煤礦地質(zhì)學(xué)第9章 礦井水文地質(zhì)

第九章礦井水文地質(zhì)

礦井突水是危害煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一；地下水是促進國民經(jīng)濟發(fā)展的寶貴資源。第一節(jié)地下水基本知識第二節(jié)礦井充水條件第三節(jié)礦井水文地質(zhì)觀測及其水害防治

第一節(jié)地下水基本知識主要內(nèi)容：一、自然界中的水循環(huán)二、地下水的概念三、含水層與隔水層四、地下水的分類五、地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分六、泉

一、自然界中的水循環(huán)大循環(huán)（外循環(huán)）：全球范圍內(nèi)水分從海洋蒸發(fā)上升，運移到陸地上空凝結(jié)后下降，并以地表或地下徑流方式回歸海洋。小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）

：水分從海洋蒸發(fā)，再降落到海洋；或從陸地湖泊、河流、地表、植物葉面蒸發(fā)，又在當(dāng)?shù)亟德?。水的循環(huán)示意圖

水循環(huán)意義

a.使大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈之間不斷地進行著能量交換和物質(zhì)遷移。b.使大氣降水、地表水、地下水、土壤水之間相互轉(zhuǎn)化，使水資源形成不斷更新的統(tǒng)一系統(tǒng)。

二、地下水的概念

1、地下水

埋藏在地表以下、儲存于巖石空隙之中的水。

2、存在形式:

氣態(tài)水（水蒸氣）：凝結(jié)成液態(tài)水后，可成為地下水的來源。

吸著水：水分子在巖石表層在強大的靜電引力作用下被牢固地吸附在

巖石顆粒表面，又稱強結(jié)合水。不受重力作用影響，不被植物吸收。

薄膜水：包圍在吸著水外層的水膜，又叫弱結(jié)合水，靜電引力作用小。

毛細水：儲存在巖石孔隙、裂隙等毛細空隙中的水，可垂直運動。

重力水：巖石空隙中受重力作用而運動的水，如井水，泉水等。

重力水可形成穩(wěn)定的地下水面。

3、飽氣帶：地下水面以上的范圍。

飽水帶：地下水面以下的范圍。

三、含水層與隔水層地下水能穿過巖石內(nèi)部連通的孔裂隙而運動。透水層：能被水透過的巖層叫透水層。含水層：透水性能好且含有地下水的巖層都是含水層。隔水層：透水性能差的巖層叫隔水層或叫不透水層。

四、地下水的分類

（一）按埋藏條件分類可分成三類：

1、上層滯水：埋藏在離地表不深的包氣帶中局部隔水層之上的重力水。分布局限，水量少，季節(jié)性明顯，對煤礦生產(chǎn)無影響。

2、潛水：埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層之上，且具有自由水面的重力水。

（1）潛水面—潛水的自由水面。

（2）潛水埋深—地表到潛水面的垂深。

（3）潛水含水層厚度—潛水面至其底板隔水層頂板之距。

（4）潛水是礦井充水重要來源之一，必須重視。

3、承壓水：充滿于上、下兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的重力水，又稱為自流水。①自流盆地（承壓水盆地）：儲存承壓水的向斜構(gòu)造，它又分為補給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)。

②自流斜地（承壓水斜地）：儲存承壓水的單斜構(gòu)造。③承壓水等水壓線圖——即承壓水測壓水位等高線圖。從圖中可判定承壓水流向、水力坡度、每一點的承壓、水位與潛水的補給關(guān)系等。④承壓水是礦井充水重要來源之一，需高度重視。（二）按含水層空隙性質(zhì)分類可分成三類：

1、孔隙水:

儲存于疏松巖層孔隙中的水稱為孔隙水。特點：巖石顆粒大而均勻，則孔隙大、透水性好、水量大；巖石顆粒細小而不均勻，則孔隙小，透性性差，水量小。

2、裂隙水：埋藏于基巖裂隙中，按裂隙成因分三類：

1）風(fēng)化裂隙水：多分布于基巖表面，大部分為潛水，補給來源為大氣降水，可作為飲用水。

2）成巖裂隙水：多存在于火成巖中，噴出巖出露地表接受降水補給后可形成層狀潛水；侵入巖與圍巖接觸部分裂隙發(fā)育，形成富水帶。

3）構(gòu)造裂隙水:

賦存在構(gòu)造裂隙中的地下水。分為兩類：①層狀裂隙水：存在于沉積巖、變質(zhì)巖節(jié)理和片理中，能互相聯(lián)通，可形成潛水，也可形成承壓水。②脈狀裂隙水：存在于斷裂破碎帶中，呈承壓水性質(zhì)。構(gòu)造裂隙水對煤礦安全生產(chǎn)威脅很大。

3、巖溶水:1）埋藏于溶洞溶隙中的重力水。

2）裸露石灰?guī)r分布區(qū)的巖溶水為潛水為其它巖石所覆蓋的巖溶水深埋地下時則成承壓水。

3）特點：①水量大、運動快、分布不均衡；②易接受降水的滲入，在地下流動很快；③埋藏深，常造成地水缺水④在谷地常形成泉水出露；⑤水量大，水質(zhì)好，但對煤礦安全威脅極大。

五、地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分（一）地下水的物理性質(zhì)

包括溫度、顏色、透明度、氣味、覺味、密度、導(dǎo)電性、放射性等。

1、溫度：變化大；0℃以下~100℃以上

2、顏色：一般無色,顏色取決于水中化學(xué)成分和懸浮物,如含F(xiàn)eO為淺蘭色，含F(xiàn)e2O3為褐紅色，含腐植質(zhì)為黃褐色。

3、透明度：取決于水中固體物質(zhì)與膠體顆粒懸浮物含量。

透明度測量方法：內(nèi)徑3㎝，長50-100㎝平底帶放水嘴的量筒來測定：

透明：100㎝水柱可明顯看見黑線十字圖形和鉛字；

半透明：＞30㎝水柱可見圖形和鉛字；

微透明：＜30㎝水柱可見圖形和鉛字；

不透明：縮小水柱仍不能見圖形和鉛字。

4、氣味：地下水無氣味，有氣味則取決于水中所含氣體成分和有機物質(zhì)：含H2S—臭雞蛋味含有機質(zhì)—魚腥臭味

5、覺味：地下水應(yīng)無味，有味道的水與水中含鹽分和氣體分子有關(guān)：含NaCl—咸味；含有機質(zhì)—甜味；

Na2SO4—澀味；含CO2氣體—清涼可口。

MgSO4—苦味；

6、密度：取決于水中溶解鹽分的多少，溶解較多鹽分則密度可達1.2~1.3。

（二）地下水的化學(xué)成分

1、作為一種良好的溶劑，地下水不斷從巖石中獲取化學(xué)元素，目前地下水中所發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素有70余種。

2、化學(xué)元素在水中的狀態(tài)

1）離子狀態(tài)：陽離子：H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。陰離子：OH-、Cl-、NO32-、CO2-等。

2）化合物狀態(tài)：Fe2O3、Al2O3等。

3）氣體狀態(tài)：N2、O2、CO2、CH4等

3、地下水的化學(xué)類型：

表征地下水化學(xué)類型的七種離子：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+

、Ca2+

、Mg2+

。

其類型分為：

1）重碳酸鈣型水：水中主要成分為HCO3-、Ca2

+

2）硫酸鈉型水：水中主要成分為SO42-、Na+

4、表征地下水化學(xué)性質(zhì)的常用指標(biāo)：

氫離子濃度（PH值）、硬度、總礦化度、侵蝕性

1）氫離子濃度（PH值）強酸性地下水

PH＜5

弱酸性地下水

PH為5~7

中性地下水

PH=7

弱堿性地下水

PH為7~9

強堿性地下水

PH＞92）硬度（1）硬度取決于水中Ca2+、Mg2+的含量。又分為；①總硬度：水中所含Ca2+、Mg2+的總量，包括暫時硬度和永久硬度。②暫時硬度：水沸騰后，由HCO3-與Ca2+、Mg2+結(jié)合生成碳鹽沉淀出來的Ca2+、Mg2+的含量。③永久硬度：水沸騰后，殘留于水中的Ca2+、mg2+的含量（2）硬度表示法有二種：

①德國度（H°）：1H°相當(dāng)于1升水中含有10mg的CaO或7.2mg的MgO，即1升水中含有7.2mgCa2+

或4.3mg的Mg2+

。

②1毫克當(dāng)量每升（meq/L）：1meq/L等于20.4mg/L的Ca2+或12.6mg/L的Mg2+

。

換算：1meq/L=2.8H°

（3）硬度分類：根據(jù)水的總硬度將地下水分為五類。地下水硬度分類類

型硬

度每升毫克當(dāng)量（1meq/L)德國度（H°）極軟水軟

水微軟水硬

水極硬水＜1.51.5~3.03.0~6.06.0~9.0＞9.0＜4.24.2~8.48.4~16.816.8~25.2＞25.23）總礦化度：

指單位體積水中所含離子、分子和各種化合物的總量（g/L）?？偟V化度反映水的礦化程度，即水中溶解鹽分的多少，反映地下水的循環(huán)條件：礦化度高，地下水循環(huán)條件差；礦化度低，地下水循環(huán)條件好；據(jù)總礦化度將地下水分為五類：名稱干涸殘余物(g/L)名稱干涸殘余物(g/L)淡水＜1鹽水（高礦化水）10～50微咸水（弱礦化水）1～3鹵水＞50咸水（中等礦化水）3～10

4）侵蝕性：地下水侵蝕性取決于水中侵蝕性CO2含量。當(dāng)水中游離的CO2含量超過平衡HCO3-所需要的CO2量時,將使地下水具有侵蝕性，超出的CO2

稱為侵蝕性CO2

，平衡HCO3-

所需要的CO2

叫平衡CO2

。侵蝕性CO2將溶解碳酸鹽而破壞巖石。

六、泉

地下水的天然露頭叫泉。按泉的形成方式分上升泉和下降泉：（一）下降泉由潛水含水層形成的泉稱下降泉，又分為三類：

1、侵蝕下降泉：因河谷、沖溝下切到潛水層所致。

2、接觸下降泉：地形被切割到含水層之下的隔水層，潛水從其接觸處涌出地表。

3、溢流下降泉：當(dāng)巖石透水性變?nèi)趸蚋羲畬拥装迓∑?，潛水流動受阻而溢出地表。（二）上升泉由承壓含水層形成的泉叫上升泉，又分為二類?/p>

1、侵蝕上升泉：河底、沖溝切割承壓含水層隔水頂板時，泉水涌出地表。

2、斷裂上升泉：導(dǎo)水?dāng)鄬踊驈埿粤严锻ㄟ^承壓含水層時,沿斷層或裂隙上升，當(dāng)?shù)孛鏄?biāo)高低于承壓水測壓水位（靜止水位）時便涌出地表成上升泉。3、溫泉（1）溫泉：一般均為上升泉；其熱源為地?zé)嵩鰷亍r漿活動等。（2）類型：

①受地?zé)嵩鰷赜绊懶纬傻臏厝叵滤癫睾苌?，然后沿斷裂帶上升到地表?/p>

②受地下侵入巖體巖漿余熱、放射性蛻變熱影響，使地下水加熱而噴出地表，多出現(xiàn)在火山地區(qū)。第二節(jié)礦井充水條件

主要內(nèi)容：一、礦井水的來源二、礦井充水通道分析三、影響礦井涌水量的因素

一、礦井水的來源

1、直接水源：礦體及圍巖空隙中的地下水地表水老窯積水

2、間接水源：大氣降水——起控制作用（一）礦體及圍巖空隙中的地下水

1、孔隙水水源：存在于松散巖層的孔隙中。

2、裂隙水水源：多為圍巖裂隙水，水量小、水壓大，無水力聯(lián)系時涌水量漸減至干涸；若有水力聯(lián)系則涌水量增大，甚至造成事故。

3、喀斯特水水源：在我國常見于奧陶系石灰?guī)r地層中。水壓高、水量大、來勢兇，涌水量穩(wěn)定，不易疏干、危害性大。

（二）地表水源

當(dāng)?shù)V井開采區(qū)域位于江河湖泊水庫海洋等水體影響范圍內(nèi)時，適當(dāng)?shù)臈l件下，可成為礦井充水水源。影響因素：距離水體的距離、季節(jié)變化、隔水層性質(zhì)、開采方法等。（三）大氣降水

1、礦井充水程度與地區(qū)降水量大小、性質(zhì)、強度及持續(xù)時間有關(guān)；

2、礦井水量變化隨氣候季節(jié)性變化而變化。

3、大氣降水滲入量隨開采深度增加而減少。（四）老窯及采空壓積水強酸性水、腐蝕性大、突水時來勢猛，若有水力聯(lián)系時難以疏干。二、礦井充水通道分析充水通道類型：孔隙、裂隙、溶隙、人工通道四種。（一）孔隙

存在于疏松未膠結(jié)成巖的地層中。透水性能取決于孔隙大小和連通性。煤層圍巖為大顆粒松散層或流砂層時，孔隙水才能構(gòu)成威脅。（二）裂隙

構(gòu)造裂隙是礦井充水的主要通道，斷層又是構(gòu)造裂隙中最危險的進水通道，有兩類斷層：

1、隔水?dāng)鄬樱簤簯?yīng)力、部分扭應(yīng)力所形成的扭性斷裂，并充填膠結(jié)而成，本身不含水，并起隔水作用。

2、透水?dāng)鄬樱簭埮ば詳鄬訛槎?，少?shù)是壓扭性斷層。本身含水，有水力聯(lián)系，水量大而穩(wěn)定，不易疏干。（三）溶隙

溶洞發(fā)育規(guī)律：1、一般分布在厚層石灰?guī)r中；2、分布在構(gòu)造裂隙發(fā)育部位：斷裂集中或交叉部位、褶曲核部，可溶性巖石、與非可溶性巖石接觸部位；3、水循環(huán)交替及地殼運動使溶洞通道復(fù)雜化。①垂直循環(huán)帶：潛水面以上的巖體，地表水滲透形成垂直發(fā)育互不連通的溶洞，多分布在含水層淺部或頂部。②季節(jié)變動帶：喀斯特潛水隨季節(jié)而變化；枯水期以垂直運動為主，洪水期以水平運動為主，成垂直、水平溶洞均發(fā)育。③水平循環(huán)帶：在潛水最低水位以下到當(dāng)?shù)厍治g基準面以上的范圍，水平運動形成水平溶洞，暗河發(fā)育。④深部循環(huán)帶：在當(dāng)?shù)厍治g基準面以下，地下水運動緩慢，溶洞不發(fā)育，僅見溶孔。4、地殼運動的控制：地殼上升，老溶洞抬高，下部將形成新溶洞。（四）人工通道

1、勘探鉆孔因封孔質(zhì)量差而造成的充水通道

2、采礦活動形成斷裂：采穿上方巖層發(fā)生移動變形而形成“三帶”：第Ⅰ帶：巖層垮落帶。垮落高度：

h—垮落帶高度（采空底界面超）m；

k—頂板巖石碎脹系數(shù)，一般采用1.3；

m—煤層采厚，m；

—煤層傾角。第Ⅱ帶：斷裂帶:位于第Ⅰ帶上方，因頂板垮落，巖層下沉而出現(xiàn)許多張性裂隙，其高度為垮落帶高度的2-3倍。

第Ⅲ帶：整體沉降彎曲帶:位于Ⅱ上方，巖層緩慢沉降彎曲，但一般不出現(xiàn)裂隙，即能起到隔水作用。三、影響礦井涌水量的因素

從三方面分析：（一）覆蓋層的透水性及煤層圍巖的出露條件上覆巖層透水性好，補給水量和井下涌水量就大；煤層圍巖在地表出露面積愈大，接受大氣降水越多，井下涌水量愈大。（二）地形條件礦井開采深度高于當(dāng)?shù)厍治g基準面、涌水量較少；礦井開采深度低于當(dāng)?shù)厍治g基準面，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量較大。（三）地質(zhì)構(gòu)造

1、斷裂面的力學(xué)性質(zhì)：（1）壓性斷裂面：影響小，透水性差，能隔水。（2）張性斷裂面：斷裂充填物孔隙多而大，常有次級斷裂面，對礦井涌水影響較大。（3）扭性斷裂面：延展遠發(fā)育深度大，次級斷裂發(fā)育，也是良好的通道，對礦井涌水量影響較大。

2、不同構(gòu)造部位對礦井充水的影響：（1）斷層端點及其兩側(cè)巖層裂隙特別發(fā)育，易出現(xiàn)突水；（2）斷層交叉部位應(yīng)力集中，裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性能好；（3）斷層密度大的地段，應(yīng)力集中，巖層破碎，導(dǎo)水性能好；（4）斷層上盤裂隙較發(fā)育，易出現(xiàn)突水現(xiàn)象。第三節(jié)礦井水文地質(zhì)觀測及其水害防治主要內(nèi)容：一、礦井水文地質(zhì)觀測二、礦井水的綜合治理

一、礦井水文地質(zhì)觀測（一）地面水文地質(zhì)觀測

從四方面分析：

1、氣象觀測：觀測內(nèi)容：降水量、蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度等。資料整理：繪制氣象要素變化圖、降水量與礦井涌水量變化關(guān)系圖。

2、地表水觀測：

①對河流、水溝觀測：流量、水位、雨季最大流量和水位、通過構(gòu)造斷裂帶的流失量，洪水期淹沒帶等。②對湖泊、水庫、大型塌陷段水區(qū)的觀測：積水范圍、水深、水量、水位標(biāo)高。對以上觀測應(yīng)整理成各種曲線圖并標(biāo)在平面圖上。

3、地下水觀測：對象：泉、井、鉆孔、探巷、被淹井巷并組成觀測系統(tǒng)。資料整理：編制各種綜合圖件如等水位線（等水壓線）圖、水化學(xué)剖面圖等。4、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的觀測：觀測煤層采空后的地面形變、采空區(qū)垮落帶、斷裂帶（三帶）的高度。

（二）井下水文地質(zhì)觀測

1、巷道充水性觀測：分巷道充水性觀測和礦井涌水量觀測兩部分（1）含水層觀測巷道通過含水層：含水層厚度、巖性、裂隙、巖溶、標(biāo)高、水壓、水溫、涌水量并取水樣化驗水質(zhì)。

（2）巖層裂隙發(fā)育調(diào)查觀測井下見含水層的裂隙調(diào)查：裂隙產(chǎn)狀要素、長度、寬度、成因類型、張開和充填程度、充填物成分、地下水活動痕跡，測量裂隙率（面密度）。裂隙率（K）

Li：落入統(tǒng)計面積內(nèi)的某一裂隙長度，m；

bi：某一裂隙寬度，m；

F：觀測統(tǒng)計面積，m2。

u：節(jié)理數(shù)目（3）斷裂構(gòu)造觀測斷層性質(zhì)、產(chǎn)狀要素、落差、破碎帶寬度，充填物性質(zhì)及透水性。（4）出水點觀測出水時間、地點、層位、巖性、厚度、出水形式、出水量、水壓、標(biāo)高、圍巖、巷道變形等情況，分析出水原因及水源，采水樣化學(xué)分析。（5）出水征兆觀測（工作面）潮濕、滴水、淋水、頂?shù)装寮爸е冃吻闆r。

2、礦井涌水量觀測：

1）觀測要求觀測點布置：各巷道排水溝出口處、主巷道排水溝流入水倉處、采區(qū)石門排水溝出口處、井下出水點并分水平觀測。

觀測時間：一般每旬觀測一次。水文復(fù)雜礦區(qū)則每旬2-3次，雨季次數(shù)應(yīng)增加。

2）觀測方法（1）容積法：①單位時間內(nèi)流入量水桶中的水量（時間一般為小時、分、秒）。②迎頭水窩容積計算法（2）浮標(biāo)法：在規(guī)則水溝上下游測定兩個過水?dāng)嗝婷娣e，取平均值F，兩斷面之距離為L，浮標(biāo)漂流時間為t，涌水量Q為：（3）堰測法：使排水溝的水通過形狀固定的堰口，量測堰口的水頭高度，即可計算出涌水量：①三角堰：適合流量小于0.5m3/s的情況：

其中，Q—流量L/s；h—水頭高度cm②矩形堰：，其中B為堰口底寬cm③梯形堰：堰口窄于水溝：堰口與水溝等寬：注意：堰口上下游要形成水頭差

（4）流速儀法：在巷道水溝中選定一個面，用流速儀測流速（5）水倉水位觀法：用標(biāo)尺讀出時間內(nèi)的水位差（H2-H1），而水倉平面積F是可測度的：

（6）水泵有效功率法：利用水泵排水量和實際效率進行換算。二、礦井水的綜合治理（一）地表防治水

1、合理選擇井筒位置:

井口標(biāo)高均應(yīng)高于歷年最高洪水位,如受地形限制時，應(yīng)筑防水堤或改變水流方向。

2、河流改道:穿過或附近流經(jīng)礦區(qū)的河流嚴重影響井下生產(chǎn)時應(yīng)使其改道。

3、鋪設(shè)人工河床:上述河流不能改道，可鋪設(shè)不透水的人工河床。

4、修筑排（截）水溝:

山區(qū)降水后在井田外圍或漏水區(qū)段的上游垂直水流方向修筑排水溝使其不流入礦區(qū)范圍。

5、堵漏:

地表裂隙、洞穴、陷坑，可用粘土堵塞。（二）井下防治水1、探放水：超前探放水（有疑必探，先探后掘）——老空區(qū)、含水?dāng)鄬?、含水?/p>

1）小窯老空區(qū)積水的探放①確定老窯范圍、劃定“三線”:

積水邊界線：以其最深下山確定探水線：按積水范圍可靠程度、積水量、水頭壓力、煤厚及傾角，沿積水邊界線平行外推60-150m

警戒線：沿探水線在平行外推50-150m②老窯積水量估算:其中：W靜—老空積水靜儲量m3；M—采厚m；

F—老空區(qū)平面積m2;—煤層傾角；

K—充水系數(shù)0.3~0.5。③小窯老空區(qū)探、放水鉆孔的布置鉆孔布置：上山巷道布置成扇形煤層平巷布置成半扇形在允許推進距離終點，探水孔間距≤3m

超前距為20m，幫距約等于超前距，超前距的計算：其中：a—超前距，m；l—巷道最大跨度（寬或高），m；

p—水頭壓力kg/m2；kp—煤柱的抗張強度,kg/cm2

2）斷層水及其可疑水源探放

與探斷層構(gòu)造孔結(jié)合，查明：斷層位置、產(chǎn)狀、斷層帶寬度、充水情況、水力聯(lián)系、靜止壓力、涌水量大小。查明后，據(jù)水量大小及水力聯(lián)系情況，可放水疏干，若水量大，可封閉鉆孔。2、煤礦酸性水的防治：（1）分區(qū)排除酸水；對區(qū)域性酸水用單獨系統(tǒng)排放。（2）分級排水，降低水泵揚程，減少對水泵腐蝕速度。（3）引入