水文地質課件

1、礦井水文地質第一節(jié) 地下水基本知識第二節(jié) 礦井水起源第三節(jié) 礦井涌水量預測方法第四節(jié) 礦井水防治水文地質課件第1頁第一節(jié) 地下水基本知識礦井水危害： 影響煤炭資源開發(fā)； 惡化礦井生產(chǎn)條件； 增加采礦成本； 造成淹井事故。一、自然界中水循環(huán) 自然界中大氣水、代表水和地下水是統(tǒng)一水體，它們之間存在著內(nèi)在聯(lián)絡和不停相互轉化循環(huán)過程。 水循環(huán) 水經(jīng)過水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈處于連續(xù)不停地循環(huán)運動過程，稱為水循環(huán)。 水循環(huán)包含內(nèi)陸循環(huán)、海陸循環(huán)、海洋循環(huán)。水文地質課件第2頁水循環(huán)示意圖水文地質課件第3頁 水循環(huán)意義 a.使大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈之間不停地進行著能量交換和物質遷移。 b.使大氣降

2、水、地表水、地下水、土壤水之間相互轉化，使水資源形成不停更新統(tǒng)一系統(tǒng)。水文地質課件第4頁二、含水層和隔水層 自然界中巖層是在漫長地質歷史中形成，并經(jīng)歷了后期屢次結構運動與各種地質結構改造，因而發(fā)育了許多不一樣成因，不一樣方向，不一樣規(guī)模空隙。 含水層（帶） 地下巖層空隙中，儲存有在重力作用下能夠自由流動水，稱含水層（帶）。 隔水層（帶） 有些巖層空隙不發(fā)育，不透水。 含水層與隔水層在空間上是互為依賴，相伴共存，從而結構含水地質結構，因為有不透水隔水界面，含水層才含有賦存地下水；三、地下水分類 自然界有各種各樣地下水。有埋藏很深、有則很淺。有水量大，有水量小?？傊?，各種地下水在形咸、分布、運動、

3、水質、水量等方面都有很大不一樣。 水文地質課件第5頁 按地下水埋藏條件分類 潛水：是位于第一個穩(wěn)定隔水層以上含在透水層中、能夠自由流動地下水。其水面是起伏不平面，稱為潛水面。 潛水主要由大氣降水和地表水補給。多數(shù)情況下，補給區(qū)與分布區(qū)一致。所以潛水埋藏深度及含水層厚度經(jīng)常是改變，而且改變范圍較大，其中以氣候、地形影響最為顯著。 對采礦工作來說，潛水對建井及露天開采影響較大，對地下開采影響較小。 潛水特征：A）潛水直接接收大氣降水和比它水位高地表水滲透補給區(qū)一致； B）潛水面不承受靜水壓力； C）在重力作用下，由高向底流動，稱潛水流； D）潛水埋深因地而異，與水位、水量改變相關。水文地質課件第6

4、頁 承壓水（自流水）：是埋藏在兩個隔水層之間透水層中地下水，其運動受上下隔水層約束和水壓作用，通常是從補給區(qū)流向排泄區(qū)。其補給區(qū)與分布區(qū)不一致，受大氣降水改變影響較小，不易受污染。 特征： A）承壓水含有靜水壓力； B）以側向補給位主，所以補給區(qū)與分布區(qū)不一致； C）承壓水逕流嚴格受隔水層控制，其埋藏分布主要取決于地質結構； D）承壓水動態(tài)受降水、蒸發(fā)、水文等原因影響，但不如潛水顯著，水 位改變幅度小，普通有滯后性； F）因為有連續(xù)隔水層覆蓋，承壓水不易污染；水文地質課件第7頁 在承壓水區(qū)，當斷裂或人工打井穿過其上面隔水層時，承壓水即可上涌，如出水口低于水源區(qū)，就會出現(xiàn)自流井(泉)。水文地質課

5、件第8頁 按含水層空隙性質分類 孔隙水：是指存在于疏松巖層孔隙中水； 導水性好補給充沛裂隙水：是賦存和運動于基巖裂隙中地下水；風化裂隙成巖裂隙結構裂隙巖溶水：是儲存和運動于可溶蝕裂隙和溶洞中地下水；四、泉 泉是地下水天然露頭，是地下水一個主要排泄方式，是蓄水結構水文地質特征主要表現(xiàn)。 研究意義：確定水文地質單元邊界； 說明巖層富水性； 有幫于判斷地下水類型和動態(tài)改變； 分析泉水了解補給水源水質； 是理想天然地下水資源； 可降低水文勘探工作量。水文地質課件第9頁第二節(jié) 礦井水起源一、礦井水分析 大氣降水：是露天礦直接充水水源； 是地下采煤間接充水水源。大氣降水對礦井充水強度與涌水量年降水量；降水

6、性質；地形；煤層埋深；覆蓋巖層透水性。 地表水：分布在井田范圍或附近地表水，可能成為礦井充水水源；地表水性質和規(guī)模；地表水體與礦井間充水通道，其隨礦井開采方式和采煤方式不一樣而改變；水文地質課件第10頁 含水層水：是礦井最經(jīng)常和最主要充水水源； 多數(shù)情況：大氣降水、地表水 含水層 礦井影響原因礦井充水含水層類型充水含水層厚度與分布含水層補給條件與蓄水結構類型空隙性富水性導水性靜水壓力含水層厚度越大、分布越廣、儲量越豐富、疏干越不易；向斜軸部大靜水壓力小含水層與煤層關系煤層下部含水層煤層上方含水層 塌陷情況距離遇斷層巷道揭露水文地質課件第11頁 老窯水：是古代和近期采空區(qū)及廢棄巷道，長久停頓排水

7、而積存地下水；其特點以下： 老窯積水以靜儲量為主；一旦巷道揭露或巷道與老窯之間煤巖柱強度小于它靜水壓力時，積水傾出，瞬時涌水量大，來勢兇猛，含有很大破壞性，可造成嚴重事故； 老窯積水與其它水源無聯(lián)絡時，短期突出易于疏干；老窯普通位于淺部，若與地表水有水力聯(lián)絡，則造成穩(wěn)定充水水源危害較大； 老窯普通深度部大，但查清位置較困難，準確位置無法查清，又無人敢下去查； 老窯積水長久處于停滯，普通酸性大，腐蝕性強，別是高速運轉中水泵葉輪，因為水沖擊和摩擦，腐蝕損壞得更加快。水文地質課件第12頁 斷層水對礦井影響，主要是因為巷道揭露或由采掘活動破壞了圍巖隔水性能造成斷層帶水涌入井下； 斷層水主要特點：其靜儲

8、量不大，但往往與地表水、高壓強含水層溝通，對礦井生產(chǎn)造成巨大威脅； 斷層有時使煤層與富水性很強巖溶水對口相接；或者因為間層存在碰壞了巖層完整性，因而降低了巖層強度，這些常是礦井水文地質條件復雜化； 也有斷層破碎帶內(nèi)充填了許多破碎柔性巖石（如粘土巖）、煤粉、斷層泥等，也可能起隔水作用。所以對斷層透水性質應作詳細分析。假如在礦井中有許多條斷層，斷層交叉處是最輕易發(fā)生透水事故位置，應尤其注意。 斷層水：斷層破碎帶，常是地下水良好聚集場所和通道除此而外，還有其它人為原因導水通道；如：未封好鉆孔水文地質課件第13頁二、地下水動態(tài)觀察 地下水埋藏在地下，一直處于運動和改變之中，這種運動和改變主要表現(xiàn)在水位

9、、水量、水溫、水質等方面。 從事礦井水文地質工作人員，要經(jīng)常、全方面對礦區(qū)各水文地質觀察點進行觀察，掌握地下水運動規(guī)律和分析礦井水改變，觀察內(nèi)容包含：水位觀察，水量觀察，水溫和水質觀察。 水位觀察 在觀察孔中，按設計要求定時觀察地下水水位； 利用水位觀察預報透水事故發(fā)生；利用水位觀察，了解斷層導水性；（斷層兩側水位差、地表泉水）利用水位觀察了解突水水源；利用水位觀察，了解地下水與地表水補給關系；可處理問題 流量觀察 礦井涌水量與降雨量關系； 河流流量觀察； 礦井涌水量觀察。（浮標法、堰測法、容積法、觀察水倉法） 水文地質課件第14頁 水質研究 經(jīng)過水樣（水質）分析化驗，分析含水層補給和逕流及排

10、泄條件，含水層間及地表水之間水力聯(lián)絡，以及評價水資源等提供數(shù)據(jù)； 水溫改變也反應了地下水改變一個側面，對分析礦井水起源含有一定參考價值； 水質研究聚類分析與含糊綜合評判三、表示礦井充水程度方法 礦井充水程度反應礦井水文地質條件復雜情況。通常，生產(chǎn)礦井用含水系數(shù)來表示；基建礦井用涌水量大小來表示。 用含水系數(shù)表示礦井充水程度 含水系數(shù)又稱富水系數(shù)，是指礦井中排出水量 Q（米）與同一時期煤炭開采量 P（噸）比值，通慣用KB表示噸煤排水量 ； 涌水小礦井： KB 2； 涌水中等礦井： KB25； 涌水大礦井： KB = 510； 涌水最大礦井： KB 10； 不一樣礦井，甚至同一個礦井不一樣時期 K

11、B 值改變往往很大，因為它與自然條件（地質水文地質）和人為原因（開采方法、開采強度等）改變相關；水文地質課件第15頁用礦井涌水量表示充水程度 所謂礦共涌水量，是指單位時間內(nèi)流入礦井水量，通常見Q表示。 依據(jù)涌水量大小可將礦井分為： 涌水小礦井： Q100m3小時； 涌水中等礦井：Q100500m3小時； 涌水大礦井： Q5001000m3小時； 涌水最大礦井：Q1000m3小時。 水文地質課件第16頁第三節(jié) 礦井涌水量預測方法 正確計算未來井巷及采區(qū)涌水量大小，是一項主要而復雜工作。它對煤田技術經(jīng)濟評價有很大影響，而且也是開采設計部門選擇采掘方案，制訂疏于辦法，確定排水設備主要依據(jù)。 一、地下

12、水運動規(guī)律 地下水運動條件沿水流方向含有水位差 巖層必須透水 運動速度及水量 必備條件 巖石透水性 地下水水位差 水力坡度 =（H1-H2）/L 地下水運動狀態(tài) 紊流：水流質點運動不連續(xù)，流來混雜而不平行； 層流：水流質點運動連續(xù)不停，流束手行而不混雜； 水文地質課件第17頁 地下水運動基本定律達爾西定律 Q=KH / L其中：Q滲透流量（m3/s）； K滲透系數(shù)（m/s）； H水位差（m）； L砂巖長度（m）； 過水斷面積（m2）。二、井筒涌水量計算 潛水完整井涌水量計算: 系指井筒開鑿在潛水含水層中，并打穿含水層到隔水底板； 自流水完整井涌水量計算： 系指井筒開鑿在自流水含水層中，并全部揭

13、露含水層； 巷道涌水量預測方法：水文地質課件第18頁第三節(jié) 礦井水防治 以防為主，法治結合一、井筒位置選定 制訂防治工程計劃前，進行大量實際調查和必要觀察工作； 堅持礦井防治水與礦井水利用用相結合、地表與井下相結合、各種方法相結合綜合治水方針； 防水工程布置，按照礦井開拓程序及速度，結合地形等天然條件，來用由近到遠（即先采區(qū)上部，后向外圍擴展），由線到面（即先修溝，然后逐步到大面積），由低到高（即先低洼處，后山坡）；先重點后普通（即先修漏水最嚴重地段），因地制宜、隨高就低、因陋就簡、就地取材等標準。 力爭防止穿過強含水層或富水帶； 井筒所選定地點巖層要完整、穩(wěn)定，避開破碎帶和巖溶發(fā)育地段； 距

14、離礦井可能突水危險地段要有足夠安全距離； 另外，在地表、井口標高高于歷年最高洪水水位，確保在任何情況下均使井口或其它地面設施，不致于被水所淹。水文地質課件第19頁二、地表防水地表水下滲是礦井涌水量劇增一個主要原因 地表水防治挖溝排（截）洪堵塞通道河流改道鋪整河床 井下防治水 老容積水探放 ：采空區(qū)，由于地表水和地下水補給，充滿了大量積水。其特點： 一般積水范圍不明（特別是一些老礦井），串聯(lián)關系復雜、水量大、酸性強、水頭壓力高、危害大。 要隔離積水需保留大量安全煤柱，一方面影響資源回收，其次，由于資料不清、范圍不確，可能引起積水突然涌出，釀成災害事故。 所以，探故老窯水是采礦工作中防患于未然必要

15、措施，是探明可采邊界和安全開來主要伎倆。 水文地質課件第20頁普通按以下程序進行探放： 1. 調查老窯水分布 2. 探水起點 3. 探水鉆孔布置 絕大多數(shù)是探水與掘進相結合，即探水掘進探水循環(huán)進行，方能找到老窯放出積水。所以在考慮探水鉆孔布置時，必須確保掘進巷道前方仍有相當厚度保安煤柱。另外，老窯內(nèi)巷道極不規(guī)則，在探水掘進過程中，假如鉆孔密度不夠，古巷道就可能從兩個鉆眼之間漏過而發(fā)生透水事故。 4. 探水作業(yè) 嚴格遵照安全規(guī)程，大致注意： 1）加強頂板支護：探水巷道普通為雙巷掘進，方便于通風和搶險。為了確保探水地點、避災路線、來水時必經(jīng)巷道不發(fā)生冒頂片幫，探水前和整個施工期間要加強頂板支護。

16、2）加強深水迎頭通風和瓦斯檢驗：探水地點，隨時可能透老窯而散出CO2、CH2、H2S等有害氣體，所以，必須加大探水地點供風量，加強瓦斯檢驗，一旦發(fā)覺有害氣體含量增高，應查明原因，它往往是靠近老窯征兆。 3）安排避災路線：探放水時，全部可能受水威脅地點，尤其是采掘中下山區(qū)域，必須安排避災路線；在開始探水前，工人必須熟悉避災路線。 水文地質課件第21頁 4）設置警鈴信號及其它通訊聯(lián)絡設備：探放水地點要設軍電話、與井口調度室進行通訊聯(lián)絡，方便及時匯報鉆眼過程中發(fā)覺地質改變或透水征兆。 5）安裝安全套管：探故老空積水時，應該在孔口設置安全套管閥門，控制放水量，預防鉆眼被水沖刷擴大，在初透積水時，安全套

17、管還可用來測定水頭壓力。 6）鉆孔透空征兆時辦法； 7）嚴格判定放水效果 完全不消水，向里進風或向外出風； 水流一直不停，但沒有壓力； 通搗時有小水流，不通搗時無水等。 這時即可停頓放水，繼續(xù)進行掘進工作。 煤礦酸性水防治 ：煤層及煤系巖石中黃鐵礦及有機硫，當氧化后就形成硫酸，從而使地下水含有酸性。 1. 當煤中硫含量在2%以下時，普通不形成酸性水； 2. 煤層厚、傾角大時輕易形成酸性水； 3地下水循環(huán)條件好，水中富含氧亦易于形成酸性水；水文地質課件第22頁 4煤灰分高，并存在厚層粘土巖，能妨礙酸性水形成； 5采掘范圍擴大，與富含氧地下水接觸煤炭增多，尤其是當回來率較低時，遺棄煤炭多，更能促使

18、酸性水形成。 介紹排除酸性水幾項辦法： 分區(qū)排除酸性水，降低酸性水危害范圍； 分級排水，降低水泵揚程； 沖淡酸性水，使礦井中游離硫酸含量降低到最小程度； 中和酸性水（如加入生石灰等）； 利用牛皮罐代替水泵排酸性水； 改進水泵、水管耐酸性能； 其它方法： 從開拓布局上設法降低礦井排除酸性水年限； 預防地表水及降水滲透； 提升回采率。水文地質課件第23頁 地下暗河防治： 暗河也有大小型之分。大型暗河與地表河流相同，雨季河水猛漲，洶涌澎湃，旱季則河水變小。小型地下賭河實際上是一個復雜管道系統(tǒng)。這個“管道”在平面上左彎右招；在垂直方向上也是上上下下寬窄不一。 我國西南許多煤礦，常在灰?guī)r中開鑿巷道，暗河

19、對生產(chǎn)影響不能不給予重視。 1. 地下暗河對煤礦生產(chǎn)影響：井巷末揭露暗河前，暗河對生產(chǎn)影響甚微。一旦巷道揭露了暗河，暗河水將“破門”而出，向巷道中大量傾泄，巷道頓時變成水流使完四 “河道”，輕者被迫暫時停工，重者可能淹沒礦井 ； 2.地下暗河分布規(guī)律：當前對暗河分布研究工作，還不能滿足生產(chǎn)上要求。 地下暗河只存在于灰?guī)r、白云巖等可溶性巖層中； 地下暗河往往受結構控制，如常沿走向斷層發(fā)育起來；或沿格曲軸部張裂隙溶蝕擴大而成；在急傾斜巖層中，也有沿某一被錯動純質灰?guī)r層發(fā)育；所以地下暗河常與巖層走向大致平行； 地下暗河發(fā)育還受地形控制，地下水和地表水一樣，含有從高處流向低處特點。 水文地質課件第24

20、頁3地下暗河治理堵塞繞過截流斷源三、礦井水預防方法預防方法抽排法：排水系統(tǒng)，將水抽排到地表堵截法疏降法注漿堵水井筒注漿堵水井筒地面預注漿井筒工作面預注漿井壁注漿巷道注漿堵水注漿恢復被淹礦區(qū)或采區(qū)水文地質課件第25頁四、井下預防煤柱留設 煤層直接與疏松含水層掩蓋； 煤層直接與含水豐富巖層接觸時。 在這種條件下，保安煤柱不應小于20米。 煤層被強含水層所掩蓋時。 在這種情況下，煤柱圍設主要應考慮 煤層開來后塌陷裂隙，最好不要涉及 到上部強含水層。 巷道靠近導水斷層帶時，應留保安煤柱3050米。 防水煤柱尺寸確實定是個非常復雜問題，應考慮到含水層水壓、水量、煤層機械強度、厚度等原因。多數(shù)煤礦采取經(jīng)驗

21、數(shù)據(jù)，如沖積層下急傾斜煤層安全煤柱、靠近強含水層或導水斷層保安煤柱等等。 總之，應經(jīng)過實踐求得既安全又經(jīng)濟合理數(shù)據(jù)。水文地質課件第26頁本章結束水文地質課件第27頁 普通認為，煤層距地表水體越近，受其影響越大； 在煤層上覆巖層透水性差，而且沒有斷裂破壞時； 普通認為，煤層和地表水體之間垂距如大于煤厚50倍左右，地表水影響逐步消失。巖層崩陸帶裂隙帶無裂隙沉降帶水文地質課件第28頁下降泉上升泉水文地質課件第29頁 補給條件 含水層補給條件主要決定于含水層出露地表地形、溶洞裂隙發(fā)育情況和有沒有常年存在地表水體。在地形平緩、尤其是輕易內(nèi)澇地域，降水不易從地表流走，造成常年積水，為含水層提供了大量補給起

22、源，含水層露頭溶洞裂隙又發(fā)育，這么含水層水量就大；相反，在地形較陡情況下，降水大部分形成地表水流流走，補給地下水量就少。 排泄條件 任何一個含水層都有補給區(qū)和排泄區(qū)。在排泄區(qū)有大量泉水出露，泉多少和水量大小直接表示了含水層富水強度。凡是在含水層出露地域，泉很多，但每個泉水量很小，這是弱含水層特點；泉水流量大而且集中，這是強含水層排泄特點。西南地域不少煤礦，主要強含水層是茅口灰?guī)r和長興灰?guī)r，在其排泄區(qū)，都表現(xiàn)了泉水集中流量很大規(guī)律。水文地質課件第30頁 1961年7月7日，觀測人員發(fā)覺觀察孔內(nèi)水位突然下降1米，這是井下突水顯著預兆。觀察人員馬上向礦領導做了匯報，隨即采取了緊急辦法，將回采工作面人

23、員馬上全部撤出，第二天果然大量地下水夾雜著泥砂涌入井下； 一個鉆孔水位改變，準確地預報了透水事故發(fā)生，為確保煤礦安全生產(chǎn)起了重大作用。 華北某礦，煤層被百余米厚沖積層所覆蓋，沖積層下部分布著很厚卵石層，含水極其豐富；為了開采沖積層下面急傾斜煤層，防止沖積層水突然流入礦井而造成事故，在采煤工作面上方打了觀察孔，派專職人員進行水位觀團工作；水文地質課件第31頁 河南某礦，為了查明斷層導水性，在斷層兩盤分別布置了觀察孔，觀察斷層兩盤同一含水層水位改變； 經(jīng)過對兩個鉆孔水位長久觀察，發(fā)覺水位差異很大，說明斷層兩盤沒有直接水力聯(lián)絡，此斷層實際不導水； 因為斷層導水性問題得到處理，施工就果斷大膽了。巷道穿

24、過斷層時果然無水。 水文地質課件第32頁 山東某礦1958年10月 28日回采十行頭炭過程中，工作面底板突然透水，涌水量達 5m3m，部分巷道被淹沒。 突水后發(fā)覺打在本溪群徐家莊灰?guī)r中CK1，鉆孔水位顯著下降，而奧陶紀石灰?guī)rCK2觀察孔，水位沒有改變； 說明這次突水主要是徐家莊灰?guī)r水，而與奧陶紀灰?guī)r含水層無直接聯(lián)絡。水文地質課件第33頁 西南某礦在掘進底板茅口運輸大巷時，發(fā)生了突水事故，涌水量最高可達8000噸小時。開始有些人懷疑水源主要來自附近河流。為了證實這一推斷，在河流岸邊打了兩個鉆孔CK1；CK2。 經(jīng)過對鉆孔中水位觀察，發(fā)覺CK1中水位高于河流水面，CK2中水位又高于CK1；依據(jù)地下

25、水又高流向低規(guī)律，指示地下水補給河流，井下突水與河流無關； 后經(jīng)研究確實與地表河流無關，而是與地下河相關。 水文地質課件第34頁xRr R水文地質課件第35頁 抽水試驗確定影響半徑R 經(jīng)驗公式確定RR= 10 SK1/2K-滲透系數(shù)（m/晝夜）水文地質課件第36頁承壓水水文地質課件第37頁水文地質課件第38頁測水位工具降水與礦井涌水三種關系基本不變；滯后；同時；水文地質課件第39頁水文地質課件第40頁因為老窯積水資料不可能絕對準確，必須留出適當安全煤柱。安全煤柱過寬，會大大加重鉆探工作量，延誤掘進速度，對生產(chǎn)不利；安全煤柱過小,則安全沒有確保；我國有些煤礦分別按照積水線、探水線、警戒線三條線處理。 積水線指調查核定來空區(qū)預定邊界； 探水線一條沿積水線向外推移60150米一條線； 警戒線在深水線外沿平行外推50100米斯圈定一條線；掘進巷道進入這一界限后，必須警戒積水威脅。 探水起點近積水區(qū)，透水前有以下征兆： 煤壁或頂板滲出水珠，或者煤層松軟發(fā)潮； 頂板淋水或底板涌水； 煤層內(nèi)出現(xiàn)暗紅色水銹或滲水后掛紅； 迎