1、第二章矿井充水条件分析,2,基本概念回顾,矿井水矿井透水矿井水灾水灾发生基本条件、原因、危害,3,矿井充水条件分析,矿井充水条件分析，是矿床水文地质学重要的研究内容之一，也是矿井水文地质工作的重要环节之一。,3,充水“水源”,充水“通道”,充水“强度”,矿井充水条件分析的主要内容,4,自 然充 水条 件分 析,矿井充水条件分析,人 为充 水条 件分 析,矿井充水条件分析,5,矿井充水条件分析,6,（一）自然充水水源 1.大气降水 大气降水是地下水的主要补给来源，所有矿床充水都直接或间接地与大气降水有关。 以大气降水为主要充水水源的矿井，其充水规律主要表现在： (一)矿井充水程度与地区降水量的多
2、少，降水性质和降水强度等有相应关系。 (二)由降水所造成的矿井充水，具有明显的季节变化规律，矿井最大涌水量都表现在雨季。据湖南某矿多年观测统计表明，雨季平均矿井涌水量为162m3/h，干季平均涌水量只有32m3/h。,矿井充水条件分析-自然条件,7,(三)由降水所造成的矿井充水，涌水量高峰出现要比降水高峰滞后一段时间，其时间的长短取决于煤层的开采深度、采区至补给区的距离以及充水含水层的透水能力等。,Text1,Text3,Text5,矿井充水条件分析-自然条件,8,降水量即从云中降到地面的液态水和固态水，未经渗透、蒸发和流失而在水平面上积聚的水层深度（或厚度），以毫米（mm）为单位。常见的表示
3、方法有日、月、年降水量，月、年平均降水量及多年（日、月）平均降水量等。 降水强度等级 （24小时强度等级（mm） 小雨 10 中雨 1024.9 大雨 2549.9 暴雨 50 小雪 2.5 中雪 2.55.0 大雪 5.0,矿井充水条件分析-自然条件,9,以大气降水补给为主的矿床具有下列特点： (1)矿床矿层(体)埋藏较浅； (2)矿床主要充水岩层(组)是裸露的或者其覆盖层很薄： (3)降水量大且采场面积也大的大型露天矿； (4)矿床处于分水岭或地下水位变幅带内。,矿井充水条件分析-自然条件,10,2.地表水 地表水体包括河流、湖泊、池沼和水库等。位于矿区内或矿区附近的地表水，常常成为矿井充
4、水的主要水源。在分析矿区充水条件时，应首先研究矿区所处的位置及其地形，看它是位于当地侵蚀基准面以上，还是在侵蚀基准面以下。地表水成为矿井水源时，对矿井的充水程度，主要取决于地表水体水量的大小、地表水与地下水之间联系的紧密程度、地表水的补给距离和充水岩层的透水性等各种因素。在分析与评价地表水对煤矿安全生产的影响时，要注意地表水体的特点、地表水体和煤层的关系及地表水体下部岩石的透水性。,矿井充水条件分析-自然条件,11,矿井充水条件分析-自然条件,地表水体能否成为矿井涌水水源，取决于地表水体与井巷之间有无直接或间接联系的通道。,12,3.围岩地下水水源 围岩地下水充水类型划分: 根据充水岩层性质不
5、同可分为：砂砾石孔隙充水矿床，坚硬岩层裂隙充水矿床，岩溶充水矿床。根据矿层与充水岩层接触关系不同可分为：直接充水矿床，间接充水矿床。 根据矿层与充水岩层相对位置不同可分为：顶板水充水矿床，底板水充水矿床，周边水充水矿床。,矿井充水条件分析-自然条件,13,上述矿井充水水源常是互相联系的，他们直接或间接地流入矿井。大气降水多为矿井的间接水源，也是主要控制因素，它是矿井涌水量的总根源。降水落到地表后，一部分流入地表水体，另一部分则渗入含水层和老窑中，分别形成含水层水和采空区积水，于是成为矿井充水的直接水源，只要煤矿采掘过程中遇到这种水源，地下水就会直接涌入矿井。我们在分析矿井充水水源时，必须结合煤
6、矿具体的水文地质条件，区分矿井充水的主要和次要因素，才能有针对性地防治地下水。,矿井充水条件分析-自然条件,14,(二) 充水天然通道 点状岩溶陷落柱、线状断裂（裂隙）带、窄条状隐伏露头、面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄或尖灭）和地震裂隙等。 1.点状岩溶陷落柱通道 岩溶陷落柱在我国北方较为发育，在地下水的长期物理和化学作用下, 中奥陶统灰岩形成了大量的古喀斯特空洞, 在上覆岩层和矿层的重力作用下, 空洞溃塌并被上覆岩层下陷填实，被下塌的破碎岩块所充填的柱状岩溶陷落柱像一导水管道沟通了煤系充水含水层中地下水与中奥陶统灰岩水的联系, 特别位于富水带上的岩溶陷落柱, 可造成不同充水含水层组中地下水
7、的密切水力联系。岩溶陷落柱的地表特征比较明显, 特别在基岩裸露区更为明显。,矿井充水条件分析-自然条件,15,矿井充水条件分析-自然条件,如开滦矿区范各庄煤矿2171工作面1984年6月发生的奥灰水通过陷落柱的突水，最大水量达到2053m3/min。,16,2.线状断裂(裂隙)带通道 断裂带是否能够成为充水通道主要取决于断裂带性质和矿床开采时人为采矿活动方式与强度。这里重点分析断裂带的性质，后面问题在充水人为因素部分讲述。,矿井充水条件分析-自然条件,17,3.窄条状隐伏露头通道 在我国许多煤矿山, 煤系薄层灰岩含水层和中厚层砂岩裂隙含水层以及巨厚层的碳酸盐岩含水层多呈窄条状的隐伏露头形式与上
8、覆第四系松散沉积物不整合接触，影响隐伏露头部位多层充水含水层组地下水垂向间水力交替的因素主要有两个：隐伏露头部位基岩风化带的渗透能力大小上覆第四系底卵孔隙含水层组底部是否存在较厚的黏性土隔水层。,矿井充水条件分析-自然条件,18,4.面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)通道 在华北型煤田的北部一带, 煤系含水层组主要以厚层状砂岩含水层组为主, 薄层灰岩沉积较少。 在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组。在地质历史的多期构造应力作用下, 脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力, 致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理, 形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网
9、络。,矿井充水条件分析-自然条件,19,矿井充水条件分析-自然条件,5地震裂隙通道 根据开滦唐山矿在唐山地震时矿井涌水量和矿区地下水水位的长期观测资料，地震前区域含水层受张力作用时，区域地下水水位下降，矿坑涌水量减少。当地震发生时，区域含水层压缩，区域地下水水位瞬时上升数米，矿坑涌水量瞬时增加数倍。强烈地震过后，区域含水层逐渐恢复正常状态，区域地下水水位逐渐下降，矿井涌水量也逐渐减少。震后区域含水层仍存在残余变形，所以矿井涌水在很长时间内恢复不到正常涌水量；矿井涌水量变化幅度与地震强度成正比，与震源距离成反比。,20,（一）人为充水水源 1.袭夺水 随着矿床开采范围的扩大，区域地下水位降落漏斗
10、不断扩展，人工疏降地下承压含水层的活动强烈改造着矿区的天然地下水流场，地下水流场获得新的补给水源称袭夺水源。主要包括三种情况：位于矿床所在区的地下水流动系统排泄区的泉水；位于矿床开采区的地表水体；相邻水文地质单元地下水。,矿井充水条件分析-人为条件,21,2.老窑水 废弃的小煤窑和煤矿的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而保存的地下水，称为老空（窑）水。 其充水特点主要表现在： (一)水量以静储量（即巷道在未揭露含水层之前，实际储存在含水层中的地下水）为主。若发生突水，短时间内可有大量积水涌入矿井，来势凶猛，破坏性很强。 (二)当老空（窑）水和其他充水水源没有水力联系时，一旦突水，虽然涌水量大
11、，但保持时间不长，容易疏干，若老空水和其他的充足水源发生水力联系，就可以形成量大而稳定的涌水，对煤矿安全生产危害较大。 (三)老空水的水质一般为酸性大，腐蚀性强。,矿井充水条件分析-人为条件,22,（二）充水人为通道 矿坑充水人为通道包括顶板冒落裂隙带、地面岩溶疏干塌陷带和封孔质量不佳钻孔等。 1.顶板冒落裂隙带 采空区冒落后，形成的冒落带和导水裂隙带是矿坑充水的人为通道，其特点如下：当冒落裂隙带发育高度达到顶板充水岩层时，矿坑涌水量将有显著增加，当未能达到顶板充水岩层时，矿坑涌水无明显变化；如图1当顶板冒落裂隙带发育高度达到地表水体时，矿井涌水量将迅猛增加，同时常伴有井下涌砂现象，如图2。,
12、矿井充水条件分析-人为条件,23,矿井充水条件分析-人为条件,24,矿井充水条件分析-人为条件,图 1,图 2,25,2.地面岩溶疏干塌陷带 随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干实践，矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见，地表水和大气降水通过塌陷坑充入矿井。有时随着塌陷面积的增大，大量砂砾石和泥砂与水一起溃入矿坑。 3.封孔质量不佳的钻孔 由于封孔质量不佳，常导致某些钻孔变成人为导水通道，当掘进巷道或采区工作面经过这些没有封好的钻孔时，顶、底板充水含水层地下水将沿着钻孔补给矿层，造成涌(突)水事故。,矿井充水条件分析-人为条件,26,在自然界矿床分布中，单一充水水源和充水通道的矿床是少
13、见的。 从水文地质剖面可以看出，矿层（体）上部和下部往往分布多个充水含水层组。 究竟哪个是充水含水岩层？ 哪个不是充水含水岩层？ 哪个是强充水含水岩层组？ 哪个是弱充水含水岩层组？ 回答这些问题的方法称为矿床充水强度分析。,矿井充水条件分析-充水强度,27,在煤矿生产中，把地下水涌入矿井内水量的多少称为矿井充水程度，用来反映矿井水文地质条件的复杂程度。 生产矿井常用含水系数（KB）或者矿井涌水量（Q）2个指标来表示矿井充水程度。 1、含水系数 含水系数又称富水系数，它是指生产矿井在某时期排出水量Q（m3）与同一时期内煤炭产量P(t)的比值。即矿井每采1t煤的同时，需从矿井内排出的水量。含水系数
14、KB的计算公式为：KB = Q/P,矿井充水条件分析-充水强度和指标,28,根据含水系数的大小，将矿井充水程度划分为以下4 个等级：充水性弱的矿井：KB 10 m3/t 2. 矿井涌水量 矿井涌水量是指单位时间内流入矿井的水量，用符号Q 表示，单 位为m3/d 、m3/h、m3/min。根据涌水量大小，矿井可分为以下4个等级 涌水量小的矿井：Q 15 m3/min。,矿井充水条件分析-充水强度和指标,29,3按照突水点每小时突水量的大小，将突水点划分为小突水点、中等突水点、大突水点、特大突水点等4个等级：小突水点：Q60 m3/h；中等突水点：60 m3/hQ600 m3/h；大突水点：600
15、 m3/hQ1800 m3/h；特大突水点：Q1800 m3/h。,矿井充水条件分析-充水强度和指标,30,矿井水各种类型总汇,85-90%水害来自地下水！,矿井充水条件分析-充水强度,31,1、充水岩层的出露条件和接受补给条件 充水岩层的出露条件，直接影响井田范围内煤层顶、底板含水层接受补给的大小。 充水岩层的出露条件包括它的出露面积和出露地形条件。,影响矿井充水水量大小的因素,出露面积 指接受外界补给水量的范围。显然，出露面积愈大，则吸收降水和地表水的渗入量就愈多，反之则少；出露地形条件 指出露的位置、地形的坡度及形态等，它关系到补给水源的类型和补给渗入条件。如分布在地形较陡的分水岭地段，
16、只能接受降水入渗补给，且地形陡，降水大部呈地表径流流失；分布于低洼处，不仅能接受降水的补给，而且也能得到地表径流汇入洼地的补给。故在同等出露面积的情况下，后者获得补给水量比前者多。若直接位于河床下，则大量吸收地表水，对矿井充水程度影响更大。,32,矿区范围内覆盖层透水性能的强弱是分析矿井充水强度的一个重要因素，因为降水和地表水的充水作用，往往是通过覆盖层进行的。若矿区范围内广泛分布有弱透水层或不透水覆盖层，并且具有一定厚度和稳定性，那么就可以有效地阻止降水或地表水的渗入。 在分析覆盖层透水性时，需要考虑开采条件下的转化，如采空区上方的采动裂隙，矿井长期排水或突水时，引起的地表开裂和塌陷，会破坏
17、覆盖层的隔水作用。,影响矿井充水水量大小的因素,33,影响矿井充水水量大小的因素,2、矿井的水文地质边界条件矿井的侧向边界条件侧向边界指矿井内煤层或含水层与其周围的岩体、岩层、地表水体等接触的界面，称侧向边界。按边界的过水能力来分，有透水边界、隔水边界和弱透水边界3种。透水边界（如透水断层、地表水体）是指能从外界获得补给的边界；隔水边界是指该界面两侧无水量交换，如火成岩体或隔水断层，且直接充水含水层与泥岩、页岩接触；弱透水边界是指直接充水含水层与区域含水层接触，但断层带弱透水或阻水，两侧水量交换微弱。,34,影响矿井充水水量大小的因素,煤层顶、底板的隔水或透水条件 （1）煤层及其直接顶、底板的
18、隔水或透水条件，是影响矿床充水强度的关键因素之一。 底板为稳定隔水层。 顶板为隔水层、底板为弱透水层。 顶、底板均无隔水层存在时，则降水入渗量及侧向边界补给量等均会成为矿井涌水量。 （2）顶、底板的隔水能力。 当煤层上覆和下伏有地表水体或强含水层时，则顶、底板的隔水能力是影响矿井充水的主要因素。,35,影响矿井充水水量大小的因素,3、地质构造条件 构造的类型和复杂程度，对矿井充水强度影响很大。褶皱构造往往构成承压水盆地或斜地储水构造，构造类型的不同，则充水含水层的分布面积、空间位置、补径排条件亦有差别，从而矿井充水强度也不一样。大型储水构造往往构成一个独立的水文地质单元，不仅充水含水层厚度大，
19、而且分布广，接受降水或其他水源的水量就多，反映其排泄量大，矿区总排水量也大，矿井突水量大，水文地质条件复杂。反之，相对较简单。,36,根据矿山调查资料表明，矿床开采后矿井充水强度除取决于充水含水层的富水性、导水性、厚度和分布面积外，还取决于三个防线。第一防线是充水含水层出露和接受补给水源的条件；第二防线是充水含水层侧向边界的导水与隔水条件；第三防线是矿层顶、底板岩层的隔水条件。,矿井充水的关键性条件分析,37,第一防线：充水含水层出露和接受补给源的条件,充水含水层组出露和接受补给水源的条件可以划分为5种情况：（1）矿区位于山前地带，煤系地层与煤系充水含水层大面积被第四系黏土、亚黏土层覆盖；（2
20、）矿区位于平原地区，煤系地层与煤系充水含水层大面积与第四系砂砾石含水层直接接触，矿床开采时由于第四系砂砾石含水层强烈充水，形成拟定水头强渗透边界，涌水较大；（3）矿床分布于湖底下，煤系地层与煤系充水层位于湖底下；（4）一般矿床，井田范围内无第四系松散覆盖沉积层和地表水体分布，煤系地层直接出露地表；（5）矿床分布于季节性河流下部，季节性河流成为矿床开采的季节性充水水源。,38,第二防线：充水含水层侧向边界条件,对于充水含水层组侧向边界的导水与隔水条件，我们将以直接充水矿床侧向边界导水、隔水条件为例，分析不同性质水力边界对矿床充水强度的影响。 直接充水矿床是指矿井煤层直接顶、底板均为充水含水层的矿
21、床。矿床充水强度的强弱与直接充水含水岩层本身的富水性、渗透性等有关，直接充水含水层的侧向边界导隔水性是决定其矿床充水强度的重要因素之一，侧向水力边界的封闭程度是评价直接充水矿床充水强度的重要指标之一。,39,第三防线：矿层顶、底板岩层的隔水条件,（1）隔水顶板 我国南方大部分地区开采龙潭煤系的上部煤组，煤层上部长兴灰岩含水层为间接顶板充水含水层。该类岩溶充水含水层矿床的充水强度主要取决于煤层与长兴灰岩之间岩段的防隔水性能。（2）隔水底板 矿床底板突水是一个非常复杂的非线性动力学突变问题，它受许多因素的控制，最重要的因素是煤层底板隔水岩段的防隔水性能。在相同水头压力和矿压的作用下，煤层底板防隔水
22、性能主要取决于隔水岩段的岩性、岩性组合、隔水岩段厚度、稳定性及断裂构造的发育情况等 煤层底板突水与煤层底板岩段的岩性和岩性组合的关系 煤层底板突水与煤层底板岩段沉积厚度的关系 煤层底板突水与煤层底板岩段断裂构造发育程度的关系,40,作业题,（1）我国煤矿水害可以划分为那六个水害区？ （2）根据水源特征，矿井水害类型可以划分为那几类水害？（3）矿井水、矿井透水和矿井水灾的概念（4）矿井水灾发生的原因及危害（5）以大气降水补给为主的矿床具有哪些特点？（6）矿井充水的天然通道和人为通道有哪些？（7）地下水充水水源类型有哪几种不同的划分方法？（8）袭夺水和老窑积水的概念？（9）矿井充水量大小的影响因素
23、有哪些？（10）矿井充水的关键性条件分析有那三条防线？,第三章矿井突水预兆与突水量估算,42,（一） 一般突水预兆（1）煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，且 淋水可由小变大；有时煤帮出现铁锈色水迹；（2）工作面气温降低，或出现雾气及硫化氢气味；（3）有时可听到水的“嘶嘶”声；（4）矿压增大，发生片帮冒顶及底鼓。,矿井突水预兆,43,（二） 工作面底板灰岩含水层突水预兆（1）工作面压力增大，底板鼓起，底鼓量可达500mm以上；（2）工作面底板产生裂隙，并逐渐增大；（3）沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊，底板活
24、动时水变浑浊、底板稳定时水色变清；（4）底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并有“嘶嘶” 或刺耳水声；（5）底板发生“底爆”，伴有巨响，水大量涌出，水色乳白或呈黄色。,矿井突水预兆,44,（1）突水部位发潮、滴水，滴水逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；（2）发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清时混，总的趋势是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出；（3）顶板发生溃水、溃砂，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。,（三）松散孔隙含水层突水预兆,矿井突水预兆,45,（四）矿井突水易发生的地段（1）断层交叉或汇合处；（2）断层尖灭或消失端一带；（3）褶曲轴部裂隙密集带或小断裂密
25、集带；（4）背斜倾伏段一带；（5) 两条大断层相互对扭地带，即张扭性破碎带，导致小构造密集。,矿井突水预兆,46,（6）与导水或富水大断裂成人字形连接的小断裂带；（7）复合部位小断层与次级小褶曲轴在地层倾向急剧转折带上的复合部位，或小褶曲轴与地层倾向转折带的复合部位或平缓小轴曲翼部；（8）压性断裂下盘、张性断裂上盘因富水性强，井巷通过或接近时往往发生突水；（9）新构造活动强烈的断裂带；（10) 不同力学性质的断裂组成的断裂带，富水性最强，易于发生突水。,矿井突水预兆,47,发生突水后，水量的估算是一项必不可少的工作，根据现场具体条件，迅速而准确地对突水水量做出估算，是突水事故处理和抢救的重要依
26、据。 现场估算方法：浮标法、水泵标定法、容积法,突水后水量估算,48,突水后水量估算,49,2、水泵标定法 突水后，一般应增开水泵或增加水泵运转时间，水仓内增加的水量可用下式计算 式中 W水泵的铭牌排水量（m3min）； N增开的水泵台数； K水泵的排水系数； Ht时间内水位上升高度（m）； S水仓的水平断面面积，m2； t水位上涨H所用的时间，min,突水后水量估算,50,3、容积法 矿井突水时，如水由下向上充满井下巷道及其它空间可利用下水平巷道硐室的淹没时间来估算突水量，即式中 V下水平巷道的淹没体积，m; t 淹没时间，min; S 下水平硐室巷道的水平断面，m2； H在t时间内水位上升
27、高度，m。,突水后水量估算,51,突水后水量估算,突水后，如将下水平巷道淹没，水位上升至回采过的采空区，则涌水量可用下式计算：式中 K采空区的淹没系数； S求积仪在平面图上量得的淹没面积，m2； H水位上涨的高度，m； M采区煤层的实际采高，m； 岩层的倾角，（）； t 水位上升所用的时间，min。,52,（二）突水总水量的估算 突水抢险过程中，需及时掌握从突水开始到某一时刻的突水总水量，其计算方法如下：1 算术迭加法 V=Q1t1+Q2t2+Q3t3+ +Qntn，m3式中 V从突水开始到某一时刻止突水总体积，m3 Q1 Qn从突水开始分段计算突水的涌水量，m3/min t1 tn从突水开始
28、到某一时刻止，与上述涌水量相 对应的连续时间段（t1+t2+t3+tn=t，min）。2曲线求积仪法 在直角坐标纸上，绘出涌水量变化曲线，其横坐标为时间,纵坐标为涌水量,绘出从突水开始到某一时刻涌水量变化曲线，在曲线图上用求积仪量出坐标轴与曲线所包围的全面积，然后用该面积乘以单位面积所代表的水量，得出水淹没的总体积。,突水后水量估算,53,（三）淹没时间的预计 矿井突水后，应定时测量水量及水位上涨速度，并及时预测某一段时间内的水位上涨速度，这对抢险排水具有重要意义。矿井突水过程中，水量常呈不稳定状态，可用较简单的直线回归统计法推算。即： 式中 Q涌水量，m3/min； t 涌水时间，min； a、b待定系数。,突水后水量估算,54,在水量变化的情况下，矿井淹没水位上升时间可用下式计算：式中 V1采空区的总孔隙体积，m3； V2已疏干的含水层的裂隙体积，m3 ； QP预测到某时刻水量与最后一次实测水量的平均值，m3/min。,突水后水量估算,Thank You !,精品资料网（http:/）成立于2004年，专注于企业管理培训。提供60万企业管理资料下载，详情查看：http:/
