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第二章矿井充水条件分析2基本概念回顾•矿井水•矿井透水•矿井水灾•水灾发生基本条件、原因、危害3矿井充水条件分析矿井充水条件分析，是矿床水文地质学重要的研究内容之一，也是矿井水文地质工作的重要环节之一。3充水“水源”充水“通道”充水“强度”矿井充水条件分析的主要内容4自然充水条件分析矿井充水条件分析人为充水条件分析矿井充水条件分析5矿井充水条件分析6（一）自然充水水源1.大气降水大气降水是地下水的主要补给来源，所有矿床充水都直接或间接地与大气降水有关。以大气降水为主要充水水源的矿井，其充水规律主要表现在：(一)矿井充水程度与地区降水量的多少，降水性质和降水强度等有相应关系。(二)由降水所造成的矿井充水，具有明显的季节变化规律，矿井最大涌水量都表现在雨季。据湖南某矿多年观测统计表明，雨季平均矿井涌水量为162m3/h，干季平均涌水量只有32m3/h。矿井充水条件分析-自然条件7(三)由降水所造成的矿井充水，涌水量高峰出现要比降水高峰滞后一段时间，其时间的长短取决于煤层的开采深度、采区至补给区的距离以及充水含水层的透水能力等。Text1Text3Text5矿井充水条件分析-自然条件8降水量即从云中降到地面的液态水和固态水，未经渗透、蒸发和流失而在水平面上积聚的水层深度（或厚度），以毫米（mm）为单位。常见的表示方法有日、月、年降水量，月、年平均降水量及多年（日、月）平均降水量等。降水强度等级（24小时强度等级（mm））小雨10中雨10~24.9大雨25~49.9暴雨50小雪≤2.5中雪2.5~5.0大雪5.0矿井充水条件分析-自然条件9以大气降水补给为主的矿床具有下列特点：(1)矿床矿层(体)埋藏较浅；(2)矿床主要充水岩层(组)是裸露的或者其覆盖层很薄：(3)降水量大且采场面积也大的大型露天矿；(4)矿床处于分水岭或地下水位变幅带内。矿井充水条件分析-自然条件102.地表水地表水体包括河流、湖泊、池沼和水库等。位于矿区内或矿区附近的地表水，常常成为矿井充水的主要水源。在分析矿区充水条件时，应首先研究矿区所处的位置及其地形，看它是位于当地侵蚀基准面以上，还是在侵蚀基准面以下。地表水成为矿井水源时，对矿井的充水程度，主要取决于地表水体水量的大小、地表水与地下水之间联系的紧密程度、地表水的补给距离和充水岩层的透水性等各种因素。在分析与评价地表水对煤矿安全生产的影响时，要注意地表水体的特点、地表水体和煤层的关系及地表水体下部岩石的透水性。矿井充水条件分析-自然条件11矿井充水条件分析-自然条件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。123.围岩地下水水源围岩地下水充水类型划分:①根据充水岩层性质不同可分为：砂砾石孔隙充水矿床，坚硬岩层裂隙充水矿床，岩溶充水矿床。②根据矿层与充水岩层接触关系不同可分为：直接充水矿床，间接充水矿床。③根据矿层与充水岩层相对位置不同可分为：顶板水充水矿床，底板水充水矿床，周边水充水矿床。矿井充水条件分析-自然条件13上述矿井充水水源常是互相联系的，他们直接或间接地流入矿井。大气降水多为矿井的间接水源，也是主要控制因素，它是矿井涌水量的总根源。降水落到地表后，一部分流入地表水体，另一部分则渗入含水层和老窑中，分别形成含水层水和采空区积水，于是成为矿井充水的直接水源，只要煤矿采掘过程中遇到这种水源，地下水就会直接涌入矿井。我们在分析矿井充水水源时，必须结合煤矿具体的水文地质条件，区分矿井充水的主要和次要因素，才能有针对性地防治地下水。矿井充水条件分析-自然条件14(二)充水天然通道点状岩溶陷落柱、线状断裂（裂隙）带、窄条状隐伏露头、面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄或尖灭）和地震裂隙等。1.点状岩溶陷落柱通道岩溶陷落柱在我国北方较为发育，在地下水的长期物理和化学作用下,中奥陶统灰岩形成了大量的古喀斯特空洞,在上覆岩层和矿层的重力作用下,空洞溃塌并被上覆岩层下陷填实，被下塌的破碎岩块所充填的柱状岩溶陷落柱像一导水管道沟通了煤系充水含水层中地下水与中奥陶统灰岩水的联系,特别位于富水带上的岩溶陷落柱,可造成不同充水含水层组中地下水的密切水力联系。岩溶陷落柱的地表特征比较明显,特别在基岩裸露区更为明显。矿井充水条件分析-自然条件15矿井充水条件分析-自然条件如开滦矿区范各庄煤矿2171工作面1984年6月发生的奥灰水通过陷落柱的突水，最大水量达到2053m3/min。162.线状断裂(裂隙)带通道断裂带是否能够成为充水通道主要取决于断裂带性质和矿床开采时人为采矿活动方式与强度。这里重点分析断裂带的性质，后面问题在充水人为因素部分讲述。矿井充水条件分析-自然条件173.窄条状隐伏露头通道在我国许多煤矿山,煤系薄层灰岩含水层和中厚层砂岩裂隙含水层以及巨厚层的碳酸盐岩含水层多呈窄条状的隐伏露头形式与上覆第四系松散沉积物不整合接触，影响隐伏露头部位多层充水含水层组地下水垂向间水力交替的因素主要有两个：①隐伏露头部位基岩风化带的渗透能力大小②上覆第四系底卵孔隙含水层组底部是否存在较厚的黏性土隔水层。矿井充水条件分析-自然条件184.面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)通道在华北型煤田的北部一带,煤系含水层组主要以厚层状砂岩含水层组为主,薄层灰岩沉积较少。在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组。在地质历史的多期构造应力作用下,脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力,致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理,形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网络。矿井充水条件分析-自然条件19矿井充水条件分析-自然条件5．地震裂隙通道根据开滦唐山矿在唐山地震时矿井涌水量和矿区地下水水位的长期观测资料，地震前区域含水层受张力作用时，区域地下水水位下降，矿坑涌水量减少。当地震发生时，区域含水层压缩，区域地下水水位瞬时上升数米，矿坑涌水量瞬时增加数倍。强烈地震过后，区域含水层逐渐恢复正常状态，区域地下水水位逐渐下降，矿井涌水量也逐渐减少。震后区域含水层仍存在残余变形，所以矿井涌水在很长时间内恢复不到正常涌水量；矿井涌水量变化幅度与地震强度成正比，与震源距离成反比。20（一）人为充水水源1.袭夺水随着矿床开采范围的扩大，区域地下水位降落漏斗不断扩展，人工疏降地下承压含水层的活动强烈改造着矿区的天然地下水流场，地下水流场获得新的补给水源称袭夺水源。主要包括三种情况：①位于矿床所在区的地下水流动系统排泄区的泉水；②位于矿床开采区的地表水体；③相邻水文地质单元地下水。矿井充水条件分析-人为条件212.老窑水废弃的小煤窑和煤矿的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而保存的地下水，称为老空（窑）水。其充水特点主要表现在：(一)水量以静储量（即巷道在未揭露含水层之前，实际储存在含水层中的地下水）为主。若发生突水，短时间内可有大量积水涌入矿井，来势凶猛，破坏性很强。(二)当老空（窑）水和其他充水水源没有水力联系时，一旦突水，虽然涌水量大，但保持时间不长，容易疏干，若老空水和其他的充足水源发生水力联系，就可以形成量大而稳定的涌水，对煤矿安全生产危害较大。(三)老空水的水质一般为酸性大，腐蚀性强。矿井充水条件分析-人为条件22（二）充水人为通道矿坑充水人为通道包括顶板冒落裂隙带、地面岩溶疏干塌陷带和封孔质量不佳钻孔等。1.顶板冒落裂隙带采空区冒落后，形成的冒落带和导水裂隙带是矿坑充水的人为通道，其特点如下：①当冒落裂隙带发育高度达到顶板充水岩层时，矿坑涌水量将有显著增加，当未能达到顶板充水岩层时，矿坑涌水无明显变化；如图1②当顶板冒落裂隙带发育高度达到地表水体时，矿井涌水量将迅猛增加，同时常伴有井下涌砂现象，如图2。矿井充水条件分析-人为条件23矿井充水条件分析-人为条件24矿井充水条件分析-人为条件图1图2252.地面岩溶疏干塌陷带随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干实践，矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见，地表水和大气降水通过塌陷坑充入矿井。有时随着塌陷面积的增大，大量砂砾石和泥砂与水一起溃入矿坑。3.封孔质量不佳的钻孔由于封孔质量不佳，常导致某些钻孔变成人为导水通道，当掘进巷道或采区工作面经过这些没有封好的钻孔时，顶、底板充水含水层地下水将沿着钻孔补给矿层，造成涌(突)水事故。矿井充水条件分析-人为条件26在自然界矿床分布中，单一充水水源和充水通道的矿床是少见的。从水文地质剖面可以看出，矿层（体）上部和下部往往分布多个充水含水层组。究竟哪个是充水含水岩层？哪个不是充水含水岩层？哪个是强充水含水岩层组？哪个是弱充水含水岩层组？回答这些问题的方法称为矿床充水强度分析。矿井充水条件分析-充水强度27在煤矿生产中，把地下水涌入矿井内水量的多少称为矿井充水程度，用来反映矿井水文地质条件的复杂程度。生产矿井常用含水系数（KB）或者矿井涌水量（Q）2个指标来表示矿井充水程度。1、含水系数含水系数又称富水系数，它是指生产矿井在某时期排出水量Q（m3）与同一时期内煤炭产量P(t)的比值。即矿井每采1t煤的同时，需从矿井内排出的水量。含水系数KB的计算公式为：KB=Q/P矿井充水条件分析-充水强度和指标28根据含水系数的大小，将矿井充水程度划分为以下4个等级：①充水性弱的矿井：KB2m3/t；②充水性中等的矿井：KB=2～5m3/t；③充水性强的矿井：KB=5～10m3/t；④充水性极强的矿井：KB10m3/t2.矿井涌水量矿井涌水量是指单位时间内流入矿井的水量，用符号Q表示，单位为m3/d、m3/h、m3/min。根据涌水量大小，矿井可分为以下4个等级①涌水量小的矿井：Q2m3/min；②涌水量中等的矿井：Q=2～5m3/min；③涌水量大的矿井：Q=5～15m3/min④涌水量极大的矿井：Q15m3/min。矿井充水条件分析-充水强度和指标293．按照突水点每小时突水量的大小，将突水点划分为小突水点、中等突水点、大突水点、特大突水点等4个等级：①小突水点：Q≤60m3/h；②中等突水点：60m3/h＜Q≤600m3/h；③大突水点：600m3/h＜Q≤1800m3/h；④特大突水点：Q＞1800m3/h。矿井充水条件分析-充水强度和指标30矿井水各种类型总汇85-90%水害来自地下水！矿井充水条件分析-充水强度311、充水岩层的出露条件和接受补给条件充水岩层的出露条件，直接影响井田范围内煤层顶、底板含水层接受补给的大小。充水岩层的出露条件包括它的出露面积和出露地形条件。影响矿井充水水量大小的因素出露面积指接受外界补给水量的范围。显然，出露面积愈大，则吸收降水和地表水的渗入量就愈多，反之则少；出露地形条件指出露的位置、地形的坡度及形态等，它关系到补给水源的类型和补给渗入条件。如分布在地形较陡的分水岭地段，只能接受降水入渗补给，且地形陡，降水大部呈地表径流流失；分布于低洼处，不仅能接受降水的补给，而且也能得到地表径流汇入洼地的补给。故在同等出露面积的情况下，后者获得补给水量比前者多。若直接位于河床下，则大量吸收地表水，对矿井充水程度影响更大。32矿区范围内覆盖层透水性能的强弱是分析矿井充水强度的一个重要因素，因为降水和地表水的充水作用，往往是通过覆盖层进行的。若矿区范围内广泛分布有弱透水层或不透水覆盖层，并且具有一定厚度和稳定性，那么就可以有效地阻止降水或地表水的渗入。在分析覆盖层透水性时，需要考虑开采条件下的转化，如采空区上方的采动裂隙，矿井长期排水或突水时，引起的地表开裂和塌陷，会破坏覆盖层的隔水作用。影响矿井充水水量大小的因素33影响矿井充水水量大小的因素2、矿井的水文地质边界条件矿井的侧向边界条件•侧向边界指矿井内煤层或含水层与其周围的岩体、岩层、地表水体等接触的界面，称侧向边界。•按边界的过水能力来分，有透水边界、隔水边界和弱透水边界3种。•透水边界（如透水断层、地表水体）是指能从外界获得补给的边界；•隔水边界是指该界面两侧无水量交换，如火成岩体或隔水断层，且直接充水含水层与泥岩、页岩接触；•弱透水边界是指直接充水含水层与区域含水层接触，但断层带弱透水或阻水，两侧