资源描述：
矿井水文地质基础 矿井突水是危害煤矿建设生产的主要因素之一。由于水文地质条件的复杂性，造成有些地区煤层不能开采；有些矿井由于水大不仅大大增加了原煤成本，同时也威胁着煤矿的安全生产。为保证煤矿安全生产，改善井下劳动条件，同时也为了合理利用地下水资源，有必要了解地下水的基础知识和矿井水的防治方法。 第一节 地下水的基本知识 一、自然界中水的循环 自然界中的水在太阳辐射热和重力的作用下不断地循环着。水在太阳的照射下，从海洋、河、湖表面，岩石表面及植物叶面上不断蒸发，变成水汽上升到大气圈中，在高空中凝结并形成各种不同形式的降水（雨、雪、雹等）而降落到地面上。降落下来的水一部分就地蒸发，一部分通过地表和地下径流的形式回归到河流、湖泊、海洋之中，而后再度从其表面蒸发。 水的循环可分为大循环和小循环两种（图7-1） 大循环或称外循环，它是指在全球范围内水分从海洋表面蒸发，上升的水汽随气流运移到陆地上空、凝结成雨点降落到陆地表面、又以地表或地下径流的形式，最终流归海洋中，再度受到蒸发。 小循环又称内循环，它是指水从海洋表面蒸发，又降落到海洋表面；或者水从陆地上的湖泊表面、河流表面、地表、植物叶面蒸发，又在当地降落。 21 海洋表面的蒸发，当然是构成大陆上降水的主要来源，但陆地上河流、湖表面、地表及植物叶面的蒸发，同样是大陆范围内大气降水的来源。后者对距海远的干旱、半干旱地区尤其有重大意义。因此，一个地区降水量的多少，既决定于大循环的频率和数量。又决定于小循环的频率和数量。所以，在干旱和半干旱地区修运河、水库，大面积植树造林，进行灌溉等，人为地加强小循环，也可以有效地改变当地的自然面貌。 二、地下水的概念 地下水是指埋藏在地表以下，储存在岩石空隙中的水。它主要以气态水、吸着水、薄膜水、毛细水和重力水等几种形式存在于岩石空隙中。 气态水 即水蒸气，它可以从空气中进入或由土壤和岩石中的液态水蒸发形成。岩石空隙中的气态水是不能被利用的，但在一定条件下气态水能凝结成液态水，这对土壤水分的重新分配、地下水的来源都有很大意义。 吸着水 进入岩石空隙中的气态水，当它与岩石颗粒表面接触时，由于岩石颗粒表面往往带有电荷，而水分子是偶极体，因此在静电引力作用下，水分子被牢固地吸附在岩石颗粒表面上，形成一层极薄的水膜，称为吸着水。由于这种水与岩石颗粒表面的结合力非常强，所以它又称为强结合水。 吸着水因受强大的静电引力作用，使它与般液态水的性质有很大差别，如其密度、粘滞性很大，不受重力作用影响，不能传递静水压力等，也不能被植物根吸收，只有当加热到105110℃时，转化为气态水后逸出。 薄膜水 包围在吸着水外层的水膜称薄膜水。它也是由于岩石颗粒表面与水分子之间静电引力作用形成的。因为吸着力是随岩石颗粒表面距离的增大而减弱。所以，薄膜水受静电引力作用远远小于吸着水，故其又称为弱结合水。 薄膜水与吸着水相同，不受重力作用影响，不能传递静水压力，但密度与普通水一样，有较大的粘滞性和较弱的溶解盐类的性能。薄膜水可以由薄膜厚处向薄处发生流动，直到水膜厚度相等为止。薄膜水的移动是由于外层吸附力的减弱，面水分子之间的张力作用相对增大所引起的。 无论是吸着水还是薄膜水。在岩石中的数量都是微不足道的，因此，对矿井生产无影响，研究它们的实际意义不大。 毛细水 岩石中细小的孔隙和裂隙犹如我们熟悉的毛细管一样，它能使水沿着这些空隙上升到一定的高度，这类产生毛细现象的小空隙称为毛细空隙，储存在其中的水称为毛细水。毛细水与普通水性质一样，有普通水的密度和溶解盐类的性能，能传递静水压力，能被植物根所吸收等。毛细水在毛细力和重力作用的共同支配下，其运动沿着毛细空隙的垂直方向进行。 重力水 岩石空隙中仅受重力作用而运动的水，称为重力水。如井中取出的水、岩石中流出的泉水等都属重力水。重力水是我们研究的主要对象。 上述各种形式的水，在地壳中分布是有一定规律的。如开始挖井时，见到的土似乎很干燥，其实里面含有气态水、吸着水和薄膜水；继续下挖，土色变暗、潮湿度增大，但无滴水出现，井中仍无水，这一带属毛细水带；当再往下挖时，井壁渗水出现，并逐渐汇集成一个稳定的地下水面，这便是重力水。通常将地下水面以上范围称为饱气带，地下水面以下，则称为饱水带（图72）。 三、含水层与隔水层 岩石能含水的基本前提是岩石具有空隙。岩石（包括坚硬的和松散的）内部并不是致密的，有许多相互连通的孔隙、裂隙和洞穴，故地下水可在岩石中通过，岩石能被水透过的这种性能，称为岩石的透水性。能透水的岩层叫透水层，透水性最好的岩石是喀斯特发育的石灰岩和白云岩，以及空隙大的砾岩和砂岩。而有些岩石（如泥岩、页岩），虽有很多的空隙，但因它们太小或彼此间很少连通，地下水很难在其中流动，这种透水性能差，对地下水的远动、渗透起着阻滞或阻隔作用的岩层，称为隔水层或不透水层。透水层和不透水层在自然界是相对的，当某种岩层较其顶底板岩层的透水性能都好时，则其本身为透水层。而其顶底板岩层则起着隔水作用成为水隔水层。自然界中也有能透水而不含水的情况，能透水的岩层处于地下水位以上部分就是如此。所以，所谓含水层是指能透水且含有地下水的岩层。 含水层的形成必须同时具备三个方面的条件，即岩层具有连通的空隙、隔水地质条件和足够的补给水源。 四、地下水的分类 自然界有各种各样的地下水，有的埋藏很深、有的埋藏很浅；有的水量大，有的水量小；各种地下水在形成、分布、运动、水质、水量等方面都有所不同。人们对地下水提出了许多分类方法，其中对煤矿生产有直接意义的有以下两种 （一）按地下水的埋藏条件分类 1．上层滞水 一般认为，上层滞水是指埋藏在离地表不深的饱气带中局部隔水层上的重力水（图73）。 上层滞水一般分布范围小，储水量不丰富。由于其埋藏浅，受气候条件影响大，雨季获得补给，补给区与其分布区一致，旱季水量明显减少，甚至干涸。一般只有当饱气带厚度较大时，上层滞水才易出现；当其下部隔水层范围较广时，上层滞水存在的时间较长。 上层滞水由于分布范围有限，水量少，且其季节性明显，仅能作小型或临时性供水水源，一般对煤矿生产几乎没有影响。 2．潜水 潜水是指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，且具有自由水面的重力水。潜水的自由水面，称为潜水面；地表至潜水面的垂距，称为潜水埋藏深度；潜水面至其底板隔水层顶面间的距离，称为潜水含水层厚度；潜水面上任一点的标高，称为潜水位（图73）。 由于潜水无隔水顶板，地表水及大气降水可以通过饱气带直接渗入补给潜水，故潜水分布区和补给区经常是一致的，且其水量、水位等动态变化具有明显的季节性。 由于潜水具有自由水面（即潜水面），而潜水面上任意一点均只受大气压作用，所以潜水是不承受静水压力的无压水（因局部隔水层存在产生局部地段承压现象例外），只能在重力作用下，由高水位向低水位不断运动。 潜水在重力作用下发生流动，其结果使潜水面产生一定的坡度，形成了不同形状的潜水面。潜水面形状与地形关系密切，随地形起伏而变化，地形高的地方，潜水位亦高，地面坡度愈大，潜水面坡度也愈大，两者基本一致，但潜水面坡度总小于当地地面坡度。如果潜水面是倾斜的，潜水就发生流动，称为潜水流；当潜水面呈水平时，潜水处于静止状态，称为潜水湖。 潜水面的形状可用等水位线图来表示，等水位线图即潜水面的等高线图，它是根据潜水面上各点标高编制而成的等值线图，作图方法与地形等高线图类似。由于潜水是随时间变化的，所以在编制等水位线图时，必须利用同一时期内所观测的水位资料。为了反映不同时期潜水面形状的变化，在有条件时，最好能绘制出不同时期的潜水面等高线图。根据潜水面等高线图可解决一些实际问题，如确定潜水的流向垂直等水位线由高水位流向低水位；确定潜水的水力坡度任意两条等水位线的水位差与相应等水位线间流长的平距之比（即潜水面坡度＝两等水位线的水位差／两等水位线间的平距）；确定地表水与潜水的相互补给关系（图74）；确定潜水埋藏深度（将地形等高线和等水位线绘于同一图纸或两图叠置，各点标高与相应点的水位之差，即为该点潜水埋藏深度）；确定引水和排水工程的位置等。 潜水已被广泛利用，一般的水井多打在潜水含水层中，这是因为潜水距地表较近的缘故，但容易受到人为污染。对于煤矿来说，潜水是矿坑充水的重要水源之一，因此必须重视。 3．承压水 充满于上、下两稳定隔水层之间的含水层中的重力水，称为承压水。承压水由于有隔水顶板存在，故其补给区和分布区不一致，与水文因素季节变化的关系不甚明显，动态稳定，不易受污染；又因受其上、下隔水层的限制，故有一定的承压水头，其运动方式不是在重力作用下的自由流功，而是以传递静水压力的方式进行水的交替，就像自来水管中的水受供水水塔静水压力进行运动；故当地形条件适宜时，经钻孔揭露承压含水层后，承压水会喷出地表，因此承压水又称自流水。最适宜承压水形成的构造型式有向斜和单斜。 储存承压水的向斜构造，在水文地质学中通常称为承压水盆地或自流盆地。自流盆地按其水文地质特征可分为补给区、承压区及排泄区三部分（图75）。在含水层出露较高、且直接接受大气降水或地表水补给的地段称为补给区；补给区的地下水，具有潜水性质。含水层出露较低，且以泉的形式出露地表，或补给潜水和地表水的地段，称为排泄区；在补给区和排泄区之间，含水层上部具有隔水层且承受静水压力的地段，称为承压区，当钻孔打穿隔水顶板时，承压水便涌入孔内，水沿钻孔上升，当水位上升到一定高度且稳定后，此时的水面标高称为承压水的测压水位或静止水位。从静止水位到隔水顶板底面的垂直距离称为承压水头；上、下两隔水层之间的垂直距离，称为含水层厚度。 在向斜构造的自流盆地中，往往有几个含水层存在，每个含水层分别有自己的补给区、承压区和排泄区。当地表形态与构造形态一致时，称为正地形自流盆地。在正地形自流盆地中，下部含水层的测压水位一般较上部含水层高，含水层之间若有水力联系，往往是下部含水层补给上部含水层。地表形态与构造形态相反的自流盆地，称负地形自流盆地。负地形自流盆地中，下部含水层的测压水位较上部含水层的测压水位低，若含水层之间发生水力联系，往往是上部含水层的水补给下部含水层。 储存承压水的单斜构造，称承压水斜地或自流斜地。自流斜地通常是因含水层岩相变化或尖灭，以及含水层被断裂错开或被各种浸入体阻挡而形成。由断裂构造形成的承压水斜地（图76），当断裂带导水时，则各含水层将通过断层发生水力联系或通过断层以泉水的形式排泄于地表，构成承压水的排泄区，此时承压区介于补给区和排泄区之间，情况与自流盆地相同（图76a）；若断裂带隔水而不导水时，则含水层的补给区接受地表水或大气降水的补给，当补给量超过含水层可能容纳的水量时，在含水层暴露地带的低洼处呈泉水形式出露于地表，形成排泄区，此时补给区和排泄区位于承压区的同一侧（图76b）。 当地下水未充满两个隔水层之间时，称为无压层间水，其特征除具有自由水面而不承压外，基本上与承压水相同。 承压水含水层的水面特征，可用等水压线图来描述，承压水等水压线图即承压水测压水位等高线图（图77）。其编制方法与潜水等水位线图相似。根据等水压线图可以测定承压水的流向、水力坡度及每一点的承压水位，判定各承压含水层之间以及与潜水的相互补给关系，为矿井疏干降低水头提供数据。 自流水虽是很好的供水水源，但是对矿井开采来说，地下水过大，就会使大量地下水流入井下，甚至造成淹井事故，必须引起高度重视。 图7－7 承压水等压线图 1－地形等高线；2－承压水流向；3－等水压线； 4－含水层顶板等高线；5－钻孔 （二）按含水层空隙性质分类 1．孔隙水 储存于疏松岩层孔隙中的水，称为孔隙水，孔隙水的存在条件和特征取决于岩石孔隙的发育情况。一般情况下，岩石颗粒大而均匀，则含水层孔隙大、透水性好、水量大、运动快、水质好；反之，则含水层孔隙小、透水性差、水量小、运动慢、水质也差。 孔隙水由于埋藏条件不同，可形成上层滞水、潜水和承压水。孔隙水对采矿的影响主要取决于孔隙含水层厚度、岩层颗粒大小及其与煤层的相互关系。一般来说，岩石颗粒大且均匀，地下水运动侠、水量大，建井时需要加大排水能力才能穿过；而颗粒细且均匀的砂层，容易形成流砂，如果事先没有准备，大量流砂涌入井内，会使整个井简报废（常用冻结法穿过流砂层）。在急倾斜煤层条件下，在煤层浅部开采时，岩层垮落向上抽冒，常常波及到富水性很强的砾石含水层，这时将有大量孔隙水和松散沉积物涌入井下，造成突水事故。 2．裂隙水 埋藏于基岩裂隙中的地下水称为裂隙水。裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在、富水性及其运动条件。按成因，岩石的裂隙可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应的裂隙水也分为三种。 1）风化裂隙水 是指赋存在风化裂隙中的水。风化裂隙是由岩石风化作用形成的，其特点是分布于基岩表面，无一定方向，延伸短，常构成彼此连通的裂隙体系。风化裂隙水大部分为潜水，具有统一的水面，多出露于基岩的表层，其下新鲜的基岩为风化裂隙含水层的下限。此种水补给来源主要为大气降水，因此，在气候潮湿多雨地区和地形平缓地区，风化裂隙水较丰富，可作饮用水。 2）成岩裂隙水 是指赋存在成岩裂隙中的地下水。成岩裂隙是在岩石形成过程中产生的，一般常见于火成岩中、这类裂隙在水平或垂直方向上，都较均匀，也有固定层位，彼此互相连通。喷出岩中的成岩裂隙常呈柱状分布，当其出露地表接受大气降水补给时形成层状潜水，与风化裂隙中潜水相似。侵入岩中的成岩裂隙，在其与围岩接触的地方特别发育，常形成富水带。成岩裂隙中的地下水水量有时可能很大，在疏干和利用方面均不可忽视。 3）构造裂隙水 是指赋存在构造裂隙中的地下水。由于构造裂隙比较复杂，故而构造裂隙水的变化也较大，常分为层状裂隙水和脉状裂隙水两种。 （1）层状裂隙水 埋藏于沉积岩、变质岩的节理及片理中，此种裂隙水可以形成互相连通的含水层，当具有统一的水面时，可视为潜水含水层，若其上部为新的沉积层覆盖时，则可形成层状裂隙承压水。 （2）脉状裂隙水 常存在于断裂破碎带中，呈承压水性质。在地形低洼处，常沿断裂带以泉的形式排泄，其透水性取决于断层性质和所切岩层的透水性，一般压性断裂透水性差，张性断裂透水性强。 当断裂破碎带规模大、透水性强、补给水源充足时，就可能形成涌水量大而稳定的突水带，给煤矿生产安全造成威胁。 3．喀斯特水 喀斯特是发育在可溶性岩石地区的一系列独特的地质作用和现象的总称，又常称为“岩溶”。这种地质作用包括地下水的溶蚀作用和冲蚀作用。产生的地质现象，就是由这两种作用所形成的各种溶隙、溶洞和溶蚀地形。埋藏于溶洞溶隙中的重力水，称为喀斯特水，或称岩溶水，有时也称溶洞水。 喀斯特发育必须具备的条件是有透水的可溶性岩层（灰岩、石膏、盐岩及白云岩）存在，运动于可溶性岩层中的水具有侵蚀性，且水不停地流动。岩石的溶解度越大，透水性越好，水的侵蚀性越大，水的交替越强烈，则喀斯特也越发育。 在喀斯特化岩石中的地下水，可以是潜水，也可以是承压水。一般在裸露的石灰岩分布区的喀斯特水，主要是潜水；当喀斯特化岩层为其它岩层所覆盖时，喀斯特潜水可转变成为喀斯特承压水。 喀斯特的发育特点决定了喀斯特水的特征。其主要特点是水量大，运动快，在垂直和水平方向上都具有分布不均匀的特征，喀斯特溶洞溶隙较其它岩石中孔隙、裂隙要大得多，降水易渗入，几乎全部渗入地下；喀斯特溶洞不但迅速接受降水渗入，而且喀斯特水在溶洞或暗河中流动很快，年水位差有时可达数十米；喀斯特水埋藏很深，在高峻的喀斯特山区常缺少地下水露头，甚至地表也没有水，造成缺水现象，大量喀斯特水都以地下径流的形式流向低处，在谷地或与非喀斯特化岩层接触处，以成群的泉水出露地表。 喀斯特水的水量大、水质好，可作大型供水水源，但喀斯特水对煤矿生产安全构成严重威胁，尤其喀斯特化岩层厚度巨大时，如华北的奥陶纪灰岩水、华南的长兴组及茅口组灰岩水多是造成矿井重大水患的水源。 五、泉 泉是地下水的天然露头，是地下水的一种重要排泄方式。在山区和丘陵的沟谷中及山坡脚的含水层出露最低处，泉的分布最为普遍，而在平原区则很难找到。按泉的形成方式可分为下降泉和上升泉。 （一）下降泉 由潜水含水层形成的泉称下降泉。根据下降泉水出露的原因又分为侵蚀下降泉、接触下降泉、溢流下降泉。 1．侵蚀下降泉 当河谷、冲沟切割到潜水含水层时，潜水即出露成泉。因为这种泉的出露与侵蚀作用有关，故称其为侵蚀下降泉（图78a、b）。 2．接触下降泉 当地形被切割到含水层下面的隔水层，潜水被迫从两者的接触处涌出地表时，称为接触下降泉（图78c）。 3．溢流下降泉 当岩石透水性变弱或当隔水底板隆起时，潜水因流动受阻而涌溢于地表时，称为溢流下降泉（图78d、e、f），洪积扇溢出带的泉便属此类。 （二）上升泉 由承压水含水层形成的泉称为上升泉。根据上升泉出露的原因又分为侵蚀上升泉和断裂上升泉。 1．侵蚀上升泉 当河流、冲沟切穿承压含水层的隔水顶板（含水层出露于地表）时，承压水便会喷涌成泉，这种泉称为侵蚀上升泉（图78g、h）。 2．断裂上升泉 当导水断层或张性裂隙通过承压含水层时，地下水便沿断层或裂隙上升，在地面标高低于承压水测压水位处便会出现泉，这种泉称为断裂上升泉（图78i）。 温泉一般为上升泉。温泉的热源不外乎两个方面地热增温或岩浆活动。 由于在增温带中愈往深处温度越高，因此，当承压含水层埋藏很深，并有很深的断裂时，地下水向深部循环、受到地热增温的影响，然后沿断裂带上升到地表，就可形成温泉。我国许多温泉多属此类，如重庆的北温泉、南温泉等。 另一类温泉与岩浆活动有关。当岩浆喷出地表就形成火山爆发，没有喷出的，则在地下逐渐冷凝成各种各样的侵入岩。地表面的水源不断的渗到地下，在地下深处受到岩浆热的烘烤，以热水或蒸汽的形式喷出地表（图7-9）。这种泉水一般温度较高，有时还形成间歇喷泉。我国西藏地区就有不少这类喷泉、间歇喷泉、沸泉等。世界上凡是火山特别多的国家，如冰岛、意大利和日本，这种温泉也就多。 第二节 矿井充水条件 在矿井建设和生产过程中，各种类型水源进人采掘空间的过程称为矿井充水；进入到工作面及井巷内的水，称为矿井水。矿井充水的形式有渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入等等，当涌入或溃入井巷的水量大，来势猛时，称为突水。 虽然影响矿井充水的因索很多，但形成矿井充水的主要因素，也就是通常所说的矿井充水条件，主要是指矿井水的来源和其渗透通道。在生产过程中，正确判断矿井水的来源及其充水通道，对于计算涌水量、预测矿井突水的可能性及制定矿井防治水措施等都具有重要意义。 一、矿井水的来源 矿井充水的水源有四种，即矿体及围岩空隙中的地下水、地表水、老窑积水和大气降水，前三种可称为矿井充水的直接水源，而大气降水往往是间接水源或者是控制因素，即矿井水可归结为一个总根源大气降水。当然，大气降水渗入有时也可以成为直接水源。 （一）矿体及围岩空隙中的地下水 有些矿床矿体本身存在有较大的空隙，其内充满了地下水，这些水在矿体开采时，会直接流人坑道，成为矿坑充水水源。有些矿床本身并不含水，但邻近的围岩往往具有大小不等、性质不同的空隙，其中常含有地下水，当有通道与采掘空间连通时，也会成为井下充水的水源。根据含水岩石空隙的性质，这些地下水可以是孔隙水，裂隙水或喀斯特水。 1．孔隙水水源 孔隙水存在于松散岩层的孔隙中，当开采松散沉积层中的矿产或开采接近松散沉积层的矿体时，常遇到这种水源。如我国开滦煤矿部分矿井，因受冲积层水的补给，曾发生过水、矽突入矿井的事故。 2．裂隙水水源 往往是在采掘工作面揭露含裂隙水的围岩时，这种地下水涌入工作面，造成矿坑充水。裂隙水水源的一般特点是水量较小，但水压较大。当裂隙水与其它水源无水力联系时，在多数情况下，涌水量会逐渐减少，甚至干涸。如果裂隙水和其它水源有联系时，涌水量便会增加，甚至造成突水事故。 3．喀斯特水水源 这种水源在我国华北和华南的许多矿区较为常见。如华北石炭二叠纪地层厚度达数百米，假整合于喀斯特比较发育的奥陶系石灰岩强含水层之上。小少矿区发生的重大突水事故，其直接或间接水源绝大多数皆为石灰岩含水层中的喀斯特水。喀斯特水源突水的一般特点是水压高、水量大、来势猛、涌水量稳定，不易疏干，危害性大。其突水规律受喀斯特发育程度及规律的控制。 总之，地下水往往是矿井充水最直接、最常见的主要水源，而水量的大小及其变化。则取决于围岩的富水性和补给条件。地下水流入矿井通常包括静储量与动储量两部分。开采初期或水源补给不充沛的情况下、往往是以静储量为主，随着生产的发展及长期排水和采掘范围不断扩大，静储量逐渐被消耗，动储量的比例就相对增大。 （二）地表水源 地表水体包括江河、湖海、池沼、水库等。当开采位于这些地表水体影响范围内的煤层或其它矿体时，在适当条件下，这些水便会涌入坑道成为矿坑充水水源。 地表水能否进入井下，由一系列的自然因素和人为因素决定，主要取决于巷道距水体的远近、水体与巷道之间的地层及构造条件和所采用的开采方法。一般来说，矿体距地表水体愈近影响愈大，充水愈严重，矿井涌水量也愈大。若矿坑充水水源为常年存在的地表水时，则水体越大，矿坑涌水量越大，且稳定，淹井时不易恢复；而季节性地表水体为充水水源时，对矿坑涌水员的影响程度则随季节性变化。另外，地表水体所处地层的透水性强弱，直接控制矿坑涌水量的大小，地层透水性好，则矿坑涌水量大；反之则小。当有断层带沟通时，则易发生灾害件的突水。同样，不适当的开采方法，也会造成人为的裂隙。从而增加沟通地表水渗入井下的通道，使矿坑涌水量增加。 由于地表水对采矿的威胁很大，所以在勘探和开采过程户，必须查清地表水体的大小、距离巷道和采场的远近（垂直、水平），以及洪水位淹没的范围等，事先采取有效的措施，以避免地表水的危害。 （三）大气降水的渗入 大气降水的渗入是很多矿井充水的经常补给水源之一，特别是开采地形低洼且埋藏较浅的煤层时，大气降水往往是矿井充水的主要来源；当开采高于河谷处地表（特别是分水岭）下的煤层时，大气降水往往是唯一的水源。大气降水渗入量的大小，与各地区的气候、地形、岩石性质、地质构造等因素有关。当大气降水成为矿井充水水源时，有以下规律 1．矿井充水的程度与地区降水量的大小、降水性质和强度及延续时间有关系。降水量大和长时间降水对渗入有利，因此矿井涌水量也大。如湖南渣渡矿区利民矿井，雨季井下涌水量为枯水季节的68倍。一般来说，我国南方矿区受降水的影响要大于北方的矿区。 2．矿井水量变化随气候具有明显的季节性，但涌水量出现高峰的时间往往滞后，浅部约12天，随深度的增加滞后时间更长。 3．大气降水渗入量随开采深度的增加而减少，即在同一矿并不同的开采深度，降水对矿井涌水量的影响程度具有很大差别。 （四）老窑及采空区积水 古代和近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而使地下水聚集。当采掘工作面接近它们时，其内积水便会成为矿井充水的水源。这种水源涌水的特点是水中含有大量的硫酸根离子，pH值在3左右，有的甚至仅为1，具有强烈腐蚀性，对井下设备破坏性很大；这种水成为突水水源时，来势猛，易造成严重事故；当与其它水源无联系时，易于硫干，若与其它水源有联系时。则可造成量大而稳定的涌水，危害性极大。 上述几种水源是矿井水的主要来源，而在某一具体涌水事例中，常常是由某种水源起主导作用，但也可能是多种水源的混合。 二、矿井充水通道的分析 水源的存在、只是可能构成矿井充水的一个方面，而矿井充水与否，还取决于另一个重要条件，即充水通道（包括通道的类型及具体位置）。根据矿井充水的通道类型，可把通道分为孔隙、裂隙、溶隙及人工通道等四种。 （一）岩层的孔隙 这种通道通常存在于疏松未胶结成岩的岩石中，其透水性能取决于孔隙的大小和连通情况。岩石的孔隙大、连通程度好，当巷道穿过时，其涌水量就大；否则涌水量就小。 单纯的孔隙水，只有在煤层围岩是大颗粒的松散岩层并有固定的水源补给，或围岩本身是饱水的流砂层时，才能造成突水或发生流砂冲溃事故。 （二）岩层的裂隙 岩层的风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙等都能构成矿井充水的通路。其中，风化裂隙及成岩裂隙所含水量一般不大，而对矿井最具有威胁的是构造裂隙（断裂），它包括各种节理、断层和巨大断裂破碎带等，是矿井充水和矿井透水的主要通道。 构造裂隙对矿井充水的影响，一方面表现在其本身的富水性；另一方面又往往是各种水源进入采、掘工作面的天然途径。所以，当采掘工作面和它们相遇或接近时，与它有关的水源则会通过它们涌入井下造成突水。 节理，尤其是张节理是矿井充水的有利通道。在一般情况下，脆性岩石较柔性岩石的节理更为发育，且大多为张节理，其裂隙宽度较大；柔性岩石中的裂隙大多是细小闭合的，其透水性较差，但当多组裂隙互相沟通时，也可形成矿井充水的良好通道。 断层是构造裂隙中最易造成灾害性事故的进水通道。根据断裂带的水文地质特征，可分为隔水断层和透水断层两类。隔水断层主要是压应力及部分扭应力形成的扭性断裂，后经充填胶结而成。由于致密，不仅断裂带本身不含水，而且还可切断某些含水层，使含水层在断层两侧具有不同的水文地质特征。一般来说，这类断层在保持其隔水性能的条件下，对分区疏干可起有利的作用。透水断层，多数是张扭性断层，少数是压扭性断层。当它们与其它水源有联系造成矿井突水时，其水量大且稳定，不易恢复，当它们与其它水源无联系时，其内水储量有限。透水断层突水时，开始水量大，以后逐渐减少，甚至干涸。 （三）岩层的溶隙 岩层的溶隙是指可溶性的碳酸盐类岩石被溶蚀而形成的空隙。它可以从细小的溶孔直到巨大的溶洞，彼此可以连通，也可以形成单独的管道或似格架状喀斯特体，其中可赋存大量的水或勾通其它水源，当巷道接近或揭露它们时，易造成灾害性的冲溃。 可溶性岩石在我国分布广泛，因而使喀斯特溶隙成为矿井充水的主要通道。在喀斯特发育地区分析矿井充水通道时，应首先研究喀斯特的发育规律。 1．喀斯特主要分布在质纯的可溶性岩石地段 可溶性岩石的性质是溶隙发育的内在因素。一般情况下，质纯的厚层灰岩中，喀斯特发育强烈；含杂质多的薄层可溶性岩层，则相对减弱。 2．溶隙溶洞主要分布在构造裂隙发育的部位 溶隙溶洞是在可溶性岩石原有的裂隙基础上发育起来的，因此可溶岩中各类裂隙发育的部位就是溶隙溶洞发育部位在断裂集中或交叉地段，溶隙溶洞发育；褶皱剧烈弯曲部位，如背斜轴部裂隙发育，溶洞也发育；较大的向斜轴部存在有较大断裂时。喀斯特较发育，在褶皱轴线弯曲部位及倾没部位，由于张性断裂发育，喀斯特也较发育；可溶性岩石与非可溶性岩石接触部位，当受到构造应力作用时，出于岩石性质的差异，易于产生层间滑动和裂隙，促使地下水在此部位运动，又因水的溶蚀作用使可溶岩的溶洞极为发育。 3．水循环交替及地壳运动引起喀斯特通道复杂化 当具有溶解性的水与可溶岩接触时，由于水的循环交替，使溶蚀作用不断进行，因此水循环的快慢，对喀斯特的发育有很大的影响。喀斯特地区喀斯特水的运动和溶隙溶洞的发育、分布具有规律性。 （1）垂直循环带 指岩溶地区潜水面以上的岩体部分。由于地表水在垂直方向上沿可溶性岩石裂隙下渗补给潜水，形成垂直发育是互不相通的溶洞，这就是直立喀斯特多分布在含水层的浅部及顶部并随深度增加而逐渐减弱的原因。 （2）季节变动带 指喀斯特潜水随季节变化而升降的范围。在此范围内，枯水季节地下水以垂直运动为主，洪水期以水平运动力主，所以，此带内垂直、水平溶洞都有。 （3）水平循环带 指喀斯特潜水最低水位以下到当地侵蚀基准面以上的范围，此带内饱和的喀斯特水主要以水平方向无压地排向河流，因此本带内主要是水平溶洞，暗河较发育。 （4）深部循环带 位于当地侵蚀基准面以下。由于地下水受地厌构造的影响而流向更低的河谷，为区域性的排水循环，该带内的地下水运动迟缓，喀斯特不发育，仅有溶孔存在，越往深处溶孔逐渐减少。 溶隙溶洞的发育，除受上述各种规律控制外，还受地壳运动的控制。当地壳上升时，河流下切，即侵蚀基准面下降，把早期形成的溶洞拾高，变成干涸的溶洞。地下水为适应新的侵蚀基准面，其交替循环又会形成新的溶洞带，而使喀斯特地区具有成层发育溶隙溶洞的特征，即溶洞的多层性。如湖南湘中地区的壶天灰岩中，就可见到23层溶洞。当这些溶洞又因地壳下降处于地下深部时，则成为隐伏的喀斯特，这些隐伏喀斯特便是矿井充水的复杂通道，给矿井开采带来极大威胁。如湖南煤炭坝矿区煤层底板为茅口灰岩，其喀斯特承压水为该矿涌水的主要来源，其中一矿井在22 水平仅开拓了1080m长的巷道，就遇突水点210余个，总涌水量最大达3216.7m3/h；另一矿井在130 水平大巷中遇一突水点，其涌水量达9420m3/h，造成淹井。 （四）人工通道 1.勘探钻孔造成的充水通道 按规定，勘探时施工的各种钻孔，在工作结束后都要按要求进行封闭，如果封孔质量未达到标准要求，钻孔就成了矿层与其顶底板含水层或地表水之间的通道。在开采过程中，遇到或接近它们时，就会引起涌水或造成淹井事故。如东风煤矿因部分勘探钻孔封孔质量不好，将煤层底板强含水层奥陶灰岩的水引入矿坑，使井下涌水量骤然增加，虽然采取了超前钻孔放水，开凿疏水巷道等措施，但全矿总涌水量仍达855 m3/h，井下排水5a多，水仍疏不干，直到对个别钻孔启封处理后，井下涌水量才明显减小，当前后启封处理18个封扎质量不好的勘探钻扎后，全矿总涌水量减少了84左右。 2．采矿活动造成的断裂 根据对岩层移动规律的研究，当煤层开采后，采空区上方的岩层即发生移动，形成三个不同的破坏带（图710）。 第Ⅰ带岩层垮落带 煤层采出后，顶板岩石的平衡状态遭到破坏而垮落，形成崩落带。其垮落高度取决于顶板岩石的碎胀系数及煤层倾角和采厚。在缓倾斜煤层条件下，垮落高度可用下式计算 （7－1） 式中 h垮落带的高度 （采空区底界面起算），m； k顶板岩石的碎胀系数，其大小取决于岩性，一般采用1.3； m煤层采厚，m； α煤层倾角。 第Ⅱ带断裂带位于第Ⅰ带的上方。由于顶板垮落，岩层下沉而产生许多张性裂隙，断裂带的高度为垮落带高度的23倍。 第Ⅲ带整体沉降弯曲带位于第Ⅱ带的上方，此带特点是岩层缓慢沉降弯曲，但一般不产生裂隙，即使有也是封闭、互相不连通的，通常起隔水作用。 若地表水体或含水层处于第Ⅰ带或第Ⅱ带内，将对矿井构成严重威胁。 此外，由于矿山压力或地下的静压力，或两者联合作用等的结果，也可促使坑道底板形成裂隙，这种裂隙可沟通底板下部含水层、含水断层带及溶洞水，使矿井涌水量增加或造成突水事故。 三、影响矿井涌水大小的因素 矿井充水的水源及充水通道都是控制和影响矿井充水水量大小的因素。此外尚有其它一些因素影响矿井涌水量的大小。 （一）覆盖层的透水性及煤层围岩的出露条件 地表水和大气降水能否渗入地下，以及渗入地下数量的多少，与煤层上覆岩层的透水性能及围岩的出露条件有着直接关系。覆盖岩层的透水性能好，补给水量和井下涌水量就大。生产实践证明矿区内若分布有一定厚度（大于5m）且稳定的弱透水或隔水的岩层，就可有效地阻挡水的下渗，如果煤层围岩是透水的，其在地表出露的面积愈大，则接受降水和地表水下渗量就愈大，矿井涌水量也就愈大。在地形平缓的情况下、厚度大的缓倾斜透水层最易得到补给，因此流入井巷的水主要为动储量，其涌水将长期稳定在某个数值上，且不易防治；若缺乏补给水源或煤层上覆岩层透水性能弱，则流入井巷的水主要为静储量，这时的涌水特征是水量由大到小，较易防治。 （二）地形条件的影响 地形直接控制了含水层的出露部位和出露程度，控制着地表水和大气降水的汇集。当矿井的开采深度高于当地侵蚀基准面时、其涌水量通常较小，且易于排除；若矿井开采深度低于当地侵蚀基准面时，一般水文地质条件比较复杂，其涌水量也较大。 （三）地质构造的影响 在煤层分布范围内，地质构造直接影响着矿井涌水量的大小。 1．断裂面的力学性质对矿井涌水量的影响 （1）压性断裂面 断裂面紧密，透水性较差，相对起隔水作用，所以压性断 裂面通常对矿井涌水量影响较小。 （2）张性断裂面 张裂程度大，充填物内孔隙多而大且断裂面两侧常伴生有次一级断裂面，所以为地下水的运移、赋存创造了良好的条件，因此张性断裂面对矿井涌水量的影响较大。 （3）扭性断裂面 扭性断裂面延展较远，发育深度大，低序次断裂亦较发育，因此扭裂面及其两侧常具良好的导水性，对矿井涌水量影响较大。 2．不同构造部位对矿井充水的影响 （1）对一条断层而言，其尖灭点及其附近不是以位移消失应力，而是以破裂、变形来消失应力，故在断层端点部位及其两侧的岩层裂隙特别发育，是突水较多的部位。 （2）主干断裂与分文断裂的交叉点应力比较集中，各种断裂面均很发育，岩石破裂，充填和胶结程度较差，尤其石灰岩中，喀斯特特别发育。故在断层交叉处附近，其透水性强、导水性能好。 （3）断层密度大的地段，不仅应力集中，且多次受应力作用，因而使岩石破碎，裂隙发育，给地下水的赋存和运移创造了良好条件。如焦作矿区的一些矿井，其突水次数与断层密度成正比关系（表74）。 表7-4 断层密度与突水次数关系表 矿井名称 演马 王封 米村 焦西 韩王 李封 断层密度（条／km2） 0.34 0.38 1.5 3.0 3.1 3.3 突水次数 1 2 4 6 6 9 （4）在断层两断盘相对运动过程中，由于受边界条件和重力的作用，一般上盘低序次断裂及裂隙相应较下盘发育，故在断层上盘易发生突水。如焦作矿区有些矿井的突水点绝大部分是发生在断裂面上盘部位（图711）。 1
展开阅读全文
