第一章矿井充水条件分析-

第一章矿井涌水条件分析第一章矿井涌水条件分析关于矿井水的几个概念矿床开采前的自然状态下于矿床和围岩中赋存的水，称为矿床充水（是一种自然现象）。采矿过程中流入矿井(山)巷道的水，称为矿井水。采掘过程中水进入矿井（坑）的过程称为矿井涌水。超过矿井排水能力的瞬时大量涌水称为矿井突水。充水、涌水和突水的水量大小分别称为充水强度、涌水强度（或涌水量）和突水强度（或突水水量、突水涌水量），单位为m3/h。注：在我国，“矿井”是井工开采的煤矿，其他金属矿、非金属矿和露天煤矿一般称为“矿山”或“矿坑”。勘探时期对矿井涌水条件的分析一般称为“矿井充水条件分析”。第一章矿井涌水条件分析矿井之所以有水的涌水，是各种水源通过各种通道进入井巷造成的，其水量的大小主要受到矿床赋存条件（地质、水文地质条件）和开采的具体条件（开采条件）控制。因此，矿井涌水的水源和通道是矿井水形成的必备条件，其它因素则影响矿井涌水量的大小及其动态变化。因此，人们习惯于将矿井涌水水源、涌水通道和影响矿井涌水程度的因素等综合作用结果称为矿井涌水条件。分析矿井的涌水条件，就是分析矿井水的来龙去脉。第一章矿井涌水条件分析由于不同矿井涌水水源不同，涌通道不一和涌水程度的差异，决定了矿井水的涌入特征、水量大小和动态变化，即决定了矿井水文地质条件的复杂程度，因此正确评价矿井水条件，认识矿井水文地质规律，对于指导矿井水文地质工作，以及预测和计算矿井涌水量，预测矿井突水、制定矿井防治水规划及进行防治水工程设计乃至矿区水资源的合理开发与矿井水的综合利用等，都具有十分重要的意义。矿井涌水条件既决定于矿井所处的自然地理、地质和水文地质特征，也决定于矿井建设和生产过程中采矿活动对天然水文地质条件的改变，即决定于一系列自然因素和人为因素错综复杂的影响。因此，在正确分析和评价矿井涌水条件前，应首先了解各种自然和人为因素对矿井涌水所起的作用。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素第二节影响矿井涌水的人为因素第三节矿井涌水条件分析第四节矿床（井）水文地质条件类型第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素影响矿井涌水的自然因素主要有：大气降水、地形、地表水、井巷围岩性质、地质构造以及岩溶陷落柱。一、大气降水大气降水是地下水的主要补给来源，因此，所有矿井的充水都不同程度地受到降水的影响。降水对矿井涌水的影响，既与降水特点有关，还与降水的入渗条件有关。（一）大气降水对矿井涌水的影响1.露天矿降水直接降落在矿坑内，形成降雨径流，其水量取决于降水量、露天矿坑的范围及其汇水条件；矿坑充水与降水极为密切，雨后坑内水量立即增大。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素2.有集中入渗通道的矿井降水沿集中入渗通道灌入矿井造成涌水，其水量大小取决于降水量大小和集中通道连通地表部分的汇水条件，也取决于集中通道的过水断面和长度；矿井涌水与降水关系密切，矿井涌水滞后于降水的时间，一般为数小时至数日，有时可构成水害。3.通过岩层的孔隙、裂隙渗入的矿井入渗机制较复杂，矿井涌水取决于降水量大小、降水强度（强度大容易形成地表径流而流失，强度小又不及润湿包气带）和降水历时（历时长有利于入渗），更取决于入渗条件（地形及地表水系发育情况、岩层渗透性和渗透距离、植被等）；矿井涌水与降水关系不如前两者那样密切，矿井涌水量增大滞后于降水的时间较长，一般为十几天至几十天不等，在降水特点相同的条件下主要取决于入渗条件。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（二）受大气降水影响的矿井涌水量变化特点1.周期性变化（1）季节性（年周期性）变化矿井涌水量变化与降水量变化相一致（右图），矿井涌水量峰与降水量峰值一致或有所滞后。矿井涌水量变化曲线降水量淄博洪山矿矿井涌水量随季节变化第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素在实际工作中，一般按矿井涌水量峰值滞后于降水峰值的时间长短来反映降水对矿井涌水的影响快慢，以涌水量季节性变化系数来衡量降水对矿井涌水的影响程度。矿井涌水量季节性变化系数的计算公式为：Qmax、分别为当年矿井最大的和正常的涌水量QQmaxQ第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（2）多年周期性变化降水量往往具有多年周期性的变化，因此，受降水影响的矿井涌水量也具有这种特征（下表：北京矿务局长沟峪煤矿19741980年矿井涌水量变化，据陈爱光）。年份1974197519761977197819791980降水年类型丰水年枯水年平水年丰水年平水年丰水年枯水年矿井正常涌水量m/min1.781.771.831.682.922.152.05矿井最大涌水量m/min79.443.5549.7884.7221.33103.943.89季节性变化系数44.622.0126.4850.437.3848.341.90注：丰水年、平水年和枯水年分别指年降水量大于、等于（或相近）和小于多年平均降水量的年份第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素2.降水影响随深度的增加而减弱同一矿井，降水对矿井涌水的影响有随深度减弱的趋势，表现为深水平矿井涌水量比浅水平小，涌水量峰值滞后于降水量峰值的时间延长，其减小的幅度和滞后的时间长短取决于入渗条件的变化。例如，以大气降水为主要充水水源的四川芙蓉煤矿，+515.75m水平的中平硐，矿井涌水量变化系数=19，而+441m水平的下平硐，=3.6。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（二）地形对矿井涌水的影响地形影响矿井水的汇集和排泄，是控制矿井涌水量大小和防治水工作难以程度的主要因素之一。地形对矿井涌水的影响集中反映在矿井相对于当地侵蚀基准面的位置上。据此可将矿井分为以下两类：1.位于当地侵蚀基准面以上的矿井位于山区分水岭或斜坡地带的矿井属于此类。地形通常不利于充水水源的汇集而有利于排泄，矿井甚至可利用平硐排水。这类矿井的涌水特点：一般以大气降水为主要充水水源，矿井正常涌水两较小，雨季短期增大，水文地质条件较简单。注意：当侵蚀基准面以上的井巷上方存在封闭汇水洼地，并有集中入渗通道与矿井相通时，也会造成很大的涌水，甚至发生灾害事故。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素2.位于当地侵蚀基准面以下的矿井位于山前平原地带及山间盆地内的矿井属于此类。地形通常有利于充水水源的汇集而不利于排泄，在岩性和构造适宜的条件下，地表水和地下水使矿井大量充水，矿井涌水量大而稳定，水文地质条件一般较复杂。当矿井接近地表水体时，充水条件更为复杂。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（三）地表水对矿井涌水的影响矿区内或附近存在河流、湖泊等地表水体，当其与矿井井巷或充水岩层具有水力联系时，可成为矿井涌水的水源，甚至可导致淹井事故。地表水体能否成为矿井涌水水源，取决于地表水体与井巷之间有无直接或间接联系的通道。地表水涌水或灌入矿井的途径主要有：（1）通过第四系松散砂砾层及基岩露头。如山东新汶矿区西港煤矿大汶河水通过砂砾层补给四灰含水层导致矿井涌水（下图）。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素含水砂砾层通过第四系松散砂砾层及基岩露头。如山东新汶矿区西港煤矿大汶河水通过砂砾层补给四灰含水层导致矿井涌水（右图）。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（2）通过构造破碎带或小窑采空区（古井）直接溃入矿井。如山东淄博洪山矿1962年雨季东大沟洪水位上升，淹没沟两岸的南北炮台两对小窑，地表水沿小窑采空区泄入三井，最大涌水量达614m3/h。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（3）洪水期间，可通过地势低洼处的井口或冲破围堤直接灌入矿井。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素（4）通过地表岩溶塌陷。如湖南涟邵矿区恩口二井，木杉河洪水冲垮河堤，灌入岩溶塌陷区，溃入矿井，最大涌水量达3500m3/h。（5）地表水体下开采，通过冒落带或裂隙水与地表水体沟通，使地表水进入矿井。如吉林省辽源矿区梅河一井水库透水淹井事故。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素地表水能否涌入矿井及渗水量的大小，主要取决于以下因素：1.井巷与地表水体间的岩石渗透性（1）若地表水体与井巷之间有相对隔水层存在，即使井巷在地表水体之下，主要开采冒裂带不波及地表水体，地表水对矿井涌水影响不大，甚至可实现水体下安全煤。如安徽淮北闸河煤田，煤系上部普遍覆盖有10~15m的粘土隔水层，矿井上部虽有岱河、龙河通过，对矿井基本上没有影响。（2）若地表水体与井巷之间为强透水岩层，即使相距很远，地表水也可能导致矿井涌水。如河北临城煤田，泜河远在矿区西南侧的石灰岩区渗入地下，补给奥灰水，成为临城北井、临城南井和岗头一井奥灰突水的补给水源（下图）。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素根据井巷与地表水体之间岩石的渗透性，可将地表水体附近的矿井分为：（1）井巷与地表水体之间无水力联系，地表水不补给矿井；（2）井巷与地表水体之间有微弱的水力联系，地表水可少量补给矿井，矿井排水形成的疏干漏斗可越过地表水体；（3）地表水正常渗入补给，地表水体为定水头补给边界，补给量较为稳定，矿井涌水量主要取决于透水岩层的透水性、过水断面和水力坡度。当充水通道为砂砾石孔隙或岩溶通道时，矿井涌水量可能很大，甚至造成灾害性影响。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素2.地表水体与井巷的相对位置包括地表水体与井巷所处的相对高程及水平距离。只有当井巷高程低于地表水体时，地表水才能成为矿井涌水水源；当井巷高程低于地表水体，在其它条件相同的情况下，距离越小，影响越大，反之则影响越小。如湖南某矿距河下50m深的巷道涌水量为132～360m3/h，其中76～81％为河水补给；距河下125～250m深的井巷，涌水量减为11～17m3/h，河水几乎没有影响。又如前苏联某矿区，位于同一水平的巷道，随着巷道与地表水体距离的缩小，由于水力坡度增大，巷道涌水量也相应增加。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素3.地表水体的性质和规模（1）常年性地表水体，可成为定水头补给边界，矿井涌水量大而稳定，淹井后不易恢复；（2）季节性地表水体，只能定期间断补给，矿井涌水量往往随季节变化。由于地表水对采矿的威胁很大，因此，当矿区存在地表水体时，首先应查明水体地表水体的大小、距离巷道的远近（水平、垂直）以及最高洪水位淹没范围等，其次是查明水体与井巷之间的水力联系，判断地表水有无渗入矿井的通道及其性质，最后在判明地表水体确实是矿井涌水水源时，再根据地表水体的性质和规模及其动态特征，结合通道的性质确定地表水体对矿井涌水的影响程度，以便事先采取有效措施，以避免地表水的危害。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素研究方法：对于流经矿区的河流，应在河流进出矿区、采空塌陷区或主要充水岩层处设置水文观测站，测定河流水位及流量变化。在无渠道等工程引水情况下，若下游断面流量小于上游断面流量，说明河流在两断面之间存在渗漏，渗漏量为上、下游断面流量之差，即Q渗＝Q入-Q出其中，Q渗——河流渗漏量；Q入——河流进入矿区处流量；Q出——河流流出矿区处流量。第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素四、井巷围岩的性质井巷围岩为含水层时，其中的地下水可成为矿井涌水水源。井巷围岩为隔水层时，如果厚度大而稳定，且有足够强度时，可起到阻隔周围的水向矿井涌入的作用；反之，隔水层厚度小或不稳定，强度又较低时，或存在各种天然和人为通道时，即使含水层或其它水源离井巷较远，仍可对矿井产生充水。因此，井巷围岩的性质对矿井涌水起重要作用。（一）充水岩层对矿井涌水的影响对矿井涌水起作用的含水层称为充水含水层。根据充水岩层对矿井涌水所起的作用，可将其分为：第一章矿井涌水条件分析第一节影响矿井涌水的自然因素直接充水含水层：露天矿