專門水文地質(zhì)學(xué) 12 礦床水文地質(zhì)（下）

礦井涌水量監(jiān)測與預(yù)測礦區(qū)地下水防治方法礦床水文地質(zhì)（下）礦井涌水量監(jiān)測與預(yù)測礦井水觀測礦井水觀測礦井水觀測

礦井地面水文地質(zhì)觀測

井下水文地質(zhì)觀測

礦井涌水量的觀測

降水量

地表水

地下水

巷道充水性觀測

含水層

巖層裂隙發(fā)育調(diào)查

斷裂構(gòu)造

出水點(diǎn)

出水征兆

觀測要求

觀測資料的整理

涌水量統(tǒng)計(jì)

編制礦井充水性圖

編制涌水量與有關(guān)因素的關(guān)系曲線圖

出水點(diǎn)觀測（1）煤層變潮濕、松軟；頂板出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象，且淋水可由小變大；有時(shí)出現(xiàn)鐵銹色水跡；（2）發(fā)生局部冒頂，水量突增并出現(xiàn)流砂，流砂常呈間歇性，水色時(shí)清時(shí)混，總的趨勢是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出；（3）工作面氣溫降低，或出現(xiàn)霧氣及硫化氫氣味；（4）底板破裂，沿裂縫有高壓水噴出，并有“嘶嘶”或刺耳水聲；（5）工作面壓力增大，底板鼓起，底鼓量可達(dá)500mm以上。出水征兆1、涌水量觀測站點(diǎn)的布置：固定站點(diǎn)：長期突水點(diǎn)、水文地質(zhì)復(fù)雜的開采區(qū)、排水井的下游臨時(shí)站點(diǎn)：一般出水點(diǎn)、采掘工作面的探放水鉆孔、井筒新揭露的含水層礦井涌水量觀測2、涌水量觀測要求：按時(shí)間：一般每旬觀測一次初揭露的涌水量未穩(wěn)定之前，每天測量一次突然涌水，每隔1-2h觀測一次按突水點(diǎn)：疏干鉆孔或老窯防水鉆孔，每隔3-5天測定一次豎井每延伸10m、斜井每延伸20m測量一次

礦井涌水量觀測3、觀測資料的整理：礦井涌水量觀測3、觀測資料的整理：實(shí)例1實(shí)例2礦井涌水量監(jiān)測與預(yù)測礦井涌水量監(jiān)測礦井涌水量監(jiān)測容積法堰測法流速儀法浮標(biāo)法水倉水位法礦井涌水量監(jiān)測與預(yù)測礦井涌水量預(yù)測方法江西榨一煤礦

礦井涌水量是指礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中單位時(shí)間內(nèi)流入礦井(包括各種巷道和開采系統(tǒng))的水量。礦床水文地質(zhì)條件類型礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度礦床開發(fā)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件礦山疏干排水設(shè)計(jì)礦井生產(chǎn)能力防治水措施確定依據(jù)概述1、礦井正常涌水量

開采系統(tǒng)達(dá)到某一標(biāo)高(或水平)時(shí)，正常狀態(tài)下保持相對穩(wěn)定時(shí)的總涌水量。通常是指平水年的涌水量。2、礦井最大涌水量

正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季時(shí)的最大涌水量。3、開拓井巷涌水量

井筒(立井、斜井)和巷道(平硐、平巷、斜巷、石門)在開拓過程中的涌水量。主要工作礦井涌水量預(yù)測內(nèi)容4、疏干工程的排水量

在規(guī)定的疏干時(shí)間內(nèi)，將水位降到某一規(guī)定標(biāo)高時(shí)所需的疏干排水強(qiáng)度。5、礦井突水量

礦井采掘過程中在某些因素的作用下，含水層(體)中的地下水突破隔水層而突然進(jìn)入開采系統(tǒng)的水量，突水量常常是正常涌水量的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

難以預(yù)測！礦井涌水量預(yù)測內(nèi)容礦井涌水量預(yù)測的特點(diǎn)礦井涌水量預(yù)測以準(zhǔn)確地預(yù)測豐水期最大涌水量為目標(biāo)；我國礦井大多分布于基巖山區(qū)，充水條件差異懸殊，補(bǔ)排條件復(fù)雜，邊界、結(jié)構(gòu)與流態(tài)復(fù)雜，定量化難度大。礦山井巷類型與空間分布千變?nèi)f化，開采方法、速度與規(guī)模等生產(chǎn)條件復(fù)雜且不穩(wěn)定，給礦井涌水量預(yù)測帶來諸多不確定性因素。礦井涌水量預(yù)測多為大降深，必然導(dǎo)致對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的嚴(yán)重干擾與破壞，且破壞強(qiáng)度難于預(yù)料與定量化。礦井地質(zhì)調(diào)查中，水文地質(zhì)工作投入技術(shù)條件較差、投資少、工程控制程度低，在客觀上給涌水量預(yù)測帶來一定困難。礦井涌水量預(yù)測步驟第一步：建立水文地質(zhì)模型要求:(1)概化已知狀態(tài)下礦區(qū)水文地質(zhì)條件；

(2)給出未來開采井巷的內(nèi)部邊界條件；

(3)預(yù)測未來開采條件下的外部邊界。第二步：選擇計(jì)算方法，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型分類非確定性統(tǒng)計(jì)模型確定性模型混合型模型經(jīng)驗(yàn)方程（比擬法）Q-S曲線方程回歸方程滲流型非滲流型解析解-井流方程數(shù)值解有限元法有限差分法穩(wěn)定井流公式非穩(wěn)定井流公式礦井涌水量預(yù)測步驟第三步：求解數(shù)學(xué)模型，評價(jià)預(yù)測結(jié)果

數(shù)學(xué)模型的解算是對水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面驗(yàn)證識別的過程，最終使所建模型和預(yù)測結(jié)果更加合理和趨于實(shí)際。礦井涌水量預(yù)測步驟水文地質(zhì)比擬法礦井涌水量預(yù)測方法

水文地質(zhì)比擬法利用地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相似、開采方法基本相同的生產(chǎn)礦井的排水或涌水量觀測資料，來預(yù)測新建礦井的涌水量。前提:①新建礦井與老礦井的條件應(yīng)基本相似；

②老礦井要有長期的水量觀測資料，保證涌水量與各影響因素之間數(shù)學(xué)表達(dá)式的可靠程度。水文地質(zhì)比擬法

一、富水系數(shù)法

富水系數(shù)：指一定時(shí)間內(nèi)礦井排出的總水量Q0與同時(shí)期內(nèi)的采礦量P0之比。已建礦新建礦水文地質(zhì)比擬法二、單位涌水量比擬法

疏干面積F0和水位降深S0是礦井涌水量Q0變化的主要影響因素。根據(jù)生產(chǎn)礦井有關(guān)資料求得的單位涌水量q0，可作為預(yù)測類似條件下新礦井在某個開采面積F和水位降深S條件下涌水量Q的依據(jù)。已建礦新建礦水文地質(zhì)比擬法Q-S曲線外推法礦井涌水量預(yù)測方法

根據(jù)穩(wěn)定井流理論，抽水井的涌水量Q與水位降深S之間可用Q–S曲線的函數(shù)關(guān)系表示。

Q–S曲線法就是利用穩(wěn)定流抽(放)水試驗(yàn)的資料，建立涌水量Q與水位降深S的曲線方程，然后根據(jù)試驗(yàn)階段與未來開采階段水文地質(zhì)條件的相似性，把Q–S曲線外推，以預(yù)測涌水量。

Q-S曲線外推法要求三次以上水位降低的抽（放）水試驗(yàn)大口徑、大降深，抽水規(guī)模盡量地接近未來的開采條件抽水時(shí)間盡量延長，充分暴露水文地質(zhì)條件影響Q-S關(guān)系的因素水文地質(zhì)條件，如含水層規(guī)模、補(bǔ)給程度、邊界條件等；抽水時(shí)的水位降深大小對外推精確程度影響很大；抽水井的結(jié)構(gòu)和抽水時(shí)間的影響。優(yōu)點(diǎn)避開了求取各種水文地質(zhì)參數(shù)適用條件復(fù)雜，難于取得參數(shù)的礦區(qū)Q-S曲線外推法Q–S曲線法的計(jì)算方法和步驟：

1、建立各種類型Q–S曲線方程

2、判別實(shí)際的Q–S曲線的類型

3、確定方程中的待定參數(shù)a和b4、井徑換算Q-S曲線外推法1、建立Q–S曲線方程可歸納為四種數(shù)學(xué)模型：Ⅰ直線型Ⅱ拋物線型Ⅲ冪曲線型Ⅳ對數(shù)曲線型ＱＳⅠⅡⅢⅣⅤQ-S曲線外推法Ⅲ

冪曲線型：從某一降深值起，涌水量Q隨降深S的增大而增加很少Ⅰ

直線型：承壓井流（或厚度很大、降深相對較小的潛水井流）Ⅳ

對數(shù)型：補(bǔ)給衰竭或水流受阻，隨S增大Q增量很小，曲線趨向S軸Ⅱ

拋物線型：潛水、承壓-無壓井流（三維流、紊流影響的承壓井流）ＱＳⅠⅡⅢⅣⅤQ-S曲線外推法

2、判別實(shí)際的Q–S曲線的類型

將曲線方程以直線關(guān)系式表示，并以直線關(guān)系式中的兩個相對應(yīng)的變量建立坐標(biāo)系，把(抽)放水試驗(yàn)的涌水量和相應(yīng)的水位降深資料，分別放到上述的四種曲線類型各自的直線關(guān)系式坐標(biāo)系中進(jìn)行伸直判別。散點(diǎn)圖Q-S曲線圖曲線伸直取對數(shù)過原點(diǎn)轉(zhuǎn)換直接S、Q相除Ⅱ拋物線型Ⅰ直線型Ⅲ冪曲線型Ⅳ對數(shù)曲線型得到抽水試驗(yàn)散點(diǎn)圖?。≦i，Si）Q-S曲線外推法

3．確定方程中的待定參數(shù)a和b（1）圖解法:一般情況下，利用各類型的直線方程圖線，可由求出參數(shù)a和b。

結(jié)果：a為截距，b為直線的斜率

注意：Ⅲ冪曲線型中，b為斜率的倒數(shù)Q-S曲線外推法②拋物線型③冪曲線型④對數(shù)曲線型①直線型

將參數(shù)a,b及設(shè)計(jì)的水位降深S設(shè)計(jì)值代入原方程，即可外推鉆孔涌水量。（2）最小二乘法：當(dāng)精度要求較高時(shí)采用Q-S曲線外推法

4、井徑換算

由于抽水試驗(yàn)的鉆孔孔徑遠(yuǎn)小于井筒直徑，為消除井徑的影響，所以在預(yù)測井筒涌水量時(shí)需進(jìn)行井徑換算。對數(shù)關(guān)系平方根關(guān)系Q-S曲線外推法Q－S曲線法的優(yōu)點(diǎn)：（1）避開了各種水文地質(zhì)參數(shù)的求解；（2）計(jì)算簡單易行；（3）適用：水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊界條件復(fù)雜而難以建立解析公式的礦區(qū)。

Q-S曲線外推法注意：（1）采用Q－S曲線法時(shí)，試驗(yàn)孔符合未來的開采條件，盡量采用大口徑、大降深的抽水試驗(yàn)，長時(shí)間抽水，充分暴露水文地質(zhì)條件，方能反映未來的開采條件。

（2）Q－S曲線方程法在作外推預(yù)測時(shí)，推斷的范圍一般不應(yīng)超過抽水試驗(yàn)最大降深的2～3倍，否則預(yù)測的可靠性會降低。S試S推S總Q-S曲線外推法水均衡法礦井涌水量預(yù)測方法一、應(yīng)用條件：位于分水嶺地段的裸露型充水礦床，主要接受大氣降水的補(bǔ)給。水文地質(zhì)特征：含水層厚度較薄，水位埋藏深、變幅大、升降迅速；地層透水能力強(qiáng)，蓄水能力弱；抽水試驗(yàn)條件困難；地下水動態(tài)與降雨直接相關(guān)；補(bǔ)給區(qū)主要在礦區(qū)范圍附近，以垂向補(bǔ)給為主；礦區(qū)地下水與區(qū)域地下水很少發(fā)生水力聯(lián)系，無側(cè)向補(bǔ)給。水均衡法二、基本原理

水均衡法是通過研究某一時(shí)期(均衡期)礦區(qū)(均衡區(qū))地下水各收支項(xiàng)目之間的關(guān)系，建立地下水均衡方程，計(jì)算礦井涌水量。

V補(bǔ)—V排＝△V儲

式中：V補(bǔ)—均衡期內(nèi)均衡區(qū)的補(bǔ)給量

V排—均衡期內(nèi)均衡區(qū)的排泄量

△V儲—均衡期內(nèi)均衡區(qū)儲存量的變化水均衡法

側(cè)向流入大氣降水人滲V補(bǔ)：地表水體滲漏補(bǔ)給其它含水層越流補(bǔ)給人工灌溉入滲等

V排：

人工排泄側(cè)向徑流排泄天然排泄地下水蒸發(fā)排泄向其它含水層越流△V儲：

彈性釋放重力給水均衡要素

均衡法一般只適用于完整的水文地質(zhì)單元內(nèi)補(bǔ)給和排泄量容易確定并且有長期觀測資料的礦區(qū)總涌水量的概算。水均衡法

某井田的充水巖層兩側(cè)被阻水?dāng)鄬铀懈詈拖拗?，與區(qū)域地下水失去水力聯(lián)系，而且頂、底板都是隔水層，自成獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，開采煤層需要疏干含水層，當(dāng)為定流量排水時(shí)，其礦井涌水量的計(jì)算公式可表示為：彈性給水水均衡法

1977～1978年，地質(zhì)礦產(chǎn)部曾對55個重點(diǎn)巖溶充水礦山進(jìn)行了水文地質(zhì)回訪調(diào)查，礦井涌水量預(yù)測值與開采后的實(shí)際涌水量的對比表明：10％的礦區(qū)--誤差小于30％80％的礦區(qū)--誤差大于50％個別礦區(qū)----誤差達(dá)數(shù)10倍、100倍例1：葉莊鐵礦預(yù)測值為417.4m3/d，實(shí)際值為預(yù)測值的256.3倍。實(shí)際涌水量預(yù)測方案一預(yù)測方案二6048m3/d80524.8m3/d95299.2m3/d誤差1231%誤差1475%例2：泗頂鉛鋅礦涌水量預(yù)測結(jié)果的可信度礦井涌水量預(yù)測礦區(qū)地下水防治方法礦床水文地質(zhì)（下）

在礦山建設(shè)和生產(chǎn)中，研究礦井水的目的不僅在于認(rèn)識其充水因素及其水量的大小，而且要在分析礦井充水條件的基礎(chǔ)上制定合理的防治措施，以預(yù)防和消除礦井水對煤礦生產(chǎn)的不利影響。

以防為主、防治結(jié)合是治理礦井水的重要原則。礦井水的防治處理方法很多，總起來講有地面防水、井下防水等。礦區(qū)地下水防治方法（一）地面防治水地面防水是指在地表修筑排水工程或采取其他措施，以防止大氣的降水和地表水補(bǔ)給含水層或直接滲入井下，從而減少礦井涌水量，防止井下災(zāi)害事故的發(fā)生。礦區(qū)地下水防治方法（一）地面防治水1、慎重選擇井筒位置：應(yīng)盡量保證在任何情況下，井口、地面設(shè)施不至于被水淹沒。2、堵塞通道：采礦活動引起的地面塌陷坑和裂縫、基巖(煤層及充水巖層)露頭區(qū)的裂隙、溶洞、廢鉆孔和老窯等都可能成為大氣降水和地表水直接或間接下滲的通道，當(dāng)其位于地勢凹處時(shí)，危害尤甚。實(shí)際工作中，經(jīng)查明上述通道確與井下構(gòu)成了水力聯(lián)系時(shí)，可用粘土、塊石、水泥甚至鋼筋混凝上將其填堵。填堵大的塌陷坑和裂縫常常是在下部充以碎石，在上部覆以粘土，分層夯實(shí)并使其略高出地表。礦區(qū)地下水防治方法（一）地面防治水3．整鋪河底當(dāng)河流(渠道、沖溝等)通過礦區(qū)并沿河床或溝底的裂縫滲入礦井時(shí)，可在漏失地段用粘土、料石或水泥鋪砌不透水的人工河床，以制止或減少河水漏失。礦區(qū)地下水防治方法（一）地面防治水4．河流改道

當(dāng)?shù)V區(qū)內(nèi)有河流通過，對礦井充水有影響時(shí)，常采用河流改道措施。即在河流流入礦區(qū)的上游地段筑壩，攔截河水，用新修的人工河道將水引出礦區(qū)。礦區(qū)地下水防治方法（二）井下防治水——疏放地下水

疏放地下水是消除水源威脅和著手防治礦井水的積極措施，包括老窯、采空水的探放；礦床頂板水的疏放；礦床底板水的疏放。從而把地下水水位降低到安全水位以下，或者予以疏干，達(dá)到礦井安全生產(chǎn)的目地。礦區(qū)地下水防治方法

當(dāng)采掘作業(yè)接近老窯、老空區(qū)、導(dǎo)水?dāng)鄬右约昂畬訒r(shí)，或者采掘工作面出現(xiàn)明顯出水征兆時(shí)，都要立即停止作業(yè)，進(jìn)行探放水。確定探放水的“三防線”，即積水線、探水線、警戒線。（二）井下防治水——老窯、采空水的疏放礦區(qū)地下水防治方法a、積水線：是經(jīng)調(diào)查后核定的老窯、老空積水區(qū)范圍的邊界線。b、探水線：沿積水線外推60～150m的距離所劃定的一條界線。當(dāng)掘進(jìn)巷道達(dá)到此線時(shí)，就應(yīng)開始探水。c、警戒線：是從探水線再外推50～150m劃定的一條界線。當(dāng)巷道掘進(jìn)進(jìn)入此線時(shí)，就應(yīng)警惕積水的威脅，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有出水征兆時(shí)，就應(yīng)提前探水。

當(dāng)?shù)V床上覆或下伏有含水層，并對采掘作業(yè)有威脅時(shí)，可采取疏干或降低水位的方法解除地下水對煤層的威脅，以保證采掘作業(yè)的正常進(jìn)行。

（二）井下防治水——頂?shù)装逅氖璺诺V區(qū)地下水防治方法1）巷道疏放礦床頂板為含水層，或含水層離頂板較近時(shí)，可把采區(qū)巷道或采煤準(zhǔn)備巷道提前開拓出來，作為疏水巷道進(jìn)行疏放頂板含水層。（二）井下防治水——頂?shù)装逅氖璺诺V區(qū)地下水防治方法2)疏放降壓鉆孔礦床下部有強(qiáng)含水層時(shí)，有水壓高，水量大，有突水危險(xiǎn)時(shí)，此時(shí)可在疏水降壓地段利用原有巷道或?qū)ｉT布置疏水巷道，在巷道中每隔定距離向底板以下含水層打鉆孔放水，使水壓降