煤矿地质学——矿井水文地质及防治水

煤矿地质学——矿井水文地质及防治水 第七章 矿井水文地质及防治水 自然界中，水的存在形式有大气水、地表水和地下水。存在于大气圈的水，称为大气水， 143储存量约0.13×10m;分布于地表上的海、河湖、冰川中的水称为地表水，其中海洋中水 143143143量为13700×10m，河流中为0.0125×10m，淡水湖水量约1.25×10m，冰雪、冰川水量 143143约292×10m;埋藏于岩石空隙中的水称为地下水，赋存水量为83.5×10m。 煤层周围岩层(围岩)中蕴藏的地下水是复杂的自然系统，它的形成条件、赋存规律、物理性质、化学成分和水动力特征等，都与含水介质(岩石)和环境介质(大气系统、地表水系统和人类工程系统)既统一又互相制约。 第一节 地下水的基本知识 一、地下水的来源 各种起源的水，进入地壳岩石空隙中，并在其中储存、运动和变化，则形成地下水。地下水是地球上水循环的重要组成部分。 (一)地球上的水循环 自然界中的水(大气水、地表水和地下水)在太阳辐射与地心引力的作用下，不断地运动循环，往复交替着。 海洋是地球上水分的主要源地，在自然条件下，地球上水的循环是从海洋蒸发开始，蒸发的水汽进入大气圈，并被气流输送至各地，一部分深入内陆，一部分留在海洋上空，在适当条件下，因凝结而形成降水。落在陆地表面的降水，除固体水分布区以外，一部分沿地形坡度从高处向低处流动，汇入 河流，称为地表径流;另一部分渗入地下变为地下水，在透水层中由水头高处向水头低处运动，称为地下径流。地表径流和地下径流最后都汇入海洋。这种从海洋出发最后又回到海洋，周而复始的水分运动称为水分循环(图7-1)。 图7—1 地球上的水分循环示意图 实际上由于各种因素的影响，大部分水分从海洋蒸发、冷凝变成降水再回落到海洋，或者是从陆地地表水体、土壤、植被蒸发进入大气，然后再变成降水落到陆地。这种从海洋?大气?陆地?海洋的循环称为大循环;从海洋?大气?海洋或者从陆地?大气?陆地的循环称为小循环。 (二)地下水的起源 关于地下水的起源有多种学说，如渗入说(渗入水)、凝结说(凝结水)、初生说(初生水)、 1 埋藏说(埋藏水)和脱出说(脱出水)等。通常认为，煤矿床地下水的起源主要是渗入水;分布于沙漠、石漠和山区的矿井水，部分是凝结形成的地下水。 1(渗入水 地表水和降雨融雪渗入地下形成地下水，是普遍接受的观点。十六世纪前、后，我国明代学者徐光启提出:“井与江河地脉贯通，其水浅深，尺度必等，凿井应深几何,宜度天时旱涝”，他明确的提出了地下水与地表水、大气降水之间的密切关系。这一观点与后来罗马建筑学家鲍利提出的地下水和泉皆是降雨融雪渗入地下形成的观点，一起构成了地下水起源的渗入说。这一学说，在第26届国际地质大会上得到了进一步的发展，提出了“地下水和地表水是统一体”的观点。 2(凝结水 十八世纪，德国水力学家福利盖尔认为含水汽的空气进入地下以后与较冷的岩石颗粒接触，即凝结于表面而成凝结水，由凝结水不断地积聚而形成地下水。后来，俄国农学家列别捷夫发展了这一学说。他认为水汽本身可由水汽压力大的地方向水汽压力小的地方运动。当水汽压力相等时，水汽又可以由温度高地方向温度低的地方运动。在运动过程中，水汽遇到冷的岩石颗粒表面时，便形成地下水。 二、水在岩石中的存在形式 按物理性质和分布状态的不同，可将存在于岩石空隙(孔隙、 裂隙、岩溶等)中的水分为气态水、液态水(吸着水、薄膜水、毛 细水和重力水)和固态水等形式(图7—2)。 (一)气态水 气态水和空气一起分布于岩石的空隙中，其活动性很大(尤 其是靠近地表的部分)，但不能被植物吸收。即使在空气不移动 的情况下，气态水本身也可以从绝对湿度大的地方向绝对湿度 小的地方迁移，从而造成水在岩石中的重新分配。例如在夏季， 白天气温高于表层岩石的温度，于是水蒸汽将由大气向地表以 下的岩石中运动和积聚，当岩石中的水蒸汽达到饱和状态时， 就会凝结而形成凝结水。 图7—2 岩石中水的存在形式示意(二)液态水 图 液态水包括结合水、薄膜水、毛细水和重力水。其中 a — 具有少量结合水的土粒; 结合水有强、弱结合水之分。 b—具有强结合水的土粒; 1(强结合水 (也称吸着水) c、d—带有弱结合水的岩石粒;e岩石的颗粒表面带有电荷，水分子是偶极体。在静电引力或分子引力的作用下，岩石颗—带有重力水的岩石微粒; 粒表面往往可以吸附水的分子，并形成一层极薄的水层，这一部分水称为强结合水。岩石颗1—岩石颗粒;2—气态的水分子 9粒表面和强结合水之间的结合力往往可达1.01325×10Pa压力。因此，强结合水具有一系列不同于一般液态水的特征:即它不受重力影响;密度大于1;在-78?以下不冻结，且不溶解盐类;无导电性。这部分水无法被利用，也不能被植物根部吸收，只有当把它加热到105~110?，使其变为气态水时，才可以改变它的某些特征。 2(弱结合水 (也称薄膜水) 在强结合水的外围继续吸附水分子，并形成一定厚度的水膜，称为弱结合水。其水膜厚度可达几百个水分子直径，但它仍然受分子引力的控制，故不受重力影响。由于岩石颗粒表面对水分子的静电引力或分子引力是向外逐渐减弱的，随着水膜的加厚，分子引力的作用向外层逐渐减弱。因而，弱结合水的密度与普通水一样，只是粘滞性较大，溶解盐类的能力较低。它一般无法利用，但最外层的水分子可被植物根部所吸收。 2 强、弱结合水都是受水分子力的作用而吸附在岩石颗粒表面上的，其含量多少是取决于 3岩石的比表面积。岩石的比表面积，是指1cm岩石中所有颗粒表面积的总和。因此，岩石的颗粒愈小，比表面积就愈大，吸附的水量也愈多;反之，则吸附的水量也愈少。 3(毛细水 含水介质中通常含有毛细空隙(直径小于1mm的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙)，由毛细力支持而充满于毛细空隙中的水，称为毛细水。毛细水不仅受毛细力的作用，同时又受重力的作用。因此，毛细水可以从天然的地下水面起沿毛细空隙上升到某一高度，当毛细力和重力达到平衡时毛细水即停止上升，这一高度称为最大毛细上升高度。岩石的空隙愈小，最大毛细上升高度值愈大。通常，最大毛细上升高度H，与毛细空隙的直径d成反比，即: K 2 2a H,kd (7—1) 式中:a为毛细常数，在数值上等于半径为1mm的管子中水上升高度。 通常在细粒介质中，毛细上升高度大;在粗粒介质中，毛细上升高度小(表7-1)。此外，最大毛细上升高度还与水的矿化度及温度有关。毛细水可以传递静水压力，亦可以被植物根所吸收。 表7—1 各种疏散岩石的最大毛细上升高度 岩 石 名 称 最大毛细上升高度(cm) 粗粒砂(d=1,2mm) 2,4 中粒砂(d=0.5,1.0mm) 12,35 细粒砂(d=0.25,0.5mm) 35,120 亚砂土 120,250 亚粘土 300,350 粘土 500,600 4(重力水 弱结合水的水膜厚度增大至分子引力所不能控制时，在重力作用下，部分弱结合水将脱离岩石颗粒的控制，在岩石空隙中自由运动的这部分水称为重力水。平常从泉眼、水井、钻孔及矿井巷道中流出的地下水，都是重力水，它们不仅可以自由运动，也可以传递静水压力。重力水是煤田水文地质学研究的主要对象。 (三)固态水 岩石中的水在温度低于0?时，则变成固态水。有些地方(如我国东北及青藏高原等地高寒地区)冬季土壤冻结，这是由于其中的液态水变成固态水的缘故。 上述各种形式的水，在地壳表层分布有一定的规律性。 例如，在疏松岩石层中打井时，一开始似乎土石很干燥， 其实在这些土的空隙中和粒表面上已有气态水、强结合水 存在;继续向下挖时，土色变暗、潮湿度会增大，这是毛 细水出现的标志;再继续向下挖，井中会出现流动的液态 水，并逐渐汇集成一个稳定的地下水面，这些水即为重力 水。由此可见，在地下水面以上岩石的空隙中是没有重力 水的，只有气态水、结合水(强、弱)和毛细水的分布，这 3 图7—3 地下水分布示意 一范围称为包气带，即为岩石空隙未被水充满的地带。 在地下水面以下，岩石空间被重力水全部充满的部分， 称为饱和带(图7—3)。 三、地下水的基本类型及特征 自然界中，地下水的形成条件和储水空间是较为复杂 的，反映在水质、水量上的特征都有很大差别。为了深入 地研究地下水的特征和变化规律，有必要从中找出共同的 特征，合理地对地下水进行分类。 (一)地下水的分类 地下水分类的方法很多。按起源不同，可将地下水分为渗入水、凝结水、初生水和埋藏水等;按矿化度的不同，可分为淡水、微咸水、咸水、盐水及卤水。此外，还可按地下水的温度、气体成分、运动性质及其动态特征进行分类。这些分类的优点是简单、明确，便于从某一角度去认识和研究地下水，其缺点是对于矿床开采过程中的防治水工作不太适用。根据煤矿建设和生产的实际需要，对地下水分类是按地下水的埋藏条件和含水岩体空隙性质进行综合分类的(表7—2)。 表7—2 地下水埋藏条件和岩体空隙性质的综合分类 按含水岩体空隙性质 孔 隙 水 裂 隙 水 岩 溶 水 按埋藏条件 (疏松岩石孔隙中的水) (坚硬基岩裂隙中的水) (岩溶化岩石中的水) 包气带中局部隔水层上的水，主坚硬基岩风化壳中季节垂直渗入带中的季节上层滞水 要是季节性存在 性存在的水 性及经常性存在的水 坡积、冲积、洪积、湖积、坚硬基岩风化壳或裸露岩溶化岩层 冰积沉积物中的水;当经常出露中上部层状裂隙中的水 中的水 潜 水 或十分接近地表时，成为沼泽水; 沙漠及滨海砂丘中的水 松散沉积物构成的向斜盆地构造盆地或向斜中构造盆地或向斜 中的水;松散沉积物构成的单斜基岩的层状裂隙水;单斜盆地中岩溶化岩层中承 压 水 和山前平原中的水 岩层中层状裂隙水;构造的水;单斜中岩溶化 断裂带中的深层水 岩层中的水 (二)上层滞水 从赋存条件看，上层滞水是埋藏在包气带中局部隔水层之上的重力水。由于它距地表近，直接受降水补给，补给区与分布区一致。季节性存在，雨季出现，干旱季节消失，其动态与气候、水文因素的变化密切相关。因其分布范围有限，水量少，对矿山的建设和生产几乎没有影响(图7—4)。 (三)潜水 1(潜水的特征 如图7—5，潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。在自然界中, 潜水一般赋存于第四纪松散沉积物的空隙及坚硬岩层的风化裂隙，溶洞内。 潜水的特征受其埋深条件的影响，主要表现在以下几个方面: (1)潜水无隔水顶板，而有一个自由水面(称为潜水面)。潜水面上任意一点均受大气压力作用，因此它不承受静水压力(除局部地段有隔水顶板存在而产生承压现象外)。大气降水和地表水可以通 过包气带直接渗入补给潜水，所以潜水的补给区与分布区经常是一致的。 (2)在图7—5中，潜水面至隔水层之间充满重力水的部分，称为潜水含水层。潜水面至隔水层的距离，称为潜水含水层厚度H。从潜水面向上至地表之间的距离，称为潜水的埋深深度H。 1 4 (3)潜水在重力作用下，由高水位向低水位方向运动。潜水的水量、水位、水质等变化与气象、水文因素的变化密切，因此潜水的动态有明显的季节性特征。 图7—4 上层滞水示意图 A—上层滞水;B—潜水 图7—5 潜水特征示意图 1—透水砂层;2—含水层 H—潜水含水层厚度;H—潜水含水层的埋深 1 2(潜水面的形状及其表示 潜水面是一个自由表面，其形状可以是一个平面，也可以是一个呈缓斜抛物线，其倾斜方向指向潜水流的方向。平面状的潜水面在自然界中是少见的，常见的倾斜或缓倾斜潜水面。潜水面的起伏通常与地形一致，但潜水面的坡度一般小于地形坡度。排泄条件好的，潜水面坡降大;反之则小。潜水面的变化与含水层的透水性(图7—6)和厚度变化有一定的关系。当含水层的透水性由弱增强或厚度由小增大时，潜水面的坡度由陡变缓;反之，则由缓变陡(图7—6a、b、c)。雨季由于降水的渗入，潜水面升高;干旱季节因缺乏补给来源，潜水面则下降。洪水期间由于河流水位猛涨，当河流水位高于潜水位时，即产生河水补给潜水的现象。人工浇灌、排水，对潜水面变化的影响也很明显。 总之，潜水面是一个随时间变化而不断变化的 自由水面。 为了反应潜水面的形状及特征，通常用水 文地质剖面图和等水位线图来表示。水文地质 剖面图是在一般地质剖面图的基础上绘出表 示出水位、含水层和隔水层的岩性、厚度及其 变化等地质和水文地质要素(图7—7)。等水 位线图则是潜水面等高线图，具体编制方法与 地形等高线图相似(图7—8)。由于潜水面随 时间而变化，所以编制潜水等水位线图时，必图7—6 由含水层岩性及厚度变化 须利用同一时期的水位资料。 引起的潜水面变化 a—含水层的透水性与潜水面变化关系剖面; b—含水层的厚度与潜水面变化关系剖面图; c—潜水等水位线图;1—含水砂层;2—含水 砾石层;3—潜水流向;4—等水位线 ( 图7—7 水文地质剖面图 图7—8 5 潜水等水位线图 1—潜水含水层;2—潜水面;3—河水水位 1—潜水等水位线;2—潜水流向(由高水位流向低水位) ,四,承压水 1(承压水的特征 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。显然，凡是具备上述埋藏条件的孔隙水、裂隙水和岩溶水等，都可称为承压水(图7—9)，其基本特征为: 图7—9 承压水盆地示意图 a—承压水补给区;b—承压水承压区;c—承压水排泄区; (1)由于承压水受上、下隔水层限制并充满于含水层之，因而承受静水压力。当所承M—承压含水层厚度;H—正水头;H’—负水头 受的静水压力较大，且地形条件也适合时，即可喷出地表而自流。 (2)由于承压水有隔水的顶板存在，因此大气降水和地表水只能通过承压水的补给区进行补给，造成补给区与分布区不一致。 (3)由于承压水受到隔水层的限制，它与大气圈、地表水圈的联系较弱，因此，气象、水文因素的变化对承压水的影响较小，常表现出较稳定的动态。 2(承压水的形成与地质构造条件的关系 从赋存条件看，承压水的形成主要取决于地质构造。最适合形成承压水的地质构造为向斜构造和单斜构造。前者称为承压水盆地(自流盆地);后者称为承压水斜地(自流斜地)。 (1)承压水盆地 按照水文地质特征，承压水盆地由补给区、承压区和排泄区三个部分组成(图7-9)。在盆地四周位置较高处，含水层出露的范围称为补给区，它直接接受大气降水或地表水的补给，迳流条件好，不承受静水压力，为无压区。承压含水层之上，具有不透水层的地区称为承压区，该区范围内的地下水均承受静水压力。因此，在承压区，当有钻孔或水井揭穿承压水含水层的顶板后，承压水便涌入孔内，并继续上升到一定的高度后稳定下来，此时的水位，称为静止水位或测压水位。从静止水位到隔水顶板底面的垂直距离，称为承压水头。隔水顶、底板之间的垂直距离，称为含水层厚度。承压水头的大小各处不同，取决于含水层各处的隔水顶板底面与静止水位之间的距离。当测压水位高于该点地形高程时，钻孔打穿隔水顶板后，水即涌出地表，这种压力水头称为正水头(H);如果测压水位低于该点地形标高，钻孔内的水不能喷出地表，这种压力水头称为负水头(H)。盆地的低洼处通常是排泄区的分布范围，1 通常在该区范围内，承压水通过泉或其它方式由此排出。承压水有两种排泄有方式:一种是承压水沿隔水顶板被切割的导水断层排泄，该承压水盆地属于开放型自流盆地(图7—10);另一种是在含水层完全封闭的情况下，承压水只能通过上覆弱透水的隔水层或天窗以越流方式进行缓慢排泄，该盆地属于封闭型自流盆地(图7—11)。 6 图7—10 开放型自流盆地 1—泉;2—断层;3—降水渗入区;4—承压水运动方向 在向斜构造的承压水盆地中，往往存在多个承压含 水层，每个含水层又有各自的补给区、承压区和排泄区。 承压水盆地有顺地形与反地形的两种类型。前者， 地形与构造一致(图7—12a);后者，地形与构造不一致 (图7—12b)。不论何种类型，测压水位高的含水层都会 同过越流或钻孔、断裂带补给测压水位低的含水层。 图7—11 封闭型自流盆地 1—承压水越流方向 图7—12 承压水盆地的类型 1—测压水位;?—上层测压水位;?—下层测压水位 (2)承压水斜地 通常有两种类型，一种是断块构造形成的承压水斜地，其含水层的上部出露地表，成为补给区，下部为断层所切(图7—13)。若断层不导水，当补给水量超过含水层所能容纳的水量时，地下水就要通过补给区的较低部位进行排泄，造成补给区与排泄区一致或相邻近的情形;若断层导水，则地下水可以通过断层排泄。另一种是由含水层岩性发生相变或受各种侵入体阻挡而形成的承压水斜地(图7—14)，含水层上部出露地表，下部尖灭或突变，地下水只能通过补给区进行排泄。 图7—13 断块构造形成的承压水斜地 图7—14 岩性变化形成 的承压水斜地 1—地下水流向;2—导水断层;3—泉水 1—地下水流向;2 3(承压水测压水位面的表示 —泉水 反映承压水测压水位面特征的基本图件是等水压线图，也称承压水测压水位等高线图a—补给区;b—承压区;c—排泄区 a—补给区;b—承压(图7—15)，它是根据承压水面上测压水位标高相同点的联线绘制而成。根据等水压线图，区;c—排泄区 7 可以解决以下实际问题: (1)确定承压水的流向、水头梯度。承压水的运动方向垂直等水压线，由高水位向低水位方向运动(图7—15中箭头所示)。等水压线越密，水头梯度越大。 (2)判断含水层岩性和厚度的变化。承压水测压水位面的变化与岩性及含水层厚度变化有关(图7—16)。 图7—15 承压水等水压线图 图7—16 承压含水 层岩性和厚度变化 1—地形等高线;2—含水层顶板等高线; 与测压水位(3)确定测压水位的埋深和承压水头值。将等水压线、地形等高线及隔水顶板等高线面变化的关系 绘于同一张图上，根据它们之间的相对关系，便可确定不同地段的测压水位埋藏深度和承压 3—等水压线;4—承压水流向;5—钻孔 水头的大小。 (4)确定潜水与承压水的水力联系。将等水 压线与潜水等水位线绘在同一张图上，根据它们 之间的相互关系，可以判断潜水与承压水之间是 否有水力联系。如在潜水含水层厚度与透水性变 化不大的地段出现等水位线隆起或凹陷的现象时， 可说明承压水与潜水有可能通过天窗或断裂带产 生水力联系(图7—17)。 图7—17 潜水与承压水相互补给示意图 (五)孔隙水 第四纪和部分第三纪沉积物及坚硬基岩的风化壳，通常较为疏松，赋存于这些疏松岩层孔隙中的地下水，称为孔隙水。因其埋藏条件不同，则有上层滞水、潜水和承压水之分，分别称为孔隙—上层滞水、孔隙—潜水和孔隙—承压水。孔隙水的存在条件和特征，取决于岩层的孔隙情况。由于孔隙水的分布及其形成规律直接与疏松岩层的形成条件有关，因此不同成因的疏松岩层，其中的孔隙水往往具有不同的分布规律和形成特征。这里着重介绍矿区最常见的两种孔隙水。 1(洪积物中的孔隙水 顾名思义，山洪形成的沉积物称为洪积物，多分布于山前平原和山间盆地，呈扇形，故又称洪积扇。显然，其地面的坡度由山前向平原方向逐渐减小，沉积物逐渐变细，顶部主要为砾石和砂，尾部为亚砂土、亚粘土。因此，岩石的透水性由顶部到尾部逐渐减弱，地下水的埋藏深度也逐渐变浅，这种变化规律决定了顶部迳流带(溶滤带)、中部溢流带(弱矿化带)和尾部垂交替带(盐化带)的水文地质分带性(图7—18)。 2(冲积物中的孔隙水 河流冲积作用形成的冲积物，通常由粘土、亚粘土、亚砂土及砂砾组成，岩性无论在水平或垂直方向上均有很大的变化。在河流的不同地段，冲积物的分布不一样，其水文地质特征各有不同。 8 在河流上游以冲刷为主，冲积物一般不发育，河谷深切且常常成为排泄地下水的通道。中游地段，河流两岸发育着阶地，岩性上细下粗，上部为亚粘土、亚砂土;下部为砂砾层，透水性好，富水性强，局部具有承压性质(图7—19)。 图7—18 洪积物中的孔隙水 图7—19 河流中游地段 冲积物中的孔隙水 a—迳流带;b—溢流带;c—垂直交替带; 1—亚砂土; 河流下游以沉积为主，冲积物多形成宽广的平原或三角洲，其岩性在垂直河谷方向上呈2—亚粘土; 有规律的带状分布。距离河谷近处为细砂、粉砂，距离河谷远处，依次为砂土、亚砂土、亚1—砾石;2—粗砂;3—亚砂土;4—亚粘土 3—砾石; 4粘土及粘土。在垂直方向上，不同岩性的沉积物成透镜体互相交错，组成统一的含水层(图—砂 7—20)。地下水面坡度平缓，迳流条件差，埋藏深度浅。 地下水在垂直河谷方向上的变化规律是地下水面坡度自分水岭向河谷变缓，迳流变弱，埋藏深度变浅，蒸发作用加强，水的矿化度增大。 (六)裂隙水 赋存于基岩裂隙中的地下水，称为裂隙水。显然裂隙水受裂隙的成因和发育程度的制约。根据裂隙的成因，可将裂隙水划分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种类型;按含水裂隙的产状，又可分为层状裂隙水和脉状裂隙水;此外，按其埋藏条件，还可分为裂隙潜水和裂隙承压水。 1(风化裂隙水 风化裂隙水是赋存于裸露基岩表层风化带(壳)中的地下水水，大都为潜水。只有在基岩风化带的上部为新的沉积物所覆盖时，才可能出现承压水。风化裂隙水属层状水(图7-21)，一般具有统一的水动力系统和统一的水面。由于风化裂隙的发育随深度的增加而减弱，所以含水层的厚度通常是以下部新鲜基岩为其下限。 图7—20 河流下游冲积物中的孔隙水 图 7—21 风化裂隙中潜水 1—细砂;2—粉砂;3—亚砂土;4—亚粘土;5—粘土 1—风化裂隙; 2(成岩裂隙水 2—潜水水位 成岩裂隙水是赋存于喷发岩的裂隙中，并呈层状分布的地下水。当其出露地表接受大气降水补给时，多形成潜水。其特点与风化裂隙中的潜水相似。虽分布有限，但富水性往往较强，裂隙不随深度减弱。其隔水底板一般为其它不 9 透水的岩层(图7—22)。浸入岩中的成岩裂隙，主要发育在与 围岩接触的地方，分布于其中的地下水多为脉状水。在沉 积岩地区，成岩裂隙水主要分布于性质较为脆硬的砂岩和 砾岩层中，水量大小相差悬殊。 3(构造裂隙水 构造裂隙水通常赋存于坚脆的岩石和变质很深的岩石、 背斜挠曲的轴部、大断裂带和横断层附近等构造裂隙发育处。其发育程度很大程度上受岩性、变质程度及所处的构造部位等因素的控制。在同一地区的不同地点，裂隙水的水量、水位可有很大差别。 4(层状裂隙水 层状裂隙水是赋存于层状岩石的风化裂隙、成岩裂隙和区域构造裂隙中的地下水，呈层状分布。含水层的分布与一定层位裂隙发育的岩层相一致，且常与裂隙不发育的隔水岩层互层。 5(脉状裂隙水 脉状裂隙水是赋存于构造断裂带(图7—23)、侵入岩体与围岩接触带(图7—24)中的地下水，沿断裂带呈带状或脉状分布，长度和深度远比宽度大，且具有一定的方向性。既可以形成潜水，也可以形成承压水。含水层的形态不受岩层界面的限制，可以穿越不同层位和不同性质的岩层或岩体。 图7—23 花岗岩构造裂隙中脉状裂隙水 图7—24 火成岩接触带中的裂隙 水 (七) 岩溶水 储存和运动于可溶岩中的溶蚀裂隙、溶洞和溶蚀通道中的地下水，称为岩溶水。岩溶水在运动过程中，不断地与可溶性岩石(碳酸盐、硫酸盐及卤化物l类岩石)发生溶蚀和冲蚀作用，从而不断地改变着自己的赋存和运动条件。因而，岩溶水不仅是一种具有独特性质的地下水，同时也是一种地质营力。岩石的可溶性及其透水性、水的侵蚀性及其流动性是岩溶形成的基本条件。Д(C(索科洛夫根据水动力条件的变化规律，提出了岩溶水的水动力分带 (图7—25)。 1(包气带 位于最高地下水位以上，渗入水主要沿垂直方向的裂隙向下渗透。因此，在此带中垂直方向的互相不甚连通的溶洞、漏斗和溶蚀裂隙较为发育。 该带通常赋存季节性的上层滞水。 2(水位季节变动带 位于最高水位与最低水位之间，厚度一般由数米 10 图7—25 岩溶水的垂直分带 ?—包气带;?—地下水位季节变动带; ?—饱水带;?—河谷泄流带; a 至数十米不等。在高水位期，与包气带(?带)相吻合， 地下水作水平运动;低水位期，与饱水带(?带)一致， 地下水作垂直方向运动。该带的岩溶形态既有垂直方 向的，也有水平方向的，且一般都比较发育。分布于 其中的地下水，有时为上层滞水，有时为岩溶潜水。 (饱水带 3 经常处在地下水面以下，地下水的运动主要以水 平方向为主。经常在河流附近发育着连通较好的且延 伸方向指向河流的水平方向。在此带的岩溶较为发育，分布于带中的地下水主要为替水，但由于河流冲积物的影响而使局部具有承压性质，水量一般不大。 4(深部循环带 位于当地侵蚀基准面以下，地下水的运动已不受当地侵蚀基准面的控制，而是受区域构造和区域地貌的控制。此带的岩溶不发育，常常出现蜂窝状的小溶孔，越向深部岩溶发育越差，乃至消失。分布于其中的地下水，主要是岩溶承压水，一般水量不大。 四、煤矿地下水的化学特征 (一)地下水的物理性质 在漫长的地质年代里，地下水与周围介质相互作用，溶解了介质中的可溶盐分及气体，从而获得各种物质成分;同时，地下水还要经受各种物理的和化学的作用，随时随地改变着原始成分，致使其化学成分复杂化。因此，分析和研究地下水的物理性质和化学成分，对于阐明地下水的来源和流向，以及利用地下水、防止地下水的危害、指导水化学找矿、查明地下水污染、为地下水管理提供科学依据等方面，都具有重要意义。地下水的物理性质主要有温度、颜色、气味、口味等，它们在一定程度上反映了地下水的化学成分及其存在环境。 (二)地下水的化学成分及主要化学性质 地下水的复杂成因造成了地下水化学成分的复杂性。地下水中含有各种各样的离子、气体、胶体、有机质和细菌等见表7—3所示。这些化学成分有的大量存在于水中，有的含量微弱，这主要是与各种元素在水中的溶解度及其在地壳中的含量有关。从而使地下水表现出不同的化学性质。 1(地下水的酸碱性 地下水的酸碱性，主要取决于水中的氢离子浓度，即pH值。根据地下水pH值的大小，将水分成五级(表7—4)。 表7-3 地下水的化学成分 元素及成因 水中元素富集条件 化 学 元 素 成 分 火成活动 HCl、HF、HS、S、SO等 23 生物成因 CH、CO、重碳氢化合物、N、HS、O 42222 空气成因 N、O、CO、惰性气体Ar、Ne、He、Kr、222 气 体 Xe、O、NO 32 化学成因 CO、HS、H、CH、CO、N、HCl、HF、22242 NH、B(OH)、SO、SO、Cl等 3323 放射性成因 He、Rn、Th、Ar、Xe等 11 -++=-=-、SO、HCO、CO、NO、Na、K、Cl4333 2+2++2+3+3++Ca Mg、H、NH、HSiO、Fe、Fe、 AI各种成因 434 及有机物等 各种成因:在黄铁矿、砷矿主要离子和分及其它矿床氧化带中随PH值降子微量元素 低而发生的金属元素的富集;在Li、Be、B、F、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、-3(含量,10%油、气田和其它有机物聚集的地Cu、Zn、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Zr、Nb、即10mg/L ) 区中富集碘铵，富集金属元素;Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、I、Ba、W 结晶岩地区地下水发生Li 、F 、Au、Hg、Pb、Bi、Tb、U、Ra等 Br、硅酸及其它微量元素富集作 用 Fe(OH)、AI(OH)、Cd(OH)、Cr(OH) 3322正胶体 Ti(OH)、Zr(OH)Ce(OH) 、443胶体(细菌) 粘性胶体、腐植质、SiOMnO、SnO、VO、、22223负胶体 SbS、PbS、AsS等硫化物胶体 2223 高分子有机化合物、腐植质(雷酸C:44%;生命代谢产物，生命死亡分有 机 质 H:53%;O:40%;N:15%)、藻类介质、细菌、解腐植酸和雷酸细菌等 腐质物质、地沥青、酚、酞、脂肪酸、环烷酸 注:此表引自沈照理主编的《水文地质学》 表7-4 地下水按卫生条件和酸碱度的分类 卫生条件 菌度mI 酸碱度 PH值 卫生的水 ,300 强酸性水 ,5 相当卫生的水 弱酸性水 100 5~7 不可靠的水 中性水 10 7 不卫生的水 弱碱性水 1.0 7~9 极不卫生的水 强碱性水 ,9 0.1 2(地下水的侵蚀性 地下水的侵蚀性有三种类型，即碳酸侵蚀性、硫酸盐侵蚀性及镁化性侵蚀性。 -(1)碳酸侵蚀性。地下水与碳酸盐类岩石接触时，便可溶解它而生成HCO，反应为: 3 2+- CaCO+HO+CO?Ca+2HCO3223-可见，当水中含有一定数量的HCO时，就必须有一定数量的游离CO与之相平衡，32-平衡所需的CO称为平衡CO。水中的游离CO与HCO达到平衡后，若又有一部分CO22232-进入水中，那么反应式要向右进行，使水中HCO增加，从而达到新的反应平衡。因此，当3-水中含有超过平衡所需的游离CO时，就能使碳酸盐溶解于水而生成HCO，其中有一部23-分用于平衡新增加的HCO，另一部分则消耗于对碳酸盐的溶解。被消耗的CO，称为侵蚀32 性CO。因此，超过平衡所需的游离CO，只有一部分是侵蚀性CO，而另一部分则为平衡222 12 CO。 2==(2)硫酸盐侵蚀性。含有一定量SO的地下水水渗入碳酸盐岩石中时，SO与碳酸盐44物质中的一些组分产生化学作用形成结晶的硫酸盐，这种新的化合物在形成过程中，体积膨 =胀，从而使硫酸盐类物质破坏，便产生所谓的硫酸盐侵蚀性。试验证明，当水中SO,4250mg/L或侵蚀性CO,3~8.3mg/L时，则水具有侵蚀性。 2 (3)镁化性侵蚀性。含有大量镁盐(特别是MgCl)的地下水，与混凝土中结晶的Ca(OH)22起交替反应，形成结晶的Mg(OH)和易溶于水的CaCl，从而使混凝土破坏，即所谓的镁化22 性侵蚀性。 3(水的总矿化度 水中所含各种离子、分子及化合物的总量，称为水的总矿化度，以g/L表示。总矿化度表明水中含盐量的多少，即水的矿化程度。总矿化度的计算方法有两种:一种是按化学分析所得的全部离子、分子及化合物总量相加求得;另一种是将水样在105~110?温度下蒸干后所得的干涸残余物的重量来表示。后者，干涸残余物的重量常作为核对阴阳离子总和的一个 -指标。由于水样经过蒸干烘烤后，有近一半的HCO分解生成CO及HO。因此，这两种322方法所得的总矿化度常常是不相等的。故利用分析结果求和得出总矿化度时，重碳酸离子含量只能取一半。按总矿化度的大小，可将地下水分为五类(表7-5)。 水的矿化度(含盐量)与水的化学成分之间有密切的关系。通常情况下，低矿化度的水中 2+2+-常以HCO及Ca、Mg为主要成分。一般来说，矿化度随着埋藏深度的增加而增大。 3 4(水的硬度及表示方法 通常情况下，水的硬度主要是由地下水中钙、镁离子组成。但酸性矿井水还要计入铁、铝等金属离子形成的硬度。硬度通常分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度:指水中2+2+Ca、Mg的总含量，它是暂时硬度和永久硬度的总和。 表7—5 地下水按矿化度的分类 名 称 矿化度(g/L) 淡 水 ,1 微 咸 水 1~3 咸 水 3~10 盐 水 10~50 卤 水 ,50 2+2+暂时硬度:将水加热煮沸后，形成碳酸盐沉淀的这部分Ca、Mg的含量，反应式为: ,2，,Ca，2HCO,,,CaCO,，HO，CO, 3322 ,2，,Mg，2HCO,,,MgCO,，HO，CO, 3322 由于暂时硬度主要是钙、镁的重碳酸盐组成，所以有时又称它为碳酸盐硬度。由于加热 2+2+-煮沸后，水中的HCO不可能完全同Ca、Mg发生作用生成碳酸盐沉淀，其中有部分因3 受热分解生成CO气体逸出。因而，暂时硬度通常小于碳酸盐硬度。 22+2+永久硬度:将水煮沸后，仍残留在水中的Ca、Mg的含量。 硬度的表示方法有以下三种: ?德国度—— 相当于一升水中含有10mgCaO或7.2mgMgO，即一个德国度相当于一升 2+2+水中含有7.1mg/L的Ca或4.3mg/L的Mg 。 2+2+2+?meq/L—— 每一升水中含有Ca、Mg毫克当量的总数，即相当于20.04mg/LCa 13 2+的含量或12.16mg/LMg的含量。1meq/L等于2.8德国度。 2+2+2+?mol/L—— 每一升水中含Ca、Mg摩尔的总数，即相当于40.08mg/LCa或 2+320.32mg/LMg的含量。1mol/L等于5.6×10德国度。 根据水中硬度的大小，可将其分为五类(表7—6)。 表7-6 水按硬度的分类 硬 度 德国度 meq/L mol/L 水的类型 -4 极软水 ,4.2 ,1.5 ,7.5×10 -43 软 水 4.2~8.4 1.5~3.0 7.5×10~1.5×10 -3-3 微硬水 8.4~16.8 3.0~6.0 1.5×10~3×10 -3-3 硬 水 16.8~25.2 6.0~9.0 3×10~4.5×10 -3 极硬水 ,25.2 ,9.0 ,4.5×10 在石灰岩地区的岩溶水，水的硬度一般在10~25德国度之间;煤矿地区的老窑水和深层的地下水，一般有较高的硬度;酸性岩浆岩和砂岩地区的水，硬度一般较低。 第二节 矿井充水条件 采矿过程中，一方面揭露破坏了含水层、隔水层和导水断层，另一方面引起围岩岩层移动和地表塌陷，从而产生地下水或地表水向井筒或巷道涌水的现象，称为矿井充水。矿井充水补给的来源，称为充水水源。水流入矿井的通路，称为充水通道。充水水源和充水通道构成了矿井的充水条件。 在影响矿井充水条件的一系列因素中，开采方式、回采方法等在一定程度上起着控制作用。 一、回采对矿井充水条件的影响 井巷工程系统形成和回采工作面布置后，采煤方法和顶板管理方法，对矿井充水影响很大。采用不同的顶板管理方法(如陷落法和充填法)，对围岩破坏程度是很不相同的。 (一)采动引起的围岩破坏特征 采掘活动会造成围岩变形、破坏，并导致一系列矿山压力现象的发生。由于工作面的不断推进，煤层顶底板处于持续不断的移动变形和破坏之中。通常，顶板下沉开始于工作面前方40m左右，底板开始移动是始于工 作面前方35m左右，因此在工作面前后围 岩中形成两个典型的矿山压力破坏的移变带 (图7—26)。 回采工作面前方为增压区(支承压力带)， 回采工作面后方采空区为减压区(卸荷带)。 通常在增压区造成围岩挤压变形和破坏。工 作面推过以后，支承压力带逐步转化为采空 图7—26 各种情况回采工作面前后支承压力分布图 区，围岩所受的应力比回采前要小得多，由 1—采空区刚性支撑;2—充填法采煤;3—采高大或顶板岩 强烈的挤压破坏状态变为卸荷释放状态，产 石坚硬;4—采深太深的情况;γH—上覆岩层自重应力 14 生卸荷裂隙和构造应力释放裂隙。当工作面 推过约12~27m范围时，顶板岩层急剧下沉，在上覆岩层中产生了破坏程度不同的三个区 域，即所谓的“三带”——冒落带、裂隙带和弯曲带(图7—27)。 (1)冒落带 靠近采空区的岩层破坏带，破碎的岩块杂乱无章地堆积，岩块间空隙多而大，为散体块状结构，透水性强。 图7—27 实测采动后覆岩变形破坏分带 a—缓倾斜岩层强度较弱;b—中等强度岩层;c—坚硬岩层; 1—冒落带与裂隙带界限;2—裂隙带与弯曲带界限 (2)裂隙带 冒落带上方的岩层破裂带，断裂既可垂直层面产生，也可顺层裂开，呈排列整齐的岩块，为层体块状结构。裂隙连通性好，导水性强。 (3)弯曲带 裂隙带上方的岩层整体弯曲下沉带，该带裂隙不发育，在地表形成塌陷盆地，塌陷盆地的坡缘往往产生锲形张开裂隙，一般深度3~10m。 除顶板“三带”出现外，支承压力变化对底板岩层也有破坏作用。煤层开采后，工作面 -28。图中，原始应力状态为前后支承压力引起的底板岩层内的等值应力分布情况见图7 100%，超过者为增压部分，小于者为采空卸荷导致的减压部分。在增压区，当作用力超过岩层的强度时，岩层产生变形破坏，阻隔地下水能力降低。采空区底板岩层原岩应力得到释放，引起岩体膨胀，当其发展超过弹性限 度时，便会发生破裂。采空区底板的这种破 裂，称为卸荷裂隙。从形式上看，底板破坏 也应出现类似于顶板“三带”的现象。李白 英等提出了底板破坏的“下三带”概念，即 在采动情况下，出现底板破坏带、完整岩层 带和原始导高带，为煤矿底板突水防治奠定了 理论基础。 图7—28 支承压力下的底板等值应力分布 (二)回采引起的矿井水文地质条件的变化 ?开采情况下，围岩产生冒落、裂隙和弯曲下沉。冒落带和裂隙带内岩层强度低，阻隔水性能大大减弱，透水性强。一旦连通周围水体，将会造成矿井水害。岩层因弯曲下沉而形成塌陷盆地，发育于盆地边缘的一系列裂隙，大气降水和地表水与矿井充水动态的关系更为密切。 ?开采引起的围岩变形与破坏，必然造成井田水文地质结构和条件的变化，增强了岩层的透水性，引进了新水源。因而，开采活动会使矿井充水水源和充水通道增多增强。 ?采动引起的底板破坏，而造成的底板含水层向矿井充水，称为底板涌水，大者称为“底板突水”。随开拓采掘的延深，矿井底板突水的威胁日趋严重。 15 ?采掘引起的矿井涌水规律，通常是初期涌水量由小变大，经过一定时间后，涌水量由大变小。若涌水主要来源于静储量，补给水源不足时，涌水便逐渐消失;若涌水主要来源于补给量，补给水源充足时，则逐渐趋于一个稳定涌水量。 二、充水水源及其影响因素 大气降水、地表水、含水层(带)水和老窑水均可能成为煤矿充水水源。一些矿井，在疏降矿井水的过程中，可能引进新的水源，称为袭夺水源。矿井充水水源，分为直接和间接两种充水水源。 顾名思义，在采掘过程中，充水水源的水直接向矿井充水的水源称为直接充水水源，它的富水性和导水性对矿井涌水量大小起主导作用。间接充水水源则是需要经过一定渗透途径才能与矿井或直接充水含水层发生密切的水力联系，这种途径包括构造裂隙带、隔水层变薄或缺失(天窗)的地段、采动导水裂隙带等。通常情况下，间接充水水源与矿井之间有一定厚度的隔水层。间接充水水源富水性、导水性、补给条件对矿井涌水的持续时间和涌水量变化幅度有重要影响。 (一)大气降水 对于地下开采的矿井，大气降水是通过补给充水含水层，构成矿井的间接充水水源。而对于露天煤矿，大气降水则是直接充水水源。大气降水对矿井的充水强度取决于年降水量、降水性质和矿区地形、煤层埋藏深度及上覆岩层的透水性等因素。 1(年降水量大小与矿井涌水量的季节性变化 我国南方潮湿多雨，大气降水是矿井充水的主要因素或决定因素，雨季矿井涌水量占全 3年涌水量的50%以上。根据图7—29，矿井涌水量年变化幅度为856~2106m/h，雨季水量为旱季时水量的2~3倍，水位年变化幅度为19.28~95.71 m。 图7—29 降水量与矿井涌水量关系图 年降水量的季节性变化，使得矿井涌水量也有相应的干、雨季规律变化。根据多年涌水量观测结果，可求出矿井涌水量季节变化系数(η)，即: 年涌水量最大值,, (7—2) 年涌水量最小值 季节变化系数反映了矿井涌水量的变化程度。影响季节变化系数值的因素，除降水量大 16 小和降水强度外，还有煤层埋藏深度、顶板岩层充水含水层露头程度、覆盖层厚度、岩石透水性，以及开采方法等因素。 2(降水性质及矿井地形对矿井涌水量的影响 一般情况下，降水性质对地表渗入量影响较大。暴雨不利于大气降水的渗入补给。但对于座落于裸露岩溶山区的煤矿，地表岩溶十分发育，吸收降水量达70~100%，暴雨往往对矿井涌水量产生极大影响，造成最大威胁。 矿区地形直接决定矿井水的汇集条件和排泄条件。分布于山区分水岭或斜坡地带的矿井，由于所处位置高于当地最低排水基准面，充水水源只有降水渗入补给，深切陡峻的地形有利于自然排水，因此对矿井涌水量影响一般不大;位于山前平原和山间盆地中的矿井，降水容易汇集，又由于可采煤层埋藏在当地最低排泄基准面以下，在一定条件下，降水对矿井涌水量影响很大。 3(煤层埋深及上覆岩层透水性对矿井涌水量的影响 由于作为渗流通道的岩层裂隙或岩溶的发育程度是随埋藏深度的增加而减小，岩层的透水性随深度而减弱，且越往深处地下水渗透途径越长，降水的影响越小。因此，煤层埋藏较浅的比埋藏较深的受大气降水影响较大。 在有些平原地区的煤矿，由于存在分布稳定的弱透水或隔水的松散覆盖层(5m以上)，一般认为，大气降水基本对矿井水无多大影响。 (二)地表水 分布于井田范围或附近的地表水，可能成为矿井的充水水源 (图7—30)。当其以溃入形式进入矿井时，水砂俱下，导致井巷淹没。地表水对矿井充水强度和涌水量的影响，决定于地表水的性质、地表水体与矿井间的水力联系、 地表水与矿井开采深度、相对位置及煤层间岩石 的透水性等因素。一般常年性水流以定水头渗入 矿井中，将会形成大而稳定的矿井涌水量。季节 性的小河，可能在雨季时可能对矿井有一定威胁。 1(地表水体与矿井间的水力联系 通常地表水体是通过断裂、直接充水含水层及 采动裂隙等与矿井发生水力联系，这种联系是随矿 井开采方式、采煤方法以及开采规模的不同而变化。 2(地表水体与矿井位置 在垂直方向上，只有当地表水体所处的高程高 于矿井开采系统高程时，地表水才有可能进入矿井 图7—30 地表水渗入井下的方式示意图 中;在水平方向，当地表水体位于矿井疏降排水形 成的降落漏斗范围内时，才有可能成为矿井充水水 源。如图7—31，甲河处于矿井疏降排水形成的降落 漏斗范围内，引起河水定水头补给，矿井涌水量剧 增，因而甲河为充水水源;乙河距矿井较甲河近， 图7—31 地表水与矿井的相对位置和 由于页岩隔水，其位于降落漏斗范围之外，则乙河 岩层结构的关系示意图 不是矿井充水水源。若地表水体与矿井之间有稳定 的隔水层存在，同时采空区顶板产生的导水裂隙不能切穿矿井与地表水间的隔水层，虽二者距离很近，则地表水亦不能进入矿井中。 (三)含水层(带)水 采场围岩中含水层(带)水，通常是矿井最重要的充水水源。一般地，开采第三纪和埋藏 17 浅的侏罗纪及石炭二叠纪煤层的露天矿，矿坑主要充水水源为松散砂层、砂砾石层和半胶结砂砾岩孔隙含水层;开采侏罗纪煤层的矿井，主要充水含水层为基岩裂隙带(水);开采石炭二叠纪煤层的矿井，主要充水水源除煤层顶底板砂岩含水层外，更重要的是岩溶含水层，如我国南方许多矿区顶板长兴灰岩和底板茅口灰岩、北方的许多矿区的底部石炭、奥陶系灰岩岩溶含水层。 (四)老窑水 在有些矿区的煤层露头地带分布着不同年代废弃的小煤窑，称为老窑。老窑积水区通常是煤矿下部开采的重要充水水源。老窑水突水时，瞬时涌水量很大，来势凶猛，具有很大的破坏性。老窑水若与其它水源无联系，则易于疏干;若与地表水有水力联系，则会造成矿井稳定的充水水源，危害较大。 (五)袭夺水源 开采过程中，矿井因长期疏降排水，水位不断下降，降落漏斗逐渐向外扩张，将有可能袭夺地下水迳流带下游的排泄量。当漏斗中心低于当地排泄基准面时，原为排泄地下水的泉、井干涸，排泄区变成矿井水补给区，使地表水补给矿井;在两眦邻的水文地质单元为透水边界条件下，矿井疏降漏斗进一步扩展，将地下水分水岭向外推移，从而袭夺临近水文地质单元的水源。 上述各种矿井充水水源，对具体的矿井应结合矿区自然地理、地质和矿井开采技术等条件作具体分析。通常，矿井涌水是以某种或几种水源为主。随着生产的发展，矿井充水水源会发生一定的变化。这种变化的决定因素，是充水通道的增或减。 三、充水通道分析 矿井充水通道决定着矿井涌水形势、涌水地点和涌水量的大小。依据充水通道的形式和对矿井涌水作用的大小，充水通道分为断裂构造带(包括岩溶发育带、天窗)、顶板和底板采动裂隙(带)、矿井地表塌陷、岩溶陷落柱、工程充水通道(井筒、小煤窑和钻孔)等，这里重 板采动裂隙(带)充水通道特征及其对煤矿充水的影响进行介绍。 点对断裂构造带、顶板和底 (一)断裂构造带 煤矿生产中遇到的各种断裂构造，其规模大小及水文地质性质不尽相同，对煤矿的充水影响各有差异。国内、外煤矿有90%以上的突水是断层和裂隙引起的。根据它们与矿井充水水源的关系，以及断裂构造对采矿的影响，可将断裂构造分为含水的、导水的、隔水的等三类(表7—7)。 表7—7 断裂构造水文地质性质分类 断裂规模 与充水水源有水力联系 与充水水源无水力联系 断裂性质 储存水量与补给水量均较丰富，为孤立的含水断裂带;它分布 含水的 称为富水断裂;在水平或垂直方向与于粉砂岩、细砂岩中;只有储存量; (断裂为张性、张扭性) 充水水源密切联系，水量大且稳定，充水特点开始水量较大，后逐渐减 不易疏降 少，称为储水断裂 导水的 断裂导水，以补给量为主，称为(张扭性、压扭性断裂，在断裂中可能含有一些无源的导水断裂;其本身含水量少，与矿井在断裂面的某一侧，次一级脉状水 充水水源有密切联系 张性断裂发育) 隔水的 局部有风化裂隙水，称为隔水断断裂切断含水层的水力联系，(压性、压扭性断裂，层，具有阻隔地下水流的作用 具有隔水、阻水作用 少数为张性和张扭性，后期 18 被充填和胶结) 注:根据不连续面两侧岩层有无明显错动，断裂构造分为断层和裂隙。裂隙与节理在概念上是有区别的; 裂隙泛指岩层中的裂缝;节理是岩层中成组发育有规律分布的缝隙。 不同水文地质类型的构造断裂，对矿井充水有以下影响: ?由于断层的错动，使开采煤层与含水层接近或直接接触(图7-32)，特别是将强含水层(底部奥陶系灰岩)抬起，会成为矿井最易突水的危险地段; 图7-32 工作面突水点剖面示意图 ?断裂构造破坏了地层的完整性，降低其力学强度，通常会形成地下水突破的软弱带。在可溶岩地区，断裂构造控制岩溶的发育。因而，采掘工程揭露导(富)水断裂或在导(富)水断裂附近施工采掘工程时，富水断裂可成为矿井直接充水水源，导水断裂可成为矿井充水通道。它们可以将与之相联系的地下水、地表水、老窑水等导入井下，增大矿井涌水量。 ?开采引起的不导(含)水断裂的活化，是煤矿安全 生产的潜在隐患。在天然条件下一些不导水及不含水的 断层，因采掘深度增大或矿井长期排水，疏降漏斗不断 地向外扩展等影响，在矿山压力和承压含水层静水压力 共同作用下，可转化为导水断裂。 由此可见，断裂构造的存在是矿井突水的重要因素。 因此，煤矿生产中要详细研究断裂带的产状要素、规模、 延伸方向、发育密度、充填情况、胶结程度及其两侧的 岩性和伴生裂隙等。 图7—33 峰峰矿区大青灰岩水运动 通道与断裂构造关系示意图 对于矿井充水通道来说，研究得最多的是导(含)断裂。 1— 注浆点;2—大青灰岩底板等高线; 但除此以外也不可忽视富水含水层本身亦是矿井充水的通 3—地下水流向;4—断层 道。如图7—33所示，峰峰矿区一井田中部有两条相邻的 向南东倾斜的正断层F、F，落差分别为108 m和100 m，并切断了东西两盘灰岩的水力联22 系。由于两断层中一个由南西向北东尖灭，另一个由北东向南西尖灭，在两断层尖灭地段之间灰岩层没有被破坏。根据矿井排水连通试验证明，该地段即是灰岩水由西向东的迳流通道。 (二)顶板采动裂隙 回采工作面上方岩层因其强度及其距离采空区距离的不同，通常在采动条件下表现出不同的变形破坏特征。煤矿生产中，把位于回采工作面之上的一层或几层岩层称为直接顶，它是由页岩或砂页组成，具有一定的稳定性，易随回柱而跨落;有时在煤层与直接顶之间有一 19 层小于0.3~0.5m的极易跨落的(随开采随冒落)较松软 岩层，称为伪顶;位于直接顶之上，有时直接位于煤 层之上的坚硬岩层称为老顶，它通常是由砂岩、石灰 岩及砂砾岩等组成。开采煤层时，在回采工作面推进 到一定距离后顶板急剧下沉，老顶及上覆岩层折断， 引起第一次来压叫老顶初次来压。 随回采工作面的不断推进，在老顶跨落的同时， 煤层上覆岩层的移动变形和破坏也开始了，而这种 破坏是直接顶板冒落、老顶裂开，一直向上发展为 弯曲、下沉，直至地表(图7—34)。在煤矿水文地质 学上，将采动破坏的顶板冒落带、裂隙带统称为导 水裂隙带。 图7-34 覆岩“三带”分布示意图 1(导水裂隙带高度的确定 为了防止采掘工作工程免受上方水体(指地表水、含水层或与其它水体相连通的导水断裂构造等)的水害威胁，通常在上方水体与采掘工作面之间留设一定高度的煤层不采。这段煤层称为防水煤柱，其下限标高称为开采上限。在煤矿水文地质学中，防水煤柱高度是自开采上限至上方水体底界之间的垂直高度，这段高度内除了煤层以外，还有岩石，因而更确切地应称之为防水煤(岩)柱(图7—35)。 图7—35 安全开采上限与留设防水煤(岩)柱示意图 H—防水煤(岩)柱高度 防水煤(岩)柱高度的确定方法是采动后顶板岩层破坏的最大高度(即导水裂隙高度)加上一定高度(或厚度)的保护层。导水裂隙带发育高度与采厚、分层数、顶板岩性及其不同岩性岩层的组合、煤层倾角、顶板管理方法等因素有关。一般导水裂隙带高度是随采厚的增大而增大，随分层开采数目的增加而减小。顶板管理的垮落法对覆岩破坏最严重，充填法破坏性小，支撑法位于二者之间。 煤层顶板岩层结构为致密坚硬的岩石组成，或是为多孔软弱岩石组成，其破坏程度不同，覆岩破坏高度与岩性有着密切关系。一般来说，煤层直接顶板至老顶全由多层结构的坚硬岩层(如砂岩、石灰岩)组成时，一旦被破坏，导水裂隙带发展得相对较大;若为多层结构的软弱岩层组成时，则导水裂隙带不发育。 当覆岩为坚硬岩层、煤层产状水平且初次开采的情况下，假设采出的煤层厚度为M，开采空间达到相当大后，不规则的冒落带最大高度为H，冒落的岩块碎胀系数为K，当冒冒 落的岩块体积等于开采空间和冒落岩体体积之和时，不规则冒落过程方能停止。即 M，H,KH (7-3) 冒冒 若煤层倾角为α，则: MH, (7-4) 冒cos,(K,1) 20 式中:K值不易实测，往往采用经验数值，一般取1.2~1.5左右。 裂隙带的高度(H)一般为冒落带高度(H)的1.5~2.0倍。 导水裂隙带的高度(H)为: 裂cf (7-5) H,H，Hfc裂 生产经验表明，开采缓倾斜煤层，覆岩导水裂隙带的高度约为开采厚度的10~16倍;开采急倾斜煤层，覆岩导水裂隙带的高度约为开采厚度的6~13倍。 目前，在生产实践中采用实测法(参照图7—27)找出不同条件下冒落带、裂隙带发育规律，并出经验公式列于表7—8。 表7-8 冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式表 煤层倾角岩石抗压强度顶板管理冒落带最大高导水裂隙带(包括冒落岩石名称 2(?) ( N/cm) 方法 (m) 带最大高度) 辉绿岩、石灰 100M岩、硅质石英岩、 H,，11.2f3920~5880 全部陷落 H=(4~5)M C2.4n，2.1砾岩、砂砾岩、砂 质页岩等 砂质页岩、泥 100MH C0~54 H,，5.11960~3920 全部陷落 质砂岩、页岩等 f=(3~4)M 3.3n，3.8 风化岩石、页 岩、泥质砂岩、粘100M,1960 全部陷落 H=(1~2)M H,，5.1Cf土岩、第四系和第5.1n，5.2 三系松散层等 辉绿岩、石灰 100mh岩、硅质石英岩、H,，8.4f3920~5880 全部陷落 4.1h，133砾岩、砂砾岩、砂 质页岩等 55~85 砂质页岩、泥质砂 100mh岩、页岩粘土岩、 H,，7.3,3920 全部陷落 H=0.5M Cf风化岩石、第三系7.5h，293 和第四系松散层等 注:1(M—累积采厚(m);m—煤层厚度(m);n—煤分层层数;h—采煤工作面小阶段垂高(m); 2(缓倾斜和倾斜煤层的冒落带、导水裂隙带最大高度，系指从煤层顶面算起的法向高度;对于急倾斜煤层，系指从开采上限算起的垂向高度。 2(采动覆岩破坏对矿井涌水量的影响 采动引起的覆岩破坏，若所形成的导水裂隙带波及 上覆水体(或富含水层)时，则会引起矿井涌水量急剧增 加(图7—36)。有的情况下，导水裂隙带虽未波及到水体， 但由于破坏了煤层上覆隔水层，使导水裂隙与透水层沟 通，同样会增加矿井涌水量。 图7-36 覆岩破坏与矿井涌水量关系 当然，导水裂隙带所波及到的水体为弱含水层，由 1—主要充水岩层或地表水;2—导水裂于补给来源不大，涌水量有限，对矿井无大的影响。如 隙带高度;3—可采煤层上覆岩层的地质山东柴里矿，由于导水裂隙伸入弱含水层中，补给有限， 结构特点 使矿井总涌水量增加不多(图7—37)。 21 此外，开采煤层与上覆水体之间若分布有一定厚度 (一般认为粘土岩层大于5m)，且分布稳定的隔水层，既 能抑制导水裂隙带的发育高度，又有阻隔上覆水体中的 水涌入矿井。 总之，对煤层顶板进水问题，不仅要详细研究天然 条件下煤层上覆岩层主要含水层和充水通道，还必须分 析开采活动的影响。顶板管理的充填法，可以减轻围岩 的破坏，因而对矿井涌水量影响较小;陷落法，由于采 后不充填，造成围岩破坏，形成人工裂隙，使矿井涌水 量随开采面积的增大而相应增加。因此，根据矿井岩层 水文地质特征，制订合理的采煤方法和顶板管理方法， 将充水水源控制在导水裂隙带以外。 (三)底板采动裂隙 图7—37 柴里矿3012工作面覆岩破坏采掘活动同样破坏了岩层底板岩层的天然受力状态， 观测成果剖面 造成煤层底板破坏，从而造成煤层与下伏含水层之间有 1—粘土层;2—钻孔 效隔水层厚度减小。采动底板破坏深度与开采强度、底 板岩性及构造等因素有关。而且煤层底板以下含水层中的地下水是具有一定压力水头的承压水。一定条件下底板水在水压和矿山压力作用下突破底板进入矿井，通常称之为矿井底板突水。 1(矿井底板突水因素 煤矿生产实践证明，矿井底板突水是矿井水文地质条件与矿山压力综合作用的结果，其决定因素是底板充水含水层静水压(р)的大小、煤层与底板充水含水层之间的有效隔水层厚度及强度、采掘活动及矿山压力对底板隔水层的破坏程度等。 (1)静水压力作用 我国多数煤矿中煤层底板充水含水层静水压力很大，是矿井底板突水的决定性因素。底板充水含水层底板任一点的静水压力为: P=P+γH (7-6) a2式中:P——煤层底板任一点的静水压力，N/cm; 2P——大气压力，N/cm; a3γ——地下水容重，N/cm; H——某点含水层水头，m。 当静水压力大于底板隔水层抗压强度时，底板则突水。 (2)有效隔水层的厚度及强度 煤层底板中，在煤层与底板含水层之间的隔水层厚度，减去因开采引起的底板破坏深度，即为有效隔水层厚度。煤层的底板为多层结构岩体，每一岩层的岩石力学性质、厚度和裂隙发育程度及水文地质性质各有特征，并严格受构造部位的控制。如从褶曲翼部到核部，岩石裂隙由不发育到发育;在断层两侧地段石灰岩溶洞发育，其它地段则不发育。同时，不同层位岩层岩石力学强度有所差异。因此，煤层底板岩层的阻隔水能力则有差异，有效隔水层厚度各处也是不同的，底板突水的可能性各处差别较大。 (3)矿山压力作用 前面已经讲到，在回采工作面推进过程中，煤层底板岩层中出现支承压力带和卸荷带。支承压力带增压和采空区减压，使两区垂直压力差异很大，故对底板产生强大的剪切应力。当回采工作面推进到第一次老顶来压的瞬时，剪切力最大，因此对底板破坏最甚。井田中构 22 造应力在时间、空间上分布的不均匀性，导致了不同构造部位的煤层底板岩层破坏情况差异较大。岩石破坏强烈的地段承载能力小。因而在相同条件下，矿山压力对其破坏愈容易被高压地下水突破。 采掘过程中的其它震动(如放炮、放顶等)底板突水的案例也时有发生，持续的冲击力和气浪作用于底板岩石，也会使底板岩石强度降低，引发底板突水。有的矿井，在采掘过程中，一炮引起突水事故的例子，可证明这一点。当各种载荷对底板作用时，动能作功，底板岩石以破裂而消耗其能量;同时给高压水一个冲击力，使煤层底板相对隔水层受到锲开式的破坏，形成裂隙。采动产生的裂隙又与地质时期构造运动形成的原有构造裂隙互相交织穿叉，互相促进发育，在一定条件下，形成穿层性的裂隙系统，为高压水的突破打开了水路，这就是煤矿不可避免的发生突水事故的客观原因。 2(煤层底板突水分类 根据突水的主导因素，可将底板突水分为两种类型，即静水压力型和矿山压力型。 (1)静水压力型突水。它主要是在采掘卸荷和承压水静水压力作用下，底板隔水层或断层破坏带的完整性和稳定性遭受破坏发生的。该类突水，多发生在巷道开拓掘进过程中，承压含水层的静水压力是起主导作用，隔水结构层岩性、组合形式、厚度和断裂发育程度是控制突水的重要因素，而矿山压力是次要因素。 (2)矿山压力型突水。其突水条件是矿山压力和静水压力共同破坏底板隔水结构层造成的。该类突水主要发生在采煤工作面或采空区，矿山压力是控制突水的主导因素，隔水结构层厚度和静水压力是重要因素。 3(底板突水的突水系数法评价 为了预测突水，必须对底板隔水层的阻隔水作用作出定量评价。评价时除分析研究底板隔水层的厚度分布、构造裂隙发育情况外，还要应用一定的指标进行定量化的分析。突水系数法是评价底板突水时应用最早，方法最简便的一种方法，在很多矿区应用得比较广泛。突水系数是反映底板隔水层阻隔水性能的一个综合指标。 据国内资料，矿井水文地质条件越复杂，越要重视底板隔水层的阻隔水作用。图7-38根 所示的是匈牙利外多脑矿区二十多年研究得出的有关资料，表明了单位隔水层度(γ)对突水 2次数、突水强度所起的作用。近于γ=0.2(m.cm)/N时，为曲线的转折点，即大于此值时，单位面积上的突水次数和突水平均水量急剧减少，当小于此值时则迅速增加。因此，根据单位 22隔水层厚度的大小进行矿井水情分区。当γ,0.2(m.cm)/N为危险区;γ=0.20~0.6(m.cm)/N 2为较安全区;γ,0.6(m.cm)/N为安全区。单位隔水层厚度不仅用作底板防水指标，并在留设防水煤柱时也可作为防治水指标。 23 我国采矿历史悠久，有丰富的防治底板突水的经验。早在上世纪二十年代就注意到矿山压力对底板突水的作用，在不断总结经验和教训的基础上，积极探索底板含水层水压、底板隔水层和矿山压力与突水的关系，并依据山东淄博、河南焦作、河北井陉和峰峰等大水矿区的大量突水资料，提出突水系数的经验公式，即: PT, (7-7) sM,Cp 2式中:T——突水系数，N/(m.cm) ; S 2的水压，N/ cm; P——隔水结构层承受 M——隔水结构层总厚度，m; C——采矿对底板隔水结构层的破坏厚度，m。 P 7—7)计算几个矿区的突水临界值列于表7-9中。 按式( 表7-9 四个大水矿区突水系数表 矿 区 淄 博 焦 作 井 陉 峰 峰 T5.88~13.72 5.88~9.80 5.88~14.7 6.47~7.45 S 2N/(m.cm)6.47* 6.47* 7.06* 2*上述数据是由整个矿区统计得出。如淄博矿区大于6.47N/(m.cm)的占86%，小于的占14%，故取 26.47N/(m.cm)。 根据全国实际资料，按式(7—7)计算，矿井煤层底板受构造破坏地段的突水系数一般 22不大于5.88N/(m.cm);正常地段不大于14.7N/(m.cm)。根据突水系数的临界值，绘出井田水情危险区范围。在突水危险区，突水系数都大于临界值。因此，采掘前必须采取防治水措施。 第三节 矿井水防治 在煤矿建设和生产过程中，为防止水害事故发生，保证煤矿建设和生产的安全，减少矿坑(井)正常涌水量和降低生产成本，充分合理地回收煤炭资源，都需要进行矿井水的防治工作。为了有效地开展煤矿防治水工作，必须在充分了解矿区(井)的地质和水文条件，分析研究矿井水的形成条件及其充水条件分析的基础上，对不同的充水来源和水量大小，分别采取不同的防治措施。矿井涌水具有两重性。对于煤矿来说它是水害，但又是资源，经 24 过适当处理后便可予以利用。因此，现阶段煤矿防治水工作，既要进行水害治理，也要重视和加强水资源的保护和废水综合利用。 煤矿防治水的原则是，以防为主，防、排、疏、堵相结合，在确保安全的前提下，要做到经济合理，技术可行，效果最佳，资源效益最好。实际工作中，煤矿防治水工作还应坚持先易后难、先近后远，先地面后井下、先重点后一般、地面与井下相结合、重点与一般相兼顾。目前常用的矿井水防治方法有地面防水、井下防水、疏干降压、矿坑(井)排水和堵水防渗等。 一、地面防水 对于露天矿、采深浅的矿井或主要充水来源为大气降水及地表水的矿井，应加强地面防水工作。地面防水是指在地表修筑防排水工程或采取其它措施，以限制大气降水和地表水补给含水层或直接渗入井下。我国《煤矿安全规程》将煤矿地面防治水列为经常性工作之一，要求雨季前都要建立地面防水机构、制订、落实措施、监视水情和组织抢险， 露天矿则要对地面防排水工程进行专门的设计。通常，地 面防排水工程包括:挖沟排洪、河流改道、整铺河床、堵 塞通道等措施。 (一)挖沟排(截)洪 位于山麓或山前平原的矿区(井)，为了防止雨季山洪或 潜流侵袭或淹没矿坑、井口和工业广场，一般应在矿区(井) 上方，垂直来水方向开挖大致沿地形等高线布置的排(截)洪 沟(图7—39)，拦截洪水和浅部地下水，并利用自然坡度 将水引出矿区(井)。 (二)河流改道及整铺河床 对于有通过矿区(井)范围内的河流(或渠道、冲沟等)， 可采取河流改道或整铺河床的办法，避免河水对矿区(井)的 威胁。在河流流入矿区(井)的上游地段筑坝，拦截河水，同 时修筑人工河床将水引出矿井(图7—40)。若河流规模不大， 河水只是沿河床或沟底的裂缝有渗入矿井的倾向，则可在漏 图7—39 排(截)洪沟布置示意图 失地段用粘土、石料或水泥铺砌不透水的人工河床，以制止 1—地形等高线;2—排洪沟 或减少河水漏失(图7—41)。 (三)堵塞通道 大气降水及地表水直接或间接地渗入矿井的通道有多种，如采煤塌陷坑及其周围发育的裂缝、基岩(如煤层及充水岩层)露头区的裂隙、溶洞及岩溶塌陷坑、废弃钻孔及老窿等。在地面水防治工作中，要经查明上述通道与矿井涌水量之间的水力联系程度。若存在水力联系，可用粘土、块石、水泥、钢筋混凝土等将其堵填。大的塌陷坑和裂缝使其略高于地表(图7—42)。分层夯实，并对地下仍有空洞的塌，在下部充以砾石，上部覆以粘土，陷区，填堵时安装排气孔(管)，以防地下水位下降时形成真空负压，而再次产生塌陷。 图7-40 河流改道示意图图 7-41 整铺河床示意图 25 1—拦河坝;2—矿区(井)边界 1—灰岩;2—页岩;3—整铺后的河床 二、井下防水 若地面防水是保证煤矿安全生产、免受水害 威胁的第一道防线的话，那么，井下防水则是重 要的第二道防线。井下防水措施包括:探放水、 留设防水煤(岩)柱、设置水闸门和水闸墙等。 (一)探放水 当采掘工作面接触或接近充水的小窑老空、充水断层及强含水层等水体时，就有发生突 图7—42 塌陷坑充填示意图 水的可能。为了消除隐患，需要遵循“有疑必探，先探后掘”的原则，首先探明这些水体的具体位置，而后采取相应的措施将水放出，这项工作称为探放水或超前探放水。 在下列情况下需要进行超前探水:巷道掘进接近老空;巷道接近或需通过充水断层及强含水层(带);煤层受顶底板含水层威胁，其隔水层厚度小于或接近计算安全厚度(t);采掘安工作面发现煤层变潮和光泽变暗、煤层发汗及煤壁变冷、工作面气温降低和出现雾气、煤壁挂红或掌子面有水叫声、巷道顶板淋水或底板鼓起等。实际防治水工作中，需要首先对被探放水体对象的水量、水头压力进行计算(在资料缺乏的情况下只能估算)，为探放水的制定，探放起点、探放水钻孔数量、布置方式及安全技术措施的确定提供依据。 1(探水起点的确定 这里以探放老窑水为例，说明探放水起点 的确定方法。充水断层和强含水层探放水起点 的确定也可参照该方法。 窑的最深下山划定 为安全起见，通常按老 一条积水线，由该线外推60~150m作为探水线 (图7—43)。由探水线再平行外推50~150m作为 图7—43 积水区、探水线和警戒线示意图 警戒线，巷道进入此线后就应警惕积水的威胁。 探水线和警戒线的外推数值，取决于积水区的水头压力、积水量大小、煤层厚度及其抗张强度等因素。 (1)老窑积水量及应放水量按下式估算: 1Q,KMLh (7-8) 静sin, Q静q,，q (7-9) 1t式中:M——煤层厚度(厚煤层按实际采高)，m; h——老空内水头高度，m; L——采空区走向长度，m; α——煤层倾角，度(?); K——老空充水系数(一般取0.3~0.5); 3q——应放水量，m/min; t——允许放水期限(依据矿井实际排水能力和生产衔接的需要确定)，min; 3q——老空的经常涌水量(若无补给量时，此值为零)，m/min。 1 (2)放水孔数及单孔理论放水量的计算: 26 qN, (7-10) q钻 (7-11) q,CA2gh钻 式中: N——放水孔数; 3q——预计放水孔的理论水量，m /s; 钻 C——流量系数(常用0.6~0.62); 2A——钻孔的有效断面，m; 2g——重力加速度，为9.8m/s; h——老空内的水柱高度(由于h随积水放出而不断降低，钻孔水量也有所减少，h值 通常取实际水头高度的40~50%，以求得整个放水过程中的平均流量)，m。 2(超前距、帮距 在探水工作中，需要探水—掘进— 探水循环进行，即探水孔为巷道掘进 探明一段安全距离，巷道再进行掘进 ，而后再探再掘，每次探明的安全距 离称为超前距(图7—44)，其计算公 式(图7—45)为: 图7-44 超前距及帮距示意图 图7-45 超前距计算示意图 3P (7-12) L,0.5MKKp 式中:L——防水煤柱宽度(超前距)，m; M——巷道跨度(高或宽，应取大者)，m; P——含水层中地下水作用在煤柱上的静水压力，P; a K——煤柱抗张强度，P; Pa K——安全系数(一般取2~5，它可以视煤层抗张强度值的可靠性、煤层受破坏情况和 产状、煤厚及承受水压的变化情况而定)。 探水孔一般不少于三组，每组1~3个孔，一组为中心眼，另两组为斜眼，与中心眼成一定角度的扇形或半扇形布置。其目的是对巷道前方的中心及其上下左右都能控制。中心眼终点与外斜眼终点之间的距离，称帮距。实际工作中，超前距一般采用20m(薄煤层不小于8m)。帮距一般与超前距一致，可略小1~2m。现将淄博矿区多年来探水所采用的经验数据列于表7—10中，以供参考。 表7—10 淄博矿区超前距的经验值 煤层厚度 水头压力 最小超前距 (m) (P) (m) a6,2.9×10 20 561.6~2.2 9.8×10~2.9×10 16 5 ,9.8×1014 6,2.9×10 20 561.2~1.6 9.8×10~2.9×10 14 5 ,9.8×1010 6,2.9×10 18 560.7~1.2 9.8×1012 ~2.9×10 5 10 ,9.8×10 6,0.7 ,2.9×10 16 27 569.8×10~2.9×10 10 5 ,9.8×108 3(探水钻孔的布置原则 探水钻孔布置的一般原则是:保持孔与孔之间的终孔距离尽量小;原则上是薄煤层孔少，厚煤层孔多;应使巷道前进方向上的煤层空间均有钻孔控制。 (1)煤层中平巷的探水孔应布置在上帮，并呈半扇形(图7—46)，钻孔组数及夹角视具体情况而定。 图7-46 薄煤层水平巷道探水钻孔布置示意图 ?薄煤层中上山巷道的探水孔于巷道前进方向呈扇形布置(7-47)。 L—允许掘进距离;L—超前距;L—帮距;l—煤层厚度 ychb (3)煤厚大于2m的倾斜煤层中探水孔的布置，可与薄煤层相同。但由于煤厚增大， 图7-47 薄煤层上山巷道探水钻孔布置示意图 每组钻孔的孔数应相应增多，并应包括有见底和见顶的钻孔。 4(探水与掘进配合 为了取得良好的防治水效果，探水必须与掘进施工管 理相结合。 (1)双巷掘进、交叉探水 上山巷道掘进时，由于积水区上方，巷道三面受水威胁， 在这种情况下一般采用双巷掘进、交叉探水(图7—48)。 双巷掘进、交叉探水的顺序:甲巷掘进，乙巷同时探水;乙 巷掘进，甲巷同时探水。最后直至探水终止。 图7-48 上山巷道探水施工方法示意图 (2)双巷掘进、单巷超前探水 平巷掘进时，应保证靠近老空的平巷(称副巷)要超前于下面平巷(称正巷)一段距离(如20m)，此时可只在副巷探水，正巷随后掘进(图7—49)。在煤层埋藏较浅、地层倾角大的地区，这种方法不适用，应改为双巷交叉探水掘进。 (3)单巷探水、双巷掘进 在靠近老窑一侧的巷道中，当探水孔能控制另一巷道的掘进范围时，下面巷道可不探水，两条巷道同时掘进(图7—50)。 28 图7—49 平巷掘进、单巷超前探水示意图 图7—50平巷单巷探水、双巷掘进示意图 (4)平巷和上山互相配合探水 在同一煤层内，上方施工平巷，下方向上掘进上山时，应先探水掘进平巷，而后再施工上山(图7—51)，从而减少上山掘进时的探水工作量。 5(探水作业安全注意事项 在探放水量和水压很大的积水或强含水层时，要制定 好安全技术措施，对探水工作面的支护;排水系统和排水 沟的疏通、增加防排水设施(临时水仓、水闸门等)和排水 能力方案拟定、通风和瓦斯检查、有有毒害气体的预防、 避灾路线和联络信号的确定等方面，都要提出明确的要求， 同时要求拟订好钻探安全技术保障措施，经有关部门审查 通过后予以实施。安装好放水孔孔口管，是安全有效地疏放 水量大、高水压充水水体的重要技术措施。 图7-51 平巷、上山配合探水示意图 通常情况下，孔口管的安装必须固定在岩石坚硬完整的地段。安装前首先用大口径钻头开孔至一定深度(视水压大小而定)后再放入孔口管，在套管与孔壁间的空间灌注水泥浆，而后采用较小尺寸的钻头在孔内钻进，直至钻透老孔或含水层为止，最后推出钻具，在孔口外露部分装上压力表、水阀门和导水孔(图7—52)。 为保证孔口管安装的质量，一般都需要进行注浆检查。在孔口管放入钻孔后，于孔口用较稠的水泥浆将套管封死，并在套管上留一个小管，待水泥凝固后由孔口管向孔内注浆，使水泥浆进入套管与孔壁之间的空隙和岩石裂隙缝中(图7—53)。 图7—52 放水孔孔口装置示意图 图7—53 放水孔口管安装示意图 1—含水层;2—相对隔水层;3—钻杆;4—φ150mm钻孔; 1—钻孔;2—孔口管; 5—水泥;6—肋条;7—φ89mm钢管;8—铁卡; 3—固定孔口管的水泥;4—小管 9—水压表;10—木柱;11—水阀门 开始时，空气和水由上面的小管跑出，随后跑出水泥浆，待稠的水泥浆从小管跑出后，即停止注浆，关闭套管的阀门;待水泥浆凝固后再打开阀门，用较小直径的钻头在管内扫孔， 5然后向孔内压水。当压力超过6.86×10P而不漏水时，即可认为效果良好。如有跑水现象，a 则需再次进行注浆加固，直至合乎要求为止。 (二) 留设防隔水煤(岩)柱 在矿井可能受到水威胁的地段，留设一定宽度(或高度)的煤(岩)柱，进行防隔水。这种煤(岩)柱，称为防隔水煤(岩)柱。根据《矿井水文地质规程》(1984年)规定，凡属下列八项 29 之一者，必须留设防隔水煤(岩)柱，即:煤层露头风化带;含水及导水断层，或与富含水层相接触的断层;煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时;煤层位于含水层上方，且断层又导水;在矿井水淹区或老窑积水区下采掘时;受保护的地表水体;受保护的通水钻孔;井田技术边界(如人为边界或断层为界)。 防隔水煤(岩)柱的留设需要考虑被隔水源的水压和水量、煤层厚度、巷道尺寸、围岩被破坏的程度，以及采空后顶板的冒落情况等因素。现仅介绍《矿井水文地质规程》附录中推荐的各类防隔水煤(岩)柱留设的方法，以供参考。 1(煤层露头防隔水煤(岩)柱的留设 (1)煤层露头无覆盖或被粘土类微透水松散层覆盖时，按下式留设: H=H+H (7-13) 防冒保 (2)煤层露头被松散富含水层覆盖时(图7—54)，按下式留设: H=H+H (7-14) 防裂保 根据式(7—13)、式(7—14)计算的值，不得小于20m。 式中:H——防水煤(岩)柱高度，m; 防 H——采后冒落带高度(计算时按表7—8取值)，m; 冒 H——采后导水裂隙带高度(计算时按表7—8取值)，m; 裂 H——保护层厚度，m。 保 2(含水或导水断层防隔水煤柱的留设 55)，可参照式(7—12)计算。 含水或导水断层防隔水煤柱的留设(图7— 图7—54 松散富含水层下留设防隔水煤 图7—55 含水或导水断层防隔水 (岩)柱示意图 煤柱的留设 3(煤层与强含水层或导水断层接触并局部被覆盖时防水煤柱的留设 (1)当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防隔水煤柱可按图7-56a，b留设。 图7—56 煤层与强含水层或导水断层接触并局部被覆盖时防水煤柱的留设 (2)最高导水裂隙上限高于断层上盘含水层时，防隔水煤柱按图7-56c留设，计算公式为: L=L+L+L=H(sinγ-cosγctgθ)+(Hcos γ+M)(ctgθ+ctgγ) (7-15) 安安123 30 式中:L——防隔水煤柱宽度，m; L、L、L——煤柱分段宽度，m 123 θ——断层倾角，度(?); γ——岩层塌陷角，度(?); M——断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度， m; H——最大导水裂隙带高度，m; 裂 H——导水裂隙带至含水层间防隔水岩柱的厚度，m。 安 H值应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水安 和安全开采的地质、水文地质资料，计算其水压P与防隔水煤岩柱厚度M的比值T=P/Ts，S并将各点之值标到以T= P/Ts为横轴、以埋藏深度H为纵轴的坐标纸上，绘出T值的安全S0S临界线(图7—57)。 H值可按下式计算: 安 P (7-16) H,，H安保Ts 式中:P——防水煤柱所承受的静水压力，P; a T——突水系数; S H——保护层厚度(一般取10m)，m。 保 矿区如无实际突水系数，可根据隔水层岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面空顶距、采煤方法和顶板管理方法等因素参考其它矿区资料(表7—11)。 表7-11 某些矿区的临界突水系数值 矿区名称 临界突水系数(P /m) a 峰峰 0.66~0.76 焦作 0.60~1.00 淄博 0.60~1.40 井陉 0.60~1.50 4(煤层位于含水层上方且断层又导水的情况下防隔水煤柱的留设 当位于含水层上方，且断层又导水的情况下(图7—58)，主要煤层底板隔水层能否抗住下部含水层的压力和断层水在顺煤层方向上的压力。 图7—57 Ts值的安全临界线 图7—58 煤层位于含水层上方且断层导水时留设防隔水煤柱 当考虑底部压力时，应使煤层底板至断层面之间的最小距离(垂距)大于安全煤柱(H)安的计算值且不得小于20m，其计算公式为: H安L, (7-17) Sin,式中:α——断层倾角，度(?)，其余符号同前。 当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，应按式(7-12)计算煤柱宽度。根据此种方法计 31 算结果，取用较大的数值，但最小不得少于20m。 如果断层不导水，留设防隔水煤柱时，应使含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离(在垂直于断层走向的剖面上)，要大于安全煤柱的高度H即可(图7—58)，但最小安 不应少于20m。 5(在水淹区或老窑积水区下采掘时防隔水煤(岩)柱的留设 (1)巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进 时，巷道与水体之间的最小距离不得小于巷道高 度的10倍。 (2)在水淹区下或老窑积水区下同一煤层 中进行开采时，若水淹区或老窑积水区的界线已 经查明，防隔水煤(岩)柱的尺寸应按式7—12留设。 7—59 断层不导水时防水煤柱的留设 图 (3)在水淹区下或老窑积水区下的煤层中进 行回采时，防隔水煤(岩)柱的尺寸不得小于导水裂隙带最大高度和保护带高度之和。 6(其它防隔水煤(岩)柱的留设 (1)保护地表水体防隔水煤(岩)柱的留设，可参照有关“三下”开采的规程执行。 (2)保护通水钻孔防水煤柱的留设，要根据钻孔测斜资料换算钻孔见煤点坐标，按式7—12的方法留设。如无测斜资料，必须考虑钻孔可能偏斜的误差。 (3)相邻矿(井)人为边界防隔水煤(岩)柱的留设，要考虑矿井水文地质复杂程度等因素，具体可参照煤矿设计的有关规程或规定。 (4)井田以断层为边界防隔水煤柱的留设，必须考虑井田另一侧煤层的情况，以不破坏另一侧所留设煤(岩)柱为原则。除参照断层煤柱的留设外，尚可参考图7—60。 图7—60 以断层为界的井田边界防隔水煤柱的留设 三)水闸门和水闸墙 ( 为了预防采掘过程中发生事故，常需要在井下适当地点 设置水闸门或水闸墙，以便在突水时隔离巷道或封闭采区， 避免波及全矿井。 1(水闸门 一般设置在可能发生涌水需要堵截的巷道内，如井底车 场、水泵房和变电所的出入口处，以及有突水危险地区与相 邻地区的巷道内。水闸门类型有混凝土墙、门框和门扇等组 成(图7—61)，可根据水压大小用钢板或铁板制成。通常，门 66 的形状是平面状;当水压超过2.5×10~3×10Pa时，则采 图7-61 水闸门结构图 1—混凝土门垛;2—门框;3—门扇 32 4—放水管;5—风管;6—压力表安装孔 7—活动钢轨 用球面状。其细微构造可参照有关手册和参考矿上的实际经 验。门框的尺寸应能满足运输的需要，在无运输任务而又不经常行人的巷道内，可设置自动水闸门(图7—62)，利用涌水的压力使门自动关闭。 2(水闸墙 一般水闸墙是设置在需要永久或长期阻挡水的 地方。它分临时性的和永久性的两类。前者，一般用 木料和砖砌筑;后者用混凝土或钢筋混凝土制成。 水闸墙的形状有平面、园柱面和球面等三种。不 论哪种水闸墙均应有足够的强度，不发生变形，不透 水和不位移。因此，修筑水闸墙的地点应选择在岩石 图7—62 自动水闸门示意图 坚硬及没有裂隙的地点，且应在墙的四周掏槽砌筑 ，，(图7-63中的ABB、DCC部分)。 三、疏干降压 疏干降压是借助于专门的工程(如疏干巷道、抽水钻孔、放水 钻孔、吸水钻孔等)及相应的排水设备，并积极地、有计划有步骤 地使影响采掘安全的含水层降低水位(水压)或造成不同规模的降 落漏斗，使之局部疏干的一种矿井防治水手段。通常在下述条件 下应考虑疏干降压:矿层及其顶底板含水层的涌水，对矿井生产 有着严重的影响，不进行疏干降压无法保证采掘工作安全和正常 进行;矿床赋存于隔水或弱含水层中，但矿层顶底板岩层中存在 有含水丰富或水头很高的含水层，或虽含水不丰富但属流砂层， 采掘过程中有突然涌水、涌砂的危险;露天开采时，由于地下水 的作用，降低了土石的物理力学强度，导致边坡滑落。 图7—63 水闸墙计算示意图 按疏干时间阶段划分，疏干降压可分为预先疏干和平行疏干。若按疏干主体工程所在的地点，疏干降压又分为地面疏干、地下疏干和联合疏干。预先疏干是在井巷掘进开始前进行，待地下水位(水压)全部或部分降低后再开始采掘工作;平行疏干则与采掘工作同时进行，直至全部采完为止。无论何种类型，在实施前都要根据矿区水文地质和工程地质条件、矿床开采方法等，通过综合的技术经济比较后，制定疏干降压方案。 需要指出，疏干降压并非是预防地下水对矿井危害的唯一措施，当隔水层厚度大于或稍小于临界(安全)水头值时，也可不采取疏干降压而进行带压开采。 (一)地表疏降 从地面施工大口径钻孔，安装深井泵或深井潜水泵，对需要疏降的地段进行抽水，降低地下水位或使含水层完全疏干的一种方法。疏干钻孔的布置方式有:单直线型布置(地下水为一侧补给时采用)、单环行布置(地下水呈圆形补给时采用)、任意排列布置(疏降地段的平面几何形状比较复杂时采用)。 (二)井下疏降 井下疏干是直接利用巷道或在巷道中通过各种类型的疏水钻孔，来降低地下水位的一种疏降方法，故又称巷道疏降。 疏干巷道，按其在含水层中的相对位置有以下三种形式: 1(在基岩含水层中，疏干巷道布置在含水层中，进行直接疏降。如湖南煤炭坝煤矿将运输大巷直接布置到茅口灰岩中(图7—64)。 33 2(疏干巷道嵌入在含水层与隔水层之间。当煤层直接 顶板为含水层时，也可预先布置采准巷道疏干顶板含水层， 然后再进行回采工作(图7—65)。 3(巷道布置在隔水层或煤层中，通过放水钻孔、直接 式过滤器等疏降含水层，疏放出的水汇集于巷道内，再排 出地表。 (三)联合疏降 联合疏降是指两种及两种以上以上疏降方法的联合使 用。在水文地质、工程地质条件复杂的矿区，通常需要同 时采用或在不同阶段接替使用多种方法联合疏降充水水体 的水位。 四、矿井及露天矿排水 (一)矿井排水 图7-65 利用采准巷道疏水示意图 矿井排水是利用排水设备，将流入水仓的水直接排至 地表的防治水方法，是煤矿生产中的基本环节。一些山区用平硐开采当地侵蚀基准面以上的煤层，可借助平硐内的排水沟或专门开掘的泄水平硐自流排水。 1(排水方式 (1)直接排水。由各水平的水仓直接将水排至地表(图7—66)。 (2)分段排水。由下部水平依次排至上一水平，最后由最上部水平集中排至地表(图7—67a)。如果上部水平的涌水量很小或下部水平的排水能力负荷不足，也可将上水平水排至下水平，再集中排至地表(图7—67b)。 图7—66 直接排水方式示意图 图7—67 分段怕水方式示意图 (3)混合排水。当某一水平为具腐蚀性的酸性水时，可将该水平的水直接排至地表， 而其它水平的水仍可以分段接力方式排至地表。 2(排水系统 排水系统主要由排水沟、水仓、泵房和排水管路构成。 (1)在涌水量不大的矿井内，一般在运输巷道一侧挖排水沟排水。排水沟的断面取决 于涌水量的大小;排水沟的坡度通常与运输巷道的坡度相同(当水中含沉淀物质较多时坡度 应略大)。对于涌水量特大的矿井，需要设计专门的排水巷道。 (2)水经排水沟流入水仓。水仓的容量视涌水量大小而定，一般能容纳6h的正常涌水 量。水仓要经常清理。当矿井水含砂量较大时，应在水仓前面设置沉淀池。 (3)泵房是将水仓水排至地表、保证矿井安全生产的心脏，一般要求设置三套排水设备(一套运转，一套检修，一套备用)。 (4)排水管路是将水由井下排至地表的咽喉，应注意管道的防腐和渗漏。 (二)露天矿排水 34 露天矿排水方案的分类、使用条件及其主要优缺点，可见表7—12。具体选择时，除应根据自然地理、地质水文条件(如汇水面积及水量大小等)进行经济技术比较外，还应考虑不同排水方式对采矿各工艺过程(如穿爆、采装等)效率的影响。 表7—12 不同排水方案的使用条件和优缺点 排 水 方 案 使 用 条 件 优 点 缺 点 山坡型露天矿有自流排安全可靠，基建投资少，排自流排水方式 水条件，部分利用排水平硐受地形限制 水经营费低，管理简单 将水导出 露天采场底部集汇水面积小、水量小的泵站移动频繁，坑底作业基建工程小，投资少，移动中排水方式 中、小型露天矿;开采深度条件差、开拓延深工程受影式泵站不受淹没高度限制，施(1)半固定式泵站 浅，下降速度慢或干旱地区响;排水经营费高，半固定工较简单 (2)移动式泵站 的大型露天矿 式泵站受淹没高度限制 泵站多，分散，最低工作露天采场分段截汇水面积大，水量大的露露天坑底积水较少，开采作水平仍需有临时泵站配合，流永久泵站排水方天矿，开采深度大，下降速业和开拓延深工程条件较好，需开挖大容积储水池及水式 度快的露天矿 排水经营费低 沟等工程，基建工程量大 地下水量大的露天矿;深采场经常处于无水状态，开 部有巷道可利用;需预先疏采作业条件好，为穿爆、采、井巷工程量多，基建投资井巷排水方式 干的露天矿，深部用地下开装、运等工艺作业高效率创造多，基建时间长，前期排水 采，排水巷道后期可供开采良好的条件，不受淹没高度限经营费高 利用 制，泵站固定 五、堵水防渗 堵水防渗是包括注浆堵水和构筑防渗墙。前者，系指将各种材料(粘土、水泥、水玻璃及化学材料等)制成的浆液压入地下预定地点(如突水点、含水层储水空间等)，使之扩散、凝固和硬化，从而起到堵塞水源，增大岩石强度或隔水性能的作用;后者，是利用专门的施工机具在含水层中开挖沟槽，将防水材料浇灌到沟槽中，形成一道连续墙，以达到截流防渗的目的。 (一)堵水防渗在煤矿防治水工作中的应用 1(井筒注浆堵水 井筒注浆堵水是特殊凿井法的一种。当井筒涌水量大于一台泵的排水能力时，应采用注浆法施工。井筒注浆堵水的有以下三种类型。 (1)井筒地面预注浆。井筒开凿前，从地面施工钻孔，对含水层进行预先注浆，把水或流砂隔离在井筒开凿范围及其影响带之外，使井筒开凿时无水或少水，从而保证井筒安全顺利地穿过含水层或流砂层。 35 (2)井筒工作面预注浆。当井筒工作面接近含水层时，应停止掘进，从工作面向含水层施工注浆钻孔，进行预先注浆。 (3)井筒壁后注浆。井筒建成后，井壁后面有出水存在而造成井壁漏水、漏砂时，应在井筒内向壁后施工注浆钻井，进行壁后砌碹时，在出水点预埋导水管，供井壁建成后进行壁后注浆之用。 2(巷道注浆堵水 在涌水量大的坚硬岩层中掘进巷道时，可采用注浆法辅助掘进，将注浆材料压入岩层裂隙或溶洞中，以封闭透水通道。 3(注浆恢复被淹没矿井或采区 当矿井或采区突水被淹没后，注浆封闭突水点常是处理这类问题的最好措施之一。封闭突水点的钻孔数量，视具体情况而定。当突水点位置已知且范围不大及附近岩层完整时，可采用单孔注浆，直接封闭出水口。当突水点的位置不清，水量、水压较大，且突水点附近岩层破碎时，可围绕突水点布置一组钻孔(图7—68)进行帷幕注浆。 图7—68肥成大封矿9204工作面注浆堵水工程示意图 1—突水点;2—注浆孔及其编号 在动水中注浆时困难较多，为了增加水的流动阻力，减缓水的流速，一般需要先在钻孔中投入骨料(砂、砾石等)，然后注入速凝浆液，以免浆液被流动的水冲跑。 4(注浆帷幕截流 注浆帷幕截流是针对具有充沛补给水源的大水矿区，为减少矿井涌水量，而采取的一种连续拦截补给水源的防治水方法。实施中，通常在矿区主要进水边界或浅部垂直补给带施工一定间距的钻孔排，向孔内注浆，形成连续的隔水帷幕，阻截或减少地下水对矿区的影响，提高露天边坡的稳定性，防止因疏降排水引起的地面变形、开裂、塌陷等不良工程地质现象，保护地下水源。根据理论，注浆帷幕在任何情况下都能采用，但要进行技术经济计算与分析。 5(防渗墙堵水 防渗墙堵水技术是用特殊的施工机具，沿工程线边挖掘沟槽，边在沟槽内填入防渗材料，逐段形成连续的防渗墙。按墙体结构可分为桩柱式防渗墙、槽板式防渗墙、板桩灌注式防渗墙、泥浆槽防渗墙、装配式预制板防渗墙、旋喷法防渗墙等六种。 (二)注浆材料及注浆效果检验 1(注浆材料简介 注浆材料是直接影响注浆经济指标的重要因素。选择注浆材料时，应考虑堵水加固地段水文地质条件、岩层的裂隙、岩溶发育程度、地下水的流速及化学成分等因素。一般要求所 36 制成的浆液可注性和稳定性好(析水少、颗粒沉降慢)、凝结时间易于调节、固化过程最好是突变的、固结后具备所需要的力学强度、抗渗性和抗侵蚀性好、材料来源广和廉价、储运方便、配制和注入工艺简单、不污染环境。常用的注浆材料有粘土浆液、水泥浆液、水泥-水玻璃浆液和化学浆液等，这些浆液的大体适用范围见图7—69。 图7—69 注浆浆液适用范围示意图 2(注浆效果检验 地层注浆后能否达到设计要求和预想目标，应通过各种方法加以检查、鉴定。要在注浆施工情况及技术资料分析的基础上，投入一定的工程量对注浆进行检查和评价。 (1)以抽水或压水试验检查注浆效果。当第一组孔注浆结束后，于第二组孔或其中的1~2个孔进行抽水试验，以检查第一组孔的注浆效果。以后，待第二组孔注浆结束后，从第三组孔或其中的1~2个钻孔中抽水。或者在注完浆后，于注浆地段内水流上方或注浆效果较差的钻孔附近，布置1~2个检查孔进行抽水(或压水)检查。当质量不合要求时，可将检查孔当注浆孔使用，继续注浆，以确保注浆效果。 (2)对于先期施工钻孔的注浆效果，可利用后期施工钻孔取芯，检查注浆效果。对取芯和裂隙中浆液充填情况的分析，找出注浆地段的薄弱环节，从而通过后期施工的钻孔加以弥补。少数情况下也可在注浆结束后，在注浆地段专门布置钻孔取芯，以了解注浆效果和浆液扩散范围。 (3)井巷掘进通过注浆地段时，可对注浆效果进行最有效的实地观察，除可了解浆液充填情况和结石情况外，并可为以后的注浆施工提供宝贵的经验和资料。 最近几年，有些矿区(井)也在探索用物探方法检查和评价注浆效果。 37