礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)課件

礦床水文地質(zhì)學礦床水文地質(zhì)學

一、本課程研究目的和意義井工開采礦山主要災害：瓦斯爆炸、突水事故、冒頂、煤層自燃。地下水和礦是相伴而生的，礦產(chǎn)開采將破壞含水層結構，造成水資源的損失。目的和意義：在礦產(chǎn)開采過程中，如何避免發(fā)生突水事故，減小水資源的破壞。一、本課程研究目的和意義二、研究內(nèi)容（1）礦床水文地質(zhì)條件（2）礦井涌水的預測（3）礦井突水的預測及其防治技術二、研究內(nèi)容

第一章有關礦床與采礦的基礎知識第一章有關礦床與采礦的基礎知識第一節(jié)有關礦床的基礎知識一、礦石、礦體、礦床與礦產(chǎn)礦石：凡含經(jīng)濟上有價值和技術上可提取有用元素、化合物或礦物的巖石，稱為礦石。礦體：礦石的自然堆積體稱礦體。礦體是獨立的地質(zhì)體，有一定的形狀、大小和產(chǎn)狀，并占有一定空間。礦床：有成礦地質(zhì)作用在地殼中形成的質(zhì)和量皆符合當前技術條件，可被開采和利用的地質(zhì)體稱為礦床。由礦體和圍巖組成。一個礦床可有一個或多個礦體組成。礦產(chǎn)：在地殼中，有地質(zhì)作用形成和能被利用的礦物資源稱為礦產(chǎn)。根據(jù)工業(yè)用途分為三大類：金屬礦產(chǎn)（黑色、有色、輕貴、稀有和放射性金屬）非金屬礦產(chǎn)（金剛石、云母、石英等）可燃有機礦產(chǎn)（煤、石油）此外，地下水也是不可缺少的礦產(chǎn)資源被開發(fā)和利用第一節(jié)有關礦床的基礎知識一、礦石、礦體、礦床與礦產(chǎn)二、礦體的形狀和產(chǎn)狀1.礦體的形狀：礦體在空間的存在形態(tài)。根據(jù)礦體延伸情況分為三個基本類型：

等軸型礦體：如礦瘤，可處在含水層或隔水層中。

板狀型礦體：如礦層、透鏡體等，其頂、底板（或其一）可為含水層。

柱狀型礦體：如礦筒，可分布在含水層或隔水層中。

不規(guī)則礦體：介于三個基本類型之間的為過度型礦體和不規(guī)則形態(tài)礦體，如網(wǎng)狀、放射狀礦體等。網(wǎng)狀礦體二、礦體的形狀和產(chǎn)狀網(wǎng)狀礦體2.礦體的產(chǎn)狀：指礦體產(chǎn)出的地質(zhì)位置和產(chǎn)出形態(tài)。包括礦體的構造位置、形狀、大小、與圍巖的接觸關系及其空間方位等。

通常以礦體（層）的走向、傾向及其傾角表示。

按產(chǎn)狀（傾角）礦體可分為：小于30的為水平礦體；

30至300的為緩傾斜礦體;300至450-550的為傾斜礦體；大于450-550的為急傾斜礦體。2.礦體的產(chǎn)狀：指礦體產(chǎn)出的地質(zhì)位置和產(chǎn)出形態(tài)。

三、礦石品位和礦產(chǎn)儲量

1.礦石品位：指礦石中有用組分的含量，是衡量礦石質(zhì)量的主要標志。常以有用礦物的單位重量或體積的含量表示(g/m3或kg/m3或g/t)。在當前的經(jīng)濟技術條件下，工業(yè)對礦石中主要有用組分的最低含量要求稱為工業(yè)品位。它隨著工藝技術、礦石儲量、綜合利用情況和國家對該礦石的需要等條件的變化而變化。用以圈定工業(yè)礦體邊界的品位稱為邊界品位，低于的為夾石。2.礦產(chǎn)儲量：即礦產(chǎn)在地下的埋藏量，是確定礦山規(guī)模、投資和礦山服務年限的主要依據(jù)。在地質(zhì)調(diào)查期間，應按不同地段、不同儲量級別、不同礦石自然類型、不同工業(yè)品位等分別計算儲量；開采時還須計算生產(chǎn)儲量。一般情況，露天開采時應計算開拓儲量及備采儲量；地下開采時應計算開拓、采準及備采三級儲量。三、礦石品位和礦產(chǎn)儲量四、礦床成因類型

（1）巖漿礦床：伴隨地殼中巖漿活動而形成的礦床，如鉻、鉑、金剛石、銅、鐵、磷等。該礦床多與圍巖發(fā)育各種裂隙，故裂隙水是該礦床主要充水水源。

（2）偉晶巖礦床：晶體粗大的脈狀礦體，富含稀有及放射性元素，如鋰、云母、水晶等。本身裂隙較發(fā)育，多成為含水較豐富的裂隙水帶。

（3）氣水-熱液礦床：是由含水、揮發(fā)性組分及成礦組分的氣水熱液，在運移中，成礦物質(zhì)通過充填或交代作用所形成的礦床。四、礦床成因類型四、礦床成因類型

（4）風化礦床：由地殼表層風化作用形成的礦床，主要產(chǎn)出鐵、錳、鋁、鎳、鈷、金、金剛石、磷塊巖及高嶺土等。其主要充水層為風化裂隙潛水層。

（5）沉積礦床：由地表沉積作用形成的礦床。

（6）變質(zhì)礦床：伴隨巖石變質(zhì)過程，由有用元素富集而成的礦床。除了金、鈾、銅、鋅等金屬礦產(chǎn)外，還產(chǎn)滑石、菱鎂礦、硼、石么棉等非金屬礦產(chǎn)，多數(shù)為水文地質(zhì)條件簡單的裂隙充水礦床。四、礦床成因類型第二節(jié)采礦基礎知識一、礦床的開采單位對面積大、儲量多的礦體，通常按礦體賦存條件分成從大到小的若干個開采單位，劃歸相應的采礦企業(yè)進行開采。其中：1.劃歸公司或礦務局開采的礦體，稱為礦區(qū)；2.礦務局或公司下設一個或幾個礦山，劃歸一個企業(yè)開采的礦體稱為礦田；3.在一個礦山中，劃歸一個礦井（坑口）開采的礦體稱為井田；第二節(jié)采礦基礎知識一、礦床的開采單位4.水平煤層的盤區(qū)劃分在水平礦層中一般都先在井田中部開掘主要運輸平巷，然后在其兩側(cè)將井田劃分成若干個盤區(qū)，再把盤區(qū)分成礦壁，依次進行開采。5.傾斜煤層的階段劃分對傾斜的礦體，多沿傾斜按一定標高分若干個平行于走向的長條，稱為階段。當階段面積仍較大時，還應進一步劃分成幾個采區(qū)。每個采區(qū)沿傾斜亦應布置幾個開采工作面．稱區(qū)段。4.水平煤層的盤區(qū)劃分二、礦床開采方式

采用露天開采或地下開采二種方式，有的則采用上述兩種方式聯(lián)合開采。

1.露天開采及露天礦場的構成當?shù)V床埋藏近地表、覆蓋層較薄，或開采由淺延至深部礦床的淺部礦體時，宜用露天方式開采，即從地面以較大面積直接向深處掘露天溝道，形成工作面開采礦石的方式。我國北方許多大型煤礦床，某些金屬、非金屬礦床及建筑材料，都用露天方式開采。其特點是生產(chǎn)能力大、效率高、成本低，勞動環(huán)境好。二、礦床開采方式

依據(jù)礦體的賦存條件，露天開采分為山坡露天開采形態(tài)(A)和深凹露天開采形態(tài)(B).依據(jù)礦體的賦存條件，露天開采分為山坡露天開采形態(tài)露天采礦場的構成要素

圖中，BC為原地表面線，網(wǎng)絡部分為礦體；AD為工作幫，由正進行采掘工作的臺階組成，各臺階平面稱工作平盤；KG為工作幫坡線，即工作幫最上和最下臺階的坡底連線，ψ為工作幫坡角，即工作幫坡線與水平線夾角；BE和CF為最上非工作臺階坡頂線與最下非工作臺階坡底線的連線；β和δ為最終邊坡線與水平線夾角；AK與EF為某一開采深度和開采結束時的采礦場底部平面，稱底盤。露天采礦場的構成要素圖中，BC為原地表面線2．地下開采及其井巷應用地下開采方式開采埋深在地下深處的礦床，就是利用適宜類型的地下巷道和不同的采礦方法從地下采出礦石。其中屬于垂直巷道者，它的四壁稱幫，下面稱底。根據(jù)采礦設計要求，開采時依據(jù)需要把巷道組合起來使用，稱為巷（坑）道系統(tǒng)。2．地下開采及其井巷

圖中：①豎井：地面掘進的大口徑井筒，系主要垂直通道；②斜井：由地面掘進有一定傾角的大口徑井筒，是主要傾斜通道；③平峒：由地面掘進的水平巷道；④盲井或暗井：與地面不直接相通的豎井或斜井；⑤溜井：連接上、下水平，專用于放礦的井筒；⑥石門：垂直礦體走向，開掘在巖層中的水平巷道；⑦礦門：垂直礦體走向，開掘在礦層中的水平巷道；⑧流道：在地下溜礦用的傾斜巷道；⑨上山道：在地下沿礦體傾斜向上開掘的巷道；⑩下山道：沿礦體傾斜向下開掘的巷道；⑾小井：與地面相通，作通風或臨時提升用的小型豎井。屬于水平巷道者，水平巷道的頂稱為頂板，底稱為底板，兩側(cè)成為幫；⑿露天礦：為露天開采部分。圖中：①豎井：地面掘進的大口徑井筒，系主要礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件三、開采礦床步驟

(1)開拓:據(jù)設計從地面到礦體開掘一系列的開拓巷道，建立運輸、通風、排水和供水等工程系統(tǒng)。在開拓期．主要開掘豎(斜)井筒、平硐、盲井、石門、階段平巷、主餾井及井底車場等。

(2)采準:就是在已開拓的階段或盤區(qū)中，進一步切割成采區(qū)或礦壁，為回采作準備工作；同時作為行人、運輸和通風之用。

(3)回采:是從完成采準的采區(qū)或礦壁中大量采出礦石的生產(chǎn)過程，包括落礦、運出礦石和管理地壓等項作業(yè)。采礦工作面稱回采面或掌子面，回采后的空間稱采空區(qū)。

三、開采礦床步驟

四、地下采礦方法簡介

地下采礦方法是地下采礦時對采區(qū)的采準和回采所使用的開采方法。依據(jù)回采時對地壓的處理方法（頂板管理方法）可將其分為三類。

采礦方法自然支撐采礦法人工支撐采礦法

崩落采礦法

四、地下采礦方法簡介采礦方法自然支撐采礦法人工支

(1)

自然支撐采礦法（礦柱支撐法）：在礦體和圍巖穩(wěn)固的礦區(qū)采礦，利用未采的礦(巖)柱支撐采空區(qū)，把采區(qū)中大部分礦石回采出來；同時，未采的礦巖又不會自行垮落，此稱自然支撐采礦法。具體做法是把采區(qū)劃分為礦房和礦柱，先采礦房，后采礦柱，回采礦房時形成的采空區(qū)，利用永久或臨時的礦柱支撐。為了開采下階段的安全，仍需對回采后的采空區(qū)進行處理。(1)自然支撐采礦法（礦柱支撐法）：在礦(2)

人工支撐采礦法：這是隨回采工作面的推進，采用人工支撐的辦法控制地壓和保護地下采礦場地的采礦方法。使用比較多的是充填法。

充填法的優(yōu)點在于：頂板巖層下落移動量小，可在基本不改變上覆地層水文地質(zhì)條件的情況下進行開采。它適用于：①接近或埋藏在地表水體或重要建筑物下面的礦體，或頂板上面分布有豐富地下水。不允許產(chǎn)生地表塌陷或能溝通水源的礦區(qū)；②露天與地下同時升采，需保護露天礦場不塌落的礦區(qū)：③開采稀有、貴重或高品位礦床或有自燃危險的礦區(qū)。

當前采用的充填法，主要有水砂或尾砂充填采礦法和膠結充填采礦法兩種。(2)人工支撐采礦法：這是隨回(3)崩落采礦法（全部垮落法）：隨回采發(fā)展，采用自行或強制地崩落上盤巖石，由其充滿采空區(qū)，使巖體應力達到新的平衡，一控制地壓和處理采空區(qū)，確保安全生產(chǎn)，稱為崩落采礦法。

此法廣泛用于煤礦區(qū)和圍巖不穩(wěn)定的礦區(qū)。由于崩落體的滲透性遠高于崩落前，且崩落又可達地面，形成塌陷和裂縫。在可能溝通強含水層時或城市、地表水或重要建筑物下面，不允許采用。(3)崩落采礦法（全部垮落法）：隨回五、礦床頂板類型

（1）偽頂：煤層之上，一般為厚度較薄的炭質(zhì)頁巖層，易破碎剝落。

（2）直接頂：偽頂之上，多由粘土巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖或節(jié)理發(fā)育的砂巖組成，一般一層或幾層，回采后短期會垮落。

（3）老頂：直接頂上面的厚度較大的堅硬巖層，多為砂巖、礫巖和灰?guī)r。回采后不隨直接頂垮落，而較長時間維持一定面積的懸空區(qū)。五、礦床頂板類型

一、礦山沉陷的形成

當?shù)V體（如煤、金屬礦石等）從地下被開采出來后，上部巖體失去支撐而導致平衡破壞，應力重新分布，以期達到新的平衡。在此過程中，地層內(nèi)部巖石的強度和內(nèi)聚力大大降低，采空區(qū)上部巖體變形和移動會向上波及地表，并在地表呈現(xiàn)出塌陷、裂縫和臺階等多種形式的變形，形成地表移動盆地。第三節(jié)開采沉陷的基本規(guī)律一、礦山沉陷的形成第三節(jié)開采沉陷的基本規(guī)律(a)L=38m

(b)L=90m

(c)L=158m

(d)L=225m

相似模擬實驗(a)L=38m(b)L=90m(c)L=158m相似模擬實驗相似模擬實驗

二、采空區(qū)覆巖破壞的垂直分帶

采空區(qū)上覆巖層的變形破壞可以劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲帶三個特征不同的區(qū)域。

二、采空區(qū)覆巖破壞的垂直分帶

（1）冒落帶

冒落帶是采煤工作面放頂后引起煤層直接頂板巖層產(chǎn)生的破壞范圍。其形成的機理主要是由于巷道頂板的巖石重量超過其抗拉強度引起的。

冒落帶高度可采用如下經(jīng)驗公式估算：

式中：M—煤層的采厚（m）；

Kp—碎脹系數(shù)。

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（2）

裂隙帶

裂隙帶位于冒落帶之上，主要由巖層離層及其相對滑移而生成，與冒落帶之間并無明顯的界限。

裂隙帶高度可由如下經(jīng)驗公式估算：

式中：c、d—經(jīng)驗系數(shù)，因地質(zhì)情況差異而變化。M—煤層的采厚（m）

冒落帶和裂隙帶統(tǒng)稱為透水裂隙帶。

（3）彎沉帶彎沉帶又稱整體移動帶，是指裂隙帶以上至地表的巖土層。在垂直剖面圖上，其上下各部分的沉降差異很小，一般不會出現(xiàn)離層現(xiàn)象。這一區(qū)域也有可能出現(xiàn)裂縫，但其微小，數(shù)量較少，貫通性很差，導水性微弱。（2）裂隙帶三、覆巖破壞影響范圍的形態(tài)特征在采用全部跨落法管理頂板時，覆巖破壞性影響范圍的形態(tài)特征與煤層的產(chǎn)狀有關，也受覆巖巖性的影響。

（1）水平及緩傾斜煤（礦）層（0～350）：在沿采空區(qū)走向和傾向剖面上，整個覆巖破壞影響范圍形態(tài)類似于馬鞍形，采空區(qū)四周邊界上方覆巖破壞性影響范圍的高度略高于中部，最高點位于開采邊界以內(nèi)或以外數(shù)米內(nèi)。

（2）中傾斜煤（礦）層（36～540）：冒落帶和裂隙帶的最大高度位于采空區(qū)上邊界附近的上方，整個覆巖破壞性影響范圍的形態(tài)呈上大下小的拋物線形狀。

（3）急傾斜煤（礦）層（55～900）：覆巖破壞性影響范圍偏重于采空區(qū)上邊界，而在下邊界微弱。三、覆巖破壞影響范圍的形態(tài)特征礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件

四、底板破壞深度

由于礦山壓力、水壓力、巖性組合與強度因素以及采礦方法的差異，底板的破壞深度有較大區(qū)別，比如斷層的出現(xiàn)，將會大大增加底板的破壞深度。目前，我國主要依據(jù)突水和試驗資料總結出底板突水系數(shù)法，以此進行粗略估算（具體算法后面有介紹）。其破壞形態(tài)與頂板類似，多為馬鞍形。

四、底板破壞深度

五、影響礦山沉陷的主要因素

（1）采空區(qū)的開采方式和開采面積

（2）頂板管理方式

（3）上部巖石的組成、層位及其巖石的物理力學性質(zhì)

（4）開采深度

（5）上部土層的厚度

（6）采空區(qū)的傾角

（7）巖體本身的一些缺陷

（8）邊緣煤柱的穩(wěn)定性

（9）采煤厚度(10)地形條件五、影響礦山沉陷的主要因素

第二章礦床充水條件與礦床水文地質(zhì)類型第二章礦床充水條件第一節(jié)礦床充水條件分析一、礦床充水條件的含義

礦床充水、充水強度：自然狀態(tài)下礦床和圍巖中賦存的水稱為礦床充水，其水量水量大小稱充水強度。礦井（坑）涌水、涌水強度：采礦時流入井巷的水稱為礦井（坑）涌水，其水量水量大小稱涌水強度。

礦井突水、突水強度：超過礦井正常排水能力的瞬時大量涌水稱為礦井突水，其水量水量大小稱突水強度。

礦床充水條件：充水水源和涌水通道是形成礦井涌水的必備條件，加上影響涌水強度諸因素，三者綜合作用稱為礦床充水條件。第一節(jié)礦床充水條件分析一、礦床充水條件的含義二、礦床充水水源

1.以大氣降水為主要充水水源的礦床

主要指直接受大氣降水滲入補給的礦床。多屬于包氣帶中、埋藏較淺、充水層裸露、位于分水嶺地段的礦床或露天礦區(qū)，其涌水特征為：

（1）礦井涌水動態(tài)與當?shù)亟涤陝討B(tài)相一致，具有明顯的季節(jié)性和多年周期性的變化規(guī)律。（2）多數(shù)礦床隨采深增加礦井涌水量逐漸減少，其涌水峰值出現(xiàn)滯后的時間加長。（3）礦井涌水量的大小還與降水性質(zhì)、強度、連續(xù)時間及入滲條件有密切關系。二、礦床充水水源2.以地表水為主要充水水源的礦床這類礦床賦存在山區(qū)河谷和平原區(qū)河流、湖泊、海洋等地表水體的附近或其下面。根據(jù)地表水進入井巷的方式和強弱，分為四種情況：地表水不補給者；地表水微弱補給者；地表水補給者；地表水灌入式補給者。

涌水規(guī)律為：（1）礦井涌水動態(tài)隨地表水的豐枯作季節(jié)性變化，且涌水強度與地表水的類型、性質(zhì)和規(guī)模有關。（2）礦井涌水強度還與井巷到地表水水體的距離、巖性和構造條件有關。（3）采礦方法的影響。2.以地表水為主要充水水源的礦床

3.以地下水為主要充水水源的礦床能造成井巷涌水的含水層稱礦床充水層。對于非充水含水層，當開礦破壞了其隔水條件時，就會轉(zhuǎn)化為充水層。有如下規(guī)律：（1）礦井涌水強度與充水層的空隙性及其富水程度有關。（2）礦井涌水強度與充水層厚度和分布面積有關。（3）礦井涌水強度及其變化，還與充水層水量組成有關。當涌入水以儲存量為主時，初期涌水量大，易突水，后逐漸減少，易疏干；當涌入水以補給量為主時，涌水量由小到大，后又相對穩(wěn)定，不易疏干。3.以地下水為主要充水水源的礦床4.以老空水為主要充水水源的礦床

老采空區(qū)（包括被淹沒井巷），其中充滿大量積水，范圍不明，連通復雜，水量大，酸性強，水壓高。一旦接近，易發(fā)生突水。

有如下規(guī)律：（1）采空區(qū)年代愈老，地下水的酸性越強，對礦山設備危害愈大；（2）其水量大，來勢猛，破壞性大。4.以老空水為主要充水水源的礦床三、礦井涌水通道

（一）自然涌水通道

1.地層裂隙與斷層帶

堅硬巖層中的礦床，其中的節(jié)理型裂隙較發(fā)育部位，彼此連同時可構成裂隙涌水通道；由中小型斷裂帶形成的導水通道，比較常見。有以下兩種類型：

（1）隔水斷裂帶：自然狀態(tài)下斷裂本身不含水，又隔斷了斷層兩側(cè)含水層間的水平水力聯(lián)系。多分布在較軟的塑性巖層中，或因斷層構造巖或充填物被壓密或膠結所致。井巷通過時多處干燥狀態(tài)，對分區(qū)疏干和防治水有利。在垂直方向上可為阻水的；也可為導水的，即可在其一側(cè)或兩側(cè)破碎帶中發(fā)生上下含水層間的水力聯(lián)系，成為涌水通道。礦床開采后，這類斷裂有可能轉(zhuǎn)變成水平透水或垂直導水的斷裂帶。三、礦井涌水通道

（2）透水斷裂帶:開采前斷裂面間及兩側(cè)破碎帶匯水并充滿水，既可產(chǎn)生水平的又可產(chǎn)生垂直的水力聯(lián)系。這類通道如與其他水源相連通，則可造成穩(wěn)定的涌(突)水；與其它水源無聯(lián)系者，則為孤立的含水帶，涌水時，雖水壓高，但涌水量一般不大，易疏干。在一般情況下，一個較大規(guī)模的斷裂帶，皆系透水與隔水、阻水與導水段相間出現(xiàn)，水文地質(zhì)條件復雜得多，故調(diào)查時應深入地分段研究。（2）透水斷裂帶:2.巖溶通道

巖溶空間極不均一，可以從細小的溶孔直到巨大的溶洞。它們可彼此連通，成為溝通各種水源的通道，也可形成孤立的充水管道。

（1）巖溶通道：小型巖溶及溶隙形成的涌水通道，雖可增加礦井涌水量，但尚較小；大、中型巖溶(溶洞及管道)及溶蝕斷裂帶形成的涌水通道，礦井涌水量將大增，更易造成突水災害。

（2）導水陷落柱：為形成于碳酸鹽巖地層中的垂直柱狀坍落體，高度可達幾百米。多數(shù)陷落柱不導水；一些陷落柱或因坍落物疏松，或因充填物受到破壞，則會成為導水體。有的可溝通礦床頂?shù)装搴畬?，成為礦井涌水通道。

2.巖溶通道

（3）巖溶塌陷及“天窗”在有一定厚度松散層覆蓋的巖溶礦區(qū)，因疏干、突水或涌沙可產(chǎn)生地表塌陷。這些塌陷可成為巖溶水、孔隙水和地表水涌入井巷的通道。其涌水特征是，下部巖溶越發(fā)育、塌陷越嚴重，通道越通暢，涌水與涌沙量越多。當巖溶含水層的隔水頂板有透水天窗時，不僅該部位易產(chǎn)生地表塌陷，天窗本身即可成為溝通上部水源涌入井巷的通道。

3.孔隙通道

孔隙通道，主要是指松散層粒間的孔隙輸水。它可在開采砂礦床和開采上覆松散層的深部基巖礦床時遇到。前者多為均勻涌水，僅在大顆粒地段和有豐富水源的礦區(qū)才可導致突水；后者多在建井時期造成危害。此類通道可輸送本含水層水入井巷，也可成為溝通地表水的通道。（3）巖溶塌陷及“天窗”（二）人為涌水通道

（1）頂板冒落裂隙通道采用崩落法采礦造成的透水裂隙，如抵達上覆水源時．則可導致該水源涌入井巷，造成突水。如接近礦床頂板含水，則要進行頂板管理，不允許崩落后裂隙抵達強含水層，且應先開采弱含水地段；間接頂板含水的礦床，應充分利用隔水頂板的抗水性能，減少可井涌水量。上覆地表水或老空水和接受降水補給的礦床，要控制其裂隙不抵達地表水或老空水和風化帶。（二）人為涌水通道

（2）底板突破通道當巷道底板下有間接充水層時，便會在地下水壓力和礦山壓力作用破壞底板隔水層，形成人工裂隙通道。導致下部高壓地下水涌入井巷造成突水。

（3）鉆孔通道在各種勘探鉆孔施工時均可溝通礦床上、下各含水層或地表水。如勘探結束后封閉不良或未封閉，開采中揭露它們就會造成突水事故。鉆孔出水以其接近舊鉆孔、地層無破壞、雖有大小壓而無大水量等特征，易與其他突水相區(qū)別。當它與其他水源溝通時，亦可造成來水猛、壓力大的突水事故。（2）底板突破通道四、影響礦床涌水強度的其他因素

礦井涌水量的大小，除直接與充水水源和通道的性質(zhì)有關外，還和下述主要影響因素有關。

1.礦床的邊界條件（滲透性）礦床與充水層的邊界條件，對未來礦井涌水量大小起主要的控制作用．要求在調(diào)查階段予以查明。

（1）側(cè)向邊界：當?shù)V床和直接充水含水系統(tǒng)之間有強透水邊界時，開采時外系統(tǒng)地下水或地表水會迅速而大量地流入礦井，供水充足的邊界越長則涌水量越多越穩(wěn)定；如礦體或直接充水層被隔水邊界所封閉，則礦井涌水量較小或由大變小，甚至干涸。四、影響礦床涌水強度的其他因素

（2）頂、底部邊界：礦床及其頂、底部的隔、透水條件，對礦井涌水強度亦起控制作用。因此，如能保持它們的隔水性能或減弱其滲透強度，即可達到保持或減弱礦井涌水量的目的。

頂?shù)装暹吔缬兴姆N情況：

（1）直接頂?shù)装寰强煽扛羲畬?，基本無外部水補給；

（2）底板隔水，礦體與直接充水層只能獲得較強或弱的大氣降水或地表水補給；

（3）頂板隔水，僅通過弱透水底板產(chǎn)生越流或直接獲得強補給；

（4）頂板及底板皆由強或弱透水層構成。如隔水層的巖性致密，則隔水能力強，如其厚度大而穩(wěn)定且完整性好，礦井的涌水量及其變幅皆較??；在其變薄、缺失或破碎等抗張強度降低的地段上，涌水量則會增加。（2）頂、底部邊界：礦床及其頂、底部的隔、透水條件，2.地質(zhì)構造地質(zhì)構造的類型、規(guī)模和分布，對礦井總涌水量的形成起制約作用。如礦床位于褶皺或斷裂構造中，則其對礦床與充水層的空間分布、地下水的補徑排條件會有較大的影響，充水強度也必然受影響。處在同一類型構造中的礦床，隨構造規(guī)模及礦井所處構造部位的不同，礦井涌水量大小亦各異。

3.充水巖層的補給條件

充水層及礦體的出露程度愈高，蓋層透水性愈強，與補給水體接觸面積愈多，涌水量愈大。實例圖2.地質(zhì)構造實例圖4.地震的影響

僅據(jù)唐山礦區(qū)的地震資料．可得出兩條規(guī)律：

(1)礦區(qū)地下水位與礦井涌水量，震前下降，震時突升，震后逐漸恢復。

(2)地震時礦井涌水量變化幅度與地震強度成正比，與震源距離成反比。4.地震的影響第二節(jié)礦床水文地質(zhì)類型

實踐研究表明，具有同一水文地質(zhì)特征的礦床，具有大體上相似的充水條件、涌水規(guī)律。生產(chǎn)上可依據(jù)同類型礦床具有相似的原理，預估新勘察或新開采礦床的水文地質(zhì)特征，以指導礦床水文地質(zhì)調(diào)查、礦床評價和開采工作。

一、礦床水文地質(zhì)類型的劃分國內(nèi)外許多學者進行了大量研究，尚無統(tǒng)一標準。

1.前蘇聯(lián)分類

1940年，謝戈列夫首次提出：按礦床所處地質(zhì)斷面的巖石特征，將礦床分為三個組：即賦存在堅硬裂隙巖層中的礦床；賦存在松散砂質(zhì)和粘上質(zhì)巖層中的礦床；賦存在喀斯特和易溶巖層中的礦床。第二節(jié)礦床水文地質(zhì)類型

1951年，普羅霍洛夫的分類，在劃分非膠結巖層、堅硬半堅硬巖層、碳酸質(zhì)喀斯特巖層和終年凍結地帶四個礦床組的基礎上，依據(jù)水文地質(zhì)條件的復雜程度分為簡單的、復雜的、極復雜的三個類型。

1955年普羅霍洛夫又提出新的分類：首先按礦床水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件復雜的程度，分為簡單的、復雜的和極復雜的三種；其次按開采方式分為地下方式和露天方式開采的礦床；再次分為永凍帶以外和以內(nèi)兩類礦床；最后分為三個型，非膠結、堅硬半堅硬和喀斯特型礦床。

1957年，普羅特尼科夫主要依據(jù)金屬礦床分布區(qū)地下水的形戰(zhàn)條件，按五種因素把金屬礦床作了五個層次的劃分。

1960年，塞羅瓦特科對煤礦床按水文地質(zhì)—工程地質(zhì)條件作了類型劃分，主要把分類從全礦種發(fā)展到單礦種。礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件

2.中國分類

1959年水文工程地質(zhì)研究所和水文工程地質(zhì)局提出的分類方案，其分類原則依次為氣候-侵蝕基準面-地質(zhì)巖性，然后按水文工程地質(zhì)條件的復雜程度和開采方法，作了礦床的開采條件分類。

1981年，提出的固體礦床分類方案首先按礦床充水介質(zhì)分為巖溶水、裂隙水和孔隙水充水三類；次按礦層(體)與充水層間的滲透條件即按直接頂?shù)装迨呛幕蚴歉羲膩韯澐诸愋停辉俅伟此墓こ痰刭|(zhì)條件的復雜程度分為簡單、中等、復雜、極復雜四種。2.中國分類

1982年地礦部頒發(fā)的《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)普查勘探規(guī)范》分類：先依巖性分為孔隙水、裂隙水和巖溶水三類；然后按水文地質(zhì)條件的復雜程度，劃分為簡單的(正常排水量小于5000m3/d)、中等的(5000-20000m3/d)和復雜的(大于20000m3/d)礦床。目前使用的分類。

1983年地礦部提出的“中國巖溶充水礦床水文地質(zhì)勘探類型”方案，按充水巖溶形態(tài)分為溶隙、溶洞和暗河管道充水三類；每類按礦層與頂?shù)装搴畬咏佑|關系分為四個型；每個類型皆依影響水文地質(zhì)條件復雜程度的各因素，劃分為簡單、中等，復雜三級（見表13-3）。1982年地礦部頒發(fā)的《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)普查勘探礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件

二、主要礦床水文地質(zhì)類型的基本特征

（一）以巖溶水充水為主的礦床

1.巖溶水充水礦床的基本特征

(1)各礦區(qū)由最發(fā)育的巖溶形態(tài)控制著巖溶水的賦存特征。各礦區(qū)隨巖性結構組合、原有裂隙特性、巖溶發(fā)育影響因素和發(fā)育程度的不同，導致各礦區(qū)巖溶形態(tài)和規(guī)模有較大的差異。北方主要以奧陶系裂隙巖溶最富水；南方礦床以二疊系溶洞充水為主；西南地區(qū)以泥盆到三疊系巖溶管道充水者為多。

(2)礦床所處構造類型、部位、規(guī)模致其破壞程度，影響著巖溶發(fā)育的強弱和礦床的富水程度。處于向斜(比處于背斜)中的礦床，匯水條件好，富水性強；向斜淺部的礦床比同一向斜深部的礦床的富水性強；處于淺部軸部的礦床比處于翼部的富水強；而深部軸部的礦床，則比翼部的含水弱。

二、主要礦床水文地質(zhì)類型的基本特征(3)巖溶發(fā)育不均勻，決定了巖溶水的不均一，導致礦井涌水量大小不等。巖溶強發(fā)育地段的礦井涌水量大，弱發(fā)育地段的則小。

(4)北方的裂隙巖溶水多具統(tǒng)一的地下水面，各含水層彼此連通性好，礦床琉干時地下水位多呈平盤式下降；南方的溶洞水，賦存在大大小小的溶洞之中，彼此通過裂隙或溶隙相溝通，不同部位各具不同的水力特征，相互聯(lián)系通常較北方型弱。

2.勘察要點

(1)對礦床分布范圍內(nèi)的地層，尤以碳酸鹽巖地層和近礦頂?shù)装鍖游?，要分層研究其巖性、結構及各層間的組合關系；

(2)研究礦床所處的構造類型、具體部位及其特征，研究地層中原生和后生裂隙的發(fā)育規(guī)律，尋找破碎部位受構造控水條件；(3)巖溶發(fā)育不均勻，決定了巖溶

(3)研究巖溶發(fā)育規(guī)律，包括查明各層位中的巖溶形態(tài)、規(guī)模、充填膠結、形成期和發(fā)育強帶的空間分布特征；

(4)全面研究礦區(qū)內(nèi)巖溶水的賦存條件，包括：①劃分礦床充水層，確定其富水程度；研究礦床頂?shù)装宓母羲阅埽虎趯ふ腋凰囟闻c強徑流帶，查明礦床充水條件；③研究巖溶水系統(tǒng)的邊界條件，補、排特征：④進行水質(zhì)變化特征的研究，掌握水質(zhì)污染狀況；⑤測定各充水層的各種參數(shù)，查明地下水運動規(guī)律，預測礦井涌水量，解決供排矛盾；

(5)對大泉的形成條件、涌水量進行觀測，探討礦床開采后泉水的變化；對與礦井有聯(lián)系的地下河系和能進入井巷的地表水進行研究；

(6)對礦床充水系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有的供水、排水狀況與地下水動態(tài)進行分析，對突水和疏干條件以及引起的環(huán)境地質(zhì)問題作現(xiàn)狀評價與預測。(3)研究巖溶發(fā)育規(guī)律，包括查明各層（二）以裂隙水充水為主的礦床本類型礦床以堅硬巖層(體)裂隙發(fā)育為特點，礦產(chǎn)種類多，多屬水文地質(zhì)條件簡單的礦床。

1.裂隙水充水礦床的基本特征一般裂隙水充水礦床的特征是：淺部以風化裂隙和斷裂帶充水為主，深部以構造裂隙充水為主；向深部涌水量變小；多以降水和地表水補給為主，富水程度由中到弱；裂隙發(fā)育較均一的層位可形成似層狀含水層，裂隙集中部位可形成片狀含水體或脈狀含水帶；多數(shù)礦井的涌水量<1000m3/d，勘探時鉆孔涌水量一般小于1L/s，個別溝通強水源者，可造成突水。（二）以裂隙水充水為主的礦床2.勘察要點

(1)礦體及圍巖的巖性，原生與成巖后裂隙的分布規(guī)律；對礦區(qū)分布的斷裂帶做重點研究，分析其力學性質(zhì)，兩盤巖性、破碎帶寬度、破碎程度、充填物特征及膠結情況；判斷斷裂的活動歷史，注意新期斷裂的水文地質(zhì)特征。

(2)分析各巖層的含水性，確定裂隙含水層的埋藏分布規(guī)律，研究充水層的補徑排條件。分析斷裂帶作為水源或通道的條件；

(3)調(diào)查礦床和各充水層的水質(zhì)和富水性，預測礦井涌水量及其開采后的環(huán)境地質(zhì)問題；

(4)研究礦區(qū)風化帶的深度與破壞程度，分析降水和地表水入滲條件與入滲量。2.勘察要點（三）以孔隙水充水為主的礦床此類礦床包括產(chǎn)于松散層和半膠結半堅硬巖層中的礦床，以及被巨厚松散層覆蓋，產(chǎn)于下伏基巖層中的礦床；當?shù)V床涌水主要來自上覆孔隙水時也歸于此類型。

勘察要點

(1)各松散層的成因類型、顆粒成分與結構、膠結物及膠結程度，頂?shù)装宓母敉杆?、厚度及其變化?/p>

(2)各層的含水性，主要充水層的邊界條件及水質(zhì)特征；

(3)確定孔隙水與地表水及基巖水間有水力聯(lián)系的地段、聯(lián)系程度及補排關系；

(4)查明地貌、新構造運動對充水層的控制；

(5)預測礦井涌水量，評價供排矛盾；

(6)研究流砂層的形成、分布，疏于和進入井巷的可能性。（三）以孔隙水充水為主的礦床第三章礦床涌水量預測第三章礦床涌水量預測

一、礦坑涌水量概念

礦坑(井)涌水量：是指從礦山開拓到回采過程中單位時間內(nèi)流入礦坑(包括井、巷和巷道系統(tǒng))的水量。它是確定礦床水文地質(zhì)類型、礦床水文地質(zhì)條件復雜程度和評價礦床開發(fā)經(jīng)濟技術條件的重要指標之一，也是制定礦山疏干設計、確定生產(chǎn)能力的主要依據(jù)。各勘察階段的礦坑涌水量由水文地質(zhì)人員負責提供。

礦坑正常涌水量：指開采系統(tǒng)達到某標高(水平或中段)時，正常狀態(tài)、相對穩(wěn)定時的總涌水量，通常指平水年的涌水量。

礦坑最大涌水量：指正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季的最大涌水量。是確定礦井排水能力的依據(jù)。第一節(jié)概述一、礦坑涌水量概念第一節(jié)概述

開拓井巷涌水量：指開拓各種井巷過程中的涌水量。由礦山基建部門負責。

疏干工程排水量：指在設計疏干時間內(nèi)，將水位降至某規(guī)定標高時的疏干排水量。由生產(chǎn)部門負責。開拓井巷涌水量：指開拓各種井巷過程中的涌水量。由礦山基二、礦坑涌水量預測方法及特點1.常用預測方法分類二、礦坑涌水量預測方法及特點2.礦坑涌水量預測的特點（和地下水資源評價相比）

(1)供水水資源評價，一般以確?？菟谧钚￠_采量為目的；而礦坑涌水量預測則以準確地預測豐水期最大涌水量為目標；

(2)我國礦床大多分布于基巖山區(qū)，充水條件差異懸殊，補排條件多復雜。在邊界條件概化中，非確定性因素多，含水介質(zhì)非均勻性突出，參數(shù)的代表性難于解決。地下水流態(tài)復雜，常出現(xiàn)紊流、非連續(xù)流與管道流。組成概化模型的三大要素——邊界、結構與流態(tài)復雜，定量化難度大。

(3)礦山井巷類型與空間分布千變?nèi)f化，開采方法、開采速度與規(guī)模等生產(chǎn)條件復雜且不穩(wěn)定，與供水的取水建筑物簡單、生產(chǎn)條件穩(wěn)定形成顯明對比，給礦坑涌水量預測帶來諸多不確定性因素。2.礦坑涌水量預測的特點（和地下水資源評價相比）

(4)礦坑涌水量預測多是大降深。大降深疏干又必然導致礦區(qū)水文地質(zhì)條件的嚴重干擾與破壞；其破壞強度又比較難于預料與定量化。這與供水小降深采水有明顯差異，使用供水時的計算理論與方法，通常難以滿足要求。(5)

礦床地質(zhì)調(diào)查中，一般對水文地質(zhì)工作投入的技術條件較差、投資少、工程控制程度低，在客觀上也給涌水量預測帶來較大困難。以上特點，決定了礦坑涌水量預測中存在諸多產(chǎn)生誤差的客觀條件。因此，勘探階段的涌水量預測，其精度難以與供水水資源評價平論。

為了滿足市場需求，除了通過完善勘探方法，提高預測精度外，還應完善預測成果的表達形式，指出預測成果的使用方法與注意事項，為設計與生產(chǎn)部門結合生產(chǎn)條件進行成果再開發(fā)提供依據(jù)，提高預測成果的使用價值。(4)礦坑涌水量預測多是大降深。大降深

3.預測誤差的原因分析

（1）對礦床水文地質(zhì)條件的復雜性認識不足，對礦床水文地質(zhì)條件未予查清。

（2）水文地質(zhì)概化模型概化不當，水文地質(zhì)參數(shù)取值不妥。模型概化不當：一是水文地質(zhì)條件未查清楚，導致概化模型失誤；二是條件雖查明，但計算者概化不當。參數(shù)取值不妥則包括：參數(shù)本身的失真和計算時對參數(shù)使用不當。

（3）數(shù)學模型處理欠妥：即使模型概化的正確，仍依賴于一個合適于該模型的數(shù)學模型。但是由于復雜的水文地質(zhì)條件和開采系統(tǒng)，難以用數(shù)學式確切表達，稍有不慎，數(shù)學模型就會失真。3.預測誤差的原因分析第二節(jié)解析法

一、基本思路

解析法是目前礦坑涌水量預測中應用最廣的方法之一。它根據(jù)地下水動力學原理，結合礦床疏干實際需要，對不同條件下流向各類井、巷及巷道系統(tǒng)地地下水流建立偏微分方程，用解析法計算礦坑涌水量。第二節(jié)解析法一、基本思路

二、計算方法與過程（一）水文地質(zhì)條件的概化

1.井巷的處理

（1）豎井（完整井、非完整井）

（2）平硐、水平巷道

（3）傾斜巷道

若巷道傾斜度大于450時，可視為與豎井相似，用輻射井流公式；若巷道傾斜度小于450時，可視為與水平巷道相似，用剖面流的單寬流量井流公式；

（4）巷道系統(tǒng)

單水平巷道系統(tǒng)，在礦山開拓期，地下水運動屬于非穩(wěn)定運動，隨著疏干時間的延長，地下水運動趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，回采期總涌水量達到一個定值。

多水平巷道系統(tǒng)，在不同的開采階段，地下水運動的非穩(wěn)定狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化過程。開拓及采準階段，涌水量預測使用非穩(wěn)定流方法，回采水平時采用穩(wěn)定流方法。二、計算方法與過程

2.分析疏干流場的水力特征

（1）區(qū)分穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流

礦山基建期，隨開拓井巷發(fā)展，疏干漏斗不斷擴大，以消耗含水層的儲存量為主，疏干流場屬非穩(wěn)定流；回采期，井巷輪廓已定，當以消耗補給量為主時，疏干流場符合穩(wěn)定流；當仍以消耗儲存量為主時，礦坑涌水量漸減，疏干流場仍為非穩(wěn)定流。

（2）區(qū)分層流與紊流當?shù)V區(qū)進行大降深疏干時，在疏干工程附近常出現(xiàn)非達西流。據(jù)研究，這種復雜水流狀態(tài)出現(xiàn)的范圍不大，而大面積內(nèi)仍符合達西流規(guī)律，故直線滲透定律仍然是建立滲流型確定性模型的理論基礎。

（3）區(qū)分平面流與空間流礦床疏干流場受控于開采井巷的類型與分布狀態(tài)，呈復雜的流態(tài)，在宏觀上可概化為兩種：

流向完整井巷的平面流：又分為豎井排水產(chǎn)生的平面輻射流，水平巷道排水產(chǎn)生的剖面平面流，其兩端仍出現(xiàn)輻射流。巷道系統(tǒng)則復雜得多，排水初期，在統(tǒng)一降落漏斗形成前，巷道系統(tǒng)各邊緣部分都呈單方向的剖面平面流；當繼續(xù)排水，形成統(tǒng)一降水漏斗后，流向巷道系統(tǒng)的地下水才過渡為近似的平面輻射流。

流向非完整井巷的空間流：據(jù)研究，在流向非完整井巷地下水輻射流范圍內(nèi)，存在有空間流帶與平面流帶兩種運動形式。但前者往往僅限于非完整井巷的附近，范圍約為含水層厚度的1．5—2．0倍?？臻g流計算，常采用平面分段法、剖面分段法或用經(jīng)驗公式近似計算。

（3）區(qū)分平面流與空間流（4）區(qū)分潛水與承壓水在疏干過程中，常常出現(xiàn)由承壓水轉(zhuǎn)為承壓一無壓水或無壓水。在某些條件下，還可出現(xiàn)一側(cè)保持承壓狀態(tài)，而另一側(cè)則由承壓水轉(zhuǎn)為無壓水或承壓一無壓水狀態(tài)，計算時應區(qū)別對待。（4）區(qū)分潛水與承壓水

3.邊界條件的概化

側(cè)向邊界：進水類型的劃分：邊界概化為隔水與供水兩類。邊界形態(tài)的簡化：將不規(guī)則邊界簡化理想集合圖式邊界。

垂向邊界：垂向越流補給邊界分定水頭和變水頭兩類。解析法主要解決定水頭越流補給邊界。礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件（二）選擇計算公式1.穩(wěn)定井流公式在礦井疏干排水過程中，當?shù)V坑涌水量及疏干區(qū)附近的水位降低，僅隨季節(jié)變化做一定范圍的波動，均呈現(xiàn)相對穩(wěn)定狀態(tài)時，即可以認為以礦坑為中心形成的地下水滲流場基本符合穩(wěn)定井流條件，可近似應用以裘布衣基本方程為代表的穩(wěn)定井流解析公式，解決礦坑涌水量預測問題。用穩(wěn)定井流公式來估算礦坑涌水量可表示為：（1）

式中：為疏干區(qū)外補給邊界（R）與礦坑內(nèi)邊界（r0）處的勢函數(shù)。（二）選擇計算公式

分析穩(wěn)定井流公式，若參數(shù)為一定時，則礦坑涌水量Q是坑道壁水位降低的函數(shù)。因此，穩(wěn)定井流的礦坑涌水量計算可以概括為兩個方面：

（1）在已知開采水平最大水位降低的條件下，預測礦坑總涌水量；（2）在給定疏干排水能力的前提下，計算疏干區(qū)的水位降低（或壓力降低）值。

分析穩(wěn)定井流公式，若參數(shù)為一定時，則2.非穩(wěn)定井流公式在礦區(qū)疏干過程中，若礦坑涌水量及其疏干漏斗不斷擴展，則以礦坑為中心的地下水輻射流場呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。在已知初始條件與邊界條件的前提下，可按泰斯解的水頭函數(shù)表示：

（3）

式中：為井函數(shù)；根據(jù)含水層的水力性質(zhì)而異，無壓水時為重力給水度，承壓水時為彈性給水度；T為導水系數(shù)；t為疏干時間。

2.非穩(wěn)定井流公式

分析非穩(wěn)定井流公式，當參數(shù)確定時，非穩(wěn)定井流理論表達了礦區(qū)疏干過程中，疏干量Q，水位降s與疏干時間t三變量之間的函數(shù)關系。因此，只要給出其中兩個變量的規(guī)律就可以推算另一個變量的規(guī)律。

（1）可以按排水能力的大小，研究開采區(qū)地下水疏放降壓漏斗的形成與擴展過程，即可預測計算地下水疏干漏斗范圍內(nèi)各點（r）水頭函數(shù)s隨時間t的變化規(guī)律，以規(guī)劃回采速度與順序，以及其它開采措施。（2）能為要求在一定時間段t內(nèi)，完成某開采水平降深s的疏干任務，而選擇合理的疏干量Q或者預測達到某疏干深度s后，礦坑涌水量Q隨時間t的變化規(guī)律，以獲得雨季最大涌水量及其出現(xiàn)的時間t。

（3）可以根據(jù)疏干強度Q，計算達到某疏干水平s所需的時間t，或者進一步預測疏干漏斗擴展到某重要外邊界的時間t,這種擴展可導致嚴重后果，如供水水源地遭破壞，發(fā)生海水倒灌，或溢泉斷流等。分析非穩(wěn)定井流公式，當參數(shù)確定時，非穩(wěn)定（三）確定各項參數(shù)

1．滲透系數(shù)（1）加權平均值法：厚度、面積、方向平均法三種。如厚度平均法公式：

式中：Mi(Hi)——承壓（潛水）含水層各垂向分段厚度

Ki——相應分段的滲透系數(shù)

礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件（2）流場閉合等值線法：（閉合等值線法）

式中L1、L2—任意兩條（上、下游）等水位線的長度

r—兩條閉合等水位線的平均距離

h—兩條閉合等水位線間的水位差Mcp—含水層平均厚度

Q—礦坑涌水量（2）流場閉合等值線法：（閉合等值線法）80或依據(jù)流場特征采用分區(qū)法：式中：b1、b2—輻射狀水流上、下游斷面上的寬度h1、h2—b1和b2斷面隔水底板以上的水頭高度

L—b1和b2斷面之間的距離Q—礦坑涌水量或依據(jù)流場特征采用分區(qū)法：2.疏干“大井”的半徑

大井法：把形狀復雜的井巷系統(tǒng)看成是一個“大井”，井巷系統(tǒng)圈定的或者以降落漏斗距井巷最近的封閉等水位線圈定的面積（F）看成相當該“大井”的面積，近圓形“大井”的引用半徑為：

3.影響半徑或影響寬度用大井法預測礦坑涌水量時，降落漏斗的影響半徑范圍半徑R0應從大井中心算起，等于“大井”的引用半徑r0加上排水影響半徑R,即：R0=R+r0由于輸干漏斗形狀不規(guī)則，在解析法中以Rcp值代表R0較為合理。2.疏干“大井”的半徑

計算狹長水平巷道涌水量時，也常用引用寬度Lcp，其確定方法有：

（1）用經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式：如庫薩金公式、奚哈脫公式

（2）用賽事羅瓦特科公式：復雜井巷系統(tǒng)的影響半徑可據(jù)井巷邊緣廓線與天然水文地質(zhì)邊界線之間距離的加權平均值求得，即式中：r0---大井的引用半徑

bcp---井巷邊緣廓線與各不同類型水文地質(zhì)邊界間的平均距離

礦床水文地質(zhì)學講義(吉林大學)ppt課件

當井巷系統(tǒng)在近圓形補給邊界時，R取平均值bcp,當處在直線補給邊界時，R取/。近圓形直線當井巷系統(tǒng)在近圓形補給邊界時，R取平均值bc84

4.最大疏干水位降深

在礦坑涌水量預測中，通常以地下水位降至巷道底板為目的。對直接沖水層有兩種情況：

礦坑涌水量常取最大疏干水位降深值Smax=H(圖b),或者是降低至巷道底板(圖a)。據(jù)研究，當Smax=H時，穩(wěn)定流理論不適用，當水位降深超過含水層厚度30%時，非穩(wěn)定流公式亦偏離實際。4.最大疏干水位降深礦坑涌水量常取最大疏干水位降（四）涌水量預測，并對其可靠性進行評價

根據(jù)以上步驟，對水文地質(zhì)條件進行了概化，并確定各項參數(shù)之后，選擇計算公式即可對涌水量進行預測。求解出預測涌水量值以后，并對其可靠性進行評價。一般采用礦區(qū)開采條件下的水均衡方法進行可靠程度的論證。

實例（四）涌水量預測，并對其可靠性進行評價第三節(jié)數(shù)值計算法

一、數(shù)值計算基本原理及其應用

1．數(shù)學模型建立描述非均質(zhì)各向異性潛水--承壓含水層中地下水二維流的偏微分方程為：第三節(jié)數(shù)值計算法一、數(shù)值計算基本原理及其應用式中：---地下水水位標高;---地下水初始水位標高;---一類邊界水位標高；

w---垂直水量交換項（m/d）,包括降水入滲、越流、蒸發(fā)、地表水入滲、泉排泄量，地下水開采量等；

q(x,y,t)---二類邊界流量；

Txx、Tyy---分別為最大主導水系數(shù)和最小主導系數(shù)；

μ＊----含水層給水度或單位儲水系數(shù)；

θ----最大主導水系數(shù)方向與x軸夾角；

nx、ny----分別為邊界外法線方向在x軸和y軸投影上的投影方向；

D----計算區(qū)域；

T1.T2----分別為一類和二類邊界；

t----計算時間。式中：---地下水水位標高;對于非均質(zhì)各向同性含水層，上式可簡化為：對于非均質(zhì)各向同性含水層，上式可簡化為：2．數(shù)學模型的求解上述地下水水量模型是非常復雜的，區(qū)域一般是不規(guī)則的，含水層是非均質(zhì)各向異性的，因此不易求得解析解，通常可用數(shù)值方法求得近似解。（1）方程離散用里茲----迦金法或變分法將原來的偏微分方程化為每一個節(jié)點的方程，每一個節(jié)點可出一個方程，就得到一個方程組，該方程組一般為線性的。其實質(zhì)即將曲面用平面近似。（2）求解線性方程組解這一線性方程組即得每個節(jié)點的水位近似值。2．數(shù)學模型的求解

3.數(shù)值計算方法分類及其優(yōu)點（1）數(shù)值計算方法分類

有限差分法有限單元法邊界元法等（2）數(shù)值計算方法的優(yōu)點

含水層非均質(zhì)性、各向異性

含水層頂、底板復雜變化

邊界的復雜性（含內(nèi)部邊界）

匯源頂復雜變化

多層含水層3.數(shù)值計算方法分類及其優(yōu)點

4.數(shù)值法在礦床水文地質(zhì)中的應用數(shù)值法是一種求解復雜偏微分方程的近似解法，得到廣泛利用，在礦床水文地質(zhì)計算方面有以下幾方向：（1）反求水文地質(zhì)參數(shù)。（2）預報礦床涌水量（3）模擬不同疏干方案地下水疏干過程（4）預測礦床疏干對區(qū)域水文地質(zhì)條件的影響4.數(shù)值法在礦床水文地質(zhì)中的應用

二、數(shù)值法解題步驟（一）模型的建立

1.水文地質(zhì)條件概化（1）含水層類型（潛水、承壓水）及垂直分布（2）含水層介質(zhì)（均質(zhì)或非均質(zhì)，各向同性或各向異性）（3）含水層頂、底板分布（4）含水層邊界（一類、二類、三類）（5）匯源項（6）水流特征（二維或三維，層流或紊流、穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流）

2.數(shù)學模型的建立（略）二、數(shù)值法解題步驟（二）資料整理工作

1.計算區(qū)剖分將計算區(qū)剖分為若干單元（一般為三角形單元），

認為每一單元內(nèi)含水層是均質(zhì)的，具同一參數(shù)。

剖分時應注意以下幾點：（1）節(jié)點應盡量延內(nèi)部邊界點布置（包括地表水滲漏段。斷層、降水入滲分區(qū)等）。

（2）重要井點（統(tǒng)測水位點、長觀點、抽水試驗點、井點、泉點）要盡量設為節(jié)點。

（3）應在大型集中供水水源地、水井分布密集區(qū)、含水層排泄區(qū)、河滲漏段、斷層帶、補給邊界等地方加密剖分。

（4）注意節(jié)點的均勻布置、三角形大小逐漸過渡（5）三角形單元夾角，應在30o~90o之間。

2．初始流場的確定由計算機自動生成。統(tǒng)測水位點要能控制全區(qū)流場。（二）資料整理工作3．匯源項資料整理

（1）降水入滲量分區(qū)及降水入滲強度計算

（2）蒸發(fā)量分區(qū)及蒸發(fā)強度計算

（3）地表水入滲量計算及轉(zhuǎn)化為節(jié)點注水量

（4）側(cè)向徑流量計算及轉(zhuǎn)化為節(jié)點注水量

（5）泉水排泄量計算（集中大泉、散泉）

（6）開采量統(tǒng)計（單井、大井）4．水文地質(zhì)參數(shù)

（1）水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

（2）初值確定5．頂?shù)装鍢烁?/p>

（1）繪制等值線圖

（2）概化3．匯源項資料整理（1）降水入滲量分區(qū)及降水入滲

（三）數(shù)學模型的識別和檢驗上述建立的數(shù)學模型，是否與實際情況相符（如參數(shù)、邊界等），尚需進行檢驗和驗證。

1．模型識別（檢驗）所謂模型識別即通常說的調(diào)參，即對模型的修正。選擇某資料完整的時段，將資料代入模型中，通過模型運轉(zhuǎn)得出計算水位。若計算水位與實測水位誤差較大，則說明模型參數(shù)（k、μ、m等）或邊界條件不符合實際，需調(diào)整；調(diào)整模型參數(shù)，再次計算水位，對比計算水位與實測水位，重新調(diào)參，直至計算水位和實測誤差潢足精度為止。

（三）數(shù)學模型的識別和檢驗

模型識別時段的選擇：要求選擇在有較完整的資料的時段。包括：水位系列資料（包括預測水位資料，群孔抽水試驗資料，長觀資料）；各匯源項資料。2．模型檢驗經(jīng)修正后的模型，尚需進一步檢驗，即選擇另一時段的資料，進一步檢驗模型正確與否。原理同前。經(jīng)模型檢驗，認為所建模型及其邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)選取和匯源項的處理是正確的，可用于地下水水位動態(tài)的預報。

模型識別時段的選擇：要求選擇在有較完整的資料的（四）礦井涌水量預測

1.礦坑涌水量預測：礦床疏干，一般分定流量疏干和定水頭疏干兩個階段。首先，據(jù)水文地質(zhì)條件和疏干孔布局，確定各疏干水平的總疏干水量，并將其分配到各疏干孔上，把疏干孔壁作為已知流量的第Ⅱ類邊界，進行定流量階段的疏干模擬。其次，當各疏干孔水頭均降至計算水平后，變疏干孔壁為第1類定水頭邊界，進行定水頭階段的疏干模擬。

2.數(shù)值法預測礦坑涌水量，可反映出預報區(qū)在疏干條件下各種水文地質(zhì)條件的變化、疏干對天然排泄點和供水源地水量的襲奪，以及其他匯源項的變化，并作出相應的預報。

實例（四）礦井涌水量預測第四節(jié)數(shù)理統(tǒng)計法

一、基本原理通過地質(zhì)調(diào)查或從已開采礦區(qū)得到有關的長期觀測資料，運用數(shù)理統(tǒng)計方法求得疏干中地下水系統(tǒng)某些變量之間的關系，建立一個變量與另個(或幾個)變量間的數(shù)學關系式，并對該變量進行外推，達到預測礦坑涌水量的目的。

單相關：自變量只有一個，也稱一元相關或簡相關

多相關：自變量有兩個以上，也稱復相關第四節(jié)數(shù)理統(tǒng)計法一、基本原理二、Q-S曲線外推預測法（一元相關分析法）（一）應用條件

Q--S曲線外推法是按觀測的生產(chǎn)礦坑涌水量（或新礦區(qū)勘探時的抽、放水水量）（Q）與水位降深(s)之間的函數(shù)關系，建立Q--S曲線方程，外推未來疏干降深水位時的涌水量。

若利用勘探時抽、放水試驗資料建立Q--s曲線方程，則要求進行三次以上水位降低的抽、放水試驗，還要求抽、放水試驗的條件能盡量地接近未來的開采條件。

二、Q-S曲線外推預測法（一元相關分析法）

影響抽、放水中Q—s關系的主要因素：（1）礦床水文地質(zhì)條件的影響：如含水層規(guī)模、補給難易、邊界條件等的差別，使Q-s曲線類型各異。（2）抽(放)水時水位降深的大小對外推精確程度影響極大：隨水位降深加大，含水層的水力特性發(fā)生變化，水流阻力加大，地下水流將由層流轉(zhuǎn)化為紊流，使Q—s曲線類型發(fā)生變化，從而使預測的誤差加大。（3）抽水井的結構和抽水時間的影響：進行礦井涌水量預測時，既要考慮到抽求試驗井與采礦井巷的區(qū)別，又要考慮到抽水時間短，難于反映礦山排水時的邊界的事實；要求的抽水試驗時間越長，誤差越小。影響抽、放水中Q—s關系的主要因素：（二）計算方法和步驟

1.判別曲線類型

常用曲線類型：

直線型：

拋物線型：冪曲線型：對數(shù)曲線型：

（二）計算方法和步驟

曲線類型判別方法：

（1）伸直法：將曲線方程以直線關系式表示，以關系式中兩個相對應的變量建立坐標系，把從抽水試驗(或開采井巷排水)取得的涌水量和對應的水位降深資料，放到表征各直線關系式的不同直角坐標中去，進行了伸直判別。如其在哪種類型直角坐標中伸直，則表明抽水(排水)結果符合哪種q-s曲線類型;如其在Q-lgs直角坐標伸直,則表明Q-s關系符臺對數(shù)曲線。

（2）曲度n值法：用曲度n值進行鑒別,其形式如下:Q，S分別為同次抽水的水量和水位降。當n=1時，為直線；l<n<2時,為冪曲線；n=2時，為拋物線；n>2時，為對數(shù)曲線。如果n<1，則抽水資料有誤。曲線類型判別方法：2.建立曲線方程

（1）圖解法：利用相應類型的直角坐標系圖解進行測定。參數(shù)a是各直角坐標系圖解中直線在縱坐標上的截距長度；參數(shù)b是各直角坐標系圖解中直線對水平傾角的正切，從圖中求得截距長度、水平傾角的正切。2.建立曲線方程

（2）最小二乘法：當精度要求較高時，通常用最小乘法獲取參數(shù)a、b。

拋物線型：冪曲線型：對數(shù)曲線型：（2）最小二乘法：當精度要求較高時，通常用最小乘法獲取3.外推涌水量求出參數(shù)后，將它與疏干設計水位降深（S）帶入原方程式，即可求得預測用水量。

4.換算井徑抽水試驗時，鉆孔孔徑遠比開采井筒直徑小，為消除井徑對涌水量的影響，需要進行井徑換算。地下水呈層流時地下水呈紊流時

實例3.外推涌水量三、三元復相關分析利用大型孔群抽水試驗結果，通過數(shù)理統(tǒng)計方法建立抽水量Q、水位降深S和井徑r的三元復相關曲線型回歸方程：（經(jīng)驗方程）四、四元復相關分析

考慮涌水量Q0與礦產(chǎn)量P0、開采深度H0、開采面積F0、生產(chǎn)時間T0之間的相關性，建立四元復相關曲線型回歸方程：（經(jīng)驗方程）

γi為各元素對Q0的相關系數(shù)三、三元復相關分析注意，使用相關法時，應重視原始數(shù)據(jù)的選擇，要求參與相關計算的子樣必須具備：①一致性