煤矿地质学6矿井水课件

第六章第六章 矿井水矿井水矿井水矿井水是在煤矿生产过程中，流入或渗入井筒、是在煤矿生产过程中，流入或渗入井筒、井下巷道和工作面的大气降水、地表水、地下水井下巷道和工作面的大气降水、地表水、地下水和老窑积水的总称。和老窑积水的总称。矿井水常常会给采掘工作带来许多不利的影响。矿井水常常会给采掘工作带来许多不利的影响。如如:矿井水会使工作环境恶化；影响生产效率及矿矿井水会使工作环境恶化；影响生产效率及矿工的身体健康等等。尤其是矿井突透水危害更大，工的身体健康等等。尤其是矿井突透水危害更大，往往造成矿井的局部或全部淹没。因此为了有效往往造成矿井的局部或全部淹没。因此为了有效地防治矿井水，经济合理地开发煤炭资源，必须地防治矿井水，经济合理地开发煤炭资源，必须了解矿井水的相关知识。了解矿井水的相关知识。第一节 地下水的基本知识一、自然界中水的循环二二、地下水的物理性质及化学成分、地下水的物理性质及化学成分（一）地下水物理性质（一）地下水物理性质1、温度、温度：地下水的温度与埋藏深度有关2、颜色、颜色：决定与地下水化学成分与所含悬浮物质，地下水无色，含有某些化学成分或悬浮杂质时呈现不同的颜色。3、透明度、透明度：决定于固体和胶体悬浮物含量。4、气味、气味：取决于水中化学成分和有机质。5、味、味：取决于水中化学成分。6、比重、比重：决定于水中所含盐分的多少。（二）地下水化学成分（二）地下水化学成分1、地下水中的主要化学成分、地下水中的主要化学成分：1）离子状态）离子状态：H+Na+K+Mg+NH4+等阳离子；OH-、SO4=、HCO3、CO3等阴离子。2）化合物状态化合物状态：FeO3、Al2O3等。3）气体状态）气体状态：N2、CO2、O2、CH4、H2S等。4）地下水中分布最广的）地下水中分布最广的7种离子种离子：Cl、SO4=、HCO3、Na+、K+、Ca+、Mg+2、地下水的化学性质、地下水的化学性质：1）PH值值：地下水按PH值划分：强酸性水 弱酸性水 中性水 弱碱性水 强碱性水 饮用水 9 6.58.52）侵蚀性）侵蚀性 主要是指水对碳酸盐类物质（如石灰岩、混凝土）的侵蚀能力。分为碳酸性侵蚀、硫酸性侵蚀及镁化性侵蚀。3）总矿化度）总矿化度地下水所含各种离子、分子和化合物的总量，简称矿化度。4）水的硬度地下水的硬度大小，主要取决于地下水中Ca2+和Mg2+的含量。地下水按总硬度划分：（毫克当量/升）极软水 软水 微硬水（弱）硬水 极硬水 9三、水在岩石中存在的组成三、水在岩石中存在的组成气态水：气态水即水蒸汽，它和空气一起分布于包气带岩石空隙中。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、受静电引力最大的那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。毛细水：充满于岩石毛细空隙中的水，毛细水可传递静水压力，有一般水的特点，可被植物吸收重力水：岩石空隙全部被充满、在重力作用下运动的液态水称为重力水。重力水是水文地质学研究的主要对象，也是能利用的主要部分，重力水在运动时有层流和紊流两种形式。固态水：当岩石的温度低于零度时。地壳岩石中的水矿物结合水空隙中的水沸石水、结晶水结构水结合水液态水固态水气态水强结合水弱结合水重力水毛细水四、含水层、隔水层、透水层四、含水层、隔水层、透水层含水层含水层：能透过水并给出相当数量水的岩层。隔水层隔水层：不能透过并不能给水或只能透过与给出极少量水的岩层。指标：渗透系数小于0.001m/d含水层形成的条件岩层具有储存重力水的空间（孔隙、裂隙、溶隙）具备储存地下水的地质结构（透水-含水-隔水、隔水-含水-隔水）具有充足的补给水源自然界中也有一些岩石，其裂隙、岩溶等较发育，能透水，但不含重力水，把这类只能透水单不含重力水的岩层称为透水层五、地下水的分类五、地下水的分类（一）按埋藏条件分类（一）按埋藏条件分类分为上层滞水、潜水、层间水分为上层滞水、潜水、层间水1、上层滞水、上层滞水：是埋藏在离地表不深，包气带中局部隔水层之上的重力水。特点：一般分布不广，呈季节性变化，雨季出现，旱季消失，其动态变化与气候、水文因素的变化密切相关。利用及危害情况：只能作小型或暂时性供水水源，对矿山建设无影响2.潜水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。相关的概念：潜水面潜水面：潜水的上表面是一个自由水面，称为潜水面含水层含水层：从潜水面至隔水层之间、充满重力水的部分称为含水层。含水层的厚度(h)：潜水面至隔水层的距离称为含水层的厚度埋深(h1)：地表到潜水面之间的距离称为潜水的埋深潜水位(H)：潜水面上任意一点的绝对标高，称为潜水位潜水的主要特征潜水的分布区与补给区是一致的潜水是无压水潜水的水量、水位、水质等动态变化与气象因素的关系密切潜水始终是由高水位向低水位不断地至运动等水位线图，即潜水面等高线图做法：根据潜水面上标高相同的点连接而成的应用确定水流方向确定潜水面的水力坡度判断地表水与潜水的相互补给关系确定潜水埋藏深度推断含水层岩性或厚度的变化3.层间水层间水埋藏并充满两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。分为无压层间水和承压水无压层间水：两个隔水层间的含水层未被重力水充满，仍具有自由水面而不承受压力，只有在重力作用下有高处往低处流动承压水：充满两个稳定隔水层之间的含水层，含水层中具有压力的重力。承压水的特征：承受静水压力补给与分布区不一致。动态变化不显著承压水不具有潜水那样的自由水面自流盆地自流盆地：赋存承压水的向斜盆地。（1）补给区a：盆地四周位置较高处含水层出露的地带。（2）承压区b：含水层上部具有隔水层的地段。钻孔或水井揭穿顶板时，承压水便涌入孔内，并继续上升到一定高度后稳定，此时的水位承压水位。承压水位到隔水顶板面的距离承压水头H。两个隔水层之间的垂直距离含水层厚度M。自流斜地：自流斜地：赋存承压水的单斜构造。（1）由断层形成的自流斜地）由断层形成的自流斜地：断层不导水：承压水无独立的排泄通道，当补给水量大于含水层所能容纳的水量时，含水层的水就通过补给区低洼区排泄，此时补给排泄区一致。断层导水：含水层通过断层排泄，断层与地表相交并形成泉。（二）地下水按含水层性质分类1、孔隙水、孔隙水：赋存和运移在松散岩层中的底下水。1）广泛分布在第四纪和第三纪未胶结的沉积物中。2）按埋藏条件可形成上层滞水、潜水、承压水。3）赋存和运移取决于孔隙的大小和数量。4）重要的供水水源，需要解决煤矿生产中的水文地质问题。2、裂隙水、裂隙水：埋藏在基岩裂隙中的地下水。1）按埋藏条件可形成上层滞水、潜水、承压水。2）赋存和运移取决于裂隙的性质（大小、数量、分布面积等）。3、岩溶水：、岩溶水：赋存和运移在可溶性岩石中的地下水。1）岩岩溶溶水水的的特特征征：（1）灌入式的迅速补给；（2）管道式的畅通迳流；（3）暗河式的集中排泄。2）岩溶发育的层位）岩溶发育的层位：（1）质纯可溶性岩层。（2）可溶性岩层的断层部位。（3）可溶性与不可溶性岩层接触部位。（4）褶曲轴部。（5）可溶性岩层的浅部。（6）可溶性岩层产状急剧变化部位。六、泉泉是地下水的天然露头，地下水通过断层泉是地下水的天然露头，地下水通过断层等流出地面就形成泉，它是排泄地下水的等流出地面就形成泉，它是排泄地下水的一种重要方式。一种重要方式。按照泉的形成方式可分为下降泉和上身泉。按照泉的形成方式可分为下降泉和上身泉。第二节 矿井充水条件在煤矿建设和生产过程中，进入井筒、巷道和工作面的各种类型水源的水称为矿井矿井水。水。水进入矿井的过程称矿井充水。水进入矿井的过程称矿井充水。矿井充水水量的大小有许多因素综合作用矿井充水水量的大小有许多因素综合作用决定。其中水源和充水通道是两个主要因决定。其中水源和充水通道是两个主要因素，即充水条件。素，即充水条件。一、矿井充水的水源一、矿井充水的水源大气降水、地表水、地下水和老窑积水（一）大气降水（一）大气降水大气降水是矿井水的重要补给来源特点：1、矿井涌水程度与降水大小、降水强度和持续时间有关。2、矿井涌水量有明显的季节性变化。3、大气降水渗入量随开采深度增加而减少。（二）地表水（二）地表水 地表水体包括：河流、湖泊、池沼、水库等。在评价地表水体时矿井充水影响时，需要考虑以下几个问题：1、其本身特点其本身特点：2、与煤层的相对关系：、与煤层的相对关系：1）地表水体位于煤层之下，无影响。2）位于煤层之上，有影响，其影响大小取决于：（1）二者的垂距；（2）地下水体的岩性组合。（三）地下水（三）地下水地下水是矿井充水最直接、最主要的充水水源。主要有孔隙水、裂隙水、岩溶水。（四）老窑积水（四）老窑积水采空区或废弃巷道，由于长期停止排水而积水的地下水称老窑水。老窑水的特点：1、象地下水库，且浅部分布较多。2、分布无规则，准确位置不易确定。3、酸性大，多为强酸性水。二、矿井充水的通道矿区只有充水水源存在，还不能决定矿井是否充水，还必须有把水源水引入矿井的通道，即充水通道（一）岩石的孔隙 这种通道往往存在于未成岩的松散沉积物中，其透水性能取决于孔隙的大小和形态，孔隙大涌水量就大。（二）岩石的裂隙（二）岩石的裂隙 风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙均能构成矿井涌水通道，其中风化裂隙、成岩裂隙所含水量不大，只有与其它水源连通时，才能使矿井充水，构造裂隙是矿井涌水和矿井突水的主要通道。构造裂隙包括：节理、断层和巨大的断裂破碎带。1、节理、节理：脆性岩石中节理较发育，且为张性节理，透水性好，柔性岩石中节理细小，透水性差。2、断层、断层：1）隔水断层；2）透水断层。3、断裂破碎带、断裂破碎带：具有较高的空隙，有利于突水。（三）岩石的溶隙（三）岩石的溶隙 岩石的溶隙是可溶性岩层被溶蚀而形成。（四）人工通道（四）人工通道1、崩落法采煤造成的裂隙。2、钻孔造成的涌水通道。3、矿井长期排水三、三、影响涌水量大小的因素影响涌水量大小的因素影响矿井涌水量大小的因素有影响矿井涌水量大小的因素有：充水来源、充水通道、覆盖层岩 性、围岩岩性、地形条件等。1、覆盖层及围岩岩性：、覆盖层及围岩岩性：2、地形条件：、地形条件：3、地质构造：、地质构造：地质构造是影响矿井涌水量大小的重要因素。1）断裂面：）断裂面：断裂面性质不同对涌水量打下的影响程度不同。（1）压性断裂面；（2）张性断裂面；（3）扭性断裂面。2）构造部位：）构造部位：不同的构造部位对矿井涌水量影响程度不同。（1）断层产生的裂隙发育地段，对矿井涌水量影响大。（2）断层交叉点容易突水。（3）断层密度大的地段，岩石破碎、裂隙发育、易突水。（4）有些矿井断层上盘次一级的断裂较发育，突水性强。第三节第三节 矿井水害防治矿井水害防治一、水文地质观测及实例矿井水源的分析正确与否，主要取决于观测资料的全部性和可靠性。（一）矿井水的观测主要包括水位观测、流量观测、水质观测等（二）矿井涌水量的测量方法测量矿井涌水量，要求在井下布置观测站，观测站设置在井下有代表性的地点，如主要巷道排水沟、采区石门排水沟以及井下水点附近。在观测站上要定期测量涌水量。常用的测量方法有容积法、浮标法、堰测法和流速仪法。（三）矿井涌水量的预测矿井涌水量的大小是衡量和评价矿井充水程度的重要标志，也是煤矿设计和生产部门制定采掘方案，确定矿井排水能力、制定疏干措施和选择排水设备的主要依据。因此，做好矿井涌水量的预测是一项重要的基础工作。1.含水系数法2.单位面积单位降深法二、矿井水的综合治理及实例二、矿井水的综合治理及实例（一）地表防水（一）地表防水 指在地表修筑排水工程，以防止或减少大气降水和地表水渗入井下。地表防水的主要措施地表防水的主要措施：1.慎重选择井筒位置井口（平硐口）和工业广场内主要建筑物的标高应在当地历年最高洪水位以上。2河流改道在矿井范围内有常年性河流流过且与矿井充水含水层直接相连,或河水渗漏是矿井的主要充水水源时，可在河流进入矿区的上游地段筑水坝，将河流截断，用人工另修河道使河水远离矿区。3铺整河底矿区内有流水沿河床或沟底裂缝渗入井下时，则可在渗漏地段用粘土、料石或水泥铺垫河底，防止或减少渗漏。4填堵通道矿区范围内，因采掘活动引起地面沉降、开裂、塌陷而形成的矿井进水通道，应用粘土、水泥或凝胶予以填堵。5挖沟排（截）洪挖沟排（截）洪地处山麓或山前平原区的矿井，因山洪或潜水流渗入井下地处山麓或山前平原区的矿井，因山洪或潜水流渗入井下构成水害隐患或增大矿井排水量，可在井田上方垂直来水构成水害隐患或增大矿井排水量，可在井田上方垂直来水方向布置排洪沟、渠，拦截、引流洪水，使其绕过矿区。方向布置排洪沟、渠，拦截、引流洪水，使其绕过矿区。6排除积水排除积水有些矿区开采后引起地表沉降与塌陷，长年积水，且随开有些矿区开采后引起地表沉降与塌陷，长年积水，且随开采面积增大，塌陷区范围越广，积水越多。此时可将积水采面积增大，塌陷区范围越广，积水越多。此时可将积水排掉，造地复田，消除水害隐患。排掉，造地复田，消除水害隐患。7加强雨季前的防汛工作加强雨季前的防汛工作做好雨季防汛准备和检查工作是减少矿井水灾的重要措施。做好雨季防汛准备和检查工作是减少矿井水灾的重要措施。（二）疏放地下水（二）疏放地下水疏放地下水是从消除水源威胁着手防治矿井水的积极措施，包括老窑、采空水的探放；煤层顶板水的疏放；煤层底板水的疏放。从而把地下水水位降低到安全水位以下，或者疏干达到矿井安全生产的目的。1.老窑、采空水的探放探放老窑积水的工作程序探放老窑积水的工作程序：1）调查老窑分布）调查老窑分布：2）探水起点）探水起点：（1）积水线：调查核定的采空区边界。（2）探水线：积水线外推60-150m的一条线。其确定依据：资料的可靠性、积水区水头压力和煤层厚度等条件。（3）警戒线：探水线平行外推50-100m所圈定的一条线。2.煤层顶底板水的疏放1）吸水钻孔）吸水钻孔：将煤层上部含水层中的水通过钻孔放入下部含水层中。使用的条件是：（1）煤层下部含水层的水位低于煤层底板或煤层下部岩层干燥无水。（2）煤层下部含水层的吸水能力大于上部含水层的泄水量。2）放水钻孔）放水钻孔：当煤层下部含水层水压很高，有突水危险时，常常采用此方法。（三）井下防治水（三）井下防治水1.井下防水煤柱的留设井下防水煤柱的留设：在受水害威胁的地段，预留一定宽度和厚度的煤层不采，使工作面的水体保持一定的距离，以防止地下水或其它水源馈入工作面，所留设的煤层防水煤柱。在矿区遇下列情况应留设防水煤柱在矿区遇下列情况应留设防水煤柱：1）急倾斜煤层上覆含水层（疏松含水层）：2）煤层直接与含水丰富的岩层接触时。3）煤层被强含水层所掩盖时。4）巷道接近导水断层时。2、井下截水建筑物的设置、井下截水建筑物的设置：1）水闸门）水闸门：是预防井下突然涌水威胁矿井安全而设置的一种特殊闸门，它在正常情况下不妨碍运输、通风和排水，一旦发生水害时，将其关闭可控制水流，把水害控制在一定范围内，保证其它采区安全生产。2）水闸墙：）水闸墙：可分为临时性水闸墙和永久性水闸墙。临时性水闸墙是用木料和砖料砌筑；永久性水闸墙为混凝土或采用钢筋混凝土。3.注浆堵水注浆堵水：注浆堵水注浆堵水：将浆液压入地层空隙，使其扩张、凝固硬化后，起到堵、截补给水源或加固地层的作用。（1）、注浆堵水的应用）、注浆堵水的应用：1 1）井筒地面预注浆）井筒地面预注浆：2 2）井筒工作面预注浆）井筒工作面预注浆：3 3）井筒井壁注浆）井筒井壁注浆：4 4）恢复被淹矿井：）恢复被淹矿井：（2）、注浆材料：）、注浆材料：注浆材料是注浆堵水及加固工程中的一个重要组成部分，它关系到注浆工艺、工期、成本及注浆效果。1）水玻璃）水玻璃：一种胶状无机聚合物，具粘结性和胶结性,它能溶于水，又能硬化。其制造原料是纯石英砂和碳酸钠。描述水玻璃性能的重要指标“模数（n）”。m=SO2克分子数/Na2O克分子数。一般为2.42.8为宜。2）水泥）水泥：400#-500#普通硅酸盐水泥。3）水泥水玻璃的配比参考规程）水泥水玻璃的配比参考规程（3）、注浆设备）、注浆设备1）注浆泵；2）搅拌机；3）混合器。（4）、注浆步骤）、注浆步骤：1）、清渣；2）、堵缝埋管；3）、注浆。