矿床水文地质学讲义(吉林大学)ppt课件.ppt

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1、,矿床水文地质学,一、本课程研究目的和意义井工开采矿山主要灾害：瓦斯爆炸、突水事故、冒顶、煤层自燃。地下水和矿是相伴而生的，矿产开采将破坏含水层结构，造成水资源的损失。目的和意义：在矿产开采过程中，如何避免发生突水事故，减小水资源的破坏。,二、研究内容（1）矿床水文地质条件（2）矿井涌水的预测（3）矿井突水的预测及其防治技术,第一章 有关矿床与采矿的基础知识,第一节 有关矿床的基础知识,一、矿石、矿体、矿床与矿产 矿石：凡含经济上有价值和技术上可提取有用元素、化合物或矿物的 岩石，称为矿石。 矿体：矿石的自然堆积体称矿体。矿体是独立的地质体，有一定的形状、大小和产状，并占有一定空间。 矿床：有

2、成矿地质作用在地壳中形成的质和量皆符合当前技术条件，可被开采和利用的地质体称为矿床。由矿体和围岩组成。一个矿床可有一个或多个矿体组成。 矿产：在地壳中，有地质作用形成和能被利用的矿物资源称为矿产。根据工业用途分为三大类： 金属矿产（黑色、有色、轻贵、稀有和放射性金属） 非金属矿产（金刚石、云母、石英等） 可燃有机矿产（煤、石油） 此外，地下水也是不可缺少的矿产资源被开发和利用,二、矿体的形状和产状 1. 矿体的形状：矿体在空间的存在形态。根据矿体延伸情况分为三个基本类型： 等轴型矿体：如矿瘤，可处在含水层或隔水层中。 板状型矿体：如矿层、透镜体等，其顶、底板（或其一）可为含水层。 柱状型矿体：

3、如矿筒，可分布在含水层或隔水层中。 不规则矿体：介于三个基本类型之间的为过度型矿体和不规则形态矿体，如网状、放射状矿体等。,网状矿体,2. 矿体的产状：指矿体产出的地质位置和产出形态。包括矿体的构造位置、形状、大小、与围岩的接触关系及其空间方位等。 通常以矿体（层）的走向、倾向及其倾角表示。 按产状（倾角）矿体可分为： 小于30的为水平矿体； 30至300的为缓倾斜矿体; 300至450-550的为倾斜矿体； 大于450-550的为急倾斜矿体。,三、矿石品位和矿产储量 1. 矿石品位：指矿石中有用组分的含量，是衡量矿石质量 的主要标志。常以有用矿物的单位重量或体积的含量表示(g/ m3或kg/

4、 m3或g/ t)。 在当前的经济技术条件下，工业对矿石中主要有用组分的最低含量要求称为工业品位。它随着工艺技术、矿石储量、综合利用情况和国家对该矿石的需要等条件的变化而变化。用以圈定工业矿体边界的品位称为边界品位，低于的为夹石。 2. 矿产储量：即矿产在地下的埋藏量，是确定矿山规模、投资和矿山服务年限的主要依据。在地质调查期间，应按不同地段、不同储量级别、不同矿石自然类型、不同工业品位等分别计算储量；开采时还须计算生产储量。一般情况，露天开采时应计算开拓储量及备采储量；地下开采时应计算开拓、采准及备采三级储量。,四、矿床成因类型 （1）岩浆矿床：伴随地壳中岩浆活动而形成的矿床，如铬、铂、金刚

5、石、铜、铁、磷等。该矿床多与围岩发育各种裂隙，故裂隙水是该矿床主要充水水源。 （2）伟晶岩矿床：晶体粗大的脉状矿体，富含稀有及放射性元素，如锂、云母、水晶等。本身裂隙较发育，多成为含水较丰富的裂隙水带。 （3）气水-热液矿床：是由含水、挥发性组分及成矿组分的气水热液，在运移中，成矿物质通过充填或交代作用所形成的矿床。,四、矿床成因类型 （4）风化矿床：由地壳表层风化作用形成的矿床，主要产出铁、锰、铝、镍、钴、金、金刚石、磷块岩及高岭土等。其主要充水层为风化裂隙潜水层。 （5）沉积矿床：由地表沉积作用形成的矿床。 （6）变质矿床：伴随岩石变质过程，由有用元素富集而成的矿床。除了金、铀、铜、锌等金

6、属矿产外，还产滑石、菱镁矿、硼、石么棉等非金属矿产，多数为水文地质条件简单的裂隙充水矿床。,第二节 采矿基础知识,一、矿床的开采单位 对面积大、储量多的矿体，通常按矿体赋存条件分成从大到小的若干个开采单位，划归相应的采矿企业进行开采。其中： 1.划归公司或矿务局开采的矿体，称为矿区； 2.矿务局或公司下设一个或几个矿山，划归一个企业开采的矿体称为矿田； 3.在一个矿山中，划归一个矿井（坑口）开采的矿体称为井田；,4. 水平煤层的盘区划分 在水平矿层中一般都先在井田中部开掘主要运输平巷，然后在其两侧将井田划分成若干个盘区，再把盘区分成矿壁，依次进行开采。 5. 倾斜煤层的阶段划分 对倾斜的矿体，

7、多沿倾斜按一定标高分若干个平行于走向的长条，称为阶段。当阶段面积仍较大时，还应进一步划分成几个采区。每个采区沿倾斜亦应布置几个开采工作面称区段。,二、矿床开采方式 采用露天开采或地下开采二种方式，有的则采用上述两种方式联合开采。 1. 露天开采及露天矿场的构成 当矿床埋藏近地表、覆盖层较薄，或开采由浅延至深部矿床的浅部矿体时，宜用露天方式开采，即从地面以较大面积直接向深处掘露天沟道，形成工作面开采矿石的方式。我国北方许多大型煤矿床，某些金属、非金属矿床及建筑材料，都用露天方式开采。其特点是生产能力大、效率高、成本低，劳动环境好。,依据矿体的赋存条件，露天开采分为山坡露天开采形态(A)和深凹露天

8、开采形态(B).,露天采矿场的构成要素,图中，BC为原地表面线，网络部分为矿体；AD为工作帮，由正进行采掘工作的台阶组成，各台阶平面称工作平盘；KG为工作帮坡线，即工作帮最上和最下台阶的坡底连线，为工作帮坡角，即工作帮坡线与水平线夹角；BE和CF为最上非工作台阶坡顶线与最下非工作台阶坡底线的连线；和为最终边坡线与水平线夹角；AK与EF为某一开采深度和开采结束时的采矿场底部平面，称底盘。,2地下开采及其井巷 应用地下开采方式开采埋深在地下深处的矿床，就是利用适宜类型的地下巷道和不同的采矿方法从地下采出矿石。其中属于垂直巷道者，它的四壁称帮，下面称底。 根据采矿设计要求，开采时依据需要把巷道组合起

9、来使用，称为巷（坑）道系统。,图中：竖井：地面掘进的大口径井筒，系主要垂直通道；斜井：由地面掘进有一定倾角的大口径井筒，是主要倾斜通道；平峒：由地面掘进的水平巷道；盲井或暗井：与地面不直接相通的竖井或斜井；溜井：连接上、下水平，专用于放矿的井筒；石门：垂直矿体走向，开掘在岩层中的水平巷道；矿门：垂直矿体走向，开掘在矿层中的水平巷道；流道：在地下溜矿用的倾斜巷道；上山道：在地下沿矿体倾斜向上开掘的巷道；下山道：沿矿体倾斜向下开掘的巷道；小井：与地面相通，作通风或临时提升用的小型竖井。属于水平巷道者，水平巷道的顶称为顶板，底称为底板，两侧成为帮；露天矿：为露天开采部分。,三、开采矿床步骤 (1)

10、开拓: 据设计从地面到矿体开掘一系列的开拓巷道，建立运输、通风、排水和供水等工程系统。在开拓期主要开掘竖(斜)井筒、平硐、盲井、石门、阶段平巷、主馏井及井底车场等。 (2) 采准: 就是在已开拓的阶段或盘区中，进一步切割成采区或矿壁，为回采作准备工作；同时作为行人、运输和通风之用。 (3) 回采: 是从完成采准的采区或矿壁中大量采出矿石的生产过程，包括落矿、运出矿石和管理地压等项作业。采矿工作面称回采面或掌子面，回采后的空间称采空区。,四、地下采矿方法简介 地下采矿方法是地下采矿时对采区的采准和回采所使用的开采方法。依据回采时对地压的处理方法（顶板管理方法）可将其分为三类。,(1) 自然支撑采

11、矿法（矿柱支撑法）：在矿体和围岩稳固的矿区采矿，利用未采的矿(岩)柱支撑采空区，把采区中大部分矿石回采出来；同时，未采的矿岩又不会自行垮落，此称自然支撑采矿法。具体做法是把采区划分为矿房和矿柱，先采矿房，后采矿柱，回采矿房时形成的采空区，利用永久或临时的矿柱支撑。为了开采下阶段的安全，仍需对回采后的采空区进行处理。,(2) 人工支撑采矿法：这是随回采工作面的推进，采用人工支撑的办法控制地压和保护地下采矿场地的采矿方法。使用比较多的是充填法。 充填法的优点在于：顶板岩层下落移动量小，可在基本不改变上覆地层水文地质条件的情况下进行开采。它适用于：接近或埋藏在地表水体或重要建筑物下面的矿体，或顶板上

12、面分布有丰富地下水。 不允许产生地表塌陷或能沟通水源的矿区； 露天与地下同时升采，需保护露天矿场不塌落的矿区：开采稀有、贵重或高品位矿床或有自燃危险的矿区。 当前采用的充填法，主要有水砂或尾砂充填采矿法和胶结充填采矿法两种。,(3) 崩落采矿法（全部垮落法）：随回采发展，采用自行或强制地崩落上盘岩石，由其充满采空区，使岩体应力达到新的平衡，一控制地压和处理采空区，确保安全生产，称为崩落采矿法。 此法广泛用于煤矿区和围岩不稳定的矿区。由于崩落体的渗透性远高于崩落前，且崩落又可达地面，形成塌陷和裂缝。在可能沟通强含水层时或城市、地表水或重要建筑物下面，不允许采用。,五、矿床顶板类型 （1）伪顶：煤

13、层之上，一般为厚度较薄的炭质页岩层，易破碎剥落。 （2）直接顶：伪顶之上，多由粘土岩、页岩、砂质页岩或节理发育的砂岩组成，一般一层或几层，回采后短期会垮落。 （3）老顶：直接顶上面的厚度较大的坚硬岩层，多为砂岩、砾岩和灰岩。回采后不随直接顶垮落，而较长时间维持一定面积的悬空区。,一、矿山沉陷的形成 当矿体（如煤、金属矿石等）从地下被开采出来后，上部岩体失去支撑而导致平衡破坏，应力重新分布，以期达到新的平衡。在此过程中，地层内部岩石的强度和内聚力大大降低，采空区上部岩体变形和移动会向上波及地表，并在地表呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的变形，形成地表移动盆地。,第三节 开采沉陷的基本规律,(a)

14、 L=38m,(b) L=90m,(c) L=158m,(d) L=225m,相似模拟实验,相似模拟实验,二、采空区覆岩破坏的垂直分带 采空区上覆岩层的变形破坏可以划分为冒落带、裂隙带和弯曲带三个特征不同的区域。,（1）冒落带 冒落带是采煤工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生的破坏范围。其形成的机理主要是由于巷道顶板的岩石重量超过其抗拉强度引起的。 冒落带高度可采用如下经验公式估算： 式中：M煤层的采厚（m）； Kp碎胀系数。,（2） 裂隙带 裂隙带位于冒落带之上，主要由岩层离层及其相对滑移而生成，与冒落带之间并无明显的界限。 裂隙带高度可由如下经验公式估算： 式中：c、d经验系数，因地质情况

15、差异而变化。 M煤层的采厚（m） 冒落带和裂隙带统称为透水裂隙带。 （3）弯沉带 弯沉带又称整体移动带，是指裂隙带以上至地表的岩土层。在垂直剖面图上，其上下各部分的沉降差异很小，一般不会出现离层现象。这一区域也有可能出现裂缝，但其微小，数量较少，贯通性很差，导水性微弱。,三、覆岩破坏影响范围的形态特征 在采用全部跨落法管理顶板时，覆岩破坏性影响范围的形态特征与煤层的产状有关，也受覆岩岩性的影响。 （1）水平及缓倾斜煤（矿）层（0350）：在沿采空区走向和倾向剖面上，整个覆岩破坏影响范围形态类似于马鞍形，采空区四周边界上方覆岩破坏性影响范围的高度略高于中部，最高点位于开采边界以内或以外数米内。

16、（2）中倾斜煤（矿）层（36540）：冒落带和裂隙带的最大高度位于采空区上边界附近的上方，整个覆岩破坏性影响范围的形态呈上大下小的抛物线形状。 （3）急倾斜煤（矿）层（55900）：覆岩破坏性影响范围偏重于采空区上边界，而在下边界微弱。,四、底板破坏深度 由于矿山压力、水压力、岩性组合与强度因素以及采矿方法的差异，底板的破坏深度有较大区别，比如断层的出现，将会大大增加底板的破坏深度。 目前，我国主要依据突水和试验资料总结出底板突水系数法，以此进行粗略估算（具体算法后面有介绍）。其破坏形态与顶板类似，多为马鞍形。,五、影响矿山沉陷的主要因素 （1）采空区的开采方式和开采面积 （2）顶板管理方式

17、（3）上部岩石的组成、层位及其岩石的物理力学性质 （4）开采深度 （5）上部土层的厚度 （6）采空区的倾角 （7）岩体本身的一些缺陷 （8）边缘煤柱的稳定性 （9）采煤厚度 (10) 地形条件,第二章 矿床充水条件与矿床水文地质类型,第一节 矿床充水条件分析,一、矿床充水条件的含义 矿床充水、充水强度：自然状态下矿床和围岩中赋存的水称为矿床充水，其水量水量大小称充水强度。 矿井（坑）涌水、涌水强度：采矿时流入井巷的水称为矿井（坑）涌水，其水量水量大小称涌水强度。 矿井突水、突水强度：超过矿井正常排水能力的瞬时大量涌水称为矿井突水，其水量水量大小称突水强度。 矿床充水条件：充水水源和涌水通道是形

18、成矿井涌水的必备条件，加上影响涌水强度诸因素，三者综合作用称为矿床充水条件。,二、矿床充水水源 1. 以大气降水为主要充水水源的矿床 主要指直接受大气降水渗入补给的矿床。多属于包气带中、埋藏较浅、充水层裸露、位于分水岭地段的矿床或露天矿区，其涌水特征为： （1）矿井涌水动态与当地降雨动态相一致，具有明显的季节性和多年周期性的变化规律。 （2）多数矿床随采深增加矿井涌水量逐渐减少，其涌水峰值出现滞后的时间加长。 （3）矿井涌水量的大小还与降水性质、强度、连续时间及入渗条件有密切关系。,2.以地表水为主要充水水源的矿床 这类矿床赋存在山区河谷和平原区河流、湖泊、海洋等地表水体的附近或其下面。根据地

19、表水进入井巷的方式和强弱，分为四种情况：地表水不补给者；地表水微弱补给者；地表水补给者；地表水灌入式补给者。 涌水规律为： （1）矿井涌水动态随地表水的丰枯作季节性变化，且涌水强度与地表水的类型、性质和规模有关。 （2）矿井涌水强度还与井巷到地表水水体的距离、岩性和构造条件有关。 （3）采矿方法的影响。,3.以地下水为主要充水水源的矿床 能造成井巷涌水的含水层称矿床充水层。对于非充水含水层，当开矿破坏了其隔水条件时，就会转化为充水层。有如下规律： （1）矿井涌水强度与充水层的空隙性及其富水程度有关。 （2）矿井涌水强度与充水层厚度和分布面积有关。 （3）矿井涌水强度及其变化，还与充水层水量组成

20、有关。当涌入水以储存量为主时，初期涌水量大，易突水，后逐渐减少，易疏干；当涌入水以补给量为主时，涌水量由小到大，后又相对稳定，不易疏干。,4.以老空水为主要充水水源的矿床 老采空区（包括被淹没井巷），其中充满大量积水，范围不明，连通复杂，水量大，酸性强，水压高。一旦接近，易发生突水。 有如下规律： （1）采空区年代愈老，地下水的酸性越强，对矿山设备危害愈大； （2）其水量大，来势猛，破坏性大。,三、矿井涌水通道 （一）自然涌水通道 1. 地层裂隙与断层带 坚硬岩层中的矿床，其中的节理型裂隙较发育部位，彼此连同时可构成裂隙涌水通道；由中小型断裂带形成的导水通道，比较常见。有以下两种类型： （1）

21、隔水断裂带：自然状态下断裂本身不含水，又隔断了断层两侧含水层间的水平水力联系。多分布在较软的塑性岩层中，或因断层构造岩或充填物被压密或胶结所致。井巷通过时多处干燥状态，对分区疏干和防治水有利。在垂直方向上可为阻水的；也可为导水的，即可在其一侧或两侧破碎带中发生上下含水层间的水力联系，成为涌水通道。矿床开采后，这类断裂有可能转变成水平透水或垂直导水的断裂带。,（2）透水断裂带: 开采前断裂面间及两侧破碎带汇水并充满水，既可产生水平的又可产生垂直的水力联系。这类通道如与其他水源相连通，则可造成稳定的涌(突)水；与其它水源无联系者，则为孤立的含水带，涌水时，虽水压高，但涌水量一般不大，易疏干。在一般

22、情况下，一个较大规模的断裂带，皆系透水与隔水、阻水与导水段相间出现，水文地质条件复杂得多，故调查时应深入地分段研究。,2.岩溶通道 岩溶空间极不均一，可以从细小的溶孔直到巨大的溶洞。它们可彼此连通，成为沟通各种水源的通道，也可形成孤立的充水管道。 （1）岩溶通道：小型岩溶及溶隙形成的涌水通道，虽可增加矿井涌水量，但尚较小；大、中型岩溶(溶洞及管道)及溶蚀断裂带形成的涌水通道，矿井涌水量将大增，更易造成突水灾害。 （2）导水陷落柱：为形成于碳酸盐岩地层中的垂直柱状坍落体，高度可达几百米。多数陷落柱不导水；一些陷落柱或因坍落物疏松，或因充填物受到破坏，则会成为导水体。有的可沟通矿床顶底板含水层，成

23、为矿井涌水通道。,（3）岩溶塌陷及“天窗” 在有一定厚度松散层覆盖的岩溶矿区，因疏干、突水或涌沙可产生地表塌陷。这些塌陷可成为岩溶水、孔隙水和地表水涌入井巷的通道。其涌水特征是，下部岩溶越发育、塌陷越严重，通道越通畅，涌水与涌沙量越多。当岩溶含水层的隔水顶板有透水天窗时，不仅该部位易产生地表塌陷，天窗本身即可成为沟通上部水源涌入井巷的通道。 3.孔隙通道 孔隙通道，主要是指松散层粒间的孔隙输水。它可在开采砂矿床和开采上覆松散层的深部基岩矿床时遇到。前者多为均匀涌水，仅在大颗粒地段和有丰富水源的矿区才可导致突水；后者多在建井时期造成危害。此类通道可输送本含水层水入井巷，也可成为沟通地表水的通道。

24、,（二）人为涌水通道 （1）顶板冒落裂隙通道 采用崩落法采矿造成的透水裂隙，如抵达上覆水源时则可导致该水源涌入井巷，造成突水。如接近矿床顶板含水，则要进行顶板管理，不允许崩落后裂隙抵达强含水层，且应先开采弱含水地段；间接顶板含水的矿床，应充分利用隔水顶板的抗水性能，减少可井涌水量。上覆地表水或老空水和接受降水补给的矿床，要控制其裂隙不抵达地表水或老空水和风化带。,（2）底板突破通道 当巷道底板下有间接充水层时，便会在地下水压力和矿山压力作用破坏底板隔水层，形成人工裂隙通道。导致下部高压地下水涌入井巷造成突水。 （3）钻孔通道 在各种勘探钻孔施工时均可沟通矿床上、下各含水层或地表水。如勘探结束后

25、封闭不良或未封闭，开采中揭露它们就会造成突水事故。钻孔出水以其接近旧钻孔、地层无破坏、虽有大小压而无大水量等特征，易与其他突水相区别。当它与其他水源沟通时，亦可造成来水猛、压力大的突水事故。,四、影响矿床涌水强度的其他因素 矿井涌水量的大小，除直接与充水水源和通道的性质有关外，还和下述主要影响因素有关。 1. 矿床的边界条件（渗透性） 矿床与充水层的边界条件，对未来矿井涌水量大小起主要的控制作用要求在调查阶段予以查明。 （1）侧向边界：当矿床和直接充水含水系统之间有强透水边界时，开采时外系统地下水或地表水会迅速而大量地流入矿井，供水充足的边界越长则涌水量越多越稳定；如矿体或直接充水层被隔水边界

26、所封闭，则矿井涌水量较小或由大变小，甚至干涸。,（2）顶、底部边界：矿床及其顶、底部的隔、透水条件，对矿井涌水强度亦起控制作用。因此，如能保持它们的隔水性能或减弱其渗透强度，即可达到保持或减弱矿井涌水量的目的。 顶底板边界有四种情况： （1）直接顶底板均是可靠隔水层，基本无外部水补给； （2）底板隔水，矿体与直接充水层只能获得较强或弱的大气降水或地表水补给； （3）顶板隔水，仅通过弱透水底板产生越流或直接获得强补给； （4）顶板及底板皆由强或弱透水层构成。如隔水层的岩性致密，则隔水能力强，如其厚度大而稳定且完整性好，矿井的涌水量及其变幅皆较小；在其变薄、缺失或破碎等抗张强度降低的地段上，涌水量

27、则会增加。,2. 地质构造 地质构造的类型、规模和分布，对矿井总涌水量的形成起制约作用。如矿床位于褶皱或断裂构造中，则其对矿床与充水层的空间分布、地下水的补径排条件会有较大的影响，充水强度也必然受影响。处在同一类型构造中的矿床，随构造规模及矿井所处构造部位的不同，矿井涌水量大小亦各异。 3. 充水岩层的补给条件 充水层及矿体的出露程度愈高，盖层透水性愈强，与补给水体接触面积愈多，涌水量愈大。,实例图,4.地震的影响 仅据唐山矿区的地震资料可得出两条规律： (1) 矿区地下水位与矿井涌水量，震前下降，震时突升，震后逐渐恢复。 (2) 地震时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。,

28、第二节 矿床水文地质类型,实践研究表明，具有同一水文地质特征的矿床，具有大体上相似的充水条件、涌水规律。生产上可依据同类型矿床具有相似的原理，预估新勘察或新开采矿床的水文地质特征，以指导矿床水文地质调查、矿床评价和开采工作。 一、矿床水文地质类型的划分 国内外许多学者进行了大量研究，尚无统一标准。 1. 前苏联分类 1940年，谢戈列夫首次提出：按矿床所处地质断面的岩 石特征，将矿床分为三个组：即赋存在坚硬裂隙岩层中的矿床；赋存在松散砂质和粘上质岩层中的矿床；赋存在喀斯特和易溶岩层中的矿床。,1951年，普罗霍洛夫的分类，在划分非胶结岩层、坚硬半坚硬岩层、碳酸质喀斯特岩层和终年冻结地带四个矿床

29、组的基础上，依据水文地质条件的复杂程度分为简单的、复杂的、极复杂的三个类型。 1955年普罗霍洛夫又提出新的分类：首先按矿床水文地质及工程地质条件复杂的程度，分为简单的、复杂的和极复杂的三种；其次按开采方式分为地下方式和露天方式开采的矿床；再次分为永冻带以外和以内两类矿床；最后分为三个型，非胶结、坚硬半坚硬和喀斯特型矿床。 1957年，普罗特尼科夫主要依据金属矿床分布区地下水的形战条件，按五种因素把金属矿床作了五个层次的划分。 1960年，塞罗瓦特科对煤矿床按水文地质工程地质条件作了类型划分，主要把分类从全矿种发展到单矿种。,2. 中国分类 1959年水文工程地质研究所和水文工程地质局提出的分

30、类方案，其分类原则依次为气候-侵蚀基准面-地质岩性，然后按水文工程地质条件的复杂程度和开采方法，作了矿床的开采条件分类。 1981年，提出的固体矿床分类方案首先按矿床充水介质分为岩溶水、裂隙水和孔隙水充水三类；次按矿层(体)与充水层间的渗透条件即按直接顶底板是含水的或是隔水的来划分类型；再次按水文工程地质条件的复杂程度分为简单、中等、复杂、极复杂四种。,1982年地矿部颁发的矿区水文地质工程地质普查勘探规范分类：先依岩性分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类；然后按水文地质条件的复杂程度，划分为简单的(正常排水量小于5000 m3 /d)、中等的( 5000-20000 m3 /d)和复杂的(大于20

31、000 m3 /d )矿床。目前使用的分类。 1983年地矿部提出的“中国岩溶充水矿床水文地质勘探类型”方案，按充水岩溶形态分为溶隙、溶洞和暗河管道充水三类；每类按矿层与顶底板含水层接触关系分为四个型；每个类型皆依影响水文地质条件复杂程度的各因素，划分为简单、中等，复杂三级（见表13-3）。,二、主要矿床水文地质类型的基本特征 （一）以岩溶水充水为主的矿床 1. 岩溶水充水矿床的基本特征 (1) 各矿区由最发育的岩溶形态控制着岩溶水的赋存特征。各矿区随岩性结构组合、原有裂隙特性、岩溶发育影响因素和发育程度的不同，导致各矿区岩溶形态和规模有较大的差异。北方主要以奥陶系裂隙岩溶最富水；南方矿床以二

32、叠系溶洞充水为主；西南地区以泥盆到三叠系岩溶管道充水者为多。 (2) 矿床所处构造类型、部位、规模致其破坏程度，影响着岩溶发育的强弱和矿床的富水程度。处于向斜(比处于背斜)中的矿床，汇水条件好，富水性强；向斜浅部的矿床比同一向斜深部的矿床的富水性强；处于浅部轴部的矿床比处于翼部的富水强；而深部轴部的矿床，则比翼部的含水弱。,(3) 岩溶发育不均匀，决定了岩溶水的不均一，导致矿井涌水量大小不等。岩溶强发育地段的矿井涌水量大，弱发育地段的则小。 (4) 北方的裂隙岩溶水多具统一的地下水面，各含水层彼此连通性好，矿床琉干时地下水位多呈平盘式下降；南方的溶洞水，赋存在大大小小的溶洞之中，彼此通过裂隙或

33、溶隙相沟通，不同部位各具不同的水力特征，相互联系通常较北方型弱。 2. 勘察要点 (1) 对矿床分布范围内的地层，尤以碳酸盐岩地层和近矿顶底板层位，要分层研究其岩性、结构及各层间的组合关系； (2) 研究矿床所处的构造类型、具体部位及其特征，研究地层中原生和后生裂隙的发育规律，寻找破碎部位受构造控水条件；,(3) 研究岩溶发育规律，包括查明各层位中的岩溶形态、规模、充填胶结、形成期和发育强带的空间分布特征； (4) 全面研究矿区内岩溶水的赋存条件，包括：划分矿床充水层，确定其富水程度；研究矿床顶底板的隔水性能；寻找富水地段与强径流带，查明矿床充水条件；研究岩溶水系统的边界条件，补、排特征：进行

34、水质变化特征的研究，掌握水质污染状况；测定各充水层的各种参数，查明地下水运动规律，预测矿井涌水量，解决供排矛盾； (5) 对大泉的形成条件、涌水量进行观测，探讨矿床开采后泉水的变化；对与矿井有联系的地下河系和能进入井巷的地表水进行研究； (6) 对矿床充水系统内现有的供水、排水状况与地下水动态进行分析，对突水和疏干条件以及引起的环境地质问题作现状评价与预测。,（二）以裂隙水充水为主的矿床 本类型矿床以坚硬岩层(体)裂隙发育为特点，矿产种类多，多属水文地质条件简单的矿床。 1.裂隙水充水矿床的基本特征 一般裂隙水充水矿床的特征是：浅部以风化裂隙和断裂带充水为主，深部以构造裂隙充水为主；向深部涌水

35、量变小；多以降水和地表水补给为主，富水程度由中到弱；裂隙发育较均一的层位可形成似层状含水层，裂隙集中部位可形成片状含水体或脉状含水带；多数矿井的涌水量1000 m3 /d，勘探时钻孔涌水量一般小于1L/s，个别沟通强水源者，可造成突水。,2.勘察要点 (1) 矿体及围岩的岩性，原生与成岩后裂隙的分布规律；对矿区分布的断裂带做重点研究，分析其力学性质，两盘岩性、破碎带宽度、破碎程度、充填物特征及胶结情况；判断断裂的活动历史，注意新期断裂的水文地质特征。 (2) 分析各岩层的含水性，确定裂隙含水层的埋藏分布规律，研究充水层的补径排条件。分析断裂带作为水源或通道的条件； (3) 调查矿床和各充水层的

36、水质和富水性，预测矿井涌水量及其开采后的环境地质问题； (4) 研究矿区风化带的深度与破坏程度，分析降水和地表水入渗条件与入渗量。,（三）以孔隙水充水为主的矿床 此类矿床包括产于松散层和半胶结半坚硬岩层中的矿床，以及被巨厚松散层覆盖，产于下伏基岩层中的矿床；当矿床涌水主要来自上覆孔隙水时也归于此类型。 勘察要点 (1) 各松散层的成因类型、颗粒成分与结构、胶结物及胶结程度，顶底板的隔透水性、厚度及其变化； (2) 各层的含水性，主要充水层的边界条件及水质特征； (3) 确定孔隙水与地表水及基岩水间有水力联系的地段、联系程度及补排关系； (4) 查明地貌、新构造运动对充水层的控制； (5) 预测

37、矿井涌水量，评价供排矛盾； (6) 研究流砂层的形成、分布，疏于和进入井巷的可能性。,第三章 矿床涌水量预测,一、矿坑涌水量概念 矿坑(井)涌水量：是指从矿山开拓到回采过程中单位时间内流入矿坑(包括井、巷和巷道系统)的水量。它是确定矿床水文地质类型、矿床水文地质条件复杂程度和评价矿床开发经济技术条件的重要指标之一，也是制定矿山疏干设计、确定生产能力的主要依据。各勘察阶段的矿坑涌水量由水文地质人员负责提供。 矿坑正常涌水量：指开采系统达到某标高(水平或中段)时，正常状态、 相对稳定时的总涌水量，通常指平水年的涌水量。 矿坑最大涌水量：指正常状态下开采系统在丰水年雨季的最大涌水量。是确定矿井排水能

38、力的依据。,第一节 概 述,开拓井巷涌水量：指开拓各种井巷过程中的涌水量。由矿山基建部门负责。 疏干工程排水量：指在设计疏干时间内，将水位降至某规定标高时的疏干排水量。由生产部门负责。,二、矿坑涌水量预测方法及特点 1. 常用预测方法分类,2.矿坑涌水量预测的特点（和地下水资源评价相比） (1) 供水水资源评价，一般以确保枯水期最小开采量为目的；而矿坑涌水量预测则以准确地预测丰水期最大涌水量为目标； (2) 我国矿床大多分布于基岩山区，充水条件差异悬殊，补排条件多复杂。在边界条件概化中，非确定性因素多，含水介质非均匀性突出，参数的代表性难于解决。地下水流态复杂，常出现紊流、非连续流与管道流。组

39、成概化模型的三大要素边界、结构与流态复杂，定量化难度大。 (3) 矿山井巷类型与空间分布千变万化，开采方法、开采速度与规模等生产条件复杂且不稳定，与供水的取水建筑物简单、生产条件稳定形成显明对比，给矿坑涌水量预测带来诸多不确定性因素。,(4) 矿坑涌水量预测多是大降深。大降深疏干又必然导致矿区水文地质条件的严重干扰与破坏；其破坏强度又比较难于预料与定量化。这与供水小降深采水有明显差异，使用供水时的计算理论与方法，通常难以满足要求。 (5) 矿床地质调查中，一般对水文地质工作投入的技术条件较差、投资少、工程控制程度低，在客观上也给涌水量预测带来较大困难。 以上特点，决定了矿坑涌水量预测中存在诸多

40、产生误差的客观条件。因此，勘探阶段的涌水量预测，其精度难以与供水水资源评价平论。 为了满足市场需求，除了通过完善勘探方法，提高预测精度外，还应完善预测成果的表达形式，指出预测成果的使用方法与注意事项，为设计与生产部门结合生产条件进行成果再开发提供依据，提高预测成果的使用价值。,3.预测误差的原因分析 （1）对矿床水文地质条件的复杂性认识不足，对矿床水文地质条件未予查清。 （2）水文地质概化模型概化不当，水文地质参数取值不妥。模型概化不当：一是水文地质条件未查清楚，导致概化模型失误；二是条件虽查明，但计算者概化不当。参数取值不妥则包括：参数本身的失真和计算时对参数使用不当。 （3）数学模型处理欠

41、妥：即使模型概化的正确，仍依赖于一个合适于该模型的数学模型。但是由于复杂的水文地质条件和开采系统，难以用数学式确切表达，稍有不慎，数学模型就会失真。,第二节 解析法,一、基本思路 解析法是目前矿坑涌水量预测中应用最广的方法之一。 它根据地下水动力学原理，结合矿床疏干实际需要，对不同条件下流向各类井、巷及巷道系统地地下水流建立偏微分方程，用解析法计算矿坑涌水量。,二、计算方法与过程 （一）水文地质条件的概化 1. 井巷的处理 （1）竖井（完整井、非完整井） （2）平硐、水平巷道 （3）倾斜巷道 若巷道倾斜度大于450时，可视为与竖井相似，用辐射井流公式； 若巷道倾斜度小于450时，可视为与水平巷

42、道相似，用剖面流的单宽流量井流公式； （4）巷道系统 单水平巷道系统， 在矿山开拓期，地下水运动属于非稳定运动，随着疏干时间的延长，地下水运动趋于相对稳定状态，回采期总涌水量达到一个定值。多水平巷道系统，在不同的开采阶段，地下水运动的非稳定状态与稳定状态间的转化过程。开拓及采准阶段，涌水量预测使用非稳定流方法，回采水平时采用稳定流方法。,2. 分析疏干流场的水力特征 （1）区分稳定流与非稳定流 矿山基建期，随开拓井巷发展，疏干漏斗不断扩大，以消耗含水层的储存量为主，疏干流场属非稳定流；回采期，井巷轮廓已定，当以消耗补给量为主时，疏干流场符合稳定流；当仍以消耗储存量为主时，矿坑涌水量渐减，疏干流

43、场仍为非稳定流。 （2）区分层流与紊流 当矿区进行大降深疏干时，在疏干工程附近常出现非达西流。据研究，这种复杂水流状态出现的范围不大，而大面积内仍符合达西流规律，故直线渗透定律仍然是建立渗流型确定性模型的理论基础。,（3）区分平面流与空间流 矿床疏干流场受控于开采井巷的类型与分布状态，呈复杂的流态，在宏观上可概化为两种： 流向完整井巷的平面流：又分为竖井排水产生的平面辐射流，水平巷道排水产生的剖面平面流，其两端仍出现辐射流。巷道系统则复杂得多，排水初期，在统一降落漏斗形成前，巷道系统各边缘部分都呈单方向的剖面平面流；当继续排水，形成统一降水漏斗后，流向巷道系统的地下水才过渡为近似的平面辐射流。

44、 流向非完整井巷的空间流：据研究，在流向非完整井巷地下水辐射流范围内，存在有空间流带与平面流带两种运动形式。但前者往往仅限于非完整井巷的附近，范围约为含水层厚度的1520倍。空间流计算，常采用平面分段法、剖面分段法或用经验公式近似计算。,（4）区分潜水与承压水 在疏干过程中，常常出现由承压水转为承压一无压水或无压水。在某些条件下，还可出现一侧保持承压状态，而另一侧则由承压水转为无压水或承压一无压水状态，计算时应区别对待。,3.边界条件的概化 侧向边界： 进水类型的划分：边界概化为隔水与供水两类。 边界形态的简化：将不规则边界简化理想集合图式边界。 垂向边界： 垂向越流补给边界分定水头和变水头两

45、类。 解析法主要解决定水头越流补给边界。,（二）选择计算公式 1.稳定井流公式 在矿井疏干排水过程中，当矿坑涌水量及疏干区附近的水位降低，仅随季节变化做一定范围的波动，均呈现相对稳定状态时，即可以认为以矿坑为中心形成的地下水渗流场基本符合稳定井流条件，可近似应用以裘布衣基本方程为代表的稳定井流解析公式，解决矿坑涌水量预测问题。用稳定井流公式来估算矿坑涌水量可表示为： （1） 式中： 为疏干区外补给边界（R）与矿坑内边界（r0）处的势函数。,分析稳定井流公式，若参数为一定时，则矿坑涌水量Q是坑道壁水位降低的函数。因此，稳定井流的矿坑涌水量计算可以概括为两个方面： （1）在已知开采水平最大水位降低

46、的条件下，预测矿坑总涌水量； （2）在给定疏干排水能力的前提下，计算疏干区的水位降低（或压力降低）值。,2.非稳定井流公式 在矿区疏干过程中，若矿坑涌水量及其疏干漏斗不断扩展， 则以矿坑为中心的地下水辐射流场呈现不稳定状态。在已知初始条件与边界条件的前提下，可按泰斯解的水头函数表示： （3） 式中： 为井函数 ； 根据含水层的水力性质而异，无压水时为重力给水度，承压水时为弹性给水度；T为导水系数；t为疏干时间。,分析非稳定井流公式，当参数确定时，非稳定井流理论表达了矿区疏干过程中，疏干量Q，水位降s与疏干时间t三变量之间的函数关系。因此，只要给出其中两个变量的规律就可以推算另一个变量的规律。,

47、（1）可以按排水能力的大小，研究开采区地下水疏放降压漏斗的形成与扩展过程，即可预测计算地下水疏干漏斗范围内各点（r）水头函数s随时间t的变化规律，以规划回采速度与顺序，以及其它开采措施。 （2）能为要求在一定时间段t内，完成某开采水平降深s的疏干任务，而选择合理的疏干量Q或者预测达到某疏干深度s后，矿坑涌水量Q随时间t的变化规律，以获得雨季最大涌水量及其出现的时间t。 （3）可以根据疏干强度Q，计算达到某疏干水平s所需的时间t，或者进一步预测疏干漏斗扩展到某重要外边界的时间t,这种扩展可导致严重后果，如供水水源地遭破坏，发生海水倒灌，或溢泉断流等。,（三）确定各项参数 1 渗透系数 （1）加权

48、平均值法：厚度、面积、方向平均法三种。如厚度平均法 公式： 式中：Mi(Hi)承压（潜水）含水层各垂向分段厚度 Ki相应分段的渗透系数,（2）流场闭合等值线法 ：（闭合等值线法） 式中 L1、L2 任意两条（上、下游）等水位线的长度 r 两条闭合等水位线的平均距离 h 两条闭合等水位线间的水位差 Mcp 含水层平均厚度 Q 矿坑涌水量,或依据流场特征采用分区法 ： 式中： b1、b2 辐射状水流上、下游断面上的宽度 h1、h2 b1和b2断面隔水底板以上的水头高度 L b1和b2断面之间的距离 Q 矿坑涌水量,2. 疏干“大井”的半径 大井法：把形状复杂的井巷系统看成是一个“大井”，井巷系统圈

49、定的或者以降落漏斗距井巷最近的封闭等水位线圈定的面积（F）看成相当该“大井”的面积，近圆形“大井”的引用半径为： 3. 影响半径或影响宽度 用大井法预测矿坑涌水量时，降落漏斗的影响半径范围半径R0应从大井中心算起，等于“大井”的引用半径r0加上排水影响半径R,即：R0=R+r0 由于输干漏斗形状不规则，在解析法中以Rcp值代表R0较为合理。,计算狭长水平巷道涌水量时，也常用引用宽度Lcp，其确定方法有： （1）用经验、半经验公式：如库萨金公式、奚哈脱公式 （2）用赛事罗瓦特科公式：复杂井巷系统的影响半径可据井巷边缘廓线与天然水文地质边界线之间距离的加权平均值求得，即 式中：r0-大井的引用半径

50、 bcp-井巷边缘廓线与各不同类型水文地质边界间的平均距离,当井巷系统在近圆形补给边界时，R取平均值bcp,当处在直线补给边界时， R取 / 。,近圆形,直线,4. 最大疏干水位降深 在矿坑涌水量预测中，通常以地下水位降至巷道底板为目的。对直接冲水层有两种情况：,矿坑涌水量常取最大疏干水位降深值Smax=H(图b),或者是降低至巷道底板(图a)。据研究，当Smax=H时，稳定流理论不适用，当水位降深超过含水层厚度30%时，非稳定流公式亦偏离实际。,（四）涌水量预测，并对其可靠性进行评价 根据以上步骤，对水文地质条件进行了概化，并确定各项参数之后，选择计算公式即可对涌水量进行预测。 求解出预测涌