地下水的基本知识.ppt

矿山地质学,宁超资源环境学院,第七章矿井水文地质,第一节地下水的基本知识第二节矿井充水条件第三节矿井水文地质的观测与预测第四节矿井水的防治,一、自然界中水的循环自然界中水的组成海水（咸水），淡水（冰川、河湖和地下水）。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。,第一节地下水的基本知识,水的循环示意图,第一节地下水的基本知识,水的循环示意图,第一节地下水的基本知识,,,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、地下水地下水是指埋藏在地表以下，储存在岩石空隙中的水。他主要以气态水、吸着水、薄膜水、毛细水和重力水几种形式存在于岩石中。对煤矿生产安全造成影响的是重力水。,第一节地下水的基本知识,三、含水层与隔水层1.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的水，称含水层（带）。连通的空隙、隔水地质条件和补给水源。2.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，从而构成含水地质结构，因为有不透水的隔水界面，含水层才能赋存地下水。,第一节地下水的基本知识,四、地下水的分类（一）按地下水的埋藏条件分类1.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，储量小。,第一节地下水的基本知识,2.潜水是位于第一个稳定隔水层以上，且具有自由水面的重力水。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。,第一节地下水的基本知识,潜水的特征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；B）潜水面不承受静水压力；C）在重力作用下，由高向底流动，称潜水流；D）潜水的埋深因地而异，与水位、水量变化有关。,第一节地下水的基本知识,2.潜水面的形状,潜水在重力作用下发生流动，其结果使潜水面具有一定的坡度，形成了不同形状的潜水面。潜水面的坡度变化很大，一般情况下与地形变化一致。但潜水面的坡度一般总小于地面坡度。如果潜水面是倾斜的，潜水就发生流动，称为潜水流（图13-4a）；当潜水面呈水平时，潜水处于静止状态，称为潜水湖（图13-4b）。潜水面的形状可用潜水等水位线图来表示。潜水等水位线图，是根据潜水面上各点标高编制而成的等值线图。由于潜水面是随时间变化的，所以在编制等水位线图时，必须利用同一时间测量的水位资料。在一个地区，最好能分别编制潜水高水位时期和低水位时期两张等水位线图。根据等水位线图可解决下列问题,（1）确定潜水流向地下水流向为垂直等水位线的方向，由高水位流向低水位（图13-5）。（2）确定潜水的水力坡度即潜水面的平均水力坡度。它是沿水流方向某线段上潜水为的高差与该段水平距离的比值。如图13-5中，AB线段内潜水面的平均水力坡度I为I104-100/11000.0036必须指出，AB之间的水流所流经的长度，并不等于AB的水平距离，而是AB的斜距。只有AB的水平距离和斜距夹角无限小时，其水平距离和斜距才能趋于相等。自然界潜水面的坡度通常很小，一般可忽略误差，故常利用水流的流距来求水力坡度；如果在坡度陡峻的山区，其误差不可忽略。,（3）确定潜水与地表水间的关系在河流附近编制水位线图时，可根据河水和潜水流向确定其补给关系。（4）确定潜水埋藏深度将地形等高线和等水位线绘于同一张图纸上，等水位线与地形等高线相交的点，两者高度之差即为该点潜水的埋藏深度。（5）确定引水和排水工程如水井应布置在地下水流汇聚的地方；排水沟（截水沟）应布置在垂直水流的方向上。,第一节地下水的基本知识,3.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。,第一节地下水的基本知识,承压水的特征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,第一节地下水的基本知识,第一节地下水的基本知识,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。,第一节地下水的基本知识,（二）按含水层空隙性质分类1.孔隙水是指存在于疏松岩层的孔隙中的水。2.裂隙水是赋存和运动于基岩裂隙中的地下水。3.岩溶水是储存和运动于可溶蚀裂隙和溶洞中的地下水。,第一节地下水的基本知识,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1.地下水的运动条件,第一节地下水的基本知识,水力坡度沿水流方向上单位距离内的水位差。I水力坡度；H1过水断面1处水位标高；H2过水断面2处水位标高；L两断面间的距离。,第一节地下水的基本知识,2.地下水的运动状态3.地下水的运动规律反映层流运动的基本定律叫达尔西定律其中Q渗透流量（m3/s）；K渗透系数（m/s）；ΔH水位差（m）；L岩样长度（m）；ω过水断面积。,第一节地下水的基本知识,一、地下水的来源1.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。,第二节矿井充水条件,2.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；,第二节矿井充水条件,3.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。4.老窑水是早期或近期的采空区及废弃巷道，长期停止排水而积存的地下水。老窑水的特点1）像地下水库，且浅部分布较多。2）分布无规则，准确位置不易确定。3）酸性大，多为强酸性水。,第二节矿井充水条件,第二节矿井充水条件,5.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，这些常使矿井水文地质条件复杂化。,第二节矿井充水条件,二、矿井涌水通道1.岩石的孔隙这种通道往往存在于未成岩的松散沉积物中，其透水性能取决于孔隙的大小和形态，孔隙大涌水量就大。2.岩石的裂隙风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙均能构成矿井涌水通道，其中构造裂隙是矿井涌水和矿井突水的主要通道。构造裂隙包括节理、断层和巨大的断裂破碎带。3.岩石的溶隙岩石的溶隙是可溶性岩层被溶蚀而形成。,第二节矿井充水条件,岩溶区岩溶水的运动和岩溶溶洞的发育、分布，具有垂直分带性1）包气带I位于最高地下水位以上。2）水位季节变动带Ⅱ位于高水位和低水位之间3）饱水带Ⅲ处于地下水面以下。4）深部循环带Ⅳ位于当地侵蚀基准面以下。4.人工通道1）钻孔造成的涌水通道。2）采矿活动造成的断裂。,第二节矿井充水条件,第二节矿井充水条件,三、影响涌水量大小的因素影响矿井涌水量大小的因素有充水来源、充水通道、覆盖层岩性、围岩岩性、地形条件等。1.覆盖层及围岩岩性有一定厚度5m且稳定的弱透水或隔水层可有效阻挡水的渗入。2.地形条件取决于开采深度与当地侵蚀基准面的关系。3.地质构造地质构造是影响矿井涌水量大小的重要因素。,第二节矿井充水条件,1）断裂面（1）压性断裂面；（2）张性断裂面；（3）扭性断裂面。2）构造部位（1）断层产生的裂隙发育地段，对矿井涌水量影响大。（2）断层交叉点容易突水。（3）断层密度大的地段，岩石破碎、裂隙发育、易突水。（4）有些矿井断层上盘次一级的断裂较发育，突水性强。,第二节矿井充水条件,第二节矿井充水条件,二、矿井水文地质观测1.巷道充水性观测充水性反映矿井水文地质条件的复杂情况1）含水层观测厚度、岩性、裂隙和岩溶情况、标高、含水量、水压2）岩层裂隙发育调查及观测3）断裂构造观测4）出水点观测出水量、原因、水源5）出水征兆观测潮湿、淋水、顶底板变形、膨胀,第三节矿井水文地质的观测与预测,2.矿井涌水量观测1）矿井涌水量单位时间内涌入矿井的水量（m3/h）。2）观测方法（1）容积法将巷道顶板或涌水钻孔的水流直接引入量水桶中，然后计算涌水量，公式QV/tV量水桶体积；t流满量水桶的时间。,第三节矿井水文地质的观测与预测,（2）浮标法用于巷道排水沟测量的一种方法。Q0.85FV式中0.85阻力系数；F过水断面面积m2；V流速m/s，VL/t；L浮标移动距离m；t所用时间s。,第三节矿井水文地质的观测与预测,（3）堰测法使排水沟的水通过固定形状的堰口，通过测量堰口的水头高度计算流量。a.三角堰式中Q流量；h堰口水头高度。,第三节矿井水文地质的观测与预测,b.梯形堰式中Q流量；B堰口宽度；h堰口水头高度。,第三节矿井水文地质的观测与预测,c.矩形堰有缩流（堰口窄于水沟）时无缩流（堰口等于水沟宽度）时使用堰口法时，堰口的上下游一定要形成水头差。,第三节矿井水文地质的观测与预测,（4）流速仪法使用流速仪测定矿井涌水量。（5）水仓水位观测法（6）水泵有效功率法,第三节矿井水文地质的观测与预测,（二）井筒涌水量的计算,1．潜水完整井涌水量计算潜水完整井是指井筒揭露了整个潜水含水层，并一直打到含水层隔水底板（图10-33）。其涌水量计算公式为式中Q井筒涌水量，m3/d；K含水层渗透系数，m/d；H静止水位高度（对潜水完整井即潜水含水层厚度），m；h动水位至含水层底面的距离为动水位高度（hH-s）,m；s水位降低值，m；R地下水降落范围，即影响半径，m；r井筒半径，m。,2.自流水完整井涌水量计算自流水完整井是指井筒揭露了整个承压水含水层，并一直打到含水层底板隔水层（图10-34）。其涌水量计算公式为式中M自流水含水层厚度,m。,4.井筒涌水量计算公式中参数R的确定,计算影响半径R的公式有理论公式和经验公式两种理论公式为潜水承压水,,潜水承压水,自流水,经验公式,（四）水平巷道涌水量的预测方法,通常水平巷道在排水初期，统一的降落漏斗未形成之前，可用下列公式计算其用水量。（1）潜水完整水平巷道涌水量计算公式,式中K渗透系数，m/dB巷道长度，m。,双面进水,2.自流水完整水平巷道涌水量计算公式,双面进水,（五）采区或采面涌水量计算,例如，某一采区在承压含水层之下开拓，其平面形状近似正方形（图10-39）。由于在煤层开采过程中，水位降低到隔水顶以下，所以涌水量计算公式为,式中,计算影响半径的经验公式，K单位为m/d；M、H、K可在勘探报告中查找到；h值取零。,一、地表防水1.合理选择井筒位置1）力求避免穿过强含水层或富水带；2）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；3）距离矿井可能突水的危险地段要有足够的安全距离；4）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。,第四节矿井水的防治,2.河流改道若矿区内河流通过并严重影响生产时，可考虑该方法。3.铺设人工河床在河流不能改道时，可在漏水地段利用水泥等材料铺设不透水人工河床，或局部填塞裂隙以制止河水漏失。4.修筑排（截）水沟5.堵漏对地表的裂隙、洞穴以及陷坑等漏水地段，用粘土填堵。,第四节矿井水的防治,第四节矿井水的防治,二、井下防水1.探放水“有疑必探，先探后放”，老窑积水、断层水、强含水层上层采空区积水、防水煤柱附近、明显出水征兆。1）老窑积水的探放（1）调查老窑区分布；（2）探水起点a.积水线调查核定的采空区边界。b.探水线积水线外推60-150m的一条线。其确定依据,第四节矿井水的防治,第四节矿井水的防治,资料的可靠性、积水区水头压力和煤层厚度等条件。c.警戒线探水线平行外推50-100m所圈定的一条线。（3）积水量计算W静老窑积水静储量，m3；M采厚，m；F老窑采空区面积，m2；α煤层倾角；K老窑采空区充水系数，0.3～0.5。,第四节矿井水的防治,（4）探、放水钻孔布置布置原则其布置应以确保不漏古巷道，保证生产安全，而探水工作量又以最小为原则。上山巷道布置成扇形，煤平巷布置成半扇形。几个概念允许掘进距离经探水后证明无水害威胁，可以安全掘进的长度，允许掘进距离的终点处，钻孔间距800mg/g,第四节矿井水的防治,3）防治措施（1）分区排除酸性水条件允许可单独建立排水系统，使酸性水一次排出。（2）分级排除，降低扬程（3）中和酸性水加入生石灰中和。（4）冲淡酸性水加入中性水。（5）采用耐酸的排水设施。3.留设井下防水煤柱1）露头直接为疏松含水层所覆盖或位于地表水体之下。,第四节矿井水的防治,第四节矿井水的防治,2）断层导致煤层与含水层接触，煤层既与含水层接触有被部分富水层覆盖。,第四节矿井水的防治,3）断层导致煤层底板和承压水层接近，且采空后承压水有突破底板的危险。,第四节矿井水的防治,4）煤层与充水断层接触。5）煤层与充水陷落柱接触。6）巷道或工作面接近被淹井巷和积水老窑。,第四节矿井水的防治,,第四节矿井水的防治,4.井下截水建筑物的设置1）防水闸门是预防井下突然涌水威胁矿井安全而设置的一种特殊闸门，它在正常情况下不妨碍运输、通风和排水，一旦发生水害时，将其关闭可控制水流，把水害控制在一定范围内，保证其它采区安全生产。,,第四节矿井水的防治,2）防水墙分为临时性水闸墙和永久性水闸墙。临时性水闸墙是用木料和砖料砌筑；永久性水闸墙为混凝土或采用钢筋混凝土。,,第四节矿井水的防治,5.含水层的疏排1）巷道疏放当煤层直接顶板为含水层时，将采区巷道和采面巷道提前采掘，利用巷道预先疏放顶板含水层。,,第四节矿井水的防治,2）放水钻孔当煤层上部含水层距离煤层较远，可在巷道中向含水层打钻孔放水。3）疏放降压钻孔当煤层下部含水层水压很高，有突水危险时，在计划疏降地段的巷道中向底部含水层打钻放水，使之形成降压漏斗。,,第四节矿井水的防治,4）吸水钻孔将煤层上部含水层中的水通过钻孔放入下部含水层中。使用的条件是（1）煤层下部含水层的水位低于煤层底板或煤层下部岩层干燥无水。（2）煤层下部含水层的吸水能力大于上部含水层的泄水量。,,第四节矿井水的防治,5.注浆堵水将浆液压入地层空隙，使其扩张、凝固硬化后，起到堵、截补给水源或加固地层的作用。1）注浆堵水的应用（1）井筒地面预注浆（2）井筒工作面预注浆（3）井筒井壁注浆（4）恢复被淹矿井,,第四节矿井水的防治,2）注浆材料注浆材料是注浆堵水及加固工程中的一个重要组成部分，它关系到注浆工艺、工期、成本及注浆效果。（1）水玻璃一种胶状无机聚合物，具粘结性和胶结性,它能溶于水，又能硬化。其制造原料是纯石英砂和碳酸钠。（2）水泥400-500普通硅酸盐水泥。3）注浆设备（1）注浆泵；（2）搅拌机；（3）混合器。4）注浆步骤清渣→堵缝埋管→注浆,,思考题,1.老窑积水的特点2.影响矿井涌水量大小的因素有哪些3.矿井涌水量有哪些测量方法4.酸性水的防治措施5.矿区在哪几种情况应留设防水煤柱6.含水层疏干常用方法,