水灾防治(第2章).

第二章矿井充水条件第一节充水水源矿井水的来源主要有：地下水、地表水、大气降水、老窑积水一、地下水第二章充水条件第一节充水水源地下水•赋存于地表以下岩层空隙中的重力水称为地下水。•岩层空隙的大小、多少、联通性和分布规律直接影响煤层中地下水的多少及循环运动。（一）隔水层与含水层1.隔水层第二章充水条件第一节充水水源岩层中的空隙给地下水储存创造了先决条件，但外界的水能否进入岩层空隙中，并在其中运移，取决于岩石与水作用所显示的一些性质，这些性质称为岩石的水理性质。岩石的水理性质地下水无法透过、起着阻隔作用的岩层称为隔水层。常见的隔水层有黏土层、泥炭和坚硬岩层中的泥岩、页岩等。隔水层2.含水层第二章充水条件第一节充水水源含水层是指既能储存重力水又能让水自由流动的岩层。岩层构成含水层必须具备三个条件：①具有储存地下水的空间。②具有能聚集和储存地下水的地质条件。③具有足够的补给水源。透水层：若无补给水源，或有补给水源但补给量少于排泄量时称为透水层。图2-1表土层中潜水的埋藏要素示意图如图2-1，该区的表土层自上而下由砂层、砂砾石层和黏土层组成，其中砂层和砂砾石层透水性好，而下部黏土层透水性差。当大气降水渗入到透水砂层之后，继续下。因其底部伏有黏土隔水层，重力水被阻于隔水层上，经过一定时间，地下水不断聚集，砂砾石层中就饱含重力水，这就形成了含水层。oo′—基准面bb′—潜水面cc′—隔水层顶面地表面潜水埋藏深度含水层厚度潜水位第二章充水条件第一节充水水源（二）储水构造第二章充水条件第一节充水水源地下水的聚集、储存，除了有含水岩层外，还必须具备一定的隔水界面与之相组合。这种含水岩层与隔水界面有利于聚集、储存水的不同组合，形成储水构造。由一个稳定的隔水层和这个隔水层之上的含水层以各种不同形式组合而成。具有如下特点：①潜水面上部无隔水顶板，大气降水、地表水可以直接渗入补给，潜水的补给区和分布区通常是一致的。②潜水上部有一个自由水面，称潜水面。潜水面上任意一点均受大气压力，潜水不承受静水压力。③潜水在重力作用下，由高水位往低水位方向流动。图2-1中，潜水面至下部隔水层之间充满重力水的部分称含水层，两者间的距离称含水层的厚度值，潜水面至地面的距离称潜水的埋藏深度值，潜水面上任意一点的绝对标高，称为该处的潜水位（H）。④潜水往往受地形影响，在地形低洼处以泉的形式或通过河流排泄转化为地表水。图2-2承压水埋藏要素图第二章充水条件第一节充水水源•承压水含水层上部和下部均有隔水层存在，承压水储水构造是由含水层、上覆和下伏隔水层组合而成。这种模式决定了含水层中的地下水承受静水压力，故称为承压水。•承压水的特征：无自由水面，且承受静水压力；隔水层顶板的存在，使大气降水和地表水只能通过承压水的补给区补给，造成补给区与分布区不一致；隔水顶板的存在使大气圈、地表水联系减弱，气象、水文因素对承压水影响较小，表现出较稳定的动态。常见的承压水储水构造，有向斜型承压水储水构造和单斜型承压水储水构造两种，前者称承压水盆地，后者称承压水斜地。•承压水盆地由补给区、承压区和排泄区3个部分组成（见图2-2）。图2-3断块构造形成的自流斜地（三）地下水的类型第二章充水条件第一节充水水源根据含水岩层的空隙性质不同可以分为：松散岩层颗粒之间的空隙称为孔隙，赋存于其中的水称为孔隙水。孔隙水的存在条件和特征取决于孔隙发育程度。孔隙水由于埋藏条件不同，可形成潜水和承压水。赋存于坚硬岩石裂隙中的重力水称裂隙水。裂隙水的赋存和特征与裂隙性质和发育程度有关。根据裂隙的成因，可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙3类。可溶性岩石如石灰岩、白云岩等被水溶蚀后产生的空隙称为岩溶，赋存于其中的地下水称岩溶水。岩溶的形态是多样的，小到溶孔、溶隙、溶槽，大到溶洞、溶沟及暗河。（四）充水情况流入矿井的地下水由两部分组成：储存量指充水岩层空隙中储存水的体积。动储量指充水岩层获得的补给水量。第二章充水条件第一节充水水源井巷直接揭露或穿过的含水层和煤层开采后经冒裂带及底板突水等途径直接向矿井进水的含水层称直接充水含水层。直接充水含水层：与直接充水含水层有水力联系，但只能通过直接充水含水层向矿井充水的含水层称间接充水含水层。间接充水含水层：二、地表水第二章充水条件第一节充水水源（一）地表水充入矿井条件地表水体包括河流、湖泊、沼泽和水库等。位于当地侵蚀基准面以上的含煤地层，地下水补给地表水，矿井在当地侵蚀基准面上进行生产时，则不受地表水影响。位于当地侵蚀基准面以下时，地表水有可能补给地下水，为地下水聚积创造条件。（二）分析要点1.地表水体的特点地表水体分季节性的和常年性的。季节性的应注意汛期洪峰流量、最高洪水位及涉及范围和季节变化特点。3.地表水体和煤层的关系煤层位于地表水面以上，开采时不受地表水影响，但开采位于地表水面以下煤层时要受到影响，影响程度与地表水体的距离有关。2.地表水体下部岩石的透水性了解地表水体下松散沉积物的类型、透水性和松散沉积物与矿井充水岩层的接触关系，掌握地表水体与充水含水层之间是否存在水力联系。三、大气降水第二章充水条件第一节充水水源（一）充水情况大气降水是地下水的主要补给来源，矿井充水直接或间接受到大气降水的影响。（二）充水规律①矿井充水程度与地区降雨量大小，降水性质、强度和渗入条件有关。②矿井涌水量变化与当地降水量变化过程相一致，具有明显的季节性和多年周期性变化规律。③同一矿井，随开采深度的增加，涌水量和涌水动态比值（正常涌水量除以最大涌水量）逐渐减少，且涌水量峰值出现时间滞后。四、老窑积水古代的小煤窑和近代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，称为老窑积水。老窑积水有以下特点：①老窑积水多分布于矿体浅埋处。②老窑积水以储存量为主，犹如一个地下水库。当煤（岩）柱尺寸不够，其强度小于积水的静水压力时，即可发生突水，在短时间内大量积水涌入矿井，来势凶猛，破坏性强。③老窑和旧巷积水与其他充水水源无水力联系时，一旦突水，虽然涌水量很大，但持续时间不长，容易疏干；若与其他水源有水力联系，可形成量大而稳定的涌水量，对煤矿生产危害较大。④老窑积水是长期积存起来的，多为酸性水。水中硫酸根离子含量每升水可达4000～6000mg。pH值仅仅为1～2，有强的腐蚀性，对矿山设备危害甚大。⑤老窑积水多为褐红色，浑浊发臭，气味性强，易于辨认。第二章充水条件第一节充水水源第二节涌水通道•矿井涌水通道有构造断裂带、接触带、导水陷落柱、采矿活动造成的裂隙、封闭不良的导水钻孔和岩溶塌陷及“天窗”等。一、构造断裂带与接触带矿区含煤地层中存有数量不等的断裂构造，它不仅使断裂附近岩石破碎、位移，也使地层失去完整性，从而成为各种充水水源涌入矿井的通道。地层的假整合或不整合的接触带，由于空隙发育，当它与水源靠近时，也可能成为地下水进入矿井的通道。无论是构造断裂带还是接触带，它们都是地层中由于地质作用强度变弱，岩体完整性遭到破坏的地带，对于矿井充水具有非常重要的意义。第二章充水条件第二节充水通道（一）断层性质第二章充水条件第二节充水通道按形成力学性质不同，可分为两种：1.张性和张扭性正断层：由引张力形成正断层2.压性和压扭性逆断层：由挤压力形成逆断层由于力学性质和构造岩性质不一样，所以其导水性能也不一样。张性断裂和裂隙的破裂面多数是张开的，破碎带中多为角砾层，疏松多孔，具有空隙，有利于地下水的流动和储存。这类断层具有导水性，是矿井涌水的良好通道。压性断裂和裂隙的破裂面多数是闭合的，破碎带常充有断层泥或糜棱岩，所以这类断层具有隔水性或弱透水性。因压性断层阻水，故在断层一侧或两侧储存有丰富的地下水。（二）断层两盘的岩性组成含煤地层的岩石可分为两种类型：当断层两盘均为脆性岩石接触时，张性正断层导水性能良好，压性扭断层有微弱的透水性。脆性，脆性岩石如石灰岩和硅质胶结的砂岩柔性，柔性岩石有黏土岩（包括泥岩、页岩）、煤层等。二、导水陷落柱我国岩溶陷落柱多发育于北方石炭二叠纪煤系地层，如山西的太原、西山、霍州，河北的井径、峰峰、开滦，江苏的徐州，山东的新汉，河南的安阳、鹤壁、焦作等矿区。岩溶陷落柱按其充水特征可分为两大类型：不导水陷落柱导水陷落柱第二章充水条件第二节充水通道岩溶陷落柱•是指埋藏在煤系地层下部的巨厚可溶岩体，在地下水溶蚀作用下，形成巨大的岩溶空洞。空洞顶部岩层，当其失去对上覆岩体支撑能力时，上覆岩体在重力作用下向下垮落，充填于溶蚀空间中。因其剖面形态似一柱体，故称岩溶陷落柱。（一）不导水陷落柱陷落柱基底溶洞发育规模不大，陷落岩石碎胀堆积充满溶洞和盖层陷落空间，且经压实作用填塞了洞内空间，与上覆地层中各含水层裂隙互不相通，溶蚀作用终止，陷落柱失去透水条件，巷道穿过时不淋水、不涌水。（二）导水陷落柱基底溶洞发育，空间很大，其容量大于陷落柱岩块的充填量。三、采矿造成的裂隙通道1.冒落带图2-4顶板破坏分带示意图第二章充水条件第二节充水通道（一）回采工作面上方形成的岩层移动分带冒落带是指回采工作面放顶后引起直接顶板垮落破坏的范围。第二章充水条件第二节充水通道2.导水裂隙带导水裂隙带是指冒落带以上大量出现离层的裂隙分布范围。其断裂程度、透水性能由下往上由强变弱，可分为：①严重断裂段②一般开裂段③微小开裂段3.弯曲沉降带弯曲沉降带是指由导水裂隙带以上至地表的整个范围。煤层采动后，由矿山压力向煤层底传播，当煤层底板岩体的强度不足于抵抗矿山压力时，就会发生变形破坏，产生位移，回采工作面或巷道可能会出现底鼓现象。当发生位移的范围波及到底板含水层时，就会形成导水通道。第二章充水条件第二节充水通道（二）煤层采动后对底板岩层的破坏四、封闭不良钻孔煤田地质勘探或生产建设时期，井田内施工许多钻孔，均可揭穿煤层和各含水层，形成沟通含水层的人为通道。按《煤矿安全规程》要求，钻孔施工完毕后必须注浆封孔，在钻孔封闭不良或没有封闭的情况下，当开采接近或揭露这些钻孔时，造成突水事故。第二章充水条件第二节充水通道五、岩溶塌陷及天窗具有一定厚度松散层覆盖的岩溶矿区，因矿井排水后，导致地表产生的塌陷称岩溶塌陷。产生岩溶塌陷必须具备三个条件：①隐伏灰岩上部覆盖有松散沉积物。②灰岩岩溶发育，有大的溶蚀空洞存在，其中充满地下水。③矿井大量排水。塌陷的形态平面上多半为圆形、椭圆形，剖面上多为坛形、井状、漏斗状，多半分布在第四系厚度较薄处、河床两侧和地形低洼地段。岩溶塌陷通道的存在容易引起第四系孔隙水、地表水大量下渗和倒灌，使大量水和泥砂涌入矿井，给矿井安全生产造成极大威胁。天窗指含水层顶板隔水层由于岩相变化或隔水层受后期冲刷而失去隔水性的部位。第二章充水条件第二节充水通道第三节充水强度一、矿井充水程度地下水储存在不同的充水含水层中，含水层的埋藏条件和岩石性质不同，含水强度也不同，当采掘工作面接近或揭露含水层时，涌入矿井的水量也不一样。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。用含水系数（KB）或矿井涌水量（Q）两个指标来表示矿井充水程度。第二章充水条件第三节充水强度（一）含水系数含水系数又称富水系数，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，即矿井采一吨煤时需从矿井内排出的水量。含水系数用KB表示。即:BQKP（2-1）根据含水系数的大小，将矿井充水程度划分为4个等级：①充水性弱的矿井：KB2m3/t。②充水性中等的矿井：KB＝2～5m3/t。③充水性强的矿井，KB＝5～10m3/t。④充水性极强的矿井：KB＝10m3/t。（二）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，单位可采用m3/d、m3/h、m3/min。根据涌水量大小矿井涌水量可分为4个等级：①涌水量小的矿井：Q2m3/min②涌水量中等的矿井：Q＝2～5m3/min③涌水量大的矿井：Q＝5～15m3/min④涌水量极大的矿井：Q15m3/min二、影响矿井涌水量大小的因素第二章充水