第七章 矿井水文地质与工程地质

煤矿地质学资源与环境工程学院汤友谊煤矿地质学第七章矿井水文地质与工程地质第一节地下水的基本知识第二节矿井充水条件及充水程度的表示方法第三节煤矿工程地质基础煤矿地质学第一节地下水的基本知识一、自然界中水的循环水通过水圈、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。水循环的实质是大气圈水、地表水、地下水间水的相互转化。按水循环的范围不同，水的循环分为大循环和小循环。煤矿地质学煤矿地质学水的循环示意图煤矿地质学二、岩石的孔隙性与水理性质1.岩石的空隙性岩石空隙的大小、形状、联通程度和分布状况，称为岩石的空隙性。按照空隙成因和岩石的性质，可将岩石空隙分为三种类型，即孔隙、裂隙和溶隙。相应的将岩石分为孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石。煤矿地质学煤矿地质学%100VVnH空隙率岩石空隙的体积岩石的总体积煤矿地质学2.岩石的水理性质1）含水性：是指岩石在其空隙中含有一定水量的性能。2）持水性：岩石在重力作用下仍能保持一定水量的能力。3）给水性：在重力作用下，含水的岩石能自由流出一定水量的性能。4）透水性：水透过岩石的性能。渗透系数，m/d,m/s,cm/s.透水、半透水、不透水岩石.煤矿地质学%100VVG岩石的给水度在重力作用下从饱和岩石中自由地排出的水的体积岩石的总体积煤矿地质学表7－2给水度μ的经验值岩石给水度岩石给水度粉砂与粘土0.1~0.15粗砂与砾石砂0.25~0.35细砂与泥质岩0.15~0.20粘土胶结的砂岩0.02~0.03中砂0.20~0.25裂隙灰岩0.008~0.1煤矿地质学三、水在岩石中存在的形式1）气态水：呈气态充满在岩石空隙中的水蒸汽。2）结合水：因分子力作用而被吸附于岩石颗粒表面的水。吸着水及薄膜水。煤矿地质学3）毛细水：充填于岩石毛细空隙和细的裂隙中的水。4）重力水：完全受重力作用影响而运动的地下水。5）固态水煤矿地质学四、地下水的物理性质及化学成分1.地下水的物理性质：温度、颜色、透明度、味、臭、比重等。2.地下水的化学成分1）地下水通常的化学成分地下水中化学元素的存在状态：离子状态、化合物状态、气体状态。煤矿地质学2）地下水的化学性质反映地下水化学性质的常用指标：a.氢离子浓度(酸碱度）b.硬度：取决于水中Ca2+和Mg2+的含量。C.总矿化度：指水中所含各种离子、分子及化合物的总量。d.侵蚀性：表现为酸性侵蚀及CO2的侵蚀。煤矿地质学表7－3地下水的酸碱度分类7中性﹥9强碱性5～7弱酸性7～9弱碱性﹤5强酸性PH值酸碱度PH值酸碱度煤矿地质学表7－4水按硬度的分类﹥25.2﹥9.0极硬水16.8~25.26.0~9.0硬水8.4~16.83.0~6.0微硬水4.2~8.41.5~3.0软水﹤4.2﹤1.5极软水德国度Meq/L硬度名称煤矿地质学表7－5水按总矿化度的分类﹥50卤水10～50盐水3～10咸水1～3微咸水﹤1淡水总矿化度，g/L类别煤矿地质学五、含水层和隔水层含水层（带）：含有地下水且又透水的岩层称含水层（带）。隔水层（带）：由不透水岩石构成的岩层，具有阻隔地下水的性能。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，因为有不透水的隔水界面，含水层才具有赋存地下水能力。煤矿地质学六、地下水的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，各种地下水在形成、分布、运动、水质、水量等方面都有很大的不同。煤矿地质学1.按地下水的埋藏条件分类1）包气带水：存在于包气带中的无压水。2）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。3）层间水：存在于两个隔水层之间的含水层中的地下水，分为无压层间水、有压层间水。煤矿地质学煤矿地质学煤矿地质学煤矿地质学2.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；裂隙水：是赋存和运动于基岩裂隙中的地下水；岩溶水：是储存和运动于可溶蚀裂隙和溶洞中的地下水；煤矿地质学七、地下水运动的基本规律地下水显著的特点是在岩石中不停地运动，即地下水在饱和岩层中连续不断地由高水位向低水位流动，称其为渗流或渗透。具备两个条件：岩层必须透水；存在水位差。煤矿地质学LHI＝水力坡度水位差渗透路途长度煤矿地质学1.层流运动的线性渗透定律层流运动是指地下水在较小的孔隙或裂隙中运动时，水流质点运动连续不断，流速相互平行而彼此不相混杂，流束亦较小。地下水层流运动遵循达西线性渗透定律。v=KI煤矿地质学2.紊流运动的非线性渗透定律紊流运动与水在渠道和水管中的运动相似，它是指地下水在岩石大的孔洞和裂隙中运动时，水流质点连续不断的运动，但流束不平行而且彼此混杂，运动速度大。紊流运动的非线性渗透定律是：渗透速度与水力坡度的1/2次方成正比。V=KI1/2煤矿地质学第二节矿井充水条件及充水程度的表示方法矿井水是指在矿井建设和生产过程中，流入井筒、巷道及采煤工作面的地表水、地下水、老窑积水和大气降水。一、矿井充水条件1.矿井充水的水源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。煤矿地质学2）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；3）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）断层水：断层破碎带，常是地下水良好聚集场所和通道。5）老窑积水：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。煤矿地质学2.矿井充水通道1）岩石的空隙与岩层的裂隙2）断层3）岩溶洞隙4）人为因素产生的矿井充水通道（封闭不良钻孔、降落漏斗、塌陷及其裂隙）。煤矿地质学3.影响矿井充水程度的其它因素1）地形含水层出露部位和程度2）煤层的埋藏条件埋藏深度、倾角及厚度3）岩层的性质、分布及出露程度4）古地形古侵蚀区、古河床煤矿地质学二、矿井充水程度的表示方法矿井充水程度反映矿井水文地质条件的复杂情况。通常，生产矿井用含水系数来表示；基建矿井用涌水量大小来表示。1.含水系数含水系数又称富水系数，是指矿井中排出的水量Q（m3）与同一时期煤炭开采量m（t）的比值，通常用Km表示——吨煤排水量。煤矿地质学涌水小的矿井：Km2；涌水中等的矿井：Km＝2～5；涌水大的矿井：Km=5～10；涌水最大的矿井：Km＞10；不同矿井，甚至同一个矿井不同时期的Km值的变化往往很大，因为它与自然条件（地质、水文地质）和人为因素（开采方法、开采强度等）的变化有关。煤矿地质学2.矿井涌水量所谓矿井涌水量，是指单位时间内流入矿井的水量，通常见Q表示。根据涌水量的大小可将矿井分为：涌水小的矿井：Q＜100m3／h；涌水中等的矿井：Q＝100～500m3／h；涌水大的矿井：Q＝500～1000m3／h；涌水最大的矿井：Q＞1000m3／h。煤矿地质学第三节煤矿工程地质基础一、土的工程地质性质1.土的物质组成：土的固体颗粒、土中的水及土中的气体。2.土的结构构造土的结构是指土粒的大小、形状、表面特征、相互排列和连结关系。土的构造是指土体中各部分（颗粒集合体）的形状、大小，以及相互间的排列和连结关系等。煤矿地质学3.土的物理性质及力学性质1）土的物理性质指标：比重、视密度、含水量、饱和度、孔隙率（度）、孔隙比。2）土的力学性质：土在外力作用下表现出来的性质土体在压力作用下，体积缩小变形的现象，称为土的压缩性。土体在剪应力作用下，一部分土体沿另一部分土体开始产生滑动时，所具有的抵抗剪切破坏的极限强度，称为土的抗剪强度。煤矿地质学二、岩石的工程地质性质1.岩体与岩石岩石是矿物（或岩矿屑）的天然混合体。岩体是指岩石的地质综合体，它被各式各样宏观地质界面分割成大小不等、形态各异，多有一定规律排列的许多块体。结构面和结构体岩体中的一切分割面，均谓之结构面。可有沉积、构造和次生结构面。结构体是由结构面切割成的块体。常见块状、菱形、板状、碎块状煤矿地质学2.岩石的物理和水理性质1）岩石的物理性质：比重、视密度、空隙性。2）岩石的水理性质：是指岩石与水相互作用时所表现的性质。吸水性指岩石吸收水分的性能。软化性指岩石浸水后强度降低的性能。抗冻性指岩石抵抗冻融破坏的性能。煤矿地质学3.岩石的力学性质1）岩石的抗压强度岩石在垂直压力作用下抵抗破坏的能力，数值上等于岩石破坏时的极限荷重。2）岩石的抗剪强度岩石在受剪切力作用时抵抗剪切破坏的能力。3）岩石的抗拉强度岩石抵抗单向拉伸的能力。岩石的抗折强度岩石受弯至折断时所产生的弯曲应力。煤矿地质学岩石的比重或视密度越大，抗压强度越高。煤矿地质学4）岩石的坚固性指岩石抵抗外力作用的总强度，以硬度系数f表示。100pf普氏硬度系数单向抗压强度煤矿地质学煤矿地质学三、煤矿建井施工中的某些工程地质问题1.滑坡及斜坡的稳定性1）滑坡是部分岩土体（滑坡体）在本身重量、水及人工切坡或震动的作用下，失去平衡，沿一定的滑动面向下滑动的过程与现象。2）斜坡及其稳定性煤矿地质学滑坡的形成条件：与地面坡度较陡、软弱结构面的存在及地下水的活动有关。滑坡可分为：粘性土、黄土、碎石土滑坡。煤矿地质学滑坡的防治预防措施：工程地质勘察、选好建筑场地、避免大挖大掘、排水。治理措施：排水、支挡、减重和护坡。斜坡及其稳定性：包括天然斜坡和人工开挖的边坡。斜坡稳定性的影响因素主要有：地貌、地质结构及地质作用、人类工程活动。煤矿地质学2.地下硐室围岩的稳定性围岩是指井巷周围一定范围内，对工程稳定性能够产生影响的那一部分岩体。对围岩稳定性影响较大的主要地质因素有：岩体结构、围岩的性质、地质构造及地下水等。煤矿地质学煤矿地质学四、与地下水有关的煤矿工程地质现象1.流砂是松散未胶结的砂土，在地下水流渗透压力作用下，被水饱和后变为类似液体状态而产生的流动现象。煤矿地质学真流砂砂类土中含有大量的亲水粘土胶体颗粒，这些颗粒与水作用并粘附在沙粒的周围，形成一层较厚的薄膜，这时胶体的体积膨胀而使砂粒的比重降低，从而提高了砂粒的悬浮能力，在不太大的水力坡度作用下，即产生悬浮和流动。假流砂砂土中不含亲水性粘土胶体颗粒，由于地下水的水力坡度较大（大于临界水力坡度）时，地下水的流速增加，从而冲动了细小颗粒的砂而使其悬浮、流动的现象。煤矿地质学2.潜蚀由于地下水对含水层中易溶盐类（石膏、岩盐等）的溶滤，或者将细小颗粒挟走，从而造成地表一连串沉陷漏斗的现象。潜蚀产生的条件：a.水力坡度I的大小；b.土石必须有一定的适宜于细小颗粒运动的结构，即土石的不等粒系数f值的大小。煤矿地质学1060ddf土的不等粒系数土中颗粒累积含量达60％的颗粒直径土中颗粒累积含量达10％的颗粒直径土石的不等粒系数f，反映土石的不等粒程度。f值的大小是能否产生潜蚀作用的标志之一。煤矿地质学思考题：1.岩石的空隙类型、性质及其对岩石水理性质的影响？2.地下水的类型及其赋存、运移规律？3.矿井充水条件？如何选择恰当的措施处理不同因素引起的矿井充水？4.土的物质组成与其工程地质性质的关系？5.真流砂与假流砂现象的区别？采用何种措施处理？煤矿地质学