露天采矿学 (12).ppt

第七章矿井水文地质与防治第一节地下水的基本知识第二节矿井充水条件第三节矿井水文地质观测及其水害的防治,,,,,,第七章矿井水文地质与防治水第一节地下水的基本知识一、有关概念1、大气水以气态（水汽）、液态（雨、云）和固态（雪、雹）存在于大气圈中的水。2、地表水以液态聚积在江、河、海、湖中以及以固态存在于两极及高寒地带的水。3、地下水以各种不同状态（气、液、固）存在于岩石空隙中的水。地下水具有分带性1）包气带岩石空隙未被水充满的地带。2）饱水带地下水面以下，岩石空隙被重力水全部充满的部分。二、水的循环大气降水分三部分,（1）一部分再度蒸发，回到大气中；（2）另一部分以地表迳流的形式汇入河流、湖泊，最后注入海洋；（3）还有一部分通过土壤或岩石空隙渗入到地下，形成地下水，地下水又以地下迳流或泉的形式汇入河流、湖泊或海洋。按其循环的范围不同，可分为两类型（1）大循环水在海洋和陆地之间，既整个地球范围内的循环。（2）小循环水在海洋或陆地各自范围内的循环。,,三、岩石的空隙性及水理性岩石的透水性岩石能被水透过的性质。透水层能透水的岩层。隔水层不能透水的岩层。含水层充满了地下水的透水层。（一）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KnVn/V1002、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KtVt/V100,3、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KkVk/V100（二）岩石的水理性1、容水性岩石空隙所能容纳水的性质。表示容水性能的指标叫容水度岩石所能容纳水的重量与岩石干燥时的重量比，用百分数表示，叫重量容水度。数值上等于岩石的孔隙度、裂隙度或岩溶度。2、持水性在自然条件下，岩石能保持一定水量的性能。3、给水性被水饱和了的岩石，在重力作用下，能自由排出重力水的性能。4、透水性岩石能使水透过本身的一种性能。表示岩石透水性能大下，用渗透系数（K）表示。,,四、地下水分类及特征（一）按埋藏条件分类1、上层滞水包气带中局部隔水层之上的重力水。一般只能作小型或暂时性供水水源，对矿山开发、建设几乎没有影响。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。,1）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。2）潜水面形状潜水面形状可用潜水等水位线图来表示。根据等水位线图可解决下列问题（1）确定潜水流向；（2）确定潜水的水力坡度，水力坡度沿水流方向上某线段上潜水位的高差与该线段水平距离的比值，I104100/AB（3）确定潜水与地表水的补给关系。（4）确定潜水埋藏深度。（5）确定引、排水工程的位置水井布置在地下水汇集的地方，排水沟应布置在垂直水流方向。,3、承压水埋藏并充满两个稳定隔水层之间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。,,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,,,ⅰ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。ⅱ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（二）地下水按含水层性质分类1、孔隙水赋存和运移在松散岩层中的底下水。1）广泛分布在第四纪和第三纪未胶结的沉积物中。2）按埋藏条件可形成上层滞水、潜水、承压水。3）赋存和运移取决于孔隙的大小和数量。4）重要的供水水源，需要解决煤矿生产中的水文地质问题。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）按裂隙产状可分为（1）层状水分布在区域构造中。ⅰ潜水广泛分布于区域基岩裂隙的地下水中，这种水的水量不大。ⅱ承压水如上面被隔水层覆盖，就形成承压水，水量不大。（2）脉状水分布断层及接触带中。3、岩溶水赋存和运移在可溶性岩石中的地下水。1）岩溶水的特征（1）灌入式的迅速补给；（2）管道式的畅通迳流；（3）暗河式的集中排泄。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。,,五、地下水的物理性质和化学成分（一）地下水物理性质1、温度地下水的温度与埋藏深度有关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。3、透明度决定于固体和胶体悬浮物含量。4、气味取决于水中化学成分和有机质。5、味取决于水中化学成分。6、比重决定于水中所含盐分的多少。,（二）地下水化学成分1、地下水中的主要化学成分1）离子状态HNaKMgNH4等阳离子；OH-、SO4、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、SO4、HCO3、Na、K、Ca、Mg2、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96.58.5,2）水的硬度地下水按总硬度划分（毫克当量/升）极软水软水微硬水（弱）硬水极硬水93总矿化度地下水所含各种离子、分子和化合物的总量，简称矿化度。（1）测量方法ⅰ实验室化学分析所得各种离子、分子、化合物总量相加。ⅱ加热105--110蒸干后剩下的残余物。（2）地下水按矿化度划分（克/升）,,六、地下水的天然露头,,按泉的形成方式划分,（一）下降泉由潜水含水层形成的泉,1、侵蚀下降泉河谷、冲沟切割潜水含水层形成。,,2、接触下降泉地形切割含水层下面隔水层，潜水从两者接触处，出露地表。,3、溢流下降泉岩石透水性变弱或隔水层底板隆起，潜水流动受阻而溢出地表。,（二）上升泉,由承压含水层形成的泉,1、侵蚀上升泉河谷、冲沟切穿承压含水层的隔水层顶板,2、断裂上升泉导水断层通过承压含水层，由于承压水水位较高，底下水沿着断层、裂隙上升溢出地表。,,第二节矿井充水条件矿井水流入井筒、巷道和工作面的水。矿井充水的主要因素水的来源、涌水通道和影响水量大小的因素，它们是计算涌水量、预测突水的重要依据。一、矿井水的来源（一）矿体及围岩空隙中的地下水有些矿体本身充满来哦地下水，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。（二）地表水地表水体包括河流、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1、其本身特点,2、与煤层的相对关系1）地表水体位于煤层之下，无影响。2）位于煤层之上，有影响，其影响大小取决于（1）二者的垂距；（2）地下水体的岩性组合。（三）大气降水渗入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。（四）老窑水采空区或废弃巷道，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1、象地下水库，且浅部分布较多。2、分布无规则，准确位置不易确定。3、酸性大，多为强酸性水。,,,二、矿井涌水通道分析（一）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。（二）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，其中风化裂隙、成岩裂隙所含水量不大，只有与其它水源连通时，才能使矿井充水，构造裂隙是矿井涌水和矿井突水的主要通道。构造裂隙包括节理、断层和巨大的断裂破碎带。1、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。2、断层1）隔水断层；2）透水断层。3、断裂破碎带具有较高的空隙，有利于突水。,（三）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1、包气带（I）位于最高地下水位以上。2、水位季节变动带（Ⅱ）位于高水位和低水位之间3、饱水带（Ⅲ）处于地下水面以下。4、深部循环带（Ⅳ）位于当地侵蚀基准面以下。（四）人工通道1、崩落法采煤造成的裂隙。2、钻孔造成的涌水通道。,,三、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、地质构造地质构造是影响矿井涌水量大小的重要因素。1）断裂面断裂面性质不同对涌水量打下的影响程度不同。（1）压性断裂面；（2）张性断裂面；（3）扭性断裂面。2）构造部位不同的构造部位对矿井涌水量影响程度不同。（1）断层产生的裂隙发育地段，对矿井涌水量影响大。（2）断层交叉点容易突水。（3）断层密度大的地段，岩石破碎、裂隙发育、易突水。（4）有些矿井断层上盘次一级的断裂较发育，突水性强。,,,四、地下水运动的基本规律（一）地下水的运动条件1、岩层必须透水。2、地下水面必须具有水力坡度。水力坡度沿水流方向上单位距离内的水位差。水力坡度式中h1--过水断面1处水位标高；h2--2处标高，L两断面距离（二）地下水运动状态1、层流水质点作连续运动，流束平行而不混杂。2、紊流水质点运动不连续，流束不平行而混杂。,（三）地下水运动的基本定律反映层流运动的基本定律叫达西定律。QKΔH/LKI式中Q单位时间的渗透流量，m3/s；K渗透系数，m/s；砂样过水断面面积，m2；L砂样长度，m。等式两边同除，上式变为Q/KIVKIV渗透速度，m/s,地下水的渗透速度，并不等于地下水在岩层中运动的实际速度，因为渗透速度VQ/，其中过水断面W包括岩石颗粒和空隙，实际上水流只通过岩石的空隙部分，因此不是实际的过水断面，实际的过水断面0n，n岩石空隙率，既在岩石或土壤中，单位体积所含空隙的量。实际流速uQ/0Q/n有Vnu∴n﹤1∵V﹥u既实际流速总是大于渗透速度。在式VKI中，当I1时，渗透系数在数值上等于渗透速度，渗透系数表示了岩石渗透性的好坏，透水性好的岩石，渗透系数值大，渗透系数是一个非常重要的概念。,（四）抽水实验1、地下水向井运动的基本规律1）潜水完整井涌水量计算潜水完整井开凿在潜水含水层中并打穿到隔水层底板。设井轴--OY隔水基底--OX流向井中任意断面上的流量，应符合达尔西定律QKI式中Idy/dxW2xy公式（1）、（2）中Q井的涌水量，米3/昼夜；K渗透系数，米/昼夜；H含水层厚度，米；h井中出水地段高度，米；S水位降深值，米；R影响半径，米；r井的半径，米。,,2）承压水完整井涌水量计算承压水完整井开凿在承压水含水层中并全部揭露含水层。推倒结果3）完整潜水自流井涌水量计算在承压含水层中，水位降深很大，井周围出现无压流，这种类型的井潜水自流井。推倒过程中分段（无压段、承压段）计算，结果为2、测定渗透系数K抽水试验是野外测定K值的准确方法，通过抽水测定Q、H、S、r值，影响半径根据观测孔实测的水位下降值，用图解法确定。,,,,第三节矿井水文地质观测及其水害的防治,一、矿井涌水量预计方法矿井涌水量单位时间内涌入矿井的水量。（一）巷道系统的水力学法,（二）水文地质比拟法1、单位面积、单位降深法这种方法是根据涌水量随开采密集、开采深度增加而增加的规律建立的关系式。如已知生产矿井的开采面积（A0），开采深度（S0）,总涌水量（Q0）。则单位面积，单位降深的涌水量q0Q0q0A0S0与生产矿区条件类似的新矿区的最大涌水量QpQpq0ApSp2、富水系数法同一时期矿井的排水量Q（吨）与开采量P（吨）之比，称为富水系数。KQ/PKp富水系数预计相似条件下，开采量为P′的设计矿井的涌水量Q′Q′KpP′,,二、矿井涌水量的测量方法（一）浮标法用于巷道排水沟测量的一种方法。Q0.8FV式中0.8阻力系数，F过水断面，V流速VL/tL浮标移动距离，t所用时间。（二）堰测法,理论公式矩形堰Q0.01838b-0.2hh3/2h水流高度b堰底宽度。矩形堰（三）容积法将巷道顶板或涌水钻孔的水流直接引入量水桶中，然后计算涌水量，其公式QV/tV量水桶体积t流满量水桶的时间。（四）观测水仓水位法计算公式,,三、矿井水的防治（一）地表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。地表防水的主要措施1、慎重选择井筒位置应保证在任何情况下，井口、地面设施不至于被水淹没。2、河流改道若矿区内河流通过并严重影响生产时，可考虑该方法。3、铺设不透水人工河床在河流不能改道时，可在漏水地段利用水泥等材料铺设不透水人工河床，或局部填塞裂隙以制止河水漏失。4、修筑排水沟5、堵漏对地表的裂隙、洞穴以及陷坑等漏水地段，用粘土填堵。,（二）井下防水1、老窑积水的探放探放老窑积水的工作程序1）调查老窑分布2）探水起点（1）积水线调查核定的采空区边界。（2）探水线积水线外推60-150m的一条线。其确定依据资料的可靠性、积水区水头压力和煤层厚度等条件。（3）警戒线探水线平行外推50-100m所圈定的一条线。,3）探水孔的起点（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）几个概念a超前距探水钻孔终孔位置超前掘进工作面的距离。b允许掘进距离经探水后证明无水害威胁，可以安全掘进的长度，一般为20米。c帮距探水钻孔一般不少于3个，一个为中心眼，d钻孔密度允许掘进距离的终点探水钻孔之间的间距。一般不大于古空老巷的尺寸。,3）布置方式在巷道中5个钻孔可以成平面上，也可以垂直面上。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SO4250--800mg/g（3）强侵蚀性水SO4800mg/g3）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。,4、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。,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。,6、含水层的疏干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。,（三）注浆堵水注浆堵水将浆液压入地层空隙，使其扩张、凝固硬化后，起到堵、截补给水源或加固地层的作用。1、注浆堵水的应用1）井筒地面预注浆2）井筒工作面预注浆3）井筒井壁注浆4）恢复被淹矿井,2、注浆材料注浆材料是注浆堵水及加固工程中的一个重要组成部分，它关系到注浆工艺、工期、成本及注浆效果。1）水玻璃一种胶状无机聚合物，具粘结性和胶结性,它能溶于水，又能硬化。其制造原料是纯石英砂和碳酸钠。描述水玻璃性能的重要指标“模数（n）”。mSO2克分子数/Na2O克分子数。一般为2.42.8为宜。2）水泥400-500普通硅酸盐水泥。3）水泥水玻璃的配比参考规程3、注浆设备1）注浆泵；2）搅拌机；3）混合器。4、注浆步骤1）、清渣；2）、堵缝埋管；3）、注浆。,,,思考题1、评价地表水体对矿井充水的影响时需要考虑哪些问题2、大气降水成为矿井涌水时有哪些规律3、老窑积水的特点4、影响矿井涌水量大小的因素有哪些5、地下水在饱水岩石中能够运动，必须具备的两个条件6、地下水运动的基本规律又叫什么其数学表示式。7、矿井涌水量有哪些预防方法8、矿井涌水量有哪些测量方法9、地表防水的措施有哪些10、酸性水的防治措施11、地下暗河的防治措施12、矿区在哪几种情况应留设防水煤柱13、含水层蔬干常用方法14、注浆堵水应用在哪些方面,,