矿井水文地质及防治水.ppt

矿井水文地质及水害防治 主讲人——李兴照 本次分五节来讲： 第一节 矿井水文地质的基础知识 第二节 矿井充水条件 第三节 矿井水害防治 第四节 地球物理勘探技术 第五节 煤矿常用的物探技术,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，称为大气水分布于地表上的海、河湖、冰川中的水，称为地表水；埋藏于岩石空隙中的水称为地下水煤层周围岩层（围岩）中蕴藏的地下水是复杂的自然系统，他的形成条件、赋存规律、物理性质、化学成分和水动力特征等，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上，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上循环的重要组成部分一）地球上的水循环自然界中的水（大气上、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，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，凝结而形成降水河流，称为地表径流；另一部分渗入地下变为地下水，在透上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循环从海洋→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）、埋藏说（埋藏水）和脱出说（脱出水）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2.凝结水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）中的水分为气体水、液体水（吸着水、薄膜水、毛细水和重力水）和固体水等形式。

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，但不能被植物吸收即使在空气不移动的情况下，气态水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二）液态水液态水包括结合水、毛细水和重力水其中结合水有强结合水、弱结合水之分1、强结合水（也称吸着水）岩石的颗粒表面带有电荷，水分子又是偶极体在静电引力或分子引力的作用下，岩石颗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，并且具有导电性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，则变成固态水冬季土壤冻结，就是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颗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、结合水和毛细水的分布，这一范围称为包气带，即岩石空间未被水充满的地带在地下水面以下，岩石的空隙被重力水充满的部分，称为饱和带三、地下水的基本类型及特征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，还可以按地下水的温度、气体成分、运动性质极其动态特征进行分类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分为上层滞水、潜水、承压水,（一）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此分布范围有限，水量少，对矿山的建设和生产几乎没有影响二）潜水1、潜水的特征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藏条件的影响，主要表现在三个方面：（1）潜水无隔水顶板，而有一个自由水面，称为潜水面2）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潜水面向上至地表之间的距离，称为潜水的埋深3）潜水在重力作用下，由高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水流的方向平面状的潜水面在自然界中是少见的，常见的是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。

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水位时，即产生河水补给潜水现象人工浇灌、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三）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，都可称为承压水其基本特征为：（1）由于承压水受上下隔水层限制并充满于含水层之间，因而承受静水压力当所承受的静水压力较大，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）由于承压水受隔水层限制，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，常表现出较稳定的状态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向斜构造称为承压水盆地（自流盆地）；单斜构造称为承压水斜地（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盆地的低洼处通常是排泄区的分布范围，在该区范围内，承压水通过泉或其他方式排出承压水有两种排泄方式：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；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性的隔水层或天窗以越流方式进行缓慢排泄，该盆地属于封闭性自流盆地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例子类型前者，地形与构造一致；后者，地形与构造不一致不论何种类型，测压水位高的含水层都会通过越流或钻孔、断裂带补给测压水位低的含水层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。

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，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3.承压水测压水位面的表示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，它是根据承压水面上测压水位标高相同点的连线绘制而成根据等水位线图，可以解决以下四个问题：（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位线，由高水位向低水位方向运动等水位线越密，水头梯度越大2）判断含水层岩性和厚度的变化3）确定承压水的埋深和承压水头值4）确定潜水与承压水的水力联系四）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，称为孔隙水孔隙水因埋藏条件不同，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—滞水、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。

重点介绍矿区最常见的两种孔隙水1、洪积物中的孔隙水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，故又称洪积扇地面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、亚黏土因此，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（溶虑带）、中部溢流带（弱矿化带）和尾部垂直交替带（盐化带）的水文地质分带性2、冲击物中的孔隙水河流冲击作用形成的冲击物，通常由黏土、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，冲击物的分布不一样，其水文地质特征各有不同河流上游以冲刷为主，冲击物一般不发育，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，上部为亚黏土、亚砂土；下部为砂砾层，透水性好，富水性强，局部具有承压性质下游以沉积为主，冲击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、亚粘土及黏土在垂直方向上，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。