矿井水充水条件分析Word文档格式.docx

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以大气降水为主要充水水源的矿井，其涌水量变化有如下规律：

a.矿井充水程度与地区降水量大小、降水性质、强度和入渗条件有关。

如长时间的降雨对入渗有利，矿井涌水量大，反之，则矿井涌水量就小；

b.矿井涌水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；

c同一矿井，随着开采深度的增加，涌水量贬值出现时时间滞。

这是由于随着开采深度的增加岩层透水性减弱和补给距离增加所致。

大气降水可分为地形雨、对流雨、锋面雨三种基本类型。

2、地表水

在有大型地表水体分布（河流、水库、水池）的矿区，查清天然条件下和矿井开采后的地表水对矿井开采的影响，是矿区水文地质勘探和矿井水文地质工作的头等大事，是评价矿井开采价值的重要内容。

地表水不仅可能千万矿井突然涌水，严重情况下会导致水沙同时溃入矿井。

地表水能否进入井下，由一系列的自然因素和人为因素决定，主要取决于巷道距地表水体的远近、水体与巷道之间的地层及构造条件和所采用的开采方法。

一般来说，矿体距地表水体愈近影响愈大，充水愈严重，矿井涌水量愈大。

若矿井充水水源为常年存在的地表水体时，则地表水体越大，矿井涌水量越大，且稳定，淹井时不易恢复；

而季节性地表水体为充水水源时，对矿井涌水量的影响则随季节性变化；

另外，地表水体所处地层的透水性强弱，直接控制矿井涌水量的大小，地层透水性好，则矿井涌水量大，反之则小。

当有断层带沟通时，则易发生灾难性的突水，同样，不适当的开采方法，也会千万人为的裂隙，从而增加沟通地表水渗入井下的通道，使矿井涌水量增加。

3、地下水（围岩地下水水源）

围岩地下水充水类型划分：

a根据充水岩层性质不同可分为：

砂砾石孔隙充水矿井，坚硬岩层裂隙充水矿井，岩溶充水矿井。

b.根据矿层与充水岩层接触关系不同可分为：

直接充水矿井，间接充水矿井。

c.根据矿层与充水岩层相对位置不同可分为顶板水充水矿井，底板水充水矿井，周边水充水矿井。

矿井由表土层至含煤地层间存在有众多的含水层，但并非所有含水层中的地下水都参与矿井涌水，即使参与矿井充水的含水层，它们的充水程度也有很大的判别，故必须对矿体周围含水层按对矿井充水程度加以区分。

在煤矿生产中，井巷直接揭露或穿过的含水层和煤被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。

那些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含水层，它是直接充水含水层的补给水源。

在天然条件和开采时都不能进入井巷的地下水，则不属于充水水源，仅属于矿区内在存在的地下水。

流入矿井的地下水由两部分组成，即储存量和动储量。

储存量是指充水岩层空隙中储存水的体积，即巷道未揭露含水层时其实际储存的地下水。

动储量是指充水岩层获得的补给水量。

它是以一定的补给与排泄为前提，以地下径流的形式，在充水岩层中不断进行水交替。

矿井在开采初期，进入矿井的地下水以储存量为主，随着较长期的降压疏放，动储量逐渐取代了储存量而进入矿井。

因此，以消耗存量为主的矿井，在排水初期就会出现最大涌水量，随着储存量的消耗，涌水量就逐渐减少，以致很快疏干。

相反，如果以消耗动储量为主，则排水初期涌水量较小，以后随着开采巷道的不断扩大，并随着降落漏斗的形成而趋于稳定。

由此可见，二者相比，储存量较易疏干，而动储量则往往是矿井充水的主要威胁。

岩溶水在我国华北和华南的许多矿区较为常见。

如华北石炭、二叠纪含煤地层厚度达数百米，假整合于岩溶比较发育的奥陶系灰岩强含水层之上。

就郑州矿区而言，多次发生的重大突水事故，其直接或间接水源绝大多数为灰岩含水层中的岩溶水。

岩溶水源突水的一般特点是：

水压高、水量大、来势猛、涌水量稳定，不易疏干，危害性大。

其突水规律受岩溶发育程度及规律的控制。

二、人为充水水源

1、袭夺水

由于矿井开采，降落漏斗不断扩展，人工流场强烈改造矿区天然地下水流场，人工地下水流场获得新的补给水源称为袭夺水源。

袭夺水源存在下列几种情况：

a.位于矿井地下水排泄区的泉水；

b.位于矿井地下水排泄区的地表水体（湖、河、水库）；

c.位于矿井地下水迳流带内的排泄区一侧相信含水层；

d.相邻水文地质单元地下水。

2、老窖及采空区积水

老窖水：

古代及近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而使地下水领取。

当采掘工作面接近它们时，其内积水便会为矿井充水的人为水源。

它们具有下列特点：

a.水以静储量为主，静储量与采空区分布范围有关；

b.老窖水为多年积水，水循环条件差，水中含有大量H2S气体，并多为酸性水，有较强的腐蚀性；

c.老窖一般水势迅猛，H2S气体危害性大；

d.采空区积水成为突水水源时，来势猛，易造成严重水害事故；

e.当与其它水源无联系时，易于疏干，若与其它水源有联系时，则可造成量大而稳定的涌水。

老窖一般深度部大，但查清位置较困难，准确位置无法查清，又无人敢下去查。

它长期处于停滞，水循环条件差，水中含有大量硫化氢气体，危害性大，酸性大、腐蚀性强，由于水的冲击和摩擦，水泵叶轮腐蚀损坏得更快。

在郑州矿区，沿煤层露头一带广泛分布有小煤窑及老窖，特别是老窖，它们采深一般为40～100米，个别达140米，这些老窖废弃井巷多已积水，其积水对采矿活动构成直接充水威胁。

这种水源突水特点是当井巷误揭积水老空时，老空水会在短时间内大量涌入矿坑，有时也会造成淹井事故。

综上所述，并结合郑州矿区的实际，该矿区矿井充水可来自不同水源。

一般开采深度比较大的矿井以煤层底板灰岩岩溶裂隙水为主，兼有其他水源，浅部矿井包括地方小窑则以大气降水水源为主，地表水和老空水只有在特殊情况下才对矿井充水中起作用。

2矿井充水通道

水源的存在表明矿井充水的可能性，要使矿井充水成为现实，还必须有矿井充水的通道，充水通道是决定矿床充水程度的主要方面，不同充水通道的充水特征及对矿井危害性是不一样的。

对防治水来说，研究充水通道的意义成为重要。

矿井充水通道有天然充水通道和人为充水通道。

一、天然充水通道

矿井天然充水通道主要包括点状岩溶陷落柱、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岩溶空洞，在上覆岩层和重力的作用下，空洞溃塌并被上覆岩层下降填实，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。

一般陷落柱出露处岩层产状杂乱，无层次可寻，乱石林立，充填着上覆不同地层的破碎岩块。

陷落柱周围岩层因受塌陷影响而略显弯曲，并多向陷落区内倾斜。

陷落柱形态一般呈下大上小的圆锥体，陷落柱高度取决于陷落的古溶洞的规模，溶洞空间愈大则陷落柱发育高度也愈高，甚至可波及地表。

堆积在陷落柱内的岩石碎块呈棱角状，形状不规则，排列紊乱，分选性差。

陷落柱的导水形式多种多样，有的陷落柱柱体本身导水；

有的柱体是阻水的，但陷落柱四周或局部由于受塌陷作用影响形成较为密集的次生带，从而沟通多层含水层组之间地下水的水力联系；

还有的陷落柱柱体内部分导水，部分阻水。

影响岩溶陷落柱分布的因素较为复杂，其展面规律至今研究不够。

但根据目前研究成果，地质构造是控制岩溶陷落柱分布规律的主要因素之一。

2、断裂带通道

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井开采时人为采矿活动方式与强度。

（1）隔水断层：

一般为压扭性断层或断层带被粘土质充填，使两侧含水层不发生水力联系。

在矿井开采时，由于人为活动，天然状态下隔水断层常变为导水断层。

隔水断层处于不同位置其水文地质意义亦不同，隔水断层分布于主要充水岩层内时，常分割充水岩层的水力联系；

隔水断层在边界上时，阻止区域地下水补给。

（2）导水断层：

一般为张性断层。

导水断层所处位置不同其水文地质意义亦不同。

当导水断层位于区域边界时，常形成充水含水层或监控充水含水层的补给通道；

当导水断层与地表水连通时，常形成地表水体补给矿井的主要通道；

当充水岩层被导水断层切割时，将增加充水岩层与外界的水力联系程度；

当导水断层切割矿层隔水顶、底板时，断层常引起顶板或底板突水问题。

沟通充水含水层组密切水力联系的线状断裂带多发生在断层密集带、断层交叉点、断层收敛处或断层尖灭端等部位。

另外，节理尤其是张节理是矿井充水的有利通道。

在一般情况下，脆性岩石较柔性岩石的节理更为发育，其裂隙宽度较大；

柔性岩石中的裂隙大多是细小闭合的，其透水性差，但多组裂隙相互沟通时，也可形成矿井充水的良好通道。

3、窄条状隐伏露头通道

在我国大部分煤矿区，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：

a.隐伏露头部位基岩风化带的渗透能力大小，一般地说，风化还的风化强度愈强或愈弱，其渗透性均较强；

b.上覆第四系底孔隙含水层组底部是否存在较厚的粘性土隔水层。

4、面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄区）通道

根据含煤炭系和矿井水文地质沉积环境分析，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、粉细礇和泥岩为主的隔水层组。

在地质历史的长期构造应力作用下，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面的裂隙网络。

这种面状展布的裂隙网络随着上、下充水含水层组地下水水头差增大，以面状越流形式的垂向水交换量也将增加，这种呈面状分布的垂直裂隙网络系统已被矿山大量地质勘探钻孔和井下采掘工程所证实。

5、地震通道

根据开滦唐山在矿在唐山地震时矿井涌水量和矿区地下水水位观测资料，地震前区域含水层受张时，区域地下水水位下降，矿坑涌水量明显减少；

地震发生时，区域含水层压缩，区域水位瞬时上升数米，矿坑涌水量瞬时增加数位；

强烈地震过后，区域含水层逐渐恢复正常状态，区域地下水逐渐下降，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期到正常涌水量。

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。

二、人为充水通道

矿坑充水人为通道包括顶板冒落裂隙带、底板矿压破坏带和封孔质量不良钻孔等。

1、顶板冒落裂隙带及底板矿压破坏带

根据对岩层移动规律的研究，当煤层开采后，采空区上方的岩体失去平移，引起垮落、开裂和移动塌陷，起到充满采空区为止，从而形成煤层上部岩体三个不同的破坏带。

同时，随着工作面的连续推进，煤层底板岩体也会遭到不同程度的破坏，根据破坏程度的不同，煤层底板岩体也可划分为三个地带。

（1）上三带：

a.冒落带。

冒落带是指采煤工作面放顶后引起直接顶板垮落破坏的范围。

根据冒落岩块的破坏程度和规程状况，又分为上下两部分。

下部岩块完全失去已有层次，称不规则冒落带，上部岩块基本保持原有层次，称规则冒落带冒落带的岩块间空隙多而大，透水、透砂，故一般不允许冒落带发展到上部地表水体或含水层底部，以免引起突水和溃沙；

b.导水裂隙带。

导水裂隙带是指冒落带以上大量出现切层和离层的人工彩云裂隙范围。

其断裂程度、透水性能由下往上由强变弱。

导水裂隙带与采空区联系密切，若上部发展到强含水层和地表水体底部，矿井涌水量会急剧增加；

c.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。

该带岩层整体弯曲下落，一般不产生裂隙，仅有少量连通性微弱的细小裂隙，通常起隔水作用。

在实践工作中，我们通常把冒落带和导水裂隙带合并在一起考虑，并统称之为冒裂带。

（2）下三带：

a.破坏带。

直接邻接工作面的底板受到破坏，出现一系列没层面和垂直于层面的断裂，使其导水能力增强，其厚度称底板破坏深度。

底板破坏深度与开采深度、煤层厚度、煤层倾角、底板岩石性质和结构、采煤方法、顶板管理方法以及工作面长度等因素有关。

根据现场实测资料，底板破坏深度一般从几米到十几米不等；

b.完整岩层带或保护层带此带位于破坏带之下，在此带内岩层虽然受到支撑压力的作用，甚至产生弹性或塑性变形，但仍然能保持连续性，其阻水能力未发生变化。

因此，称完整岩层带或保护层带，其厚度为。

c.地下水导升带。

地下水导升带指底板含水层中的承压水沿隔水层底板中裂隙上升的高度，即由含水层顶面至承压水导升高度之间的部分。

地下水导升带厚度，取决于承压水的压力及隔水层裂隙的发育程度和受开采影响的剧烈程度，有的矿井可能无地下水导升带。

从以上分析可知，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：

a.当冒落裂隙带发高度达到顶板充水岩层时，矿井涌水量将有显著增加，当未能达到顶板充水岩层时，矿井涌水无明显变化；

b.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。

另外，煤层彩云后，顶板岩层垮落冲击底板，千万对底板岩层的破坏称动矿山压力；

此外，彩云后，采场上覆岩体的自重力不能通过煤层传递，转接到采场四周煤层，而采场内临空，要向采场内产生位移，称静矿山压力。

在动矿山压力或静矿山压力或两者共同作用下，底板岩层在一定厚度范围内遭到破坏，形成裂隙，这种裂隙可沟通底板下部含水层、含水断层及溶洞水，使矿井涌水量增加或造成突水事故。

2、封孔质量不良钻孔

按照规定，勘探时施工的钻孔，在工作结束后按要求进行封闭，如果封孔质量未彀标准要求，钻孔就保会成为矿层与其顶底板含水层或地表水体之间的通道。

当掘进采区工作面经过或接近没有封好的钻孔时，顶、底板含水层中的地下水或地表水体将沿着钻孔补给矿层，造成涌水事故。

通过以上分析并综合郑州矿区调查资料表明，在郑州矿区常见的矿井充水天然通道有：

a.煤层上覆地层中的孔隙和裂隙及断层；

b.煤层下伏地层中的裂隙、断层及岩溶。

矿井充水人为通道有：

a.封闭不良的钻孔；

b.采动裂隙。

3影响矿井充水程度的主要因素

矿井的充水程度取决于一系列的自然地理、地质和人为因素，上面我们讨论了矿区充水水源各类，充水通道性质和发育强弱等，就郑州矿区而论，影响矿井涌水量大小的因素还有井田边界条件、疏降深度、开发强度等因素。

1、井田水文地质边界条件

井田边界条件对矿井地下水的补给和涌水量大小有控制意义，研究井田边界性质（透水、弱透水、隔水），可以确定矿井地下水动储量和提供防治水的方向。

2、矿井地下水疏降深度的影响

矿井地下水疏降深度主要指矿井生产中的开拓开采水平。

对以底板水为主要水源的岩溶充水矿床，开拓水平虽不能反映地下水位实际降低值，但在一定程度上反映了地下水位降深的相对大小。

我们知道矿井涌水量大小是与地下水位降低成正比的，因此矿井疏降深度不同反映在矿井涌水量也不一样，即疏降深度愈大，矿井涌水量也愈大。

3、开采因素对矿井涌水量的影响

矿井开拓掘进巷道的布置、开采方法、顶板管理方法等对矿井涌水量大小都有影响，据郑州矿区具体条件，开采因素主要表现为巷道开拓长度与开采面积大小对矿井涌水量的影响，一般来说，随着开拓巷道长度的增加与开采面积的增大，矿井涌水量明显增加。

4矿井突水特征

研究矿井突水特征是为矿井防治水提供依据。

郑州矿区多次矿井突水资料表明，太原群L7～8灰岩岩溶水未疏前突水矛盾主要表现在工作面。

L7～8灰岩水疏放后，工作面突水基本减少，突水主要表现在开拓、掘进的大巷中，在巷道掘进时，突水点、突水带往往与断层或张性裂隙发育有关，各矿矿井突水点主要分布在下列构造部位：

1、下断层的上盘：

本矿区广泛发育着东西或北西西向正断层，上盘在相对下降过程中，产生较多的张裂隙，因此正断层上盘灰岩富水性强。

2、断层交叉处：

断层交叉部位往往是应力集中区且岩石破碎最为严重的地段，因此，这种地段极易突水。

3、构造裂隙密集发育段：

任何坚硬的岩层（如本区的灰岩）都发育着不同性质和不同规模的裂隙，特别是沈裂隙，往往是突水通道。

4、底板隔水层构造变薄或原生变薄部位：

隔水层厚度对抵抗地下水压起着关键的作用，因此隔水层变薄处突水经常发生。

5、小背斜轴部：

此部位裂隙发育密集，且多为张性裂隙，易于突水。

6、小向斜褶皱两侧：

向斜核部由于两翼向核部流动的砂泥岩充填了横张裂隙、扭动裂隙，所以透水性弱，相反向斜两侧裂隙充填性差，富水性相对较强。

表示矿井冲水程度的方法

1.用含水系数表示矿井冲水强度

2.用矿井涌水量表示充水程度