地下水防治技術與方法課程設計

1、地下水防治技術與方法課程設計華北某煤礦充水條件分析第一章 礦區(qū)水文地質條件分析一、 礦區(qū)自然地理條件1. 地形該礦區(qū)地形較為簡單，是一四面為正地形，中間為負地形的盆地，西北面為區(qū)內最高海拔，約500米，最低海拔處于洺河河谷，約300米。洺河位于礦區(qū)中部，流向從北向南。2. 水文礦區(qū)內發(fā)育的主要水系為洺河，由五條主干支流匯集而成，在奧陶系巖溶發(fā)育地段有河水漏失現(xiàn)象。據當地測水站統(tǒng)計，上游流量為3000，下游流量為85000（二者均為1978年8月3日統(tǒng)計數據）。區(qū)內下降泉有11處，主要出露于東側的侵入巖中，流量0.01-0.5；上升泉有1處，出露于南部的第四系內，從剖面圖上可知此泉與F4斷層的導

2、水性有關，流量為80000。3. 氣候根據已知氣象觀測資料繪制氣象要素（降水量、蒸發(fā)量）變化統(tǒng)計圖(圖1)可知，全區(qū)年均降雨量64.6mm，一般集中在69月，占全年降雨量84.5%；該地區(qū)蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量84.6mm，主要集中在37月，占全年80.8%。二、 區(qū)域地質條件1.地層本區(qū)主要出露前震旦系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、白堊系、第四系地層。主要含煤地層為石炭、二疊系砂頁巖。地層自上而下描述如下：第四系（）：厚0-50米，位于區(qū)域中部，沿洺河流域分布，巖性主要為砂礫互層。白堊系（K）：厚80-140米，分布于中部，南北向條狀展布，巖性為凝灰質砂頁巖。二疊系（P）：厚約25

3、0米，分布于圖區(qū)中部，南北向條狀展布，巖性為砂頁巖。石炭系（C）：厚200-250米，分布于圖區(qū)中部，南北向條狀展布，巖性為砂頁巖、頁巖夾鋁土層，鋁土層厚35-40米。巖層中可開采煤層3-5米。上石炭統(tǒng)砂頁巖煤層頂部含有5-8米灰?guī)r。奧陶系（O）：厚800-1000米，分布于圖區(qū)西北部、西部，沿西北向條狀展布，巖性主要為結晶灰?guī)r及白云巖。巖溶發(fā)育強烈，河流流經區(qū)域發(fā)生河水漏失現(xiàn)象。從剖面圖可看出，與上覆地層之間缺失泥盆系及志留系地層，但是新老順序未變，可知與上覆石炭系地層為平行不整合接觸關系。寒武系（）：分布于圖區(qū)西北部、西部，沿西北向條狀展布，巖性為灰?guī)r、頁巖。震旦系（Z）：厚約300米，分

4、布于圖區(qū)西南角，巖性為石英砂巖。前震旦系（Al）：分布于圖區(qū)東部、東南部，出露面積較大，巖性為片巖、片麻巖。2.構造本區(qū)受燕山運動的影響，使東西向斷層被南北向斷層切割，形成 “棋盤格”狀的構造格局。區(qū)內主要發(fā)育4條斷層，均為正斷層。其中F1斷層沿南北向延伸，貫通整個區(qū)域；F2、F3、F4為東西走向斷層。斷層使地層有一定的錯動，對區(qū)內地表水、地下水分布及流動有一定影響。三、 巖石含水性由煤田水文地質圖可知本區(qū)含水層主要有：第四系松散堆積層、石炭系及二疊系砂頁巖、奧陶系及寒武系灰?guī)r、震旦系石英砂巖、前震旦系片麻巖。隔水層主要有：白堊系凝灰質砂頁巖、二疊系及石炭系頁巖。第四系松散堆積層中地下水為孔隙

5、水，主要接受大氣降雨及地表水補給，含水性較好。前震旦系片麻巖及震旦系石英砂巖中地下水為基巖裂隙水，主要接受大氣降雨補給。由出露的泉來看，其流量為0.01-0.5，可知其含水性一般。石炭系及二疊系砂頁巖中地下水為砂巖裂隙水，由鉆孔資料可知，此層單位降深較大，故其含水性較差，礦化度0.61.0g/L。奧陶系及寒武系灰?guī)r中地下水為巖溶裂隙水及巖溶水，含水性較好,礦化度0.250.5g/L。石炭系砂頁巖夾灰?guī)r層中存在巖溶裂隙水，含水性較好,礦化度0.60.9 g/L。白堊系凝灰質砂頁巖、二疊系及石炭系頁巖為隔水層，在礦區(qū)內分布較廣，厚度80-140米，隔水性較好。四、 地表水與地下水之間的水力聯(lián)系由煤

6、田水文地質圖可知，地表水與地下水之間存在密切的水力聯(lián)系。在圖區(qū)西北部及北部發(fā)生河水漏失現(xiàn)象，證明此處地表水補給地下水。第四系潛水分布區(qū)，地表水與地下水聯(lián)系緊密，豐水季節(jié)地下水補給地表水；枯水季節(jié)地表水補給地下水。圖區(qū)內泉水出露較多，多分布于洺河支流發(fā)育地段，為地下水補給地表水。其中 1號泉為上升泉，流量大；其余泉均為下降泉，且流量較小。從洺河上分布的三個測水站統(tǒng)計數據可知，圖區(qū)內總體的補給關系是地下水補給地表水。五、 各含水層之間的水力聯(lián)系及斷層的導水性1. 各含水層之間的水力聯(lián)系分析煤田水文地質圖以及各鉆孔資料可知，各含水層之間的水力聯(lián)系因地質條件的不同而有所差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第

7、四系砂礫石含水層與奧陶系灰?guī)r含水層接觸處巖溶發(fā)育，且發(fā)生河水漏失，說明河水補給第四系含水層后，第四系含水層內的地下水又補給了灰?guī)r溶洞中的巖溶水，故在圖區(qū)內河流流經奧陶系灰?guī)r處（在圖區(qū)北部和西部兩處）第四系含水層與奧陶系含水層的水力聯(lián)系非常緊密。由剖面圖可知，第四系砂礫石含水層與石炭二疊系砂巖含水層之間在直接的水力聯(lián)系。但是在剖面圖中，兩含水層之間存在白堊系凝灰質砂頁巖隔水層，阻斷了二者的水力聯(lián)系。由A1、A2、A3、A4四個水文地質孔的數據可知，石炭二疊系砂巖含水層與上石炭統(tǒng)砂巖含水層的水位標高、礦化度及裂隙率相差不大，故兩含水層之間存在水力聯(lián)系。水文地質孔A1、A2、A3的數據表明中下奧陶統(tǒng)

8、灰?guī)r含水層與上石炭統(tǒng)砂巖含水層的水位標高、礦化度及裂隙率相差較大，說明兩含水層之間的水力聯(lián)系微弱。由剖面圖可知，由于F4斷層的存在，使得前震旦系片巖片麻巖含水層與震旦系石英巖含水層之間有一定的水力聯(lián)系。2. 斷層的導水性分析 礦區(qū)內共發(fā)育有F1、F2、F3、F4四條正斷層，各斷層的導水性有所不同，主要表現(xiàn)在斷層處出露泉的流量大小、斷層與各含水層之間的位置關系以及斷層本身的性質，分別分析如下：由煤田水文地質圖可知，F(xiàn)1斷層延伸較長，貫穿整個圖幅。斷層附近只發(fā)育10號、11號兩個下降泉，無上升泉，且兩個下降泉流量較?。ǚ謩e為0.2及0.5），是前震旦系片巖片麻巖中的裂隙水形成的溢流下降泉，故F1斷

9、層在垂向上是阻水的。而斷層兩盤的含水層的含水量相差很大，證明該斷層在橫向也是阻水的。綜上所述，F(xiàn)1斷層為垂向和水平向都是阻水的。由斷層F2附近的A2水文地質孔資料可知，上石炭統(tǒng)砂頁巖和中下奧陶統(tǒng)結晶灰?guī)r含水層中的地下水位標高、礦化度、裂隙率均不相同，且沒有泉水出露于地表，故F2斷層在垂向上是阻水的。由剖面圖可知，在F2斷層處的地下水水位線連續(xù)，地下水流向無明顯變化，且在A2孔中同一含水層中水的礦化度、裂隙率相同，證明F2斷層兩盤的含水層之間存在水力聯(lián)系，故F2斷層在水平向是導水的。同理，F(xiàn)3斷層在垂向上是阻水斷層，在水平向是導水斷層。由剖面圖可看出F4斷層處有一上升泉，且流量較大（為80000

10、），此泉是由斷層上盤各含水層中的地下水匯集后遇斷層而流出地表，說明此處F4斷層是地下水流動的集水廊道，進而證明了F4斷層在垂向上是導水的。斷層上、下兩盤之間的巖性差異較大（上盤為沉積巖，含水性較好；下盤為變質巖，含水性較差。），兩盤巖層的含水量相差很大，說明二者之間水力聯(lián)系不大，即證明F4斷層在水平向是阻水的。綜上，各斷層的導水性如表1所示： 表1導 斷層水性方向 F1斷層F2斷層F3斷層F4斷層垂向阻水阻水阻水導水橫向阻水導水導水阻水六、 礦區(qū)地下水的補給、徑流和排泄條件圖區(qū)內地下水的主要補給來源為大氣降水、地表水以及地下徑流的側向補給；由剖面圖可知地下水的徑流方向基本與地形一致，從西、北、

11、東三個方向向南部地勢較低處流動；排泄除蒸發(fā)外主要以泉的形式向地表排泄。礦區(qū)含水層主要有第四系砂礫石層、石炭系及二疊系砂頁巖、奧陶系及寒武系灰?guī)r、震旦系石英砂巖及前震旦系片麻巖，各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，且斷層對礦區(qū)的地下水補、徑、排的影響也不容忽視，現(xiàn)分別敘述如下：第四系砂礫石中的孔隙水補給來源有：大氣降雨和地表河水的下滲以及地下各含水層徑流的側向補給。補給量的大小由降雨量、巖石孔隙度、地下水徑流強度決定。排泄主要以蒸發(fā)、補給洺河以及向周邊含水層排泄為主。石炭系及二疊系砂頁巖中的地下水補給來源主要為大氣降水下滲和其周邊含水層的側向徑流補給，排泄途徑主要以1號上升泉向地表河流排泄為主，少部

12、分通過地下徑流方式補給了其他含水層。奧陶系及寒武系灰?guī)r中的地下水主要來源于大氣降雨下滲、洺河河水的漏失以及上石炭統(tǒng)砂頁巖的越流補給，排泄主要以F4斷層處形成的1號上升泉向地表河流排泄。震旦系石英砂巖及前震旦系片麻巖中的基巖裂隙水主要來源于大氣降雨，以泉的形式向地表排泄，并補給了洺河?？傮w上來說，礦區(qū)年降雨量較大（為775ml），直接補給各含水層；F4斷層處上升泉的流量較大（為80000），是地下水的主要排泄區(qū)，除此外還有基巖處的下降泉以及蒸發(fā)等方式。第二章 礦坑充水條件分析一、 各含水層對、號煤層開采的充水意義由概念：“某一含水層要成為礦坑的充水巖層，有兩種方式：直接揭露含水層，地下水進入礦坑

13、直接充水水源；含水層與井巷之間存在某種自然或人為的通道，通過通道對礦坑充水間接充水水源。”可知，在圖區(qū)內能成為充水巖層的含水層有：寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層、上石炭統(tǒng)砂頁巖含水層、上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層、二疊系砂頁巖含水層和第四系砂礫石含水層。各含水層對、號煤層開采的充水意義分析如下：由于F4斷層在橫向是阻水斷層，地下水以泉的形式向地表排泄，所以圖區(qū)西南部的前震旦系片巖片麻巖含水層以及震旦系石英砂巖含水層不滿足充水巖層的條件，不能成為、號煤層開采的充水水源；圖區(qū)東部的前震旦系片巖片麻巖由于F1斷層的阻水性也不能成為、號煤層開采的充水水源；寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層上覆的中石炭統(tǒng)頁巖隔水層起隔水作用

14、， F2、F3斷層在橫向上是阻水的，在橫向上是導水的，且、號煤層上下都是相對隔水層，故寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層不能成為、號煤層開采的充水水源。對號煤層而言，煤層上覆還有一層上石炭統(tǒng)中的薄層灰?guī)r，具導水性，由于F4斷層的垂向導水性，因此寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層可能會成為號煤層開采的間接充水水源。上石炭統(tǒng)砂頁巖含水層中含有、號煤層，是、號煤層開采時的直接充水水源，其上覆的二疊系砂頁巖是弱含水層，含有號煤層，故上石炭統(tǒng)砂頁巖含水層可能會成為號煤層開采時的間接充水水源。上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層上覆的上石炭統(tǒng)砂頁巖為弱含水層，故其對號煤層的開采有影響，是號煤層開采的間接充水水源；上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層是號

15、煤層的上覆巖層，號煤層開采時，會成為號煤層開采的直接充水水源；上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層下覆的中石炭統(tǒng)頁巖是相對隔水層，對號煤層的開采無影響，不能成為號煤層開采的充水水源。二疊系砂頁巖弱含水層中含有號煤層，是號煤層開采時的直接充水水源，下伏的上石炭統(tǒng)砂頁是弱含水層，且含有、號煤層，是有、號煤層開采時的間接充水水源。第四系砂礫石含水層與其他含水層之間都有一定的水力聯(lián)系，是、號煤層開采時的間接充水水源。二、 斷層構造對礦坑充水的作用由煤田水文地質圖以及對各斷層導水性的判斷（詳見表1）可知，F(xiàn)1斷層無論是橫向還是垂向都是阻水斷層，且斷層東部為前震旦系片巖片麻巖，是弱含水層，故F1斷層對一、二、三號礦坑的

16、充水沒有影響；F2、F3斷層均為橫向導水，垂向阻水的斷層，雖然兩條斷層都切過多個含水層，但是由于垂向上的阻水作用使各含水層之間沒有水力聯(lián)系，只起到地下水徑流方向的一致性，并沒有對各礦坑的充水提供有利條件；F4斷層的垂向導水性使各含水層之間的水力聯(lián)系緊密，而且處于礦坑的邊緣地帶，故其為各礦坑提供了良好的充水條件，對安全開采造成一定的威脅。綜上所述，四條斷層中只有F4斷層對礦坑充水有明顯影響，其余斷層對礦坑吹水并無顯著影響。三、二號礦號煤層底板的穩(wěn)定性由一礦資料：頁巖平均抗張強度KP0.16MPa，平均容重2.45T/m3，巷道底板隔水層實際厚度t=30m，坑道底寬L10m。由剖面圖可知一礦號煤層

17、與二礦號煤層所處的地質環(huán)境基本相同，則可以借鑒一礦頁巖隔水層的有關數據。當二礦號煤層-50m水平開采，天然水位標高為320m時的底板穩(wěn)定性計算過程如下：由斯列薩列夫公式：（底板）··························式中：R巖層容重（N/m3）R2.45T/m3= 2.45*9.8*103N/m3=2.4*104 N/m3K

18、p 巖層的抗張強度(MPa) Kp=0.16MPatp 隔水底板厚度（m）tp=30ml開采區(qū)底寬（m）l=10m 將以上數據帶入斯列薩列夫公式得當隔水底板厚度為30m，抗張強度為0.16MPa時，所能承受的極限水壓力大小為：HL=3.6MPa轉化成地下水位標高為HL=367.3m由于煤層是在-50m開采，故其允許水頭高度為：H=367.3-50=317.3mH天然=320m綜上所述，二號礦號煤層底板不穩(wěn)定。四、河下采煤條件由于河流流經三個礦區(qū)之上，為確定河下采煤安全開采上限，留設防水柱、實現(xiàn)地下安全施工作業(yè)，需對河下安全開采的深度進行計算。安全開采深度是指地下安全施工區(qū)的最小埋深值，是保證安

19、全開采的深度。由已知資料可知，煤層平均傾角10°，開采厚度m=6m，巖石碎脹系數K1.3，河床第四系厚度為50m，保護層厚度Hc=20m。此煤層由傾角可知為緩傾斜煤層，故由經驗公式： ··································

20、;·············式中，K 巖石的碎脹系數，即巖石跨落前后的體積比，>1，K=1.3M 礦層厚度或開采厚度（或開挖凈空），（m）,M=6m煤層傾角（°），=10°將數據代入經驗公式求得：H（冒）=6/(1.3-1)*cos10°)=20.31m 而H(導)=(2 3)H(冒) ············&

21、#183;····································取H(導)=2 H(冒)=40.62m防水礦柱高度：Hw=H+Hc ·······

22、83;·······································緩角度時 HII = H（導）× Cos() ······

23、;······························ 式中為煤層傾角，砂頁巖類的保護層厚度取Hc=20m將數據代入式計算得Hw=60m所以，河下煤層的安全開采深度為H總=HW+H（第四系）=60m+50m=110m綜上所述，要達到河下安全采煤，需留設安全防水礦柱的高度為60m，河下安全開采

24、的深度是110m。第三章 初步預測二礦的礦坑涌水量一、C3薄層灰?guī)r涌水量初步預測由一礦資料可知：+200m水平開采二號煤層時，天然水位標高321m，坑道系統(tǒng)長1500m，寬1000m，開拓排水一年時，礦坑涌水量為1200 m3d。二礦資料：開采±0m水平二號煤層時，坑道系統(tǒng)長2000m，寬1060m。由于一礦和二礦兩煤層的水文地質條件相似，開拓進度、采礦技術要求基本一致，故用用水文地質比擬法中的單位涌水量法方法二預測，根據公式 ·············&

25、#183;·························式中，Q1 一礦的涌水量，（m3d），Q1=1200m3d； Q2 二礦的涌水量，（m3d）； F1 一礦的開采面積，（m²）,F1=1500*1000=1.5*10 m²；F2 二礦的開采面積，（m²），F(xiàn)2=2000*1060=2.12*10 m²

26、;；S1 一礦的降深(m),S1=321-200=121m；S2 二礦的降深（m）,S2=321-0=321m；m,n 待定系數，需要通過對涌水量與開采面積、降深的統(tǒng)計關系取值，此處取m=1，n=1。將以上數據代入式得 Q2=1200*（2000*1060/1500/1000）*（321/121）=4500（m3d） 故開采±0m水平二號煤時，C3薄層灰?guī)r的涌水量為4500m3d 。二、預測開采-50m水平一號煤時需對奧陶紀灰?guī)r地下水降壓的排水量。1.根據A1孔抽水CK1觀測孔的觀測資料，用特定條件標準曲線對比法計算奧陶紀灰?guī)r含水層的參數T、a。由煤田水文地質圖可看出，西南部的F4斷

27、層距水文地質觀測孔的距離較遠，當抽水井在短時間內抽水時，F(xiàn)4斷層對觀測孔的降深無顯著的影響，則由地下水動力學可知，此處的F4斷層可作為無限含水層邊界處理；而東部的F1斷層貫穿整個圖區(qū)，與抽水井、觀測孔的距離均較近，抽水時對觀測孔的降深影響較大，且由于其本身的不導水性，故此處將F1斷層作為直線隔水邊界處理。抽水試驗模型平面圖如表2中所示。依據泰斯井流理論及泰斯公式，觀測井的水位降深方程為： S= ·················

28、;······················在特定條件標準曲線法中，將上式記為S= ························

29、83;························式中，。CK1抽水試驗觀測數據如下表所示：表2觀測延續(xù)時間（min）水位累計降深（m）觀測延續(xù)時間（min）水位累計降深（m）1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.015.020.025.030.040.050.060.070.00.00.0110.0200.0270.0330.04

30、00.0470.0530.0580.0650.0950.1140.1320.1500.1780.1980.2140.23080.090.0100.0150.0200.0250.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.01200.01500.02000.00.2430.2550.2650.3200.3600.3900.4190.4450.4800.5150.5400.5600.5800.6000.6400.6600.740平面圖A1孔定流量抽水Q920m3d由表2在excel表格中做lgS-lgt曲線如圖2所示。 由計算附表中的表3可繪制lgWm(u)-

31、lg(1/u)標準曲線如圖3所示：將實測lgSlgt曲線置于標準lgWm(u1)lg(1/u1)曲線之上，平移lgSlgt曲線使兩曲線基本重合，此時確定坐標軸的平移值lgt0、lgs0，可求出相應的t0（1/u1=1時對應的t值）與 S0(Wm(u1)=1時對應的S值)。根據公式可得， T=，將所求得的S0、t0代入上式可得奧陶系灰?guī)r含水層的參數分別為：T=，2.初步預測開采50m水平一號煤時所需對奧陶系灰?guī)r地下水壓降的排水量及相應排水時間此計算過程中需對礦區(qū)水文地質模型進行概化，由第一、二章的論述可將模型進行下列概化： 北面和西面奧陶系灰?guī)r延伸長，分布于整個含水層，概化為無限含水邊界； F1

32、斷層水平和垂向上都不導水，且延伸較長，概化為直線隔水邊界； F2、F3斷層水平導水，概化為導水通道； F4斷層水平阻水，概化為隔水邊界； F1F4斷層交界處泉群，流量大，對礦坑排水有較大影響，需考慮；直線孔排Q泉模型簡化如下圖4所示：反映為無界問題S實S虛S虛S虛 圖4 模型概化簡圖 據上述概化后的模型則有： 及 17附表： 作圖計算表 表3u1W(u1)Wm(u1)0.1104900.000100.00010.252450.00114800.0011480.33.333333333163.33333330.00893900.0089390.42.5122.50.0249100.024910.

33、61.66666666781.666666670.0746500.074650.81.2561.250.146900.14691.01490.219400.21942.00.524.50.559800.55983.00.33333333316.333333330.836100.83616.00.1666666678.1666666671.35780.0000341.35783410.00.14.91.82290.0012911.82419120.00.052.452.46790.026682.4945830.00.0333333331.6333333332.86680.086312.95311

34、50.00.020.983.35470.22693.581680.00.01250.61253.81810.44544.2635100.00.010.494.03790.57214.61300.00.0033333330.1633333335.13991.40926.5491500.00.0020.0985.63941.84127.48061000.00.0010.0496.33152.48718.8186 t0=0 tn=600天 表4tn(天)u1=u2=u3=u4=u5=W(u1)W(u2)W(u3)W(u4)W()W(u1)×W(u2)W(u3)W(u4)W(u3)-W(u4

35、)×W()-W(u4)×W()Q1（25000）4Q2（30000）4Q3（35000）4Q4（45000）4Q5（55000）4+302.52 1.26 5.04 1.68 2.52 0.02 0.14 0.00 0.07 0.02 0.00 0.07 0.00 0.00 0.00 1.13 0.00 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 501.51 0.76 3.03 1.01 1.51 0.10 0.33 0.01 0.22 0.10 0.03 0.21 0.00 0.04 0.04 1.13 0.04 0.15 0.18 0.21 0.27 0.33 1001.51 0.38 1.51 0.50 0.76 0.10 0.74 0.10 0.56 0.33 0.07 0.46 0.15 0.23 1.13 0.26 1