地下水课程设计.docx

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地下水课程设计

地下水防治方法与技术

课 程 设 计

学号：

20101003109

姓名：

安忠明

班级：

041101

中国地质大学（武汉）环境学院

（一）矿区水文地质条件分析

1.矿区自然地理条件

（1）地形

（2）水文

（3）气候

2.区域地质

（1）地层

（2）构造

3.岩石含水性

4.分析地表水与地下水之间的水力联系

5.分析各含水层之间的水力联系及断层的导水性

6.分析矿区地下水补给、径流、排泄条件

（二）矿坑充水条件分析

1.分析不同含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水意义

2.分析断层对矿坑充水的作用

3.分析二号矿Ⅰ号煤层底板的稳定性

4.分析河下采煤条件

（三）初步预测二矿的矿坑涌水量

1. C3 薄层灰岩涌水量初步预测

2.初步预测开采-50m 水平一号煤时需对奥陶纪灰岩地下水降压的排

水量

（一）矿区水文地质条件分析

1.矿区自然地理条件

（1）地形

该矿区地形较为简单，是一四面为正地形，中间为负地形的盆地，西北面

为区内最高海拔，约 500 米，最低海拔处于洺河河谷，约 300 米。

洺河位于矿

区中部，流向从北向南。

（2）水文

矿区内发育的主要水系为洺河，由五条主干支流汇集而成，在奥陶系岩溶

3

3

3

于南部的第四系内，从剖面图上可知此泉与 F4 断层的导水性有关，流量为

3

（3）气候

根据已知气象观测资料绘制气象要素（降水量、蒸发量）变化统计图（图 1）可

知，全区年均降雨量 64.6mm，一般集中在 6—9 月，占全年降雨量 84.5%；该地

区蒸发量大，年均蒸发量 84.6mm，主要集中在 3—7 月，占全年 80.8%。

2.区域地质条件

（1）地层

本区主要出露前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、白

垩系、第四系地层。

主要含煤地层为石炭、二叠系砂页岩。

地层自上而下描述如下：

al

砂砾互层。

②白垩系（K）：

厚 80-140 米，分布于中部，南北向条状展布，岩性为凝灰质

砂页岩。

③二叠系（P）：

厚约 250 米，分布于图区中部，南北向条状展布，岩性为砂页

岩。

④石炭系（C）：

厚 200-250 米，分布于图区中部，南北向条状展布，岩性为砂

页岩、页岩夹铝土层，铝土层厚 35-40 米。

岩层中可开采煤层 3-5 米。

上石炭

统砂页岩煤层顶部含有 5-8 米灰岩。

⑤奥陶系（O）：

厚 800-1000 米，分布于图区西北部、西部，沿西北向条状展

布，岩性主要为结晶灰岩及白云岩。

岩溶发育强烈，河流流经区域发生河水漏

失现象。

从剖面图可看出，与上覆地层之间缺失泥盆系及志留系地层，但是新

老顺序未变，可知与上覆石炭系地层为平行不整合接触关系。

⑥寒武系（∈）：

分布于图区西北部、西部，沿西北向条状展布，岩性为灰岩、

页岩。

⑦震旦系（Z）：

厚约 300 米，分布于图区西南角，岩性为石英砂岩。

⑧前震旦系（Al）：

分布于图区东部、东南部，出露面积较大，岩性为片岩、

片麻岩。

（2）构造

本区受燕山运动的影响，使东西向断层被南北向断层切割，形成 “棋盘格”

状的构造格局。

区内主要发育 4 条断层，均为正断层。

其中 F1 断层沿南北向延

伸，贯通整个区域；F2、F3、F4 为东西走向断层。

断层使地层有一定的错动，

对区内地表水、地下水分布及流动有一定影响。

3.岩石含水性

由煤田水文地质图可知本区含水层主要有：

第四系松散堆积层、石炭系及

二叠系砂页岩、奥陶系及寒武系灰岩、震旦系石英砂岩、前震旦系片麻岩。

隔

水层主要有：

白垩系凝灰质砂页岩、二叠系及石炭系页岩。

①第四系松散堆积层中地下水为孔隙水，主要接受大气降雨及地表水补给，含

水性较好。

②前震旦系片麻岩及震旦系石英砂岩中地下水为基岩裂隙水，主要接受大气降

3

③石炭系及二叠系砂页岩中地下水为砂岩裂隙水，由钻孔资料可知，此层单位

降深较大，故其含水性较差，矿化度 0.6—1.0g/L。

④奥陶系及寒武系灰岩中地下水为岩溶裂隙水及岩溶水，含水性较好,矿化度

0.25—0.5g/L。

⑤石炭系砂页岩夹灰岩层中存在岩溶裂隙水，含水性较好,矿化度 0.6—0.9

g/L。

⑥白垩系凝灰质砂页岩、二叠系及石炭系页岩为隔水层，在矿区内分布较广，

厚度 80-140 米，隔水性较好。

4.地表水与地下水之间的水力联系

由煤田水文地质图可知，地表水与地下水之间存在密切的水力联系。

在图

区西北部及北部发生河水漏失现象，证明此处地表水补给地下水。

第四系潜水

分布区，地表水与地下水联系紧密，丰水季节地下水补给地表水；枯水季节地

表水补给地下水。

图区内泉水出露较多，多分布于洺河支流发育地段，为地下

水补给地表水。

其中 1 号泉为上升泉，流量大；其余泉均为下降泉，且流量较

小。

从洺河上分布的三个测水站统计数据可知，图区内总体的补给关系是地下水补

给地表水。

5.各含水层之间的水力联系及断层的导水性

（1） 各含水层之间的水力联系

分析煤田水文地质图以及各钻孔资料可知，各含水层之间的水力联系因地

质条件的不同而有所差异，主要表现在以下几个方面：

①第四系砂砾石含水层与奥陶系灰岩含水层接触处岩溶发育，且发生河水漏失，

说明河水补给第四系含水层后，第四系含水层内的地下水又补给了灰岩溶洞中

的岩溶水，故在图区内河流流经奥陶系灰岩处（在图区北部和西部两处）第四

系含水层与奥陶系含水层的水力联系非常紧密。

②由剖面图Ⅰ―Ⅰ′可知，第四系砂砾石含水层与石炭二叠系砂岩含水层之间

在直接的水力联系。

但是在剖面图Ⅱ―Ⅱ′中，两含水层之间存在白垩系凝灰

质砂页岩隔水层，阻断了二者的水力联系。

③由 A1、A2、A3、A4 四个水文地质孔的数据可知，石炭二叠系砂岩含水层与上

石炭统砂岩含水层的水位标高、矿化度及裂隙率相差不大，故两含水层之间存

在水力联系。

④水文地质孔 A1、A2、A3 的数据表明中下奥陶统灰岩含水层与上石炭统砂岩含

水层的水位标高、矿化度及裂隙率相差较大，说明两含水层之间的水力联系微

弱。

⑤由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可知，由于 F4 断层的存在，使得前震旦系片岩片麻岩含水

层与震旦系石英岩含水层之间有一定的水力联系。

（2）断层的导水性分析

矿区内共发育有 F1、F2、F3、F4 四条正断层，各断层的导水性有所不同，

主要表现在断层处出露泉的流量大小、断层与各含水层之间的位置关系以及断

层本身的性质，分别分析如下：

由煤田水文地质图可知，F1 断层延伸较长，贯穿整个图幅。

断层附近只发育 10

号、11 号两个下降泉，无上升泉，且两个下降泉流量较小（分别为 0.2

米3 天 及 0.5 米3 天 ），是前震旦系片岩片麻岩中的裂隙水形成的溢流下降泉，故

F1 断层在垂向上是阻水的。

而断层两盘的含水层的含水量相差很大，证明该断

层在横向也是阻水的。

综上所述，F1 断层为垂向和水平向都是阻水的。

由断层 F2 附近的 A2 水文地质孔资料可知，上石炭统砂页岩和中下奥陶统结晶

灰岩含水层中的地下水位标高、矿化度、裂隙率均不相同，且没有泉水出露于

地表，故 F2 断层在垂向上是阻水的。

由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可知，在 F2 断层处的

地下水水位线连续，地下水流向无明显变化，且在 A2 孔中同一含水层中水的矿

化度、裂隙率相同，证明 F2 断层两盘的含水层之间存在水力联系，故 F2 断层

在水平向是导水的。

同理，F3 断层在垂向上是阻水断层，在水平向是导水断层。

由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可看出 F4 断层处有一上升泉，且流量较大（为 80000

米3 天 ），此泉是由断层上盘各含水层中的地下水汇集后遇断层而流出地表，说

明此处 F4 断层是地下水流动的集水廊道，进而证明了 F4 断层在垂向上是导水

的。

断层上、下两盘之间的岩性差异较大（上盘为沉积岩，含水性较好；下盘

为变质岩，含水性较差。

），两盘岩层的含水量相差很大，说明二者之间水力联

系不大，即证明 F4 断层在水平向是阻水的。

6.矿区地下水的补给、径流和排泄条件

图区内地下水的主要补给来源为大气降水、地表水以及地下径流的侧向补

给；由剖面图可知地下水的径流方向基本与地形一致，从西、北、东三个方向

向南部地势较低处流动；排泄除蒸发外主要以泉的形式向地表排泄。

矿区含水层主要有第四系砂砾石层、石炭系及二叠系砂页岩、奥陶系及寒

武系灰岩、震旦系石英砂岩及前震旦系片麻岩，各含水层之间存在一定的水力

联系，且断层对矿区的地下水补、径、排的影响也不容忽视，现分别叙述如下：

第四系砂砾石中的孔隙水补给来源有：

大气降雨和地表河水的下渗以及地

下各含水层径流的侧向补给。

补给量的大小由降雨量、岩石孔隙度、地下水径

流强度决定。

排泄主要以蒸发、补给洺河以及向周边含水层排泄为主。

石炭系及二叠系砂页岩中的地下水补给来源主要为大气降水下渗和其周边

含水层的侧向径流补给，排泄途径主要以 1 号上升泉向地表河流排泄为主，少

部分通过地下径流方式补给了其他含水层。

奥陶系及寒武系灰岩中的地下水主要来源于大气降雨下渗、洺河河水的漏

失以及上石炭统砂页岩的越流补给，排泄主要以 F4 断层处形成的 1 号上升泉向

地表河流排泄。

震旦系石英砂岩及前震旦系片麻岩中的基岩裂隙水主要来源于大气降雨，

以泉的形式向地表排泄，并补给了洺河。

总体上来说，矿区年降雨量较大（为 775ml），直接补给各含水层；F4 断层

3

基岩处的下降泉以及蒸发等方式。

（二）矿坑充水条件分析

1. 各含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水意义

由概念：

“某一含水层要成为矿坑的充水岩层，有两种方式：

①直接揭露

含水层，地下水进入矿坑——直接充水水源；②含水层与井巷之间存在某种自

然或人为的通道，通过通道对矿坑充水——间接充水水源。

”可知，在图区内能

成为充水岩层的含水层有：

寒武系及奥陶系灰岩含水层、上石炭统砂页岩含水

层、上石炭统薄层灰岩含水层、二叠系砂页岩含水层和第四系砂砾石含水层。

各含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水意义分析如下：

（1）由于 F4 断层在横向是阻水断层，地下水以泉的形式向地表排泄，所以图

区西南部的前震旦系片岩片麻岩含水层以及震旦系石英砂岩含水层不满足充水

岩层的条件，不能成为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水水源；

（2）图区东部的前震旦系片岩片麻岩由于 F1 断层的阻水性也不能成为

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水水源；

（3）寒武系及奥陶系灰岩含水层上覆的中石炭统页岩隔水层起隔水作用，

F2、F3 断层在横向上是阻水的，在横向上是导水的，且Ⅰ、Ⅲ号煤层上下都是

相对隔水层，故寒武系及奥陶系灰岩含水层不能成为Ⅰ、Ⅲ号煤层开采的充水

水源。

对Ⅱ号煤层而言，煤层上覆还有一层上石炭统中的薄层灰岩，具导水性，

由于 F4 断层的垂向导水性，因此寒武系及奥陶系灰岩含水层可能会成为Ⅱ号煤

层开采的间接充水水源。

（4）上石炭统砂页岩含水层中含有Ⅰ、Ⅱ号煤层，是Ⅰ、Ⅱ号煤层开采时的直

接充水水源，其上覆的二叠系砂页岩是弱含水层，含有Ⅲ号煤层，故上石炭统

砂页岩含水层可能会成为Ⅲ号煤层开采时的间接充水水源。

（5）上石炭统薄层灰岩含水层上覆的上石炭统砂页岩为弱含水层，故其对Ⅲ号

煤层的开采有影响，是Ⅲ号煤层开采的间接充水水源；上石炭统薄层灰岩含水

层是Ⅱ号煤层的上覆岩层，Ⅱ号煤层开采时，会成为Ⅱ号煤层开采的直接充水

水源；上石炭统薄层灰岩含水层下覆的中石炭统页岩是相对隔水层，对Ⅰ号煤

层的开采无影响，不能成为Ⅰ号煤层开采的充水水源。

（6）二叠系砂页岩弱含水层中含有Ⅲ号煤层，是Ⅲ号煤层开采时的直接充水水

源，下伏的上石炭统砂页是弱含水层，且含有Ⅰ、Ⅱ号煤层，是有Ⅰ、Ⅱ号煤

层开采时的间接充水水源。

（7）第四系砂砾石含水层与其他含水层之间都有一定的水力联系，是

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采时的间接充水水源。

2.断层构造对矿坑充水的作用

由煤田水文地质图以及对各断层导水性的判断（详见表 1）可知，F1 断层

无论是横向还是垂向都是阻水断层，且断层东部为前震旦系片岩片麻岩，是弱

含水层，故 F1 断层对一、二、三号矿坑的充水没有影响；F2、F3 断层均为横

向导水，垂向阻水的断层，虽然两条断层都切过多个含水层，但是由于垂向上

的阻水作用使各含水层之间没有水力联系，只起到地下水径流方向的一致性，

并没有对各矿坑的充水提供有利条件；F4 断层的垂向导水性使各含水层之间的

水力联系紧密，而且处于矿坑的边缘地带，故其为各矿坑提供了良好的充水条

件，对安全开采造成一定的威胁。

综上所述，四条断层中只有 F4 断层对矿坑充水有明显影响，其余断层对矿

坑吹水并无显著影响。

3.二号矿Ⅰ号煤层底板的稳定性

由一矿资料：

页岩平均抗张强度 KP＝0.16MPa，平均容重 γ＝2.45T/m3，

巷道底板隔水层实际厚度 t=30m，坑道底宽 L＝10m。

由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可知一

矿Ⅰ号煤层与二矿Ⅰ号煤层所处的地质环境基本相同，则可以借鉴一矿页岩隔

水层的有关数据。

当二矿Ⅰ号煤层-50m 水平开采，天然水位标高为 320m 时的底板稳定性计

算过程如下：

由斯列萨列夫公式：

t 2

l 2

（底板）

（1）

式中：

γR——岩层容重（N/m3）γR＝2.45T/m3=2.45*9.8*103N/m3=2.4*104

N/m3

K p

——岩层的抗张强度（MPa） ,

K p

=0.16MPa

t p

——隔水底板厚度（m）, p =30m

l ——开采区底宽（m）, l =10m

将以上数据带入斯列萨列夫公式得

当隔水底板厚度为 30m，抗张强度为 0.16MPa 时，所能承受的极限水压力大

小为：

 H L =3.6MPa

转化成地下水位标高为:

H L =367.3m

由于煤层是在-50m 开采，故其允许水头高度为：

H =367.3-50=317.3m＜ H 天然=320m

综上所述，二号矿Ⅰ号煤层底板不稳定。

4.河下采煤条件

由于河流流经三个矿区之上，为确定河下采煤安全开采上限，留设防水柱、

实现地下安全施工作业，需对河下安全开采的深度进行计算。

安全开采深度是

指地下安全施工区的最小埋深值，是保证安全开采的深度。

由已知资料可知，煤层平均倾角α ＝10°，开采厚度 m=6m，岩石碎胀系

数 K＝1.3，河床第四系厚度为 50m，保护层厚度 Hc=20m。

此煤层由倾角可知为缓倾斜煤层，故由经验公式：

H （冒）＝

M

[（K -1） ⨯ Cos α ]

（2）式中， K —— 岩石的碎胀系数，即岩石跨落前后的体积比，K=1.3

M —— 矿层厚度或开采厚度（或开挖净空）（m）, M =6m

α ——煤层倾角（°），α =10°

将数据代入经验公式求得：

H（冒） = 6/（（1.3 -1） ⨯ cos10︒） = 20.31m

而

H导 = （2 ~ 3）H冒

（3）

取

H导 = 2H冒 = 40.62m

防水矿柱高度：

（4）

HW = H∏ + HC

缓角度时

H∏ = H导 ⨯ Cosα

（5）式中α 为煤层倾角，砂页岩类的保护层厚度取 HC = 20m

将数据代入（4）式计算得HW = 60m

所以，河下煤层的安全开采深度为:

H总 =H W +H（第四系） = 60m + 50m = 110m

综上所述，要达到河下安全采煤，需留设安全防水矿柱的高度为 60m，河

下安全开采的深度是 110m。

（三）初步预测二矿的矿坑涌水量

1.C3 薄层灰岩涌水量初步预测

由一矿资料可知：

+200m 水平开采二号煤层时，天然水位标高 321m，坑道

系统长 1500m，宽 1000m，开拓排水一年时，矿坑涌水量为 1200m3／d。

二矿

资料：

开采±0m 水平二号煤层时，坑道系统长 2000m，宽 1060m。

由于一矿和

二矿两煤层的水文地质条件相似，开拓进度、采矿技术要求基本一致，故用用

水文地质比拟法中的单位涌水量法方法二预测，根据公式

⎛ F ⎫

⎝ F1 ⎭

m

⎛ S2 ⎫

⎝ S1 ⎭

n

式中， Q1 —— 一矿的涌水量，（m3／d），Q1=1200m3／d；

Q2 ——二矿的涌水量，（m3／d）；

F1 ——一矿的开采面积，（m²）,F1=1500*1000=1.5*10 6 m²；

F2 ——

二矿的开采面积，（m²），F2=2000*1060=2.12*10

6

m²；

S1 ——一矿的降深（m）,S1=321-200=121m；

S2 ——二矿的降深（m）,S2=321-0=321m；

m, n —— 待定系数，需要通过对涌水量与开采面积、降深的统计关系取

值，此处取 m = 1, n = 1 。

将以上数据代入式（6）得

Q2 = 1200 ⨯ （2000 ⨯1060 ÷1500 ÷1000） ⨯ （321/121） = 4500m3 / d

3

2.初步预测开采-50m 水平一号煤时需对奥陶纪灰岩地下水降压的排

水量

（1）根据 A1 孔抽水 CK1 观测孔的观测资料，用特定条件标准曲线对比法计算

奥陶纪灰岩含水层的参数 T、a。

由煤田水文地质图可看出，西南部的 F4 断层距水文地质观测孔的距离较远，

当抽水井在短时间内抽水时，F4 断层对观测孔的降深无显著的影响，则由《地

下水动力学》可知，此处的 F4 断层可作为无限含水层边界处理；而东部的 F1

断层贯穿整个图区，与抽水井、观测孔的距离均较近，抽水时对观测孔的降深

影响较大，且由于其本身的不导水性，故此处将 F1 断层作为直线隔水边界处理。

抽水试验模型平面图如表 2 中所示。

依据泰斯井流理论及泰斯公式，观测井的水位降深方程为：

S =

2

⎝ ⎭⎥

（7）

在特定条件标准曲线法中，将上式记

S =

Q

4πT

Wm（u1）

（8）

式中，

u1 =

r12

4at 。

由表 2 在 excel 表格中做 lgS - lgt 曲线如图 2 所示。

图2lgS-lgt曲线

1

0.1

0.01

0.001

110100100010000

lgt

由计算附表中的表 3 可绘制

1

u1 标准曲线如图 3 所示：

10

图3 lgWm（u）-lg（1/u）标准曲线

1

0.1

0.01

0.001

0.0001

0.11101001000

1/u

将实测 lgS - lgt 曲线置于标准

1

u1 曲线之上，平移 lgS - lgt 曲线使两

曲线基本重合，此时确定坐标轴的平移值 lgS0 , lgt0 ，可求出相应的

t0

（1 u1 = 1时对应的 t 值）与 S0 （Wm （u1） = 1 时对应的 S 值）。

根据公式（8）可得，

T =

Q

4πS

r 2

4t

将所求得的 S0 , t0 代入上式可得奥陶系灰岩含水层的参数分别为：

T =

Q

4πs0

 a =

r12

4t 0

（2）初步预测开采－50m 水平一号煤时所需对奥陶系灰岩地下水压降的排水量

及相应排水时间

此计算过程中需对矿区水文地质模型进行概化，由第一、二章的论述可将

模型进行下列概化：

1　北面和西面奥陶系灰岩延伸长，分布于整个含水层，概化为无限含水边

界；

2　F1 断层水平和垂向上都不导水，且延伸较长，概化为直线隔水边界；

3　F2、F3 断层水平导水，概化为导水通道；

4　F4 断层水平阻水，概化为隔水边界；

5　F1F4 断层交界处泉群，流量大，对矿坑排水有较大影响，需考虑；

模型简化如下图 4 所示：

直线孔排

S实

S虚

S虚

Q泉

图 4模型概化简图

据上述概化后的模型则有：

3

i=1

S虚

据表四经过 excel 表格处理后可得以

统计图：

Q1, Q2 , Q3, Q4 , Q5

流量抽水的 s-t 曲线

综上所述，安全降深为：

 320 - 317.35 + 30 = 32.65m ，则

量排水时依据上表满足 s ≥ 32.65m 的时间（t）即可。

Q1, Q2 , Q3, Q4 , Q5

各流