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第七章矿井水文地质第一节水文地质基本知识第二节矿井充水条件第三节矿井涌水量的预测方法第四节矿井水的防治第一节地下水的基本知识矿井水的危害：影响煤炭资源的开发；恶化矿井生产条件；增加采矿的成本；造成淹井事故。一、自然界中水的循环自然界中大气水、代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。水的循环示意图水循环意义a.使大气圈、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。地下水——是埋藏在地表以下松散堆积物和岩石空隙中的水体。地下水主要是由大气降水、地面流水、冰雪融水、湖泊水渗透到地下而形成的，称为渗透水。此外还有凝结水、埋藏水、原生水等。二、地下水的概念（1）地下水的概念二、（2）水在岩石中的存在形式水灾岩石空隙（空隙、裂隙、溶隙）中：1、气态水2、结合水：分子力作用3、毛细水：表面张力4、重力水：重力作用5、固态水6、矿物中的水地下水能在岩石中赋存与运动，是因为岩石中具有一定的空隙。岩石空隙度越大，含水量越大；岩石空隙大而多，连通性好，则岩石透水性越好。三、地下水的赋存（1）岩石中的空隙岩石中的空隙，根据其成因和后期所受营力作用程度，分为孔隙、裂隙和喀斯特。孔隙：是指分布于松散的沉积岩层中及半胶结的碎屑沉积岩中岩石颗粒或集合体之间的空隙。裂隙：是指各种应力作用下岩石破裂产生的裂缝。喀斯特：是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为特征的综合地质作用。透水层——能够透过地下水的岩层。K1m/d。主要有：砂岩层、砂砾岩层以及裂隙、洞穴发育的其它岩石。空隙大而多，连通性好。其中储满地下水的部分称为含水层。两者之间过渡类型称为半（弱）透水层。K=0.01--1m/d如泥岩、亚粘土、黄土、粉砂等。空隙密而小，连通性差。不透水层——不能透过地下水的岩层。K0.001m/d主要有：粘土、页岩、岩浆岩、变质岩等。不透水层对地下水的运动起着阻隔作用，又称为隔水层。（2）岩石的水理性质岩石的透水性：岩石或土层允许水透过的性能称为透水性。取决于空隙大小（主）、多少、形状、连通性。与空隙度关系不大渗透系数K：单位时间内，水力坡度为1时，水在岩石中的渗透距离。m/d,m/s1）透水层与不透水层含水层（带）地下岩层空隙中，储存有在重力作用下可以自由流动水，称含水层（带）构成含水层的条件：土层或岩层有储存重力水的空隙；下伏有隔水层。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，从而构造含水地质结构，因为有不透水的隔水界面，含水层才具有赋存地下水；3）含水层的类型及含水岩组含水层划分，详见p283，表7-12）含水层与隔水层4）含水层的富水性分级详见p284，表7-2四、地下水的分类（1）地下水的综合分类自然界有各种各样的地下水。有的埋藏很深、有的则很浅。有的水量大，有的水量小。总之，各种地下水在形咸、分布、运动、水质、水量等方面都有很大的不同。我国在煤矿建设和生产过程中一般都采用按地下水埋藏条件和含水层性质综合分类。地下水按照埋藏条件分为包气带水、潜水、承压水。1.包气带水（土壤水）——从地面到地下水面（潜水面）之间的地带（包气带、不饱和带）所含的非重力地下水，暂时性水。以气态水、吸着水、薄膜水和毛细水等状态存在。2.潜水——埋藏在地面以下，在第一个隔水层之上，具有自由表面的重力水，称为潜水。潜水的表面称为潜水面，随地形起伏而变化，具有潜水流。同时因季节变化而升降，雨季、旱季潜水面的不同而形成一个暂时饱和带。3.承压水（层间水）——埋藏在地下两个隔水层之间的含水层中的水。当两个隔水层之间的含水层被水充满时，就是有了一定的静压力，称为承压水。自流井——当打井凿穿上部隔水层时，如果承压水的静水压力所达到的水头高度超过井口地面时，则自行喷溢出地表，形成自流井。（2）按地下水的埋藏条件分类上层滞水：是指埋藏在离地表不深的包气带中局部隔水层上的重力水。潜水特征：A）分布范围小，储水量不丰富；B）埋藏浅，受气候条件影响大；（2）按地下水的埋藏条件分类潜水：是位于第一个稳定隔水层以上的含在透水层中、能够自由流动的地下水。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。潜水特征：A）潜水直接接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给区一致；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。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。其补给区与分布区不一致，受大气降水变化的影响较小，不易受污染。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，一般有滞后性；F）由于有连续的隔水层的覆盖，承压水不易污染；补给条件含水层的补给条件主要决定于含水层出露地表的地形、溶洞裂隙发育情况和有无常年存在的地表水体。在地形平缓、特别是容易内涝的地区，降水不易从地表流走，造成常年积水，为含水层提供了大量补给来源，含水层的露头溶洞裂隙又发育，这样含水层的水量就大；相反，在地形较陡的情况下，降水大部分形成地表水流流走，补给地下水量就少。排泄条件任何一个含水层都有补给区和排泄区。在排泄区有大量泉水出露，泉的多少和水量大小直接表示了含水层的富水强度。凡是在含水层出露地区，泉很多，但每个泉的水量很小，这是弱含水层的特点；泉水流量大而且集中，这是强含水层的排泄特点。西南地区不少的煤矿，主要强含水层是茅口灰岩和长兴灰岩，在其排泄区，都表现了泉水集中流量很大的规律。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)。（3）按含水层空隙性质分类孔隙水：是指存在于疏松岩层的孔隙中的水；导水性好补给充沛裂隙水：是赋存和运动于基岩裂隙中的地下水；风化裂隙成岩裂隙构造裂隙岩溶水：是储存和运动于可溶蚀裂隙和溶洞中的地下水；五、地下水的性质（1）物理性质1、温度2、颜色3、透明度4、气味5、味道6、密度7、导电性8、放射性（2）化学性质1.地下水的化学成分2.化学成分表示方法1、库尔洛夫式2、总矿化度：水中所含各种离子、分子和化合物的总量，g/L。矿化度高，地下水循环条件差，反之则反。3、硬度：总硬度=暂时硬度+永久硬度3.地下水的化学性质1、酸碱度2、侵蚀性：酸性侵蚀，CO2侵蚀。4.地下水化学成分的形成作用地下水的化学成分是很复杂的。不同成因的地下水有不同的原始成分，它们在形成过程中与周围介质不断作用，使水的成分也随之发生变化，与原始成分往往产生很大的差别。因此，现在所遇到的地下水成分，都是在一定的自然历史过程中，在各种因素影响下，各种作用综合的结果。由于各种作用所处的条件不同，其主次也不相同。其中，对于地下水化学成分的形成最有意义的作用，主要有溶滤及溶解作用、阳离子交替吸附作用、蒸发浓缩作用、混合作用、脱碳作用和生物化学作用等6种。第二节矿井充水条件一、矿井充水来源大气降水：是露天矿的直接充水水源；是地下采煤的间接充水水源。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。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；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；一般认为，煤层距地表水体越近的，受其影响越大；在煤层上覆岩层透水性差，而且没有断裂破坏时；一般认为，煤层和地表水体之间垂距如大于煤厚的50倍左右，地表水的影响逐渐消失。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→矿井影响因素矿井充水含水层的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岩层崩陆带裂隙带无裂隙沉降带煤层上方含水层——塌陷情况老窑水：是古代和近期的采空区及废弃巷道，长期停止排水而积存的地下水；其特点如下：老窑积水以静储量为主；一旦巷道揭露或巷道与老窑之间的煤岩柱强度小于它的静水压力时，积水倾出，瞬时涌水量大，来势凶猛，具有很大的破坏性，可造成严重事故；老窑积水与其它水源无联系时，短期突出易于疏干；老窑一般位于浅部，若与地表水有水力联系，则造成稳定的充水水源危害较大；老窑一般深度部大，但查清位置较困难，准确位置无法查清，又无人敢下去查；老窑积水长期处于停滞，一般酸性大，腐蚀性强，别是高速运转中的水泵叶轮，由于水的冲击和摩擦，腐蚀损坏得更快。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；或者由于间层的存在碰坏了岩层的完整性，因而降低了岩层的强度，这些常是矿井水文地质条件复杂化；也有的断层破碎带内充填了许多破碎的柔性岩石（如粘土岩）、煤粉、断层泥等，也可能起隔水作用。因此对断层的透水性质应作具体分析。如果在矿井中有许多条断层，断层的交叉处是最容易发生透水事故的位置，应特别注意。断层水：断层破碎带，常是地下水良好聚集场所和通道除此而外，还有其它人为因素的导水通道；如：未封好的钻孔二、矿井充水通道1、岩石的孔隙与岩层裂隙2、断层：矿井充水的主要通道之一。断层导通地表水或地下水，造成矿井突水。正断层或断层交叉切割处易发生突水3、岩溶洞隙：巷道靠近或揭露时易突水。4、未封闭或封闭不良钻孔5、矿井长期排水：造成地表水倒灌下渗和地下水流入巷道。6、采矿活动造成的塌陷和裂隙三、影响矿井充水程度的其他因素矿井充水水源和充水通道直接控制矿井涌水量大小。还有其他因素影响矿井充水程度。1、地形：巷道是否位于侵蚀基准面以上决定矿井水源是大气降水、地表水，决定涌水量。2、煤层的埋藏条件：华北CP煤田开采深部煤层会导通奥灰水，引起突水煤层倾角于厚度越大，开采后冒落高度及塌陷范围越大，可能沟通地下水、地表水，引起突水事故3、煤层出露程度上部隔水层岩性4、开采方法第三节矿井水文地质观测与涌水量预计一、矿井水文地质观测矿井水文地质观测是矿井水文地质工作的主要项目，一般包括两部分内容：地面水文地质观测和井下水文地质观测。（一）、地面水文地质观测主要包括：气象观测、地表水观测和地下水观测。1.气象观测：主要是观测降水量。2.地表水观测：对分布于矿区范围内的地表水都应对其进行定期观测。主要包括江河、溪流、大水沟、湖泊、水库和大塌陷坑积水。观测所获资料应整理成曲线图，以便研究其流量、水位的变化规律，找出其变化原因，并预测地表水对矿井涌水的影响。此外，还应将河水漏失地段、洪水淹没范围等，标注在相应图纸上。3.地下水的动态观测地下水埋藏在地下，始终处于运动和变化之中，这种运动和变化主要表现在水位、水量、水温、水质等方面。从事矿井水文地质工作的人员，要经常的、全面的对矿区各水文地质观测点进行观测，掌握地下水运动规律和分析矿井水的变化，观察内容包括：水位观测，水量观测，水温和水质观测。水位观测在观测孔中，按设计要求定期观测地下水水位；利用水位观测预报透水事故发生；利用水位观测，了解断层导水性；（断