第六章 矿井水.ppt

第六章 矿井水,矿井水是在煤矿生产过程中，流入或渗入井筒、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。本章介绍 § 水的基本知识 § 矿井充水条件 § 矿井水预防,第一节 地下水的基本知识一、自然界中的水循环 1、外循环（大循环）-水蒸气由海洋到陆地，以降水的形式 落到地表再回到海洋的循环。 2、内循环（小循环）-在陆地或海洋各自范围内的循环。,二、地下水的物理性质及化学性质,（一）地下水的物理性质1、温度：地下水的温度主要受气温及地热控制。 浅层地下水可低于00 C,火山活动区有时超过1000 。2、颜色：地下水在一般情况下是无色的。当水中含有某 些元素或有悬物质和胶质体物质时便有不同的颜色。 地下水颜色与其中存在物质的关系,3、透明度: 地下水的透明度取决于其中固体 与胶体悬浮物的含量。常见的地 下水一般是透明的。4、气味：地下水的气味取决于水中所含有的 气体成分和有机质。一般地下水是 无味的。 含有H2S气体时，有臭鸡蛋味； 含亚铁离子时，有铁腥味； 含腐植酸时，有沼泽味； 一般温度低时，不易辨别，而加热到 400C左右时气味最显著。,5、味道：地下水的味道取决于其中所含的盐 分及气体。 例如：1）含氯化钠的水具有苦味； 2）含硫酸钠的水具有涩味； 3）含氯化镁或硫酸镁的水具有苦味； 4）含氧化铁的水具有锈味； 5）大量有机质的存在能水具有甜味； 6）二氧化碳在水中含量较多时，能使 水清凉可口； 7）溶有重碳酸钙、重碳酸镁的水则美 味适口。 味道的强弱，取决于各种有关成分的浓度和地下水的温度。在200C-300C时，水的味道比较明显。,（二）、地下水的化学成分 地下水是一种复杂溶液 状态: 离子状态： 阴离子 CI、soHCO阳离子K、Na、Ga化合物状态：Fe2O3、AI2O3 气体状态：N2 O2 CO2 CH4 H2S (三）、地下水的化学性质 1、酸碱度 水的酸碱度通常用“氢离子浓度”。即PH值来表示。当PH=7时，水呈中性；当PH7时，水呈碱性。,酸性水对金属有腐蚀性，煤矿中的地下水若为酸性水，会腐蚀井下金属设备和采煤机械。饮用水要求PH值在68之间。,水的酸碱性分类表,2、侵蚀性,当含有CO2的地下水与混凝土或石灰岩等接触时，可能溶解其CaCO3,使混凝土的结构受到破，这也是在石灰岩地区产生岩溶作用的原因之一。 CaCO3+H2O+CO2 Ca2HCO3 由上式可知，当水中含有一定数量的HCO3时，就必须有一定数量的CO2与之平衡，这一平衡所需的CO2称为平衡CO2。当水中的CO2与HCO3达到平衡之后若又有一部分CO2进入水中，那么平衡就遭到破坏，反应向右进行，其中一部分CO2与CaCO3起化学反应，而使CaCO3被溶解，这部分就称为侵蚀性CO2。,3、总矿化度（矿化度） 地下水中所含各种离子，分子及化合物（不包括游离状态的气体）的总量，称为水的总矿化度，简称矿化度。 矿化度表明水中所含盐量的多少。即水的矿化程度，用克/升（g/L)来表示。,地下水按矿化度的分类,饮用水总矿化度一般小于1g/L,即为淡水。,4、水的硬度,地下水的硬度大小，主要决定于地下水中Ca 和Mg的含量，水的硬度通常分为总硬度.暂时硬度和永久硬度。硬度的表示方法一般有三种：毫克当量/升.德国度. 摩尔/升。 地下水按硬度的分类,饮用水硬度一般不超过25德国度。水的硬度随着自然地理.地质等因素的变化而变化。,三、水在岩石存在的形式 存在于岩石中的地下水，按其物理性质和分布状态不同，可分为以下几种。 （一）气态水 成气体状态充满与岩石空隙之中的水蒸气称气态水。其不能直接被利用，也不能被植物吸收。 （二）吸着水 在静电引力或分子引力的作用下使水分子附着与岩石颗粒表面，并形成一层极薄得水膜，这一部分水称为吸着水，也称强结合水。其无法被利用，也不能被植物吸收。,（三）薄膜水 包围在吸着水外面的具有一定厚度的水膜称为薄膜水或弱结合水。一般无法被利用，但外层水分子可被植物吸收。（四）毛细水 充满于岩石毛细孔隙（直径小于1mm的空隙和宽度小于0.25mm的裂隙）中的水称为毛细水，毛细水可传递静水压力，可被植物吸收。（五）重力水 充满于非毛细空隙中的，能够子有运动的液态水称为重力水。（六）固态水 当岩石的温度低于0时，岩石中的水就会变成固态水。,四、含水层、隔水层、透水层 地下水之所以能够储存于岩石中，因为岩石中具有或多或少的空隙，岩石的空隙既是地下水的储存空间，又是地下水的运动场所。 能透水且含有重力水的岩层称为-含水层。 不透水又不能含重力水的岩层称为-隔水层。 只能透水，但不能含重力水的岩层称为-透水层。,五.地下水的分类 （ 一）按照地下水埋藏条件的不同，将地下水分为上层滞水.潜水.层间水三类。 1、上层滞水 上层滞水存在于包气袋中局部含水层之上的重力水。 2、潜水 潜水是埋藏在地表以下，第一个稳定隔水层之上，具有自由水面的重力水。 3、层间水 层间水是指存在于两个稳定隔水层之间。 无压层间水：两个隔水层间的含水层未被重力水充满。 承压层间水（承压水）充满于两个稳定隔水层之 间，含水层之中具有压力的重力水称为承压水 。,（二）地下水按含水层性质分类,1、孔隙水 指存在于疏松岩孔隙中的水。2、 裂隙水 埋藏在岩石裂隙中的地下水，称为裂隙水。3、岩溶水 赋存于石灰岩、白云岩等可溶性岩石裂隙、溶洞中的地下水称为岩溶水。,六、泉 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，它是排泄地下水的一种重要方式。,第二节 矿井充水条件 矿井充水-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水。水进入矿井的过程称矿井充水。,一、 矿井充水水源 矿井充水必然有某种水源的补给，一般矿井充水的水源主要有大气降水、地表水地下水和老窑积水。（一）大气降水 大气降水是矿井水的重要补给来源，特别是开采地形低洼并且埋藏较浅的煤层时，大气降水往往是矿井涌水的主要来源。, 矿井涌水量的大小与该区降水量的大小、降水性质及延续时间有关。, 矿井涌水量的大小随季节的 不同而变化。 大气降水渗入量随开采的深度增加而减少。,（三）地下水 地下水是矿井充水最直接、最主要的充水水源。充水水源为孔隙水：多数情况下在开采松散岩层的下伏煤层时会遇到此类水源。充水水源为裂隙水：当采掘工作面揭露裂隙水的围岩时，这种水就会流入工作面，水量较小，水压较高。充水水源为岩溶水：在开采顶、底板为石灰岩等可溶性岩层的煤层时，常会遇到此类水源。,（二）地表水 位于矿井附近或直接位于矿井以上的河流、湖泊、水池、水库等地表水，可通过一定的通道进入矿井，成为矿井充水的水源。地表水作为矿井充水水源有以下特点：煤层距地表水体越近，矿井涌水量越大。常年性水体，其水体越大，矿井涌水量越大。多数季节性河流，在旱季地表虽然断流，但地下径流却依然存在，依然起到含水层的作用。,古代和近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而积存的地下水，通常称为老窑积水，其特点如下： 来势凶猛，在短暂时间内可有大量的水涌入井巷，且水中常携带着煤块、石块等，有时含有有害气体，破坏性很大。, 老窑积水一般为碱性水，对金属有腐蚀性，易破坏井下的金属设备。 若它与其他水源无水力联系时。则易疏干；若与其他水源有水力联系时，则可造成稳定的涌水，危害性极大。,二、矿井充水的通道 矿井 只有充水水源存在，还不能矿井是否充水，还必须有把水源水引入矿井的通道，即充水通道，矿井充水的通道主要有以下几种： （一）岩层的孔隙 这种通道多存在于疏松的沉积物中。 （二）岩层的裂隙 岩层的风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 等都能构成矿井充水的通道。 （三）岩层的溶隙 这种空隙存在于碳酸盐类的可溶性岩 层中。,（四）人工作用造成的充水通道,1、封闭不良的钻孔 当钻孔未封闭或封闭质量不合乎规定要求时，这些钻孔就构成了沟通煤层顶、底板含水层或地表水的通道，在采掘过程中遇到或接近它时，就会发生涌水等事故。 2、采矿活动 煤层采空后，在矿山压力作用下，使采空上部岩层产生冒落裂隙、是煤层底板也产生底鼓或裂隙，这些裂隙若与地表水或地下水沟通，也会引起矿井涌水。 3 、 矿井长期排水 在煤矿长期排水过程中，所形成的水位降落漏斗，在不稳定的情况下，逐渐向外扩展，可能涉及到新的水源，另外，还可能引起地面沉降、开裂、塌陷等，造成地表水灌入井下，使矿井涌水量增大。,三、影响涌水量大小的因素 涌水量是指单位时间内流入矿井的水量 （一）地形的影响 地形直接控制含水层的出露部位和 出露程度，控制着大气降水和地表水的汇集、渗透，因此，地形间接的影响矿井涌水量。（二）覆盖层和煤层围岩的影响 大气降水和地表水能否透入地下 ，进入矿井中，与煤层上腹岩层的透水性及围岩的出露程度，透水性有直接的关系。,（三）地形构造的影响,地形构造既决定了地下水的埋藏条件，有控制着地下水的运动，影响着矿井涌水量得大小。（四）不正确的采矿工程 采掘工程必须在符合煤矿安全规程的前提下，按照设计要求进行，若采掘工程违反规程没有按设计要求去做，如开采了防水煤柱，或减小了隔离煤柱的厚度等，触及了积水水源、就会使水进入矿井，增大矿井的涌水量。四 、实例分析（一）河北某矿由于断层的作用造成矿井突水。（二）淮南某矿由于封闭不良的钻孔造成矿井 涌水。,第三节 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面性和可靠性，如果没有必要的观测结果作为依据，分析问题往往出现错误。,（一）矿井水的观测 主要包括水位观测、流量观测、水质观测等。 1、水位观测 （1）、预报渗透事故的发生 例如开滦矿务局唐山矿，地表被百余米厚的冲积岩所覆盖，冲击层下部是厚卵石层，含水极其丰富。 （2）、了解断层的导水性 例如焦作矿务局某矿，在井巷掘进过程中发现许多小断层，而且都有涌水现象出现，有些小断层被揭露后用水还相当大。 （3）、了解突水水源 例如图620所示为淄博矿务局某矿1958年10月28日回采十行头炭过程中，工作面底板突然透水，涌水量达5/min部分巷道被淹没。 （4）、了解地下水与地表水的补给关系,2、流量观测,（1）矿井涌水量与降水量的关系 根据矿井涌水量的变化和降雨的关系可表现出三种不同的情况： 第一种情况：一年中各月的降水量虽有不同，但矿井涌水量的变化幅度不大，基本稳定，这表明降水对矿井涌水量的影响很小。,一、水文地质观测 （一）、地面水文地质观测：从四方面分析： 1、气象观测： 观测内容：降水量、蒸发量、气温、相对湿度等。 资料整理：绘制气象要素变化图、降水量与矿井涌水量变化关系图。2、地表水观测： 对河流、水沟观测：流量、水位、雨季最大流量和水位、通过构造断裂带的流失量，洪水期淹没带等。 对湖泊、水库、大型塌陷段水区的观测：积水范围、水深、水量、水位标高。 对以上观测应整理成各种曲线图并标在平面图上。,3、地下水观测： 对象：泉、井、钻孔、探巷、被淹井巷并组成观测系统。 资料整理：编制各种综合图件如等水位线（等水压线）图、水化学剖面图等。 4、导水断裂带发育高度的观测： 观测煤层采空后的地面形变、采空区垮落带、断裂带（三带）的高度。,（二）井下水文地质观测 1、巷道充水性观测： 分巷道充水性观测和矿井涌水量观测两部分 （1）含水层观测 巷道通过含水层：含水层厚度、岩性、裂隙、岩溶、标高、水压、水温、涌水量并取水样化验水质。（2）岩层裂隙发育调查观测 井下见含水层的裂隙调查：裂隙产状要素、长度、宽度、成因类型、张开和充填程度、充填物成分、地下水活动痕迹，测量裂隙率（面密度）。 裂隙率（K） Li：落入统计面积内的某一裂隙长度，m； bi：某一裂隙宽度，m； F：观测统计面积，m2。 u：节理数目,（3）断裂构造观测 断层性质、产状要素、落差、破碎带宽度，充填物性质及透水性。 （4）出水点观测 出水时间、地点、层位、岩性、厚度、出水形式、出水量、水压、标高、围岩、巷道变形等情况，分析出水原因及水源，采水样化学分析。 （5）出水征兆观测（工作面） 潮湿、滴水、淋水、顶底板及支柱变形情况。,2、矿井涌水量观测： 1）观测要求 观测点布置：各巷道排水沟出口处、主巷道排水沟流入水仓处、采区石门排水沟出口处、井下出水点并分水平观测。 观测时间：一般每旬观测一次。水文复杂矿区则每旬2-3次，雨季次数应增加。,2）观测方法 （1）容积法： 单位时间内流入量水桶中的水量（时间一般为小时、分、秒）。 迎头水窝容积计算法 （2）浮标法：在规则水沟上下游测定两个过水断面面积，取平均值F，两断面之距离为L，浮标漂流时间为t，涌水量Q为：,（3）堰测法：使排水沟的水通过形状固定的堰口，量测堰口的水头高度，即可计算出 涌水量： 三角堰：适合流量小于0.5m3/s的情况： 其中，Q流量 L/s；h水头高度 cm 矩形堰： 其中B为堰口底宽cm ， 梯形堰： 堰口窄于水沟： 堰口与水沟等宽： 注意：堰口上下游要形成水头差,（4）流速仪法： 在巷道水沟中选定一个面，用流速仪测流速,二、矿井水的综合治理（一）地表防治水 1、合理选择井筒位置: 井口标高均应高于历年最高洪水位,如受地形限制时，应筑防水堤或改变水流方向。 2、河流改道: 穿过或附近流经矿区的河流严重影响井下生产时应使其改道。 3、铺设人工河床: 上述河流不能改道，可铺设不透水的人工河床。 4、修筑排（截）水沟: 山区降水后在井田外围或漏水区段的上游垂直水流方向修筑排水沟使其不流入矿区范围。 5、堵漏: 地表裂隙、洞穴、陷坑，可用粘土堵塞。,（二）井下防治水 1、探放水：超前探放水（有疑必探，先探后掘）老空区、含水断层、含水层 1）小窑老空区积水的探放 确定老窑范围、划定“三线”: 积水边界线：以其最深下山确定 探水线：按积水范围可靠程度、积水量、水头压力、煤厚及倾角，沿积水边界线平行外推60-150m 警戒线：沿探水线在平行外推50-150m 老窑积水量估算: 其中：W静老空积水静储量 m3； M采厚 m ； F老空区平面积 m2 ; 煤层倾角； K充水系数0.30.5 。,