1、煤矿地质学宋党育宋党育资源环境学院资源环境学院1第七章 矿井水文地质第一节 地下水的基本知识第二节 矿井充水条件第三节 矿井水文地质的观测与预测第四节 矿井水的防治2一、自然界中水的循环 自然界中水的组成：海水（咸水），淡水（冰川、河湖和地下水）。 自然界中大气水、地表水和地下水是统一水体，它们之间存在着内在联系和不断相互转化的循环过程。 水循环 水通过水圈、大气圈、岩石圈和生物圈处于连续不断地循环运动的过程，称为水循环。 水循环包括内陆循环、海陆循环、海洋循环。第一节 地下水的基本知识3水的循环示意图第一节 地下水的基本知识4水的循环示意图第一节 地下水的基本知识56 水循环意义a.使大气圈
2、、水圈、岩石圈和生物圈之间不断地进行着能量交换和物质迁移。b.使大气降水、地表水、地下水、土壤水之间相互转化，使水资源形成不断更新的统一系统。 7二、地下水 地下水是指埋藏在地表以下，储存在岩石空隙中的水。他主要以气态水、吸着水、薄膜水、毛细水和重力水几种形式存在于岩石中。对煤矿生产安全造成影响的是重力水。 第一节 地下水的基本知识8三、含水层与隔水层1. 含水层（带） 地下岩层空隙中，储存有在重力作用下可以自由流动的水，称含水层（带）。连通的空隙、隔水地质条件和补给水源。2. 隔水层（带） 有些岩层的空隙不发育，不透水。 含水层与隔水层在空间上是互为依赖，相伴共存，从而构成含水地质结构，因为
3、有不透水的隔水界面，含水层才能赋存地下水。第一节 地下水的基本知识9四、地下水的分类 （一）按地下水的埋藏条件分类 1. 上层滞水 是指埋藏在离地表不深的饱气带中局部隔水层上的重力水，储量小。第一节 地下水的基本知识102. 潜水 是位于第一个稳定隔水层以上，且具有自由水面的重力水。其水面是起伏不平的面，称为潜水面。 潜水主要由大气降水和地表水补给。多数情况下，补给区与分布区一致。所以潜水的埋藏深度及含水层厚度经常是变化的，而且变化范围较大，其中以气候、地形的影响最为显著。 对采矿工作来说，潜水对建井及露天开采的影响较大，对地下开采影响较小。第一节 地下水的基本知识11潜水的特征：A）潜水直接
4、接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给；B）潜水面不承受静水压力；C）在重力作用下，由高向底流动，称潜水流；D）潜水的埋深因地而异，与水位、水量变化有关。第一节 地下水的基本知识12第一节 地下水的基本知识133. 承压水（自流水） 是埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水，其运动受上下隔水层的约束和水压的作用，通常是从补给区流向排泄区。第一节 地下水的基本知识14承压水的特征：A）承压水具有静水压力；B）以侧向补给位主，因此补给区与分布区不一致；C）承压水迳流严格受隔水层控制，其埋藏分布主要取决于地质构造；D）承压水的动态受降水、蒸发、水文等因素影响，但不如潜水显著，水位变化幅度小，一般
5、有滞后性；F）由于有连续的隔水层的覆盖，承压水不易污染第一节 地下水的基本知识15第一节 地下水的基本知识16 在承压水区，当断裂或人工打井穿过其上面的隔水层时，承压水即可上涌，如出水口低于水源区，就会出现自流井(泉)。第一节 地下水的基本知识1718（二）按含水层空隙性质分类 1. 孔隙水 是指存在于疏松岩层的孔隙中的水。2. 裂隙水 是赋存和运动于基岩裂隙中的地下水。3. 岩溶水 是储存和运动于可溶蚀裂隙和溶洞中的地下水。第一节 地下水的基本知识导水性好补给充沛风化裂隙成岩裂隙构造裂隙1920一、地下水的来源1. 大气降水 是露天矿的直接充水水源，是地下采煤的间接充水水源。第二节 矿井充水
6、条件大气降水对矿井充水强度与涌水量年降水量降水性质地形煤层埋深覆盖岩层的透水性212.地表水 分布在井田范围或附近的地表水，可能成为矿井充水水源；第二节 矿井充水条件地表水的性质和规模；地表水体与矿井间的充水通道，其随矿井开采方式和采煤方式的不同而变化；223.含水层水 是矿井的最经常和最主要的充水水源，多数情况：大气降水、地表水 含水层 矿井。4.老窑水 是早期或近期的采空区及废弃巷道，长期停止排水而积存的地下水。老窑水的特点： 1）像地下水库，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。第二节 矿井充水条件23第二节 矿井充水条件影响因素矿井充水含水层的
7、类型充水含水层厚度与分布含水层的补给条件与蓄水构造类型空隙性富水性导水性静水压力含水层厚度越大、分布越广、储量越丰富、疏干越不易；向斜轴部大静水压力小含水层与煤层的关系煤层下部含水层煤层上方含水层 塌陷情况距离遇断层巷道揭露245.断层水 断层破碎带，常是地下水良好聚集场所和通道。断层水对矿井的影响，主要是由于巷道揭露或由采掘活动破坏了围岩的隔水性能造成断层带的水涌入井下； 断层水主要特点：其静储量不大，但往往与地表水、高压强含水层沟通，对矿井生产造成巨大威胁； 断层有时使煤层与富水性很强的岩溶水对口相接；或者由于断层的存在碰坏了岩层的完整性，因而降低了岩层的强度，这些常使矿井水文地质条件复杂
8、化。 第二节 矿井充水条件25二、矿井涌水通道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。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，其中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。3.岩石的溶隙 岩石的溶隙是可溶性岩层被溶蚀而形成。第二节 矿井充水条件26 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()：位于高水位和低水位之间3）饱水带()：处于地下水面以下。4）深部循环带()：位于当地侵蚀基准
9、面以下。4.人工通道1）钻孔造成的涌水通道。2）采矿活动造成的断裂。第二节 矿井充水条件27第二节 矿井充水条件28三、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 有一定厚度(5m)且稳定的弱透水或隔水层可有效阻挡水的渗入。2.地形条件 取决于开采深度与当地侵蚀基准面的关系。3.地质构造 地质构造是影响矿井涌水量大小的重要因素。第二节 矿井充水条件291）断裂面（1）压性断裂面；（2）张性断裂面；（3）扭性断裂面。2）构造部位（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
10、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。第二节 矿井充水条件30第二节 矿井充水条件31 正确的预测和计算未来井巷及采区的涌水量大小，是一项重要而复杂的工作。它对煤田的技术经济评价有很大的影响，并且也是开采设计部门选择采掘方案，制定疏干措施，确定排水设备的主要依据。 一、地下水的运动1.地下水的运动条件第三节 矿井水文地质的观测与预测地下水的运动条件地下水面必须具有水力坡度岩层必须透水 运动速度及水量 必备条件 岩石透水性 地下水水位差 32水力坡度：沿水流方向上单位距离内的水位差。I 水力坡度；H1 过水断面1处水位标高；H2 过水断面2
11、处水位标高；L 两断面间的距离。第三节 矿井水文地质的观测与预测332.地下水的运动状态 第三节 矿井水文地质的观测与预测地下水的运动状态 紊流：水流质点运动不连续，流束混杂而不平行；层流：水流质点运动连续不断，流束平行而不混杂；343.地下水的运动规律 反映层流运动的基本定律叫达尔西定律：其中：Q渗透流量（m3/s）； K渗透系数（m/s）； H水位差（m）； L岩样长度（m）； 过水断面积。第三节 矿井水文地质的观测与预测35二、矿井水文地质观测1.巷道充水性观测 充水性反映矿井水文地质条件的复杂情况：1）含水层观测：厚度、岩性、裂隙和岩溶情况、标高、含水量、水压 2）岩层裂隙发育调查及观
12、测3）断裂构造观测4）出水点观测：出水量、原因、水源5）出水征兆观测：潮湿、淋水、顶底板变形、膨胀第三节 矿井水文地质的观测与预测362.矿井涌水量观测1）矿井涌水量 单位时间内涌入矿井的水量（m3/h）。2）观测方法（1）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，公式：Q = V/t V量水桶体积； t流满量水桶的时间。第三节 矿井水文地质的观测与预测37（2）浮标法 用于巷道排水沟测量的一种方法。 Q =0.85FV 式中：0.85阻力系数； F过水断面面积(m2)； V流速(m/s)，V =L/t ； L浮标移动距离(m)； t所用时间(s)。第三节 矿井水文地
13、质的观测与预测38（3）堰测法 使排水沟的水通过固定形状的堰口，通过测量堰口的水头高度计算流量。a. 三角堰式中：Q流量； h堰口水头高度。 第三节 矿井水文地质的观测与预测39b. 梯形堰式中：Q流量； B堰口宽度； h堰口水头高度。 第三节 矿井水文地质的观测与预测40c. 矩形堰 有缩流（堰口窄于水沟）时： 无缩流（堰口等于水沟宽度）时： 使用堰口法时，堰口的上下游一定要形成水头差。 第三节 矿井水文地质的观测与预测41（4）流速仪法 使用流速仪测定矿井涌水量。（5）水仓水位观测法（6）水泵有效功率法第三节 矿井水文地质的观测与预测42一、地表防水1.合理选择井筒位置1）力求避免穿过强含
14、水层或富水带；2）井筒所选定地点的岩层要完整、稳定，避开破碎带和岩溶发育地段；3）距离矿井可能突水的危险地段要有足够的安全距离；4）在地表井口标高要高于历年最高洪水水位，保证在任何情况下均使井口或其他地面设施，不致于被水所淹。第四节 矿井水的防治432.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（截）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。第四节 矿井水的防治44第四节 矿井水的防治45二、井下防水1.探放水 “有疑必探，先探后放”，
15、老窑积水、断层水、强含水层上层采空区积水、防水煤柱附近、明显出水征兆。1）老窑积水的探放（1）调查老窑区分布；（2）探水起点a. 积水线：调查核定的采空区边界。b. 探水线：积水线外推60-150m的一条线。其确定依据：第四节 矿井水的防治46第四节 矿井水的防治47资料的可靠性、积水区水头压力和煤层厚度等条件。c. 警戒线：探水线平行外推50-100m所圈定的一条线。（3）积水量计算W静：老窑积水静储量，m3；M：采厚，m；F：老窑采空区面积，m2；：煤层倾角；K：老窑采空区充水系数，0.30.5。第四节 矿井水的防治48（4）探、放水钻孔布置a. 布置原则：其布置应以确保不漏古巷道，保证生
16、产安全，而探水工作量又以最小为原则。上山巷道布置成扇形，煤平巷布置成半扇形。b. 几个概念c.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，允许掘进距离的终点处，钻孔间距800 mg/g第四节 矿井水的防治513）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，使酸性水一次排出。（2）分级排除，降低扬程（3）中和酸性水：加入生石灰中和。（4）冲淡酸性水：加入中性水。（5）采用耐酸的排水设施。3.留设井下防水煤柱1）露头直接为疏松含水层所覆盖或位于地表水体之下。第四节 矿井水的防治52第四节 矿井水的防治532）断层导致煤层与含水层接触，煤层既与含水层接触有被部分富水层覆盖
17、。第四节 矿井水的防治543）断层导致煤层底板和承压水层接近，且采空后承压水有突破底板的危险。第四节 矿井水的防治554）煤层与充水断层接触。5）煤层与充水陷落柱接触。6）巷道或工作面接近被淹井巷和积水老窑。第四节 矿井水的防治56第四节 矿井水的防治4.井下截水建筑物的设置1）防水闸门：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。57第四节 矿井水的防治2）防水墙：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。
18、58第四节 矿井水的防治5.含水层的疏排1）巷道疏放：当煤层直接顶板为含水层时，将采区巷道和采面巷道提前采掘，利用巷道预先疏放顶板含水层。59第四节 矿井水的防治2）放水钻孔：当煤层上部含水层距离煤层较远，可在巷道中向含水层打钻孔放水。3）疏放降压钻孔：当煤层下部含水层水压很高，有突水危险时，在计划疏降地段的巷道中向底部含水层打钻放水，使之形成降压漏斗。60第四节 矿井水的防治4）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。61第四节 矿井水的防治5.
19、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：62第四节 矿井水的防治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。（2）水泥：400#-500#普通硅酸盐水泥。3）注浆设备（1）注浆泵；（2）搅拌机；（3）混合器。4）注浆步骤清渣堵缝埋管注浆63思考题1. 老窑积水的特点？ 2. 影响矿井涌水量大小的因素有哪些？3. 矿井涌水量有哪些测量方法4. 酸性水的防治措施？5. 矿区在哪几种情况应留设防水煤柱？6. 含水层疏干常用方法？64END65黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿瓦斯爆炸事故。11月21日凌晨2时30分，距离地面约500米深的探煤道发生煤与瓦斯突出，引起瓦斯爆炸，波及井下作业采掘工作面28个，当时井下共有作业人员528名。经全力救援，有420人升井。截至23日死亡104人，失踪4人。新兴煤矿已有90多年的开采历史。该矿为原国有重点煤矿，高瓦斯矿井，该矿生产能力145万吨/年。66676869
