范探规范，依据岩性分为，依据岩性分为孔隙水、裂隙水和岩孔隙水、裂隙水和岩溶水三类溶水三类充水矿床；对于岩溶充水矿床根据岩充水矿床；对于岩溶充水矿床根据岩溶发育的形态及特征进一步划分；最后按水文溶发育的形态及特征进一步划分；最后按水文地质条件的复杂程度，划分为地质条件的复杂程度，划

18、分为简单的、中等的简单的、中等的和复杂的。和复杂的。 8.2矿床水文地质分类2 2主要矿床水文地质类型的基本特征主要矿床水文地质类型的基本特征 1) 1)以岩溶水充水为主的矿床以岩溶水充水为主的矿床可按岩溶形态划分为可按岩溶形态划分为3个亚类：个亚类：以溶隙充水为主的矿床以溶隙充水为主的矿床以溶洞充水为主的矿床以溶洞充水为主的矿床 以暗河管道充水为主的矿床以暗河管道充水为主的矿床8.2矿床水文地质分类岩溶充水矿床的基本特征：岩溶充水矿床的基本特征： (1) (1)各矿区由最发育的岩溶形态控制着岩溶各矿区由最发育的岩溶形态控制着岩溶水的赋存特征。北方主要以奥陶系裂隙岩溶最水的赋存特征。北方主要以

19、奥陶系裂隙岩溶最富水；南方矿床以二叠系溶洞水充水为主；西富水；南方矿床以二叠系溶洞水充水为主；西南地区以泥盆系南地区以泥盆系 三叠系岩溶管道充水者居多。三叠系岩溶管道充水者居多。 (2) (2)矿床所处构造类型、部位、规模及其破矿床所处构造类型、部位、规模及其破坏程度，影响着岩溶发育的强度和矿床的富水坏程度，影响着岩溶发育的强度和矿床的富水程度。程度。8.2矿床水文地质分类 (3) (3)岩溶发育不均匀，决定了岩溶水的不均岩溶发育不均匀，决定了岩溶水的不均匀，导致矿井涌水量大小不等。匀，导致矿井涌水量大小不等。 (4) (4)北方的裂隙岩溶水多具有统一的地下水北方的裂隙岩溶水多具有统一的地下水

20、面，各含水层段彼此连通性好，矿床疏干时地面，各含水层段彼此连通性好，矿床疏干时地下水位多呈平盘式下降；南方的溶洞水，赋存下水位多呈平盘式下降；南方的溶洞水，赋存在大大小小的溶洞中，彼此通过裂隙或溶隙沟在大大小小的溶洞中，彼此通过裂隙或溶隙沟通，不同部位各具有不同的水力特征，相互联通，不同部位各具有不同的水力特征，相互联系通常较北方型弱；西南地区的暗河管道流，系通常较北方型弱；西南地区的暗河管道流，多各自孤立而不具有统一的地下水面。多各自孤立而不具有统一的地下水面。 8.2矿床水文地质分类查明的地质及水文地质问题主要有：查明的地质及水文地质问题主要有： (1) (1)对矿床分布范围内的地层，尤其

21、以碳酸对矿床分布范围内的地层，尤其以碳酸盐岩地层和近矿顶底板层位，要分层研究其岩盐岩地层和近矿顶底板层位，要分层研究其岩性、结构以及各层之间的组合关系；性、结构以及各层之间的组合关系； (2) (2)研究矿床所处的地质构造类型、具体部研究矿床所处的地质构造类型、具体部位及其特征，研究地层中原生和次生裂隙的发位及其特征，研究地层中原生和次生裂隙的发育规律，寻找破碎部位及构造控水条件；育规律，寻找破碎部位及构造控水条件； (3) (3)研究岩溶发育规律；研究岩溶发育规律；8.2矿床水文地质分类 (4) (4)全面研究矿区内岩溶水的赋存条件；全面研究矿区内岩溶水的赋存条件； (5) (5)对大泉的形

22、成条件、水量进行观测，探对大泉的形成条件、水量进行观测，探讨矿床开采后泉水的变化；对与矿井有联系的讨矿床开采后泉水的变化；对与矿井有联系的地下河系和能进入井巷的地表水进行研究；地下河系和能进入井巷的地表水进行研究； (6) (6)对矿床充水系统内现有的供水、排水状对矿床充水系统内现有的供水、排水状况与地下水动态进行分析，对突水和疏干条件况与地下水动态进行分析，对突水和疏干条件以及引起的环境地质问题作现状评价和预测。以及引起的环境地质问题作现状评价和预测。 8.2矿床水文地质分类 2) 2)以裂隙水充水为主的矿床本类型矿床以裂隙水充水为主的矿床本类型矿床 多属于水文地质条件简单、少数为中等至复多

23、属于水文地质条件简单、少数为中等至复杂的矿床。应查明：杂的矿床。应查明： (1) (1)矿体及围岩的岩性，原生和次生裂隙的矿体及围岩的岩性，原生和次生裂隙的分布规律；对矿区分布的断裂带作重点研究，分布规律；对矿区分布的断裂带作重点研究，分析其力学性质、两盘岩性、破碎带宽度、充分析其力学性质、两盘岩性、破碎带宽度、充填物特征及胶结情况；判断断裂的活动历史，填物特征及胶结情况；判断断裂的活动历史，注意新断裂的水文地质特征；注意新断裂的水文地质特征；8.2矿床水文地质分类 (2) (2)分析各岩层的含水性，确定裂隙含水层分析各岩层的含水性，确定裂隙含水层( (体体) )的埋藏分布规律；研究充水层的补

24、给、径的埋藏分布规律；研究充水层的补给、径流、排泄条件，分析断裂带作为水源或通道的流、排泄条件，分析断裂带作为水源或通道的条件；条件； (3) (3)调查矿床和各充水层的水质和富水性，调查矿床和各充水层的水质和富水性，预测矿井涌水量及开采后的环境地质问题；预测矿井涌水量及开采后的环境地质问题； (4) (4)研究矿区风化带的深度和风化程度，分研究矿区风化带的深度和风化程度，分析降水和地表水入渗条件和入渗量。析降水和地表水入渗条件和入渗量。 8.2矿床水文地质分类3)3)以孔隙水充水为主的矿床此类矿床以孔隙水充水为主的矿床此类矿床调查时应查明：调查时应查明： (1) (1)各松散层的成因类型、颗

25、粒成分与结构、各松散层的成因类型、颗粒成分与结构、胶结物及胶结程度，顶底板的隔透水性、厚度胶结物及胶结程度，顶底板的隔透水性、厚度及其变化；及其变化； (2) (2)各层的含水性，主要充水层的边界条件各层的含水性，主要充水层的边界条件及水质特征；及水质特征；8.2矿床水文地质分类 (3) (3)确定孔隙水与地表水及基岩水间的水力联确定孔隙水与地表水及基岩水间的水力联系的地段、联系程度及补给排泄关系；系的地段、联系程度及补给排泄关系； (4) (4)查明地貌、新构造运动对充水层的控制；查明地貌、新构造运动对充水层的控制； (5) (5)预测矿井涌水量，评价供、排矛盾；预测矿井涌水量，评价供、排矛

26、盾； (6) (6)研究流沙层的形成、分布，疏干和进入井研究流沙层的形成、分布，疏干和进入井巷的可能性。巷的可能性。 8.3 矿坑涌水量预测一概述一概述 (1)(1)预测矿坑正常涌水量：预测矿坑正常涌水量：即开采系统达到某一标高即开采系统达到某一标高( (水水平或阶段平或阶段) )时，正常状态下相对稳定时的总涌水量，通时，正常状态下相对稳定时的总涌水量，通常为平水年的涌水量。常为平水年的涌水量。(2)(2)预测矿坑最大涌水量：预测矿坑最大涌水量：指正常状态下开采系统在丰指正常状态下开采系统在丰水年雨季的最大涌水量。水年雨季的最大涌水量。(3)(3)预测开拓井巷涌水量：预测开拓井巷涌水量：指开拓

27、各类井巷过程中的涌指开拓各类井巷过程中的涌水量。水量。(4)(4)预测疏干工程排水量：预测疏干工程排水量：指在设计疏干时间内，将水指在设计疏干时间内，将水位降至某规定标高时的疏干排水量。位降至某规定标高时的疏干排水量。 8.3 矿坑涌水量预测矿坑涌水量预测大致有以下三个步骤：矿坑涌水量预测大致有以下三个步骤： (1) (1)建立预测矿坑涌水量的水文地质模型建立预测矿坑涌水量的水文地质模型 (2) (2)建立相应的数学模型建立相应的数学模型 (3) (3)代入参数解算数学模型，并对解算结果进行代入参数解算数学模型，并对解算结果进行分析评价分析评价 8.3 矿坑涌水量预测矿坑涌水量预测的特点矿坑涌

28、水量预测的特点（1）以疏干丰水期的最大涌水量为目标）以疏干丰水期的最大涌水量为目标（2）评价与预测的定量化难度大）评价与预测的定量化难度大（3）不确定因素多）不确定因素多（4）矿坑涌水量预测多为大降深下推）矿坑涌水量预测多为大降深下推（5）预测所需的信息量相对少而不完整）预测所需的信息量相对少而不完整8.3 矿坑涌水量预测二、矿坑涌水量预测的方法二、矿坑涌水量预测的方法 预测矿坑涌水量的方法很多，归纳起来可预测矿坑涌水量的方法很多，归纳起来可分为：相关比拟法、解析法、水均衡法、数值分为：相关比拟法、解析法、水均衡法、数值法、电模拟法等。法、电模拟法等。 8.3 矿坑涌水量预测1)1)水文地质比

29、拟法水文地质比拟法 是利用地质、水文地质条件相似、开采方是利用地质、水文地质条件相似、开采方法基本相同的生产矿井法基本相同的生产矿井( (或采区或工作面或巷或采区或工作面或巷道系统道系统) )的排水或涌水量观测资料，分析研究的排水或涌水量观测资料，分析研究涌水量与生产因素的关系，建立经验公式，来涌水量与生产因素的关系，建立经验公式，来预测设计矿井预测设计矿井( (或同矿井设计采区或工作面、或同矿井设计采区或工作面、巷道系统巷道系统) )的涌水量。的涌水量。 8.3 矿坑涌水量预测1)1)水文地质比拟法水文地质比拟法 该法的前提是新矿井该法的前提是新矿井( (或采区、工作面、巷道或采区、工作面、

30、巷道系统系统) )与老矿井与老矿井( (或采区、工作面、巷道系统或采区、工作面、巷道系统) )的条的条件应基本相似，老矿井件应基本相似，老矿井( (或采区、工作面、巷道系或采区、工作面、巷道系统统) )要有长期的水量观测资料以及生产方面的观测要有长期的水量观测资料以及生产方面的观测资料，以保证涌水量与影响因素之间数学表达式资料，以保证涌水量与影响因素之间数学表达式的可靠程度。的可靠程度。 8.3 矿坑涌水量预测 1)1)水文地质比拟法水文地质比拟法 (1)富水系数法富水系数法 富水系数是指同一时期富水系数是指同一时期(通常为一年通常为一年)矿井的排水矿井的排水量量Q0(m3/h)与开采量与开采

31、量P0(万吨万吨)的比值，以的比值，以KP表示，即表示，即 00PQKP预计相似条件，开采量为P的设计矿井的涌水量Q为 00PPQPKQP8.3 矿坑涌水量预测(2)单位涌水量法单位涌水量法 是考虑到疏干面积是考虑到疏干面积F0与水位降深与水位降深s0是矿井是矿井涌水量涌水量Q0变化的两个主要影响因素，根据生产变化的两个主要影响因素，根据生产矿井矿井(采区或水平采区或水平)有关资料求得单位涌水量有关资料求得单位涌水量q0，作为预计类似条件下新矿井作为预计类似条件下新矿井(采区或水平采区或水平)在某在某开采面积开采面积F和水位降深和水位降深s条件下涌水量条件下涌水量Q的依据的依据的一种方法。的一

32、种方法。8.3 矿坑涌水量预测单位涌水量的计算公式为单位涌水量的计算公式为其物理含义是：矿井涌水量随开采深度和开采面积的其物理含义是：矿井涌水量随开采深度和开采面积的增大而线性增加，单位涌水量为单位开采面积和单位增大而线性增加，单位涌水量为单位开采面积和单位水位降深的涌水量。水位降深的涌水量。类似条件下新矿井类似条件下新矿井(新水平或新采区新水平或新采区)，可按下式计算，可按下式计算涌水量：涌水量： 0000sFQq 0000sFFsQFsqQ8.3 矿坑涌水量预测上式的使用条件：涌水量与开采面积和水位降深成正上式的使用条件：涌水量与开采面积和水位降深成正比。如果不成正比关系，则采用下式：比。

33、如果不成正比关系，则采用下式：nmssFFQQ0000000sFFsQFsqQ式中，式中，m、n待定系数，由实际观测资料利用最小待定系数，由实际观测资料利用最小二乘法确定。二乘法确定。 8.3 矿坑涌水量预测2)Q-s曲线法（涌水量曲线方程法）曲线法（涌水量曲线方程法） (1)Q-s曲线类型及其相应的方程曲线类型及其相应的方程 由抽由抽(放放)水试验所绘制的水试验所绘制的Q-s曲线，由于受各种因素的影响而有曲线，由于受各种因素的影响而有不同的类型，但归纳起来大致有四种：直线、抛物线、幂函数不同的类型，但归纳起来大致有四种：直线、抛物线、幂函数曲线、对数曲线及不正确曲线型曲线、对数曲线及不正确曲

34、线型一般资料不可靠VsbaQIVsaQIIIbQaQsIIqsQIblg28.3 矿坑涌水量预测(2)Q-s(2)Q-s曲线特征及其有关影响因素曲线特征及其有关影响因素 不同的水文地质条件有不同类型的Q-s曲线抽(放)水试验降深大小影响Q-s曲线特征抽(放)水井结构影响Q-s曲线特征 8.3 矿坑涌水量预测(3)Qs曲线的判别伸直法 将曲线方程通过坐标变化转化为直线方程，并以直线方程中的两个相对应的变量建立坐标系，把抽(放)水试验的涌水量与相应的水位降深资料，分别投到上述的四种曲线类型各自的直线方程坐标系中，看是否能成为直线分布。 8.3 矿坑涌水量预测曲度法取任意两个降深的抽(放)水试验资料

35、按下式计算曲度n： 1212lglglglgQQssn当n=1时，Q-s方程为直线型；当1n2时，为对数曲线型；当n45 时，按竖井井筒公式计算，时，按竖井井筒公式计算，含水层的厚度或水头取最大值；当巷道倾斜度含水层的厚度或水头取最大值；当巷道倾斜度 安全水头安全水头H安安时则不安全，反之则安时则不安全，反之则安全。全。8.5 水体(承压水)上开采 3)水体上开采突水机制的理论研究(2)突水系数式中 M隔水底板各分层厚度，m；mi各分层等效厚度换算系数；Cp底板破坏深度，m。 CpMmPTsi8.5 水体(承压水)上开采 3)水体上开采突水机制的理论研究(3)其他理论 煤科总院北京开采所刘天泉

36、院士等的薄板结构理论及王作宇等的“零位破坏”和“原位张裂”概念；中国矿大钱鸣高院士等的“关键层”(Ks)理论；中科院地质所的“强渗透通道”学说；西安分院的“岩水应力耦合”学说及山东科技大学李白英等提出的“下三带”理论。8.5 水体(承压水)上开采 2“下三带下三带”理论理论的概念的概念 从煤层底面至含水层顶面分为：底板导水破坏带(h1)；保护层带(h2)；承压水导升带(h3)。h2h3h1破 坏 带保 护 带导 升 带a( a )h2h1h3保 护 带破 坏 带导 升 带断 层 带（ b ）h1h2h（ c ）h42“下三带下三带”理论的概念理论的概念1)第1带(h1)底板导水破坏带 一般存有

37、一般存有3种裂隙：种裂隙：u(1)竖向张裂隙竖向张裂隙 分布在紧靠煤层的底板最上部，是底板膨胀时层向张力破分布在紧靠煤层的底板最上部，是底板膨胀时层向张力破坏所形成的张裂隙。坏所形成的张裂隙。u(2)层向裂隙层向裂隙 一般在底板浅部较发育，是在采煤工作面推进过程中底一般在底板浅部较发育，是在采煤工作面推进过程中底板受矿压作用而压缩板受矿压作用而压缩膨胀膨胀再压缩反向位移沿层向薄弱结再压缩反向位移沿层向薄弱结构面离层所致。构面离层所致。u(3)剪切裂隙剪切裂隙 一般为两组，以一般为两组，以60左右为主，分别反向交叉分布。这左右为主，分别反向交叉分布。这是由采空区与煤壁岩层反向受力剪切形成的。是由

38、采空区与煤壁岩层反向受力剪切形成的。2“下三带下三带”理论的概念理论的概念2)第第带带(h2)保护层带保护层带(完整岩层带或阻水带完整岩层带或阻水带) 保护层带是指底板岩层保持采前的完整状态及其原有阻保护层带是指底板岩层保持采前的完整状态及其原有阻水性能基本不变的部分。称其为有效保护层带或阻水带。为水性能基本不变的部分。称其为有效保护层带或阻水带。为安全起见，将其与第安全起见，将其与第1、带下、上界面之间的最小法线距离带下、上界面之间的最小法线距离称为保护层厚度。称为保护层厚度。2“下三带下三带”理论的概念理论的概念3)第第带带(h3)承压水导升带承压水导升带 承压水可沿含水层顶面以上隔水岩层

39、中的裂隙导升，导承压水可沿含水层顶面以上隔水岩层中的裂隙导升，导升承压水的充水裂隙分布的范围称为承压水导升带。升承压水的充水裂隙分布的范围称为承压水导升带。其上部边界至含水层顶面的最大法线距离称含水层的原始导其上部边界至含水层顶面的最大法线距离称含水层的原始导升高度升高度h3，简称承压水原始导高。，简称承压水原始导高。8.5 水体(承压水)上开采 3.确定“下三带”数据的观测与计算方法1)底板导水破坏深度的观测与计算(1)现场试验观测法 主要采用底板钻孔注放水试验法，其次可辅助钻孔岩移及某些物探方法综合测试(如声波、电磁波法、钻孔超声成像等)，试验方法获取的结果可靠。8.5 水体(承压水)上开

40、采 3.确定“下三带”数据的观测与计算方法1)底板导水破坏深度的观测与计算(2)室内模拟实验观测法(3)经验公式法hl0.7007+0.1079L或h10.0085H+0.1664a+0.1079L+4.3579式中 h1底板导水破坏深度，m；L开采工作面斜长，m；H开采深度，m；开采煤层倾角，()8.5 水体(承压水)上开采 2)承压水导升带高度的确定现场探测一般可采用物探和钻探方法确定。 3)有效保护层带厚度计算及其阻水能力的确定 (1)有效保护层带厚度计算 h2h-(hl+h3)式中 h2有效保护层带厚度，m；h隔水层总厚度，m；h1、h3分别为底板导水破坏深度及承压水导升高度，m。8.

41、5 水体(承压水)上开采 3)有效保护层带厚度计算及其阻水能力的确定 (2)有效保护层带阻水能力计算及安全性突水系数法 Ts=P/(M-Cp) P隔水层承受的水压，隔水层承受的水压，MPa；M底板隔水层厚度，底板隔水层厚度，m；Cp采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，m。一些矿区突水系数经验值：一些矿区突水系数经验值：8.5 水体(承压水)上开采 阻水系数法由现场钻孔水力压裂法实测的单位底板隔水岩层的平均阻水能力，其表达式为 zPb/ R式中 Z阻水系数，内涵是MPa/m；R裂缝扩展半径，由现场测得，也可取经验值，一般可取4050m；Pb岩体破裂压力，与地应力和岩体

42、抗张强度有关： Pb= 3h-H+T-P02hZhZZii总8.5 水体(承压水)上开采 基于阻水系数法的安全行评价原则： 一是隔水岩层破裂压力一是隔水岩层破裂压力(Pb)大于水压大于水压(PW)则水压则水压不具备压裂条件，故安全；不具备压裂条件，故安全； 二是若破裂压力二是若破裂压力(Pb)小于水压小于水压(PW)则再用水压则再用水压(PW)与有效保护层总阻水能力与有效保护层总阻水能力(Z总总)比较，若比较，若Z总总PW则则安全，若安全，若Z总总PW则不安全。则不安全。Z总总等于各分层阻水系数等于各分层阻水系数Zi乘以各分层有效保护层厚度乘以各分层有效保护层厚度(hi)之和，即：之和，即：2hZhZZii总8.5 水体(承压水)上开采 不同岩层一般阻水能力可考虑： 中、粗粒砂岩为0.30.5MPa/m、细砂岩约0.3MPa/m左右、粉砂岩约0.2MPa/m左右、泥岩0.10.3MPa/m、石灰岩约0.4MPa/m。断层带因其中充填物质性质及胶结密实程度不同，其阻水能力变化很大，按弱强度充填物考虑，其阻水能力为(0.050.10)MPa。4、“下三带”理论的应