第八章矿井水文地质

第八章矿井水文地质 第一节地下水的基本知识第二节矿井水的来源第三节矿井涌水量的预测方法第四节矿井水的防治

矿井水的危害： • 影响煤炭资源的开发； • 恶化矿井生产条件； • 增加采矿的成本； • 造成淹井事故。第一节地下水的基本知识一、自然界中水的循环自然界中大气水、地表水和地下水是统一水体，它们之间存在着内在联系和不断相互转化的循环过程。 • 水循环 • 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。 • 水循环包括内陆循环、海陆循环、海洋循环。

水的循环示意图

水循环意义 • a.使大气圈、水圈、岩石圈和生物圈之间不断地进行着能量交换和物质迁移。 b.使大气降水、地表水、地下水、土壤水之间相互转化，使水资源形成不断更新的统一系统。

二、含水层和隔水层 自然界中的岩层是在漫长的地质历史中形成，并经历了后期多次构造运动与各种地质构造改造，因而发育了许多不同成因，不同方向，不同规模的空隙。 • 含水层（带）地下岩层空隙中，储存有在重力作用下可以自由流动水，称含水层（带）。 • 隔水层（带）有些岩层的空隙不发育，不透水。含水层与隔水层在空间上是互为依赖，相伴共存，从而构造含水地质结构，因为有不透水的隔水界面，含水层才具有赋存地下水；三、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，各种地下水在形咸、分布、运动、水质、水量等方面都有很大的不同。

按地下水的埋藏条件分类 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。潜水主要由大气降水和地表水补给。多数情况下，补给区与分布区一致。所以潜水的埋藏深度及含水层厚度经常是变化的，而且变化范围较大，其中以气候、地形的影响最为显著。对采矿工作来说，潜水对建井及露天开采的影响较大，对地下开采影响较小。特征：A）潜水直接接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给区一致； B）潜水面不承受静水压力； C）在重力作用下，由高向低流动，称潜水流； D）潜水的埋深因地而异，与水位、水量变化有关。潜水

承压水（自流水）：是埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水，其运动受上下隔水层的约束和水压的作用，通常是从补给区流向排泄区。其补给区与分布区不一致，受大气降水变化的影响较小，不易受污染。承压水（自流水）：是埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水，其运动受上下隔水层的约束和水压的作用，通常是从补给区流向排泄区。其补给区与分布区不一致，受大气降水变化的影响较小，不易受污染。特征： A）承压水具有静水压力； B）以侧向补给位主，因此补给区与分布区不一致； C）承压水迳流严格受隔水层控制，其埋藏分布主要取决于地质构造； D）承压水的动态受降水、蒸发、水文等因素影响，但不如潜水显著，水位变化幅度小，一般有滞后性； F）由于有连续的隔水层的覆盖，承压水不易污染；

在承压水区，当断裂或人工打井穿过其上面的隔水层时，承压水即可上涌，如出水口低于水源区，就会出现自流井(泉)。在承压水区，当断裂或人工打井穿过其上面的隔水层时，承压水即可上涌，如出水口低于水源区，就会出现自流井(泉)。

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；导水性好补给充沛风化裂隙成岩裂隙构造裂隙裂隙水：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；四、泉泉是地下水的天然露头，是地下水的一种重要排泄方式，是蓄水构造水文地质特征的重要表现。研究意义：确定水文地质单元的边界；阐明岩层的富水性；有帮于判断地下水的类型和动态变化；分析泉水了解补给水源水质；是理想的天然地下水资源；可减少水文勘探工作量。

第二节矿井水的来源 一、矿井水的分析 • 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。年降水量；降水性质；地形；煤层埋深；覆盖岩层的透水性。大气降水对矿井充水强度与涌水量 • 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；地表水的性质和规模；地表水体与矿井间的充水通道，其随矿井开采方式和采煤方式的不同而变化；

含水层水：是矿井的最经常和最主要的充水水源；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 → 矿井空隙性富水性矿井充水含水层的类型导水性静水压力含水层厚度越大、分布越广、储量越丰富、疏干越不易；充水含水层厚度与分布影响因素向斜轴部——大含水层的补给条件与蓄水构造类型静水压力——小距离遇断层煤层下部含水层巷道揭露含水层与煤层的关系煤层上方含水层 ——塌陷情况

老窑水：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；老窑水：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； • 其特点如下： • 老窑积水以静储量为主；一旦巷道揭露或巷道与老窑之间的煤岩柱强度小于它的静水压力时，积水倾出，瞬时涌水量大，来势凶猛，具有很大的破坏性，可造成严重事故； • 老窑积水与其它水源无联系时，短期突出易于疏干；老窑一般位于浅部，若与地表水有水力联系，则造成稳定的充水水源危害较大； • 老窑一般深度不大，但查清位置较困难，准确位置无法查清，又无人敢下去查； • 老窑积水长期处于停滞，一般酸性大，腐蚀性强，别是高速运转中的水泵叶轮，由于水的冲击和摩擦，腐蚀损坏得更快。

断层水：断层破碎带，常是地下水良好聚集场所和通道断层水：断层破碎带，常是地下水良好聚集场所和通道 • 断层水对矿井的影响，主要是由于巷道揭露或由采掘活动破坏了围岩的隔水性能造成断层带的水涌入井下； • 断层水主要特点：其静储量不大，但往往与地表水、高压强含水层沟通，对矿井生产造成巨大威胁； • 断层有时使煤层与富水性很强的岩溶水对口相接；或者由于断层的存在碰坏了岩层的完整性，因而降低了岩层的强度，这些常是矿井水文地质条件复杂化； • 也有的断层破碎带内充填了许多破碎的柔性岩石（如粘土岩）、煤粉、断层泥等，也可能起隔水作用。因此对断层的透水性质应作具体分析。如果在矿井中有许多条断层，断层的交叉处是最容易发生透水事故的位置，应特别注意。除此而外，还有其它人为因素的导水通道；如：未封好的钻孔

二、地下水的动态观测 地下水埋藏在地下，始终处于运动和变化之中，这种运动和变化主要表现在水位、水量、水温、水质等方面。从事矿井水文地质工作的人员，要经常的、全面的对矿区各水文地质观测点进行观测，掌握地下水运动规律和分析矿井水的变化，观察内容包括：水位观测，水量观测，水温和水质观测。 • 水位观测 • 在观测孔中，按设计要求定期观测地下水水位；利用水位观测预报透水事故发生；可解决问题利用水位观测，了解断层导水性；（断层两侧的水位差、地表泉水）利用水位观测了解突水水源；利用水位观测，了解地下水与地表水的补给关系； • 流量观测 • 矿井涌水量与降雨量的关系； • 河流流量观测； • 矿井涌水量观测。（浮标法、堰测法、容积法、观测水仓法）

水质的研究 • 通过水样（水质）分析化验，分析含水层的补给和迳流及排泄条件，含水层间及地表水之间的水力联系，以及评价水资源等提供数据； • 水温变化也反应了地下水变化的一个侧面，对分析矿井水的来源具有一定参考价值； • 水质研究——聚类分析与模糊综合评判三、表示矿井充水程度的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。 • 用含水系数表示矿井充水程度含水系数又称富水系数，是指矿井中排出的水量 Q（米）与同一时期煤炭开采量 P（吨）的比值，通常用KB表示——吨煤排水量；涌水小的矿井：KB <2；涌水中等的矿井： KB＝2～5；涌水大的矿井：KB = 5～10；涌水最大的矿井： KB＞10；不同矿井，甚至同一个矿井不同时期的 KB 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；

用矿井涌水量表示充水程度 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／小时；涌水中等的矿井：Q＝100～500m3／小时；涌水大的矿井：Q＝500～1000m3／小时；涌水最大的矿井：Q＞1000m3／小时。

第三节矿井涌水量的预测方法 正确的计算未来井巷及采区的涌水量大小，是一项重要而复杂的工作。它对煤田的技术经济评价有很大的影响，并且也是开采设计部门选择采掘方案，制定疏于措施，确定排水设备的主要依据。一、地下水的运动规律岩层必须透水必备条件沿水流方向具有水位差 • 地下水的运动条件岩石透水性运动速度及水量地下水水位差水力坡度=（H1-H2）/L 层流：水流质点运动连续不断，流束平行而不混杂； • 地下水的运动状态紊流：水流质点运动不连续，流来混杂而不平行；

地下水运动的基本定律——达尔西定律 Q=K•ω•△H / L 其中：Q——渗透流量（m3/s）； K——渗透系数（m/s）； △H——水位差（m）； L——砂岩长度（m）； ω——过水断面积（m2）。二、井筒涌水量计算 • 潜水完整井涌水量计算: 系指井筒开凿在潜水含水层中，并打穿含水层到隔水底板； • 自流水完整井涌水量计算：系指井筒开凿在自流水含水层中，并全部揭露含水层； • 巷道涌水量预测方法：

第四节矿井水的防治 ——以防为主，防治结合 • 制定防治工程计划前，进行大量的实际调查和必要的观测工作； • 坚持矿井防治水与矿井水的利用相结合、地表与井下相结合、多种方法相结合的综合治水方针； • 防水工程布置，按照矿井的开拓程序及速度，结合地形等天然条件，用由近到远（即先采区上部，后向外围扩展），由线到面（即先修沟，然后逐渐到大面积），由低到高（即先低洼处，后山坡）；先重点后一般（即先修漏水最严重的地段），因地制宜、随高就低、因陋就简、就地取材等原则。一、井筒位置选定 • 力求避免穿过强含水层或富水带； • 井筒所选定地点的岩层要完整、稳定，避开破碎带和岩溶发育地段； • 距离矿井可能突水的危险地段要有足够的安全距离； • 另外，在地表、井口标高要高于历年最高洪水水位，保证在任何情况下均使井口或其他地面设施，不致于被水所淹。

二、地表防水 地表水的下渗是矿井涌水量剧增的一个重要因素挖沟排（截）洪堵塞通道 • 地表水防治河流改道铺整河床三、井下防治水 • 老空积水的探放：采空区，由于地表水和地下水的补给，充满了大量积水。 • 其特点： • 一般积水范围不明（特别是一些老矿井），串联关系复杂、水量大、酸性强、水头压力高、危害大。 • 特别是矿井周边的老窑。 • 要隔离积水需保留大量的安全煤柱，一方面影响资源的回收，另一方面，由于资料不清、范围不确，可能引起积水的突然涌出，酿成灾害事故。 • 因此，探老窑水是采矿工作中防患于未然的必要措施，是探明可采边界和安全开来的主要手段。

一般按下列程序进行探放： 1. 调查老窑水的分布 2. 探水起点 3. 探水钻孔的布置绝大多数是探水与掘进相结合，即探水——掘进——探水循环进行，方能找到老窑放出积水。因此在考虑探水钻孔的布置时，必须保证掘进巷道的前方仍有相当厚度的保安煤柱。此外，老窑内的巷道极不规则，在探水掘进过程中，如果钻孔密度不够，古巷道就可能从两个钻眼之间漏过而发生透水事故。 4. 探水作业严格遵循安全规程，大致注意： 1）加强顶板支护：探水巷道一般为双巷掘进，以便于通风和抢险。为了保证探水地点、避灾路线、来水时必经的巷道不发生冒顶片帮，探水前和整个施工期间要加强顶板支护。 2）加强深水迎头的通风和瓦斯检查：探水地点，随时可能透老窑而散出CO2、CH4、H2S等有害气体，因此，必须加大探水地点的供风量，加强瓦斯检查，一旦发现有害气体含量增高，应查明原因，它往往是接近老窑的征兆。 3）安排避灾路线：探放水时，所有可能受水威胁的地点，特别是采掘中的下山区域，必须安排避灾路线；在开始探水前，工人必须熟悉避灾路线。

4）设立警铃信号及其他通讯联络设备：探放水地点要设置电话、与井口调度室进行通讯联络，以便及时汇报钻眼过程中发现的地质变化或透水征兆。 5）安装安全套管：探故老空积水时，应该在孔口设置安全套管阀门，控制放水量，防止钻眼被水冲刷扩大，在初透积水时，安全套管还可用来测定水头压力。 6）钻孔透空征兆时的措施； 7）严格鉴定放水效果完全不流水，向里进风或向外出风；水流始终不断，但没有压力；通捣时有小水流，不通捣时无水等。 ——这时即可停止放水，继续进行掘进工作。 • 煤矿酸性水的防治：煤层及煤系岩石中的黄铁矿及有机硫，当氧化后就形成硫酸，从而使地下水具有酸性。 1. 当煤中硫的含量在2%以下时，一般不形成酸性水； 2. 煤层厚、倾角大时容易形成酸性水； 3．地下水循环条件好，水中富含氧亦易于形成酸性水；

4．煤的灰分高，并存在厚层粘土岩，能阻碍酸性水的形成； 5．采掘范围扩大，与富含氧的地下水接触的煤炭增多，特别是当回采率较低时，遗弃的煤炭多，更能促使酸性水的形成。 • 介绍排除酸性水的几项措施： • 分区排除酸性水，减少酸性水的危害范围； • 分级排水，降低水泵扬程； • 冲淡酸性水，使矿井中的游离硫酸含量降低到最小限度； • 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； • 改善水泵、水管的耐酸性能； • 其他方法： • 从开拓布局上设法减少矿井排除酸性水的年限； • 防止地表水及降水渗入； • 提高回采率。 • 回采中注意问题：浅部的老空区积水，掘进中可能安全，但一旦回采，受顶板冒落、断层活化等影响，也可能发生溃水，应提前进行研究。

地下暗河的防治： 暗河也有大小型之分。大型暗河与地表河流相似，雨季河水猛涨，汹涌澎湃，旱季则河水变小。小型的地下暗河实际上是一个复杂的管道系统。这个“管道”在平面上左弯右拐；在垂直方向上也是上上下下宽窄不一。我国西南许多煤矿，常在灰岩中开凿巷道，暗河对生产的影响不能不予以重视。 1. 地下暗河对煤矿生产的影响：井巷末揭露暗河前，暗河对生产的影响甚微。一旦巷道揭露了暗河，暗河的水将“破门”而出，向巷道中大量倾泄，巷道顿时变成水流使完四 “河道”，轻者被迫暂时停工，重者可能淹没矿井； 2.地下暗河的分布规律：目前对暗河分布的研究工作，还不能满足生产上的要求。地下暗河只存在于灰岩、白云岩等可溶性岩层中；地下暗河往往受构造的控制，如常沿走向断层发育起来；或沿格曲轴部张裂隙溶蚀扩大而成；在急倾斜的岩层中，也有沿某一被错动的纯质灰岩层发育；所以地下暗河常与岩层的走向大致平行；地下暗河的发育还受地形的控制，地下水和地表水一样，具有从高处流向低处的特点。

堵塞绕过 3．地下暗河的治理截流断源四、矿井水的防治方法抽排法：排水系统，将水抽排到地表井筒地面预注浆井筒工作面预注浆井筒注浆堵水井壁注浆 • 防治方法堵截法注浆堵水巷道注浆堵水注浆恢复被淹矿区或采区疏降法

井下截水建筑物的设置 为了使井下局部地区的涌水不致波及全区或为了堵截水源，需在适当地点建筑截水建筑物（防水闸），将开采区与水源隔离。 • 防水闸门——一般设置在可能发生突水需要堵截而平时仍需运输和行人的巷道内，如井底车场、井下水泵房。。。混凝土闸墩组成门框门扇防水闸 • 防水墙——为隔绝有继续大量涌水而砌筑的一种永久性封闭的挡水建筑，多为混凝土修筑。平面状形状球状柱状

五、井下防水煤柱的留设 • 煤层直接与疏松含水层掩盖； • 煤层直接与含水丰富的岩层接触时。在这种条件下，保安煤柱不应小于20米。 • 煤层被强含水层所掩盖时。在这种情况下，煤柱的围设主要应考虑煤层开来后的塌陷裂隙，最好不要波及到上部强含水层。 • 巷道接近导水断层带时，应留保安煤柱30～50米。 • 巷道或工作面接近被淹井巷和积水小窑老空区防水煤柱尺寸的确定是个非常复杂的问题，应考虑到含水层的水压、水量、煤层的机械强度、厚度等因素。多数煤矿采用经验数据，如冲积层下急倾斜煤层的安全煤柱、接近强含水层或导水断层的保安煤柱等等。总之，应通过实践求得既安全又经济合理的数据。

本章结束

一般认为，煤层距地表水体越近的，受其影响越大；一般认为，煤层距地表水体越近的，受其影响越大； • 在煤层上覆岩层透水性差，而且没有断裂破坏时； • 一般认为，煤层和地表水体之间垂距如大于煤厚的50倍左右，地表水的影响逐渐消失。无裂隙沉降带裂隙带岩层崩落带

下降泉 上升泉

补给条件 含水层的补给条件主要决定于含水层出露地表的地形、溶洞裂隙发育情况和有无常年存在的地表水体。在地形平缓、特别是容易内涝的地区，降水不易从地表流走，造成常年积水，为含水层提供了大量补给来源，含水层的露头溶洞裂隙又发育，这样含水层的水量就大；相反，在地形较陡的情况下，降水大部分形成地表水流流走，补给地下水量就少。 • 排泄条件任何一个含水层都有补给区和排泄区。在排泄区有大量泉水出露，泉的多少和水量大小直接表示了含水层的富水强度。凡是在含水层出露地区，泉很多，但每个泉的水量很小，这是弱含水层的特点；泉水流量大而且集中，这是强含水层的排泄特点。西南地区不少的煤矿，主要强含水层是茅口灰岩和长兴灰岩，在其排泄区，都表现了泉水集中流量很大的规律。

华北某矿，煤层被百余米厚冲积层所覆盖，冲积层下部分布着很厚的卵石层，含水极其丰富；为了开采冲积层下面的急倾斜煤层，避免冲积层水突然流入矿井而造成事故，在采煤工作面上方打了观测孔，派专职人员进行水位观察工作；华北某矿，煤层被百余米厚冲积层所覆盖，冲积层下部分布着很厚的卵石层，含水极其丰富；为了开采冲积层下面的急倾斜煤层，避免冲积层水突然流入矿井而造成事故，在采煤工作面上方打了观测孔，派专职人员进行水位观察工作； 1961年7月7日，观测人员发现观测孔内水位突然下降1米，这是井下突水的明显预兆。观测人员立即向矿领导做了汇报，随后采取了紧急措施，将回采工作面的人员立即全部撤出，第二天果然大量的地下水夹杂着泥砂涌入井下；一个钻孔的水位变化，准确地预报了透水事故的发生，为保证煤矿安全生产起了重大作用。

河南某矿，为了查明断层导水性，在断层的两盘分别布置了观测孔，观测断层两盘同一含水层的水位变化；河南某矿，为了查明断层导水性，在断层的两盘分别布置了观测孔，观测断层两盘同一含水层的水位变化；经过对两个钻孔水位的长期观测，发现水位差别很大，说明断层两盘没有直接的水力联系，此断层实际不导水；由于断层的导水性问题得到解决，施工就果断大胆了。巷道穿过断层时果然无水。

山东某矿1958年10月 28日回采十行头炭过程中，工作面底板突然透水，涌水量达 5m3／m，部分巷道被淹没。突水后发现打在本溪群徐家庄灰岩中的CK1，钻孔水位明显下降，而奥陶纪石灰岩的CK2观测孔，水位没有变化；说明这次突水主要是徐家庄灰岩水，而与奥陶纪灰岩含水层无直接联系。

西南某矿在掘进底板茅口运输大巷时，发生了突水事故，涌水量最高可达8000吨／小时。开始有人怀疑水源主要来自附近河流。为了证实这一推断，在河流的岸边打了两个钻孔CK1；CK2。西南某矿在掘进底板茅口运输大巷时，发生了突水事故，涌水量最高可达8000吨／小时。开始有人怀疑水源主要来自附近河流。为了证实这一推断，在河流的岸边打了两个钻孔CK1；CK2。经过对钻孔中水位的观测，发现CK1中水位高于河流水面，CK2中水位又高于CK1；根据地下水由高流向低的规律，指示地下水补给河流，井下突水与河流无关；后经研究确实与地表河流无关，而是与地下河有关。

x R r R

抽水实验确定影响半径—R • 经验公式确定—R R= 10• S•K1/2 K-渗透系数（m/昼夜）

承压水

基本不变； 滞后；同步；测水位工具降水与矿井涌水的三种关系

煤层露头 塌陷区上方修排洪沟塌陷坑填塞拦洪排洪沟河流改道河流改道

探水起点 由于老窑积水资料不可能绝对准确，必须留出适当的安全煤柱。安全煤柱过宽，会大大加重钻探工作量，延误掘进速度，对生产不利；安全煤柱过小,则安全没有保证；我国有些煤矿分别按照积水线、探水线、警戒线三条线处理。积水线——指调查核定的采空区预定边界；探水线——一条沿积水线向外推移60～150米的一条线；警戒线——在探水线的外沿平行外推50～100米斯圈定一条线；掘进巷道进入这一界线后，必须警戒积水的威胁。 • 近积水区，透水前有如下征兆： • 煤壁或顶板渗出水珠，或者煤层松软发潮； • 顶板淋水或底板涌水； • 煤层内出现暗红色水锈或渗水后挂红； • 迎头空气变冷，或水蒸汽大而发生雾气； • 有嘶嘶水叫声（水头压力大时会出现）发现上述征兆之一者，应停止掘进工作，进行探水

探水巷道 中眼与外斜眼终端的距离即为帮距，通常采用12米左右。巷道前进终止点与中眼终点之间的距离为超前距，一般采用20米左右为宜。 3m 巷道中眼邦距12m 巷道前进 20m 超前距 20m

聚类分析 聚类分析法——是多元统计方法的一种数字分类方法，又称簇分析、点群分析；它最早应用于生物学中，进行生物分类，近年来广泛应用于地质学等方面。聚类分析的出发点，就是把所研究的对象看作一个空间中的点，然后用数学方法研究点与点之间的疏密关系（即研究对象之间的相似性），最后把关系密切的点归为一群，以达到对研究对象分类或对比的目的。 Q型聚类分析——研究样本之间关系的聚类分析方法。采用诸多观测数据，根据相似统计量来定量表示样本之间的关系，按相似程度级别大小，把样品归入不同的类别中。关系密切的归入小类中，关系疏远的，归入大类。聚类分析法 R型聚类分析——R型聚类分析是把属于物体的各种属性，即各种变量进行比较，目的是建立起不同变量之间的关系，从而对变量进行分类。

样品变量选择： 评价参数的选择与含水层及评价的目的有密切的关系，一般选择含水层中的主要的及与评价目的有关的离子作为评价因子；研究表明，在矿井水中选择Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO42-、HCO3-等指标作为分类标示因素，进行聚类分析判别水源效果良好；进行矿井水源判别时，由于各含水层水质特征界限往往不明显，具有一定的模糊性，很难根据单个因子进行判别，需综合多个因素的综合效果进行判别，而传统的方法很难定量区分各因素的影响程度，对水质相近的水源更难以区分。模糊综合评判是一种应用模糊数学原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其作出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法；研究步骤：确定水样背景值；水样分析；水样聚类分析；模糊综合评判；确定治理方案。

第八章 矿井水文地质