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煤矿水害防治知识1 防治水基础知识1.1 地下水的起源降水渗入地下形成的地下水，称为渗入水但是降水的渗入并不是地下水的唯一来源部分地下水的成因，无法用降水渗入解释干旱的沙漠地区，降雨稀少，有时整个夏季都不下一滴雨，但在沙丘中仍可以见到水汽凝结形成的地下水，即凝结水当地面温度低于空气的温度时，空气中的水汽便要进入土壤和岩石的空隙中，在颗粒和岩石表面凝结形成地下水还有一部分地下水既不是渗入水，也不是水汽凝结形成的，而是由岩浆中分离出来的气体冷凝形成，这种水是岩浆作用的结果，称为初生水此外，与沉积物同时生成或海水渗到原生沉积物的孔隙中而形成的地下水，称为埋藏水在渗入水、凝结水、初生水、埋藏水等成因的地下水中以渗入水最为常见1.2 岩石中的空隙 自然界中的各种岩石，不论是松散层的第四系沉积物，或是坚硬致密的基岩，都存在着大小不等、形状各异的空隙自然界岩石的空隙差异极大，规律大者如可溶岩中的地下厅堂，可达数十万立方米；最小的显微孔隙和劈理，连肉眼也难以辩认岩石空隙差异如此之大，与其不同的成因有关根据成因可将空隙分为三大类：孔隙、裂隙、溶隙（穴）地下水就存在于岩石的空隙中，空隙越发育，储存的地下水就越多，地下水的运动越通畅。

因此，岩石中的空隙，不仅是储水空间，又是地下水的运移通道孔隙 存在于松散沉积物或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙这些空间相互连通，呈小孔状，储水空间为孔隙的地下水称为孔隙水裂隙 裂隙就是坚硬岩石形成时或形成以后由于各种内外营力的作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙岩石在成岩过程中，如岩浆岩的冷凝收缩或沉积岩的固结干缩作用都可产生裂隙（成岩裂隙）；岩石在形成后由于构造变动受力可产生构造断裂裂隙（构造裂隙）；或经受风化作用产生风化裂隙（风化裂隙）储水空间为裂隙的地下水称为裂隙水溶隙 可溶性岩石（如盐岩、石膏、石灰岩、白云岩等）经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产生的空隙，称之为溶隙，也称为溶穴溶穴包括溶孔、溶蚀裂隙、溶洞和暗河等溶穴是可溶性岩石在原有空隙的基础上经地下水长期的差异溶蚀作用而形成的空隙，其形态和大小变化很大，不均匀性尤为突出，大型溶洞宽可在数十米，高可达数十米到上百米，长可达数十千米，而深部的小溶孔直径仅数微米储水空间为溶穴的地下水称为岩溶水 自然界岩石空隙的发育情况非常复杂松散岩石的空隙通常以孔隙为主，但某些松散岩石也发育裂隙，如黄土发育垂直裂隙，某些粘土干缩后可产生干缩裂隙，由于发育有干缩裂隙也可以含有一定量的地下水。

坚硬的基岩主要发育裂，但某些沉积岩也发育孔隙，如凝灰岩、风化的火山沉积岩可溶性岩石由于差异溶蚀，有的部位发育溶穴，有的部位发育裂隙，有的部位发育孔隙孔隙形成于颗粒之间，其分布均匀，连通良好，在各个方向上孔隙的大小和多少几乎接近，赋存于其中的地下水分布和流动都比较均匀坚硬基岩的裂隙是宽窄不等的线状缝隙，具有一定的方向性，分布不均匀溶隙的空隙大小悬殊，分布极不均匀，故溶隙中地下水的分布与流动也极不均匀1.3 地下水的赋存水在岩石中的存在形式如下：⑴、气态水：即水蒸汽，它来源于大气中的水汽与液态地下水的蒸发夏季白天的气温高于岩石的温度，于是水汽将由大气向岩石空隙中运动、聚集并凝结成为凝结水，夜晚则方向相反；此外，在年常温带以下，深部的温度总是高于上部，水汽蒸发后总是向上运动，然后聚集凝结成为液态水气态水在一定温度、压力下与液态水相互转化，二者保持动平衡，因而对岩石中水的重新分配有很大意义⑵、结合水：由于静电引力作用而吸附在岩石颗粒上的水叫结合水其中最靠近颗粒表面受静电引力最大的部分结合水称强结合水，其外层受静电引力较小的叫弱结合水强结合水又称吸附水，不能自由运动，只有加热到105～110℃，使其成为气态水时才能将它与岩石分开。

弱结合水又称薄膜水⑶、重力水：岩石空隙全部被充满，在重力作用下运动的液态水称重力水重力水在自身重力影响运动，是水文地质学研究的主要对象⑷、毛细水：由于毛细力的作用而充满岩石毛细空隙中的水称毛细水岩石的毛细孔隙（直径小于1mm）和毛细裂隙（宽度小于0.25mm）就如同细小的玻璃管一样，可以发生毛现象即在表面张力作用下水可沿重力水面上升一定的距离，形成毛细上升带⑸、固态水：以固体冰形式存在于岩石空隙中的水称固态水当岩石温度低于水的冰点0℃时，岩石空隙中的重力水便冻结成为固态水冻结岩石中并不是所有的水都呈固体状态，结合水尤其是强结合水，其冰点较低仍可保持液态固态水分布于多年冻结区或季节冻结区⑹、矿物水：是存在于矿物晶体内部或晶格之间的水，又称化学结合水，包括沸石水、结晶水和结构水等矿物水一般来说不能被被利用，只有当高温变质岩脱水以后，才能从矿物中析出，并转变为上述各种类型的水①、沸石水：以水分子（H2O）形式存在于矿物晶格空隙之中的水称沸石水方沸石（Na2Al2Si4O12·nH2O）中所含的水便是沸石水沸石水与矿物结合得很不牢固，矿沸石水的含量并不固定，随湿度的变化而变化常温下当湿度下降时，所含的水可以从沸石中逸出。

②、结晶水：以水分子形式进入矿物结晶格架并成为某些矿物的组成成分时叫结晶水如将矿物加热到400℃以上时，结晶水便可从矿物中分离出来，水分离出来后，矿物本身并未遭到破坏如石膏（CaSO4·2H2O）加热后，随着水分子的溢出，石膏本身并未遭到破坏，而是分解为硬石膏（CaSO4）和自由水（H2O）③、结构水：结构水是以H+和OH-形式存在于矿物结晶格架中的水，在矿物中并不保持水分子（H2O）结构H+和OH-与矿物结合处非常紧密，如白云母（K Al2[AlSi3O10]OH2），白云母只有加热到400℃以上，H+和OH-才能分离出来，随着它们的析出，白云母也被破坏了地下水就存在于岩石的空隙中，空隙越发育，储存的地下水就越多，地下水的运动越通畅因此，岩石中的空隙，不仅是储水空间，又是地下水的运移通道1.4 含水层和隔水层含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层因此，含水层应是空隙发育的具有良好给水性和透水性的岩层如各种砂土、砾石、裂隙和容穴发育的坚硬岩石隔水层则是不能透过并给出或只能透过与给出极少量水的岩层因此隔水层具有良好的持水性，而其给水性和透水性均不良，如粘土、页岩和片岩等含水层首先应该是透水层，是透水层中位于地下水位以下经常为地下水所饱和的部分，地下水位上部未饱和部分则是透水不含水层。

形成含水层具备的条件：1、岩层具有储存重力水的空间：岩石的空隙越大，数量越多，连通性越好，储存和通过重力水就越多，越有利于形成含水层坚硬砂岩的孔隙虽不发育，但发育构造裂隙和风化裂隙，裂隙成为其主要的储水空间，所以砂岩是含水层2、具备储存地下水的地质结构：具有空隙的岩层必须有一定的地质构造条件才能储水一个含水层的形成必须要有透水层和不透水层组合在一起，才能形成含水地质构造3、具有充足的补给水源： 充足的补给水源、丰富的补给量是决定含水层水量大小和保证程度的重要因素含水层与隔水层只是相对而言，并不存在截然的界限，二者是通过比较而存在的，同样的岩层在不同的地质条件下可能具有不同的含水意义如河床冲积相粗砂岩中夹粉砂岩，粉砂岩由于透水性小，可视为相对隔水层；但是粉砂岩若夹在粘土中，粉砂岩因其透水性大则成为含水层，粘土层作为隔水层含水层的相对性表现在所给出的水是否具有实际价值，即是否能满足开采利用的实际需要或对采矿工程造成的危害含水层与隔水层之间可以相互转化如粘土，通常情况下是良好的隔水层，但在地下深处较大的水头差作用下，当其水头梯度大于起始水力坡度，也可能发生越流补给，透过并给出一定数量的水而成为含水层。

隔水层的隔水作用是防治水工作重点研究的内容，煤层直接顶底板一般都是泥岩、砂质泥岩和粉砂岩等，它们将可采煤层与含水层分离，阻止充水含水层中水涌向矿井，保证煤矿的安全开采隔水层的隔水作用主要取决于隔水层的厚度、岩性、力学性质、岩层组合关系和裂隙发育情况等隔水岩层的厚度越大，力学强度越大，柔、脆性岩石配置得当，断裂裂隙不发育，则其抵抗水压的能力越大，隔水性能就越好，煤矿生产就越安全1.5 常用水文地质参数介绍1、单位涌水量（q）对某一含水层进行抽（压）水，含水层在单位时间降深抽出（压入）的水量计算公式：q=Q/S，Q—抽水井的涌水量，S—单位时间水位降深，单位涌水量常用来描述含水层的富水性含水层赋水性的等级标准：（《矿井水文地质规程》附录一）含水层的含水性差别很大，根据给出水量（q）的大小可划分为四个等级，即q＜0.1l/s.m，含水小的含水层（弱含水层）0.1≤q＜2l/s.m，含水中等含水层（中等含水层）2≤q＜10l/s.m，含水丰富含水层(强含水层)q≥10l/s.m，含水极度丰富含水层（极强含水层） 2、渗透系数（K）水文地质学把岩石本身可以通过流体的能力称为渗透系数(用K表示)渗透系数也称水力传导系数，是描述含水层渗透能力的重要水文地质参数。

根据达西公式，渗透系数代表当水力坡度为1时，水在介质中的渗流速度，单位是m/d或cm/s渗透系数大小与岩石的性质（粒度成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性质和发育程度等）和水的物理性质（粘滞性、容重等）有关一说是指液体在一昼夜（24小时）在固体里面流动的长度，一般用m/d渗透系数K能用来表示岩层的透水性，但它不能单独说明含水层的过水能力一个K值较大的含水层，如果厚度很小，它的过水能力也是有限的为此引出导水系数（T）又称水力传导系数（hydraulic conductivity)在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：κ=kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示渗透系数愈大，岩石透水性愈强强透水的粗砂砾石层渗透系数〉10米/昼夜；弱透水的亚砂土渗透系数为1～0.01米/昼夜；不透水的粘土渗透系数<0.001米/昼夜.据此可见土壤渗透系数决定于土壤质地达西（Dracy）渗透定律地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。

为了揭示水在土体中的渗透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律图2-3 达西渗透实验装置图达西实验的装置如图2-3所示装置中的①是横截面积为A的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为l 的侧压管筒底以上一定距离处装一滤板②，滤板上填放颗粒均匀的砂土水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持一个恒定值渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量q设△t时间内流入量杯的水体体积为△V, 则渗流量为q=△V /△t 同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值h1，h2，Δh为两断面之间的水头损失 达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h 成正比，与断面间距l 成反比，即 （2-1）或 （2-2）式中i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透速度，cm/s 式（2-1）和（2-2）所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。

3、导水系数（T）导水系数也是一个重要的水文地质参数，即含水层的渗透系数与其厚度的乘积其理论意义为水力梯度为1时。