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矿床水文地质学一、本课程研究目的和意义•井工开采矿山主要灾害：瓦斯爆炸、突水事故、冒顶、煤层自燃。•地下水和矿是相伴而生的，矿产开采将破坏含水层结构，造成水资源的损失。•目的和意义：在矿产开采过程中，如何避免发生突水事故，减小水资源的破坏。二、研究内容（1）矿床水文地质条件（2）矿井涌水的预测（3）矿井突水的预测及其防治技术第一章有关矿床与采矿的基础知识第一节有关矿床的基础知识一、矿石、矿体、矿床与矿产矿石：凡含经济上有价值和技术上可提取有用元素、化合物或矿物的岩石，称为矿石。矿体：矿石的自然堆积体称矿体。矿体是独立的地质体，有一定的形状、大小和产状，并占有一定空间。矿床：有成矿地质作用在地壳中形成的质和量皆符合当前技术条件，可被开采和利用的地质体称为矿床。由矿体和围岩组成。一个矿床可有一个或多个矿体组成。矿产：在地壳中，有地质作用形成和能被利用的矿物资源称为矿产。根据工业用途分为三大类：金属矿产（黑色、有色、轻贵、稀有和放射性金属）非金属矿产（金刚石、云母、石英等）可燃有机矿产（煤、石油）此外，地下水也是不可缺少的矿产资源被开发和利用二、矿体的形状和产状1.矿体的形状：矿体在空间的存在形态。根据矿体延伸情况分为三个基本类型：等轴型矿体：如矿瘤，可处在含水层或隔水层中。板状型矿体：如矿层、透镜体等，其顶、底板（或其一）可为含水层。柱状型矿体：如矿筒，可分布在含水层或隔水层中。不规则矿体：介于三个基本类型之间的为过度型矿体和不规则形态矿体，如网状、放射状矿体等。网状矿体2.矿体的产状：指矿体产出的地质位置和产出形态。包括矿体的构造位置、形状、大小、与围岩的接触关系及其空间方位等。通常以矿体（层）的走向、倾向及其倾角表示。按产状（倾角）矿体可分为：小于30的为水平矿体；30至300的为缓倾斜矿体;300至450-550的为倾斜矿体；大于450-550的为急倾斜矿体。三、矿石品位和矿产储量1.矿石品位：指矿石中有用组分的含量，是衡量矿石质量的主要标志。常以有用矿物的单位重量或体积的含量表示(g/m3或kg/m3或g/t)。在当前的经济技术条件下，工业对矿石中主要有用组分的最低含量要求称为工业品位。它随着工艺技术、矿石储量、综合利用情况和国家对该矿石的需要等条件的变化而变化。用以圈定工业矿体边界的品位称为边界品位，低于的为夹石。2.矿产储量：即矿产在地下的埋藏量，是确定矿山规模、投资和矿山服务年限的主要依据。在地质调查期间，应按不同地段、不同储量级别、不同矿石自然类型、不同工业品位等分别计算储量；开采时还须计算生产储量。一般情况，露天开采时应计算开拓储量及备采储量；地下开采时应计算开拓、采准及备采三级储量。四、矿床成因类型（1）岩浆矿床：伴随地壳中岩浆活动而形成的矿床，如铬、铂、金刚石、铜、铁、磷等。该矿床多与围岩发育各种裂隙，故裂隙水是该矿床主要充水水源。（2）伟晶岩矿床：晶体粗大的脉状矿体，富含稀有及放射性元素，如锂、云母、水晶等。本身裂隙较发育，多成为含水较丰富的裂隙水带。（3）气水-热液矿床：是由含水、挥发性组分及成矿组分的气水热液，在运移中，成矿物质通过充填或交代作用所形成的矿床。四、矿床成因类型（4）风化矿床：由地壳表层风化作用形成的矿床，主要产出铁、锰、铝、镍、钴、金、金刚石、磷块岩及高岭土等。其主要充水层为风化裂隙潜水层。（5）沉积矿床：由地表沉积作用形成的矿床。（6）变质矿床：伴随岩石变质过程，由有用元素富集而成的矿床。除了金、铀、铜、锌等金属矿产外，还产滑石、菱镁矿、硼、石么棉等非金属矿产，多数为水文地质条件简单的裂隙充水矿床。第二节采矿基础知识一、矿床的开采单位对面积大、储量多的矿体，通常按矿体赋存条件分成从大到小的若干个开采单位，划归相应的采矿企业进行开采。其中：1.划归公司或矿务局开采的矿体，称为矿区；2.矿务局或公司下设一个或几个矿山，划归一个企业开采的矿体称为矿田；3.在一个矿山中，划归一个矿井（坑口）开采的矿体称为井田；4.水平煤层的盘区划分在水平矿层中一般都先在井田中部开掘主要运输平巷，然后在其两侧将井田划分成若干个盘区，再把盘区分成矿壁，依次进行开采。5.倾斜煤层的阶段划分对倾斜的矿体，多沿倾斜按一定标高分若干个平行于走向的长条，称为阶段。当阶段面积仍较大时，还应进一步划分成几个采区。每个采区沿倾斜亦应布置几个开采工作面．称区段。二、矿床开采方式采用露天开采或地下开采二种方式，有的则采用上述两种方式联合开采。1.露天开采及露天矿场的构成当矿床埋藏近地表、覆盖层较薄，或开采由浅延至深部矿床的浅部矿体时，宜用露天方式开采，即从地面以较大面积直接向深处掘露天沟道，形成工作面开采矿石的方式。我国北方许多大型煤矿床，某些金属、非金属矿床及建筑材料，都用露天方式开采。其特点是生产能力大、效率高、成本低，劳动环境好。依据矿体的赋存条件，露天开采分为山坡露天开采形态(A)和深凹露天开采形态(B).露天采矿场的构成要素图中，BC为原地表面线，网络部分为矿体；AD为工作帮，由正进行采掘工作的台阶组成，各台阶平面称工作平盘；KG为工作帮坡线，即工作帮最上和最下台阶的坡底连线，ψ为工作帮坡角，即工作帮坡线与水平线夹角；BE和CF为最上非工作台阶坡顶线与最下非工作台阶坡底线的连线；β和δ为最终边坡线与水平线夹角；AK与EF为某一开采深度和开采结束时的采矿场底部平面，称底盘。2．地下开采及其井巷应用地下开采方式开采埋深在地下深处的矿床，就是利用适宜类型的地下巷道和不同的采矿方法从地下采出矿石。其中属于垂直巷道者，它的四壁称帮，下面称底。根据采矿设计要求，开采时依据需要把巷道组合起来使用，称为巷（坑）道系统。图中：①竖井：地面掘进的大口径井筒，系主要垂直通道；②斜井：由地面掘进有一定倾角的大口径井筒，是主要倾斜通道；③平峒：由地面掘进的水平巷道；④盲井或暗井：与地面不直接相通的竖井或斜井；⑤溜井：连接上、下水平，专用于放矿的井筒；⑥石门：垂直矿体走向，开掘在岩层中的水平巷道；⑦矿门：垂直矿体走向，开掘在矿层中的水平巷道；⑧流道：在地下溜矿用的倾斜巷道；⑨上山道：在地下沿矿体倾斜向上开掘的巷道；⑩下山道：沿矿体倾斜向下开掘的巷道；⑾小井：与地面相通，作通风或临时提升用的小型竖井。属于水平巷道者，水平巷道的顶称为顶板，底称为底板，两侧成为帮；⑿露天矿：为露天开采部分。三、开采矿床步骤(1)开拓:据设计从地面到矿体开掘一系列的开拓巷道，建立运输、通风、排水和供水等工程系统。在开拓期．主要开掘竖(斜)井筒、平硐、盲井、石门、阶段平巷、主馏井及井底车场等。(2)采准:就是在已开拓的阶段或盘区中，进一步切割成采区或矿壁，为回采作准备工作；同时作为行人、运输和通风之用。(3)回采:是从完成采准的采区或矿壁中大量采出矿石的生产过程，包括落矿、运出矿石和管理地压等项作业。采矿工作面称回采面或掌子面，回采后的空间称采空区。四、地下采矿方法简介地下采矿方法是地下采矿时对采区的采准和回采所使用的开采方法。依据回采时对地压的处理方法（顶板管理方法）可将其分为三类。采矿方法自然支撑采矿法人工支撑采矿法崩落采矿法(1)自然支撑采矿法（矿柱支撑法）：在矿体和围岩稳固的矿区采矿，利用未采的矿(岩)柱支撑采空区，把采区中大部分矿石回采出来；同时，未采的矿岩又不会自行垮落，此称自然支撑采矿法。具体做法是把采区划分为矿房和矿柱，先采矿房，后采矿柱，回采矿房时形成的采空区，利用永久或临时的矿柱支撑。为了开采下阶段的安全，仍需对回采后的采空区进行处理。(2)人工支撑采矿法：这是随回采工作面的推进，采用人工支撑的办法控制地压和保护地下采矿场地的采矿方法。使用比较多的是充填法。充填法的优点在于：顶板岩层下落移动量小，可在基本不改变上覆地层水文地质条件的情况下进行开采。它适用于：①接近或埋藏在地表水体或重要建筑物下面的矿体，或顶板上面分布有丰富地下水。不允许产生地表塌陷或能沟通水源的矿区；②露天与地下同时升采，需保护露天矿场不塌落的矿区：③开采稀有、贵重或高品位矿床或有自燃危险的矿区。当前采用的充填法，主要有水砂或尾砂充填采矿法和胶结充填采矿法两种。(3)崩落采矿法（全部垮落法）：随回采发展，采用自行或强制地崩落上盘岩石，由其充满采空区，使岩体应力达到新的平衡，一控制地压和处理采空区，确保安全生产，称为崩落采矿法。此法广泛用于煤矿区和围岩不稳定的矿区。由于崩落体的渗透性远高于崩落前，且崩落又可达地面，形成塌陷和裂缝。在可能沟通强含水层时或城市、地表水或重要建筑物下面，不允许采用。五、矿床顶板类型（1）伪顶：煤层之上，一般为厚度较薄的炭质页岩层，易破碎剥落。（2）直接顶：伪顶之上，多由粘土岩、页岩、砂质页岩或节理发育的砂岩组成，一般一层或几层，回采后短期会垮落。（3）老顶：直接顶上面的厚度较大的坚硬岩层，多为砂岩、砾岩和灰岩。回采后不随直接顶垮落，而较长时间维持一定面积的悬空区。一、矿山沉陷的形成当矿体（如煤、金属矿石等）从地下被开采出来后，上部岩体失去支撑而导致平衡破坏，应力重新分布，以期达到新的平衡。在此过程中，地层内部岩石的强度和内聚力大大降低，采空区上部岩体变形和移动会向上波及地表，并在地表呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的变形，形成地表移动盆地。第三节开采沉陷的基本规律(a)L=38m(b)L=90m(c)L=158m(d)L=225m二、采空区覆岩破坏的垂直分带采空区上覆岩层的变形破坏可以划分为冒落带、裂隙带和弯曲带三个特征不同的区域。（1）冒落带冒落带是采煤工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生的破坏范围。其形成的机理主要是由于巷道顶板的岩石重量超过其抗拉强度引起的。冒落带高度可采用如下经验公式估算：式中：M—煤层的采厚（m）；Kp—碎胀系数。1KHPkM（2）裂隙带裂隙带位于冒落带之上，主要由岩层离层及其相对滑移而生成，与冒落带之间并无明显的界限。裂隙带高度可由如下经验公式估算：式中：c、d—经验系数，因地质情况差异而变化。M—煤层的采厚（m）冒落带和裂隙带统称为透水裂隙带。（3）弯沉带弯沉带又称整体移动带，是指裂隙带以上至地表的岩土层。在垂直剖面图上，其上下各部分的沉降差异很小，一般不会出现离层现象。这一区域也有可能出现裂缝，但其微小，数量较少，贯通性很差，导水性微弱。dcMMHL100三、覆岩破坏影响范围的形态特征在采用全部跨落法管理顶板时，覆岩破坏性影响范围的形态特征与煤层的产状有关，也受覆岩岩性的影响。（1）水平及缓倾斜煤（矿）层（0～350）：在沿采空区走向和倾向剖面上，整个覆岩破坏影响范围形态类似于马鞍形，采空区四周边界上方覆岩破坏性影响范围的高度略高于中部，最高点位于开采边界以内或以外数米内。（2）中倾斜煤（矿）层（36～540）：冒落带和裂隙带的最大高度位于采空区上边界附近的上方，整个覆岩破坏性影响范围的形态呈上大下小的抛物线形状。（3）急倾斜煤（矿）层（55～900）：覆岩破坏性影响范围偏重于采空区上边界，而在下边界微弱。四、底板破坏深度由于矿山压力、水压力、岩性组合与强度因素以及采矿方法的差异，底板的破坏深度有较大区别，比如断层的出现，将会大大增加底板的破坏深度。目前，我国主要依据突水和试验资料总结出底板突水系数法，以此进行粗略估算（具体算法后面有介绍）。其破坏形态与顶板类似，多为马鞍形。五、影响矿山沉陷的主要因素（1）采空区的开采方式和开采面积（2）顶板管理方式（3）上部岩石的组成、层位及其岩石的物理力学性质（4）开采深度（5）上部土层的厚度（6）采空区的倾角（7）岩体本身的一些缺陷（8）边缘煤柱的稳定性（9）采煤厚度(10)地形条件第二章矿床充水条件与矿床水文地质类型第一节矿床充水条件分析一、矿床充水条件的含义矿床充水、充水强度：自然状态下矿床和围岩中赋存的水称为矿床充水，其水量水量大小称充水强度。矿井（坑）涌水、涌水强度：采矿时流入井巷的水称为矿井（坑）涌水，其水量水量大小称涌水强度。矿井突水、突水强度：超过矿井正常排水能力的瞬时大量涌水称为矿井突水，其水量水量大小称突水强度。矿床充水条件：充水水源和涌水通道是形成