专门水文地质学 (67).doc

吉林大学精品课专门水文地质学教材专门水文地质学 10.2矿床充水因素 矿体尤其是围岩中赋存地下水，这种现象称矿床充水。这些地下水及与之有联系的其它水源，在开采状态下造成矿坑的持续涌水。把水源矿坑的途径称充水通道。水源与通道构成了矿床充水的基本条件，其它各种因素只是通过对水源与通道的作用，影响矿坑涌水量的大小，称充水强度影响因素。如阳隔各种水源进入矿坑自然因素，扩大天然通道，产生新通道的采矿因素。水源、通道、强度影响因素，通称矿床充水因素，它们在充水过程中国，的不同组合，形成了不同的充水条件。其中，充水源的规模，充水通道的导水性以及导致采后发生变化的采矿因素，是矿床充水因素分析的重点。 充水因素分析，贯穿矿床勘探与开采的全过程，勘探阶段，主要根据矿床所处的自然环境及矿区水文地质条件，初步预测采后主要充水水源和通道，为矿坑涌水量的预测提供依据；开采阶段，充水因素分析更具体，可结合具体开采条件为解决矿坑充水水源和充水通道问题，所采取的防治措施提供依据。 一、充水水源 （一）降水 降水是地下水的重要补给水源，所有矿床充水都直接或间接与降水有关。有时降水还是唯一的充水水源，如位于当地侵蚀 以上的矿床和无地表水分布的矿区。研究降水对矿床充水的意义一是降水作为矿床水文地质分区要素的宏观影响；二是对以降水补给为主矿床的直接作用。如分水岭地段和地下水位变幅带内的矿床，矿床浅埋充水含水层基本裸露的矿床，西南高位岩溶管道充水的矿床；三是季节性降水对位于调蓄库容巨大的蓄水构造中矿床的影响。 1. 充水特征 降水量大小决定降水对矿床充水的根本原因，造成南方湿润多雨地区的矿床充水强度普通大于北方半干旱地区，而西北干旱地区的矿坑涌水量很小；降水入渗随矿体埋深而减弱，并出现涌水量迟后的特征；矿坑涌水量呈季节性周期变化，最大涌水量是正常涌水量的数十倍，如位于分水岭地段的湖 花岭多全属岩溶管道充水矿床，达30倍，矿坑出现突然涌水均与降水强度有关，一般出现在暴雨后数小时至数日内，矿坑淹井都发生在历史上最大降水量的丰水年。 2. 评价方法 分析降水的充水影响，首先要考虑矿体与当地侵蚀带和地下水的关系，以及地形的自然浅水条件，然后具体地分析矿体的埋深，入渗条件和汇水条件；矿坑涌水量预测的重点是丰水年雨季峰期的最大涌水量，预测方法常以均衡法为主，尤其是位于分水岭地区的矿床，其雨季地下水渗流场呈大起大落的垂向运动，与渗流理论的基本原理根本不符；降水入渗系数的获取，山区可通过小流场均衡试验实测或选用宏观经验值；平原地区一般根据降水量与地下水位的长期观测资料计算取得；也可引入近代数值方法，运用分布参数系统数值模型的调参求得入渗系数的平面分布值；在泉域地区还可采用描述地下水排浅量（泉流量）与降雨量关系的集中参数系统模型（里 ），求得整体泉域降水的有效补给量（入渗量）及其迟后特征，但是这些天然状态值的应用，要考虑采后的影响。 （二）地表水 位于矿区或矿区附近的地表水，往往成为矿坑水的重要充水水源，给采矿造成很大威胁。因此，地表水是矿床水文地质条件复杂程度划分的重要要素之一。 1. 充水特征与补给方式 地表水的规模及其矿体之间的距离，直接影响矿床的充水强度，一般地表水的规模愈大，距离愈近，威胁也愈大，反之则小；位于季节性河流附近的矿床，平时涌水量一般不大，仅在雨季地表水出流时需防洪；随采深增加，地表水的影响也会明显减弱。如湖南某矿，在河下50m处涌水量为3.36104m3/d，采深至120150时，平均涌水量仅0.35104m3/d。此外，若对矿坑排水管理不当，其回渗量也可成为矿坑水的重要来源，如湖南煤炭 煤矿，在治理前的一段时期内，其矿坑排水的下渗量占总涌水量的22.3。 地表水对矿床充水影响的强弱，取决于地表水对矿坑的补给方式 （1）渗透补给这种补给方式无大水矿床，其条件是充水围岩的裂隙为主，或水下分布弱透水层。前者如海下采矿的辽东华铜等矿，主要充水围岩是含微裂隙的前震旦系大理岩，岩层倾向海且上覆片岩隔水层，阻挡了海水的大量入侵，至上世纪60年代开采已伸入海岸200m，最大采深已在海平面以下693m，矿坑总涌水量1.74104m3/d，主要是断层和裂隙引入的第四系孔隙水，矿坑总涌水量1.74104m3/d，海水入渗量占总涌水量的9.8，约0.17104m3/d；后者如湖下采矿的大冶铜汞山矿，充水含水层为岩溶较发育的三迭系灰岩，但湖底分布粘土隔水层，矿坑涌水量仅0.89104m3/d。 （2）灌入式补给大多数发生在大水矿床中，如 ①海水从中奥陶系灰岩在海底的溶洞倒灌的辽东复州湾粘土矿上世纪80年代矿坑－105水平的实际涌水量5.11104m3/ d，数值法预测－105水平的涌水量为27.5104m3/d；② 河水沿疏干漏斗内河床二迭系茅口灰岩的岩溶坍隔坑回灌的湖南恩口煤矿，在1977、1980、1990三次暴雨中，两条河水断流，沿河床坍隔段回灌，矿坑水涌水量分别为0.5104m3/h、＞0.5104m3/h、24104m3/h；③ 河流通过强透水冲积层直接灌入的内蒙元宝山煤矿，数值法预测矿坑涌水量33104m3/h。 2. 评价方法 对地表水补给条件的评价，应从上述两种补给方式的基本条件入手，分析河水通过导水通道灌入矿坑的可能性。一是地表水与充水围岩之间有无覆盖层及其隔水条件；二是开采状态下有无出现导水通道的条件，如覆盖层变薄或尖灭形成“天窗”、断裂破碎带、地古坍隔、顶板崩落等。此外，应利用一切技术手段掌握地表水与充水围岩之间的水力联系程度，如抽水试验、地下水动态成因分析、实测河段入渗量、或用数值法反演计算不同河段的入渗量等。但是准确评价大型地表水的充水强度是很困难的，往往直至矿井开采结束前都在观测研究地表水溃入的可能性。 在地表水下采矿时一般要采用保护顶板稳定性的采矿方法，如充填采矿法、支撑采矿法等，有的矿床也只能暂时放弃。 （三）地下水 地下水是矿坑涌水的直接来源，造成矿坑涌水的含水层称充水含水层（或充水围岩）。同时它还是其它水源作为充水层的补给源进入矿坑的主要途径。因此，研究矿区地下水实际是研究含水层的充水条件。 1. 充水特征 充水含水层的空隙性决定矿床的充水强度。空隙是矿床水文地质分类的依据。在宏观上岩溶充水矿床最强；裂隙充水矿床最弱；孔隙充水矿床居中。我国的大水矿床（指矿坑涌水量＞10104m3/d）多数为岩溶充水矿床。 充水含水层与矿体的接触关系决定了矿坑的进水条件，是直接进水或间接进水。充水含水层的规模及其补给径流条件，影响矿坑涌水量大水和动态。规模大、补给径流条件好，矿坑涌水量大而稳定；反之，涌水量隨排水逐年减小，易疏干；此外，开采初期矿坑涌水量受储存量影响大；后期则主要反映充水含水层的补给径流条件。 我国威胁最大的充水含水层依次是北方中奥陶系灰岩；南方二迭系茅口灰岩和石炭系壶天灰岩，共同特点是质纯厚度大、岩溶发育，90的大水矿床分布其中。 2. 评价方法 对充水含水层的研究与评价，除传统的方法外，最有效的技术方法是抽水试验。对于一般的充水矿床，常通过1至数个典型地段的抽水试验，查清典型地段含水层的水文地质条件，获取充水含水层的代表性水动力参数及涌水量与水位降的统计关系，作为评价其富水性及补给径流条件的依据，并为解析法和数理统计方法等矿坑涌水量预测方法提供基本数据。对于水文地质条件复杂的矿床，上世纪70年代以来，我国普遍采用大流量、大降深、大口径大范围的大型群孔抽水试验，从整体上揭示充水含水层的结构特征及其补给、径流、排浅条件，作为充水条件评价的依据，大大提高了对大水矿床的勘探与评价的水平。 （四）老空水 老空水是指被废弃矿坑和淹没的生产井巷中的积水，是矿区浅部采矿常见的充水水源。老空水涌水一般来势凶猛，醱性大、并含有害气体玫携带块石，破坏性大；同时，老空水涌水还可成为其它水源涌入矿坑的通道，此时危害更大。老空水因年代久远，分布范围不清，调查困难。老空水的调查很重要，主要通过调查编制老空水空间分布 ，划分危险区，估计容积水量，查清与其它水源的联系。 除上述几种主要水源外，玄武岩中的同生、次生洞穴，煤矿中因煤层自然形成的空洞均充满积水，虽然储存量不大，有时也会对开采造成不良影响，尤其是当它们成为导水通道时，因此也应给予一定的关注。 二、充水通道 充水水源矿坑的途径千差万别，仅对矿坑构成直接威胁的溃科式导水通道作一讨论。 （一）构造断裂带 1. 充水特征 对于不同类型的充水矿床，断裂带的充水意义各不相同。裂隙充水矿床因其富水性弱，断裂带中的地下水有时是矿坑的主要充水来源；岩溶充水矿床断裂带本身是否富水意义不大，重要的是它的充水作用。断层的充水作用因其在矿区的分布位置而异。如 （1）隔水断层一般为压性断层或断裂带被粘土质充填。隔水断层分布在充水含水层内时，常分割充水含水层的水力联系，但强烈的采矿活动可使其转化为导水断裂带；若分布在边界上，能阻止区域地下水的补给；当切穿顶底板隔水层时，会降低其隔水性，在开采条件下可造成顶板或底板的突水。 （2）导水断层边界的导水断层起充水含水层接受区域地下水补给的通道作用；矿区内断层与地表水连通时，常成为地表水溃入矿坑的导水通道；充水含水层内的导水断层，井巷通过时涌水量增大，也可产生溃水。 （3）不同规模的断层，在矿床充水中的意义各有不同规模大的断层一般组成矿田的天然国国边界或井田的人为边界，控制矿床或矿坑的地下水补给径流条件，影响矿坑涌水量大小；分布在矿区内的中小断层或区域性构造裂隙带，是矿坑顶底突水中最多见的突水通道，在华北石炭二迭系煤田中占突水事故的50以上。 断层是否成为矿坑溃入式导水通道，取决于断层的性质与采矿活动的方式和强度。采矿活动中，由隔水断层转化为导水断裂带的现象并不少见。 2. 评价方法 对断裂带导水作用的调查研究，是矿床水文地质工作的重点。应从其自身水文地质特性入手，查清断层不同部位的导水性及其与力学性质，两侧地层岩性变化的关系，在此基础上根据断层的分布位置，结合开采条件评价其充水作用是作为沟通充水含水层与其它水源之间联系的间接充水作用，还是导致矿坑大量突然涌水的直接通道作用。后者是关键，勘探时常需投入大量勘探与试验工程，并利用各种技术方法综合评价其导水控水作用，如钻探、坑探、物探、抽水试验以及地下水水位，水化学，动态等特征的对比分析。 （二）岩溶坍隔与“天窗” 1. 基本概念与充水特征 岩溶坍隔是指覆盖于充水（或空气）空间之上的土层，因外力（抽、放水、暴雨）作用瞬间坍落，先期存在的岩溶网隙为容纳和运移坍落物质提供了必要的空间条件，它是岩溶动力地质作用的结果，与非可溶岩中产生的坍隔不同。其形成过程首先是网隙上复土层在地下水变动带内 崩解脱落，然后土层物质受流动地下水转移成大洞，并逐渐扩大使土洞顶板变薄，最后在自然和人为作用下洞顶向下临落。岩溶坍隔是岩溶充水矿床严重的水文地质工程地质问题，它不仅造成突发性矿坑溃水，同时破坏地面多种设施，导致河水断流，破坏水资源。我国岩溶坍隔集中发生在南方溶洞充水矿床中，北方溶隙充水矿床仅占1.8。 “天窗”是指岩溶充水含水层与上覆冲积层之间的未胶结、半胶结地层，因沉积相变成河谷下切而变薄甚至消失，导致充水含水层与上覆第四系含水层的直接接触，形成导水“天窗”。天然状态下，“天窗”是充水含水层地下水排浅通道，也是岩溶坍隔的有利部位。如山东莱芜铁矿，1995年中奥陶灰岩中的大型疏干工程放水试验，最大放水量10.6104m3/d，平均水位降59.04 m，地面出现岩溶坍隔27处，其中位于汶河及其支流的覆盖层变薄处占88.9共24处。一旦“天窗形成坍隔，其补给方式立即由渗透补给演变为集中渗入式补给，因此，在充水意义上，“天窗”只是研究岩溶坍隔成因的重要因素之一。 2. 成因与分布规律 岩溶坍陷的形成受三要素控制，即可溶岩浅部岩溶发育；上覆盖层薄而松散；水动力场发生急剧变化。其分布规律是地下水降落漏斗范围内；构造断裂及裂隙密集带；河床及沿岸；地面低洼长年积水或岩溶水排泄带；可溶岩与非可溶岩接触带，岩溶水位在覆盖层附近等地段。 岩溶坍的成因极复杂，但主要发生在抽、排水过程中，据目前研究抽、排水的影响至少有下裂七个方面①水位下降失托增薄；②真空吸鉵；③浸泡软化层受鉵；④散解；⑤水击；⑥鉵增强；⑦水的搬运加速等，均由水位变动引起，并且只有水位在基岩与土体接触界面或土洞顶板，侧壁之间变动时才产生作用，若水位静止，作用便消失或趋向弱值，因此矿床开采时，限制矿坑疏干引起的水位波动幅度，是减轻岩溶坍陷发生的重要措施。 2. 预测方法 据上所述，研究岩溶坍陷最有效的方法，是利用抽、排水和暴雨过程，观测岩溶坍陷的分布规律和形成发展过程及与抽、排水、暴雨的流场变化关系，并根据坍陷形成三要素建立预测模型，预测发展趋势。预测方法有 （1）地质分析法综合历史与现状，根据岩溶发育的地质背景条件与内外动力因素，预测开采状态下的发展趋势； （2）多元逐步回归分析将坍陷强度（因变量）与影响因素（自变量）用编回归方程组成统计量，通过两者之间的 程度检验，确定关系密切的自变量进入回归方程，建立预测模型； （3）经验公式如利用抽、放水试验，建立坍陷范围（或强度）与水位的降的关系式。 （三）岩溶陷落柱 指石炭二迭系煤系地层下伏中奥陶碳酸盐中的古洞、裂坍陷的柱体。它与现代岩溶坍陷不同，是石膏岩溶产物，灰岩中硬石膏因水解膨胀，使上覆坚硬岩层受挤压破碎坍落充填而成。主要分布在煤层底板厚度灰岩古剥鉵面附近，仅晋、鲁、冀、陕、豫、苏六省45个矿区就发现2875个，最大的空间体积有3104m3,最分布密度70个/km2（山西西山煤矿）。多数岩溶陷落柱无水，只有少数因坍落物疏松，或在地震影响下充填物与围岩产生相对位移，成为导水通道，突水时水量大、来势凶、酿成灾害。如河北开 范多庄煤矿，井深400 m，遇一高280 m，直径60 m的巨在陷落柱，最大突水量2053 m3/min，含水层水位下降51.44 m，影响超过20km，突水后产生坍陷17处，周围供水井全部失去供水能力。此外，河北井 煤矿，陷落柱的分布与突水点重合，并与现代地下径流方向一致。 （四）采空区上方冒裂带 1. 基本概念与突水特征 当采矿形成大面积采空区后，原始应力平衡受破坏，采空区顶板在集中应力的作用下，岩层破裂冒落，在采空区上方依次产生无规则冒落带、导水裂隙带和变化微弱的整体移动带，并在地面形成坍陷。上述分带规律在岩层缓倾的矿区较完整，并与崩落采矿法有关。冒落带和导水裂隙带统称为冒裂带。当冒裂带达到上覆地面水源时，将造成突水。因此冒落带和导水裂隙带的最大高度，是在强含水层或地表水下采矿时，是确保安全采深或开采上限的重要依据。 2. 预测方法 冒落带和导水裂隙带最大高度的计算，因影响因素十分复杂与不确定，至今无理论公式，也因与采矿方法直接相关，故是矿山设计与采矿部门的工作，目前国内外通常根据实际观测资料，给出冒裂带厚度与有关影响因素之间的关系曲线，建立经验公式。勘探阶段冒裂带最大高度的计算，目的是作为充水因素宏观分析的依据。常用的计算方法是前苏联的半经验公式（此公式对倾斜矿层不适宜） 式中H1冒落带最大高度（m）； H2导水裂隙带最大高度（m）； M矿层厚度或采厚（m）； 矿层倾角； K岩石碎胀系数，是指顶底岩层冒落碎胀后的体积和未冒落前原岩体积之比（页岩为1.151.35；砂岩为1.21.4；砂岩为1.31.6）。 （五）隔水底板与突水通道 当采空区位于高压富水的岩溶含水层上方时，在矿山压力和底板承压水压力水头的作用下，岩溶水会突破采空区底板隔水层的薄弱地段涌入矿坑。因此，隔水层的薄弱地段，可初视为不同于其它导水通道的另类。 1. 隔水底板突水通道的形成条件 ① 首先要有富水性强的充水含水层，大突水点均分布在岩溶发育的强径带上；② 矿坑底板长期处于高水头的压力下；③ 隔水底板厚度变薄或裂隙了育的地段是突水高发的薄弱地段，据统计5090以上的突水点与断裂有关；④ 矿山压力是诱发底板突水的外力，其作用有一过程，少则数天，多则数月，甚至多年。如河北开滦煤矿赵各庄九水平有一石门风道，开拓后12年无突水迹象，1972.3.3在东 Ⅲ断层处出现淋水，5日开始涌水，水量1.08 m3/min，至15日突水量最大值达52.7 m3/min，并随流冲击矿石175 m3，还伴有冲击地压。 2. 预测方法 底板突水对我国主要煤炭生产基地的石炭二迭系煤田（上世纪90指导年代产量占全国一半以上）威胁极大。但底板突水预测的难度很大，至今仍无理想的方法，勘探阶段均用半经验公式－突水至数值法计算，满足充水因素分析要求。 式中突水系数（）； P隔水层承受的水压力（）； M隔水层厚度m； 考虑到隔水层岩性与强度因素，计算时M应采用等效厚度。即以砂岩每米所能承受的水压力0.1为强度单位，砂质页岩为0.07，粘土质页岩为0.05，断层为0.035，计算时将不同岩性隔水层换算成同等的等效隔水层厚度； 为矿山压力对底板的破坏厚度（m）。根据峰峰、焦作、淄博等六矿区的统计，突水系数（即突水相对临界值）一般为0.660.72，超过此值就可能发生突水。勘探阶段就是采用经验突水相对临界值，作为充水因素分析的依据。底板突水预测步骤如下 （1）编制底板岩溶含水层等水压线图（在图上划分富水性分区，圈定强径流带位置与范围）； （2）编制矿区隔水层底板等高线图； （3）编制隔水层水压等值线图（由1、2图相减而得）； （4）编制等效隔水层等厚线图（在图上圈定隔水层被断层切割破坏的地段）； （5）编制矿区底板隔水层比水压等值线图（即每米隔水层厚度所承受的水压值，由3、4图相除得）； （6）确定勘探矿区突水系数，因勘探矿区尚无突水实际资料，可通过相似性分析评估，采用突水系数的经验作为预测依据； （7）根据（6）确定的突水系数（突相对临界值），在（5）图中圈定可能发生突水的地段，还应包括因断层破坏的隔水危险区，并按（1）图的富水性分区预测突水强度。 （六）封闭不良或未封闭钻孔 若对各种完工的钻孔处置不当，可成为沟通各水源涌入矿坑的直接通道，因内外均有钻孔突水淹矿的记录，因此要求对每口已完工的钻孔进行严格的封孔止水。一是为保护矿体免遭氧化破坏；二是防止地下水或其它水源的直接入渗大矿坑。 导水通道在充水过程中的突发性、复杂性、灾害性是它的重要意义所在，三者相互依存，在大水矿床开采中得到最完整的体现。我国大水矿床的主要突水通道各异，北方以底板突水为主，南方以场面坍陷为主，它们均与断裂有关。因此，断裂岩溶坍陷，底板突水通道是研究重点。 三、采矿活动 采矿活动对矿床充水的影响是十分巨大和明显的。采矿产生的矿山压力，造成矿层顶板冒落与底板隔水层的破坏，使矿坑与主要充水含水层或其它水源的直接接触；矿山压力也使一些隔水断层“复活”变成导水通道；同时，矿坑排水改变充水层的补给、径流、排泄条件，使排泄区的地下水回流与境外其它水源沿排泄区进入矿区，造成排泄区及其下游地区水资源的枯竭；排水产生的地面坍陷，改变了矿床的开闭程度。试想一个河床坍陷坑的地表水倒流量可能比数十km2裸露面积的降水入渗量对矿坑的威胁更大；此外，排水还产生流砂等水文地质工程地质问题。可以说，所有主要水通道的形成均与采矿活动有关。 （一）矿山压力采 指采矿形成的采空区，破坏了矿区顶底天然的均衡受力状态，在上覆岩层的重力作用下出现顶板下沉、破碎、冒落；底板膨胀，底鼓出现采动裂隙，这种造成岩层变化的力，称矿山压力。矿山压力隨采空区的采深和面积的扩大而增强，是造成顶底板突水的基本要素。 采空区顶板冒落一般从顶板弯曲、产生裂隙开始，最终崩落，其过程由下而上一层一层的冒落，直到填满整个采空区，并在冒落带上方形成导水裂隙和岩层的整体移动。我国煤矿冒落带高度一般是煤层厚度的23倍，全别可达8倍以上，如辽宁阜新煤矿。 采空区底板的弯形破坏，一般隨采矿工作面的推进，呈现出采前压缩、采后膨胀、采后再压缩和采后定等变形过程。从研究采矿压力与突水关系出发，压缩区膨胀的分界线上岩层受剪切力最大，底鼓和采动裂隙发育，尤其是在采面推进方向的前方剪切线是底板最薄弱的位置，是突水点集中分布的位置。 （二）矿山排水 矿山排水形成采矿井巷为中心的地下水降落漏斗，并隨采空面积和采深的增加而不断延展，有的岩溶充水矿床其疏干影响距离可超过数十km，并彻底改变区域水文地质背景条件和矿床的充水条件。具体影响如 （1）改变充水含水层的渗透性疏干漏斗范围内地下水力坡度与流速增大，含水层的充填物被冲刷、流失、原始的空隙结构遭破坏，1977年开始的岩溶充水矿山回访调查表明，矿坑排水量大的多数岩溶充水矿山的主要充水含水层的渗透性有所增大，影响矿坑涌水量预测精度。 （2）破坏地表入渗条件疏干漏斗范围内的地表覆盖层遭不同程度的破坏，地表入渗条件增强，一些岩溶充水矿山调查表明，疏干前降水、融雪大多流泄地表，排水后基本入渗地下。 （3）扩大矿床的充水含水层，转移天然补给边界在长期疏干状态下，下伏区域含水层中的地下水会通过对疏干层的补给涌入矿坑，造成充水含水层的扩大；此外，隨疏干漏斗的不断外延，矿床的自然边界逐渐失去供水作用，境外新水源隨之进入矿区。如湘中县口煤矿，主要充水含水层为底板下茅口与栖霞灰岩，地表壶天河、小碧河、隨河自东向西横切矿区，天然状态下矿区与东部壶天河之间存在地下分水岭，充水含水层是茅口灰岩，勘探时以壶天河与水碧河为定水头补给边界，1966年建井至1982年，发现东部地下水分水岭已基本消失，下部栖霞灰岩地下水已进入疏范围，西部疏干漏斗已跨越水碧河以西2000多米，并能继续向西涟水河方向扩展。在滨海地区则隨疏干漏斗的发展造成海水倒流，如辽东复州湾粘土矿。