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1、第六章 矿 井 水第六章 矿 井 水矿井水，是在煤矿生产过程中流入或渗入井筒、井下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。我国煤矿水文地质条件极为复杂，包括地表水、冲积层水、老空 水和底板水等，不仅水文地质类型多而复杂，而且水害严重程度为世界罕见。国家一直重视 矿井水的防治工作。为有效防范、遏制煤矿重特大事故的发生，2009年国家安全生产监督 总局在煤矿防治水规定（1984年）和煤矿防治水工作条例（1986年）的基础上以部门规章颁布了煤矿防治水规定，对煤矿防治水工作提出了具体要求。本章重点介绍地下水的基本知识、矿井水的充水条件和矿井水的防治。 第一节 地下水的基本知识一、自然界
2、的水循环 地球上各种形态的水都处于不断运动和相互转换之中，形成了水文循环。水循环直接 涉及自然界中一系列物理、化学和生物过程，对人类社会的生产、生活和整个地球生态都有 重要意义。 传统意义上的水循环，是指地球上各种形态的水在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗和径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程，也就是水的自然循环过程。 从全球整体角度来说，这一循环过程可以设想为从海洋蒸发开始，蒸发的水汽升入空中并被气流输送至各地，大部分仍留在海洋上空，少部分被气流输送深入内陆，在适当条件下这些水汽凝结成降水。其中，海面上空的降水直接回归海洋，降落到陆地表面的雨雪除重
3、新蒸发升入空中的水汽外，一部分成为地面径流补给江河、湖泊，另一部分渗入土壤和岩层中，转化为壤中流和地下径流。地面径流、壤中流和地下径流最后都流人海洋，构成全球性统一的、连续有序的动态水循环大系统。 通常，按水循环不同途径和规模，可将全球水循环区分为大循环和小循环。从海洋蒸发上升的水汽被气流带到陆地，遇冷凝聚而以降水方式落到地面。降落的水一部分被蒸发而 重新回到空中，一部分形成地表径流汇入江河、流归海洋。这种海洋与陆地之间的水迁移和 交换现象称之为大循环。 从海洋表面蒸发变成的水汽上升到空中，遇冷凝聚后又降落到海洋上，或者从陆地上蒸发变成水汽上升到空中，遇冷凝聚后又降落到陆地上，这种海洋内部或陆
4、地内部的水的迁移和交换现象称之为小循环。 水的大循环与小循环实际上并不是截然分开的而是互相联系的，小循环往往包含在大 循环内部。水循环的总趋势是海洋向陆地输送水汽，而陆地的一部分径流又流回大海。在水的循环过程中，地球上的大气圈、水圈和岩石圈之间，通过蒸发、降水、下渗等形式也进行 着水的交换。 二、地下水的物理性质和化学性质 自然界中，存在于岩石圈中的水称为地下水，即指埋藏在地表以下、贮存于岩土空隙中 的水。地下水并不是化学纯水，由于它参与了自然界的水循环，所以它具有相当复杂的化学 成分，并呈现出不同的物理性质和化学性质。 （一）地下水的物理性质 地下水的物理性质主要包括温度、颜色、透明度、气味
5、、口味等。 1.温度 地下水的温度主要受气温和地热控制，随自然地理、地质条件和循环深度的变化而变 化。如寒带和常年积雪地带的浅层地下水的温度可低于0，而埋藏于火山活动地区和地 壳深处的地下水，温度可达数十摄氏度，甚至超过100。 2.颜色 一般情况下常见的地下水与化学纯水一样，是无色透明的。当水中含有某些元素或含 有较多的悬浮物质和胶质体物质时，便会带有不同的颜色（表6 -1）。 表6 -1 地下水颜色与其中存在物质的关系 水中存在物质 硫化氢 低价铁 高价铁 硫细菌 锰化合物 腐植酸 黏土 水的颜色 翠绿色 浅蓝色 黄褐色 红色 暗红 暗黄或 无荧光浅绿色 灰黑色 淡黄色 3.透明度 地下水
6、的透明度取决于其中固体和胶体悬浮物的含量。常见的地下水一般是透明的。 4.气味（嗅）地下水的气味取决于水中所含的气体成分和有机物质，一般的地下水是无味的，但当水中含有H2S气体时，水便具有臭鸡蛋味;当水中含有亚铁离子时，水即有铁腥味;当水中含有腐植酸时，水常有沼泽味。其气味强弱与温度有关，一般在低温时气味不易辨别，而加热到40左右时气味最显著。 5.味道（口味） 地下水的味道取决于其中所含的盐分和气体。例如，含氯化钠的水具咸味;含硫酸钠的 水具涩味;含氯化镁或硫酸镁的水具苦味;含氧化铁的水有锈味;大量有机质的存在能使水 具甜味;二氧化碳在水中含量较多时，能使水清凉可口;而溶有重碳酸钙、重碳酸镁
7、的水则味 美适口。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2030时，水的味道比较明显。 （二）地下水的化学成分 地下水长期在岩石和土壤的空隙中埋藏和运动，必然与周围介质（岩石、土壤）相互作用，不断地溶解介质中的可溶盐类和气体成分等，因此地下水是一种复杂的溶液。到目前为止，在地下水中已发现有几十种元素，其中主要有以下几种: 离子状态阴离子有Cl -、SO、HCO-3等; 阳离子有K+、Na +、Ca 2+、Mg 2+等。 化合物状态Fe2O3、Al2O3等。 气体状态N2、O2、CO2、CH4、H2S等。 在上述常见的几种离子成分中，常以水中主要的阴、阳离子表示地下水的化学类型。
8、例如，地下水中若主要阴离子成分为HCO- 3、阳离子为Ca 2+ ，那么水的化学类型就称为重碳酸钙型水;若水中主要阴离子为SO、阳离子为Na +，其化学类型为硫酸钠型水，等等。 （三）地下水的化学性质 由于地下水中所含化学成分不同，因而地下水表现出不同的化学性质，如酸碱性、侵蚀性等。反映地下水化学性质的常用指标有以下几个。 1.酸碱度 水的酸碱度通常用“氢离子浓度”，即pH值表示。当pH=7时，水呈中性;当pH<7 时，水呈酸性;当pH>7时，水呈碱性。根据pH大小，可将地下水分为五类（表6 -2）。 表6 -2 水的酸碱性分类表 水的酸碱性 强酸性 弱酸性 中 性 弱碱性 强碱性
9、 pH值 <5 57 7 79 >9 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6.58.5之间。 2.侵蚀性 当含有CO2 的地下水与混凝土或石灰岩等接触时，可能溶解其中的CaCO3，使混凝土 的结构受到破坏，这也是在石灰岩地区产生岩溶作用的原因之一。其反应方程式如下: CaCO3 +H2O+CO2 Ca2+ +2HCO 由上式可知，当水中含有一定数量HCO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HCO达到平衡之后，若又有一部分CO2进入水中，那么上述平衡就遭到破坏，反
10、应即向右进行，其中一部分CO2 与CaCO3 起 化学反应而使CaCO3被溶解，这部分CO2就称为侵蚀性CO2 。因此，当地下水中游离的CO2含量超过平衡需要时，水中就含有一定量的侵蚀性CO2 ，水便具有侵蚀性。 3.总矿化度（溶解性总固体） 地下水中所含各种离子、分子和化合物（不包括游离状态气体）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）表示。通常是用水样在105110温度下蒸发干后所得的固体残余物的质量来表示。按矿化度的大小，可将地下水分为五类（表6 -3）。 表6 -3 地下水按矿化度的分类 中国以前的分类标准 国际通用的分类标
11、准 类别名称 矿化度/（g/L） 类别名称 溶解性总固体（TDS）/（g/L） 淡 水 <1 淡 水 <1 微咸水 13 咸 水 310 微咸水 110 盐 水 1050 咸 水 10100 卤 水 >50 卤 水 >100 饮用水为淡水，即总矿化度小于1 g/L的水。 矿化度可直接反映地下水的循环条件，矿化度高说明地下水的循环条件差;矿化度低说 明地下水的循环条件好。 4.水的硬度 地下水的硬度，是指水中含有易形成难溶盐的金属离子总量，其大小主要决定于地下水 中Ca 2+ 和Mg2+的含量。水的硬度通常分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。 总硬度是指水中Ca 2+ 和Mg
12、2+的总含量。它是暂时硬度和永久硬度的总和。暂时硬度是指将水加热煮沸后形成碳酸盐、重碳酸盐沉淀的Ca 2+ 和Mg2+的含量，故又称碳酸盐硬度。 Ca2+ +2 HCO CaCO3 +H 2O+CO2 Mg 2+ +2 HCO MgCO 3 +H 2O+CO2 永久硬度是指将水煮沸后残留在水中的Ca 2+ 和Mg2+的含量，故又称非碳酸盐硬度。 硬度的常用单位有毫摩/升（mmol/L）、德国度（gH）和毫克/升（mg/L，以CaCO3 计）。 三者之间的换算关系如下: 1 mmol/L=5.61德国度=100.1 mg/L（以CaCO3 计） 饮用水总硬度一般不超过450 mg/L。水的硬度随
13、自然地理、地质等因素的变化而变化。如在石灰岩地区的岩溶水，一般在1025德国度之间;煤矿地区的老空水和深层的地下水，一般硬度较高等。 硬度对生活和工业用水影响很大。例如，用硬水洗衣服，会消耗大量肥皂;用硬水煮饭， 便不容易熟。此外，硬水可使锅炉产生锅垢，既浪费燃料又易引起锅炉爆炸。 三、水在岩土中存在的形式 存在于岩土中的地下水，按其物理性质和分布状态不同，可分为以下几种。 （一）气态水 呈气体状态充满于岩土空隙之中的水蒸气，称的气态水。其不能直接被利用，也不能直接被植物吸收。 （二）吸着水 在静电引力或分子引力作用下使水分子附着于岩土颗粒表面并形成一层极薄的水膜， 这一部分水称为吸着水，也称
14、强结合水。吸着水具有一些不同于一般液态水的特征，如相对 密度大于1，黏滞性很大，不受重力影响，不传递静水压力，在-78以下仍不冻结，不溶解盐类等。因此这部分水无法被利用，也不能被植物吸收。 （三）薄膜水 是指包围在吸着水外面的具有一定厚度的薄水膜，称为薄膜水或弱结合水。薄膜水不 受重力影响，不传递静水压力，其相对密度与普通水一样，但黏滞性较大，溶解盐的能力较 低，一般无法利用，但外层水分子可被植物吸收。 （四）毛细水 充满于岩土毛细空隙（直径小于1 mm的孔隙和宽度小于0.25 mm的裂隙）中的水，称 为毛细水。毛细水可传递静水压力，有一般水的特点，可被植物吸收。 （五）重力水 充满于非毛细空
15、隙中的、能够自由运动的液态水，称为重力水。平常从泉眼、水井、钻孔和矿井巷道中流出的地下水都是重力水。重力水具有一般水的通性，它可以传递静水压力 且可以自由运动，重力水是地下水主要的研究对象。 （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。 除上述六种水外，还有存在于矿物中的化学结合水，如沸石水等等。 各种形式的水在地壳中的分布有一定的规律性。 四、含水层、隔水层和透水层 地下水之所以能够储存于岩石中，是因为岩石中具 有或多或少的空隙，岩石的空隙既是地下水的贮存空间，又是地下水的运动场所。岩石中的空隙有孔隙、裂隙、岩溶三种类型。一些岩石如砾石、粗中粒砂，以及裂隙、岩 溶发育的坚硬
16、石灰岩、胶结不好的砾岩等，在一定条件下它们一方面是地下水贮存场所、能贮水，另一方面又允许水透过，即能透水，若开掘巷道遇到这类岩石水便流出来。把这类能透水且含有重力水的岩层称为含水层。还有一些岩石，如黏土岩类，以及裂隙不发育的坚硬致密的岩浆岩、变质岩等，其本身不含地下水并对地下水的渗透起阻隔作用，在井下开掘到这类岩石时，比较干燥、无水，把这类不透水又不含重力水的岩层称为隔水层。此外，自然界中也有一些岩石，其裂隙、岩溶等较发育，虽能透水但却不含重力水，把这类只能透水而不含重力水的岩层称为透水层。 岩土空隙的大小和多少直接影响水分的贮存和运移，特别是空隙大小更具决定意义。 在一个足够大的空隙中，从空
17、隙壁面向外依次分布着强结合水、弱结合水和重力水。 空隙愈大，重力水所占比例愈大。当空隙直径小于结合水层厚度两倍时，则空隙中全部 充满结合水而不存在重力水。由于空隙大小不同，水在其中的存在形式亦不同，因而岩石能够容纳、保持、释放或允许水透过的性能也不相同。这些就是岩土的水理性质，包括容水性、持水性、给水性、透水性等。 容水度岩土空隙所能容纳的最大水体积与容水岩土体积之比，叫做容水度。岩 石能容纳一定水量的性能，即称为容水性。 含水量岩土中所含水的质量与干燥岩土质量之比（或两者体积之比），称为岩土的含水量。它是度量包气带岩土含水多少的指标。 持水度饱水岩土在重力作用下释放水时，一部分水从空隙中流出
18、，而另一部分 水仍保持在空隙中，这种性能叫做岩土的持水性。重力释水后，岩土中所保持的水的体积与 岩土体积之比，称为持水度。这部分水包括结合水和毛细水。 给水度饱水岩土在重力作用下能自由释放出一定数量水的性能，称为岩土的给 水性。当地下水下降一个单位深度时，单位水平面积岩石柱体在重力作用下释放水的体积， 称为给水度。给水度在数值上等于容水度减去持水度。岩土给水度的大小与空隙大小和多 少密切相关，其中空隙大小对给水度的影响更为显著。 透水性是指岩土允许重力水透过的能力，通常用渗透系数（ K）表示。重力水在岩土空隙中流动时，由于结合水对重力水和重力水质点之间存在着摩擦阻力，最靠近空隙边缘的重力水流速
19、趋近于零，至中心部分流速最大。因此，空隙愈小，重力水所能达到的最大流速愈小，其透水性则愈差。岩土的透水性决定于空隙的最小直径。例如，砂性土的孔隙率小于黏性土，但前者的渗透系数大于后者。 五、地下水的分类 地下水的分类方法很多，我国煤矿建设和生产上常用的分类方法有以下两种。 （一）按地下水埋藏条件可将地下水分为上层滞水、潜水和层间水三类 1.上层滞水 上层滞水，是指存在于包气带中局部隔水层之上的重力水。它是由下渗水流遇到包气带中的局部隔水层而引起水的滞留和聚集而形式的。 上层滞水的分布范围一般不广，具季节性，在雨季出现，干旱季节消失。其动态（指水 质、水量、水位高低等）变化与气候和水文因素变化密
20、切相关。由于上层滞水距地表较近，直接受大气降水或地表水的下渗补给，因此其补给区与分布区一致且易被污染。由于这种水 的分布范围有限，含水层厚度小、水量少、具季节性，因此一般只能作为小型或暂时性供水水源。上层滞水对采矿影响不大，对植物的生长发育有一定作用。 2.潜水 潜水，是指埋藏在地表以下、第一个稳定隔水层之上、具有自由水面的重力水。 潜水在自然界分布极广，主要存在于第四纪疏松沉积物的孔隙和露出地表的基岩裂隙 中。潜水上面无稳定的隔水层存在，因此其具有无承压自由水面，亦称潜水面。潜水面至地表的距离称为潜水的埋藏深度。由潜水面往下至隔水层顶面之间的距离称为含水层厚度。潜水面上任意点的标高，称为该点
21、的潜水位。 潜水属无压水，在重力作用下潜水可由高水位向低水位流动，水流方向即为潜水的流向。潜水主要由大气降水和地表水补给，多数情况下补给区与分布区一致。潜水的埋藏深度和含水层厚度因地而异，同一地区其随季节而变化，雨季降水充沛、补给量大、埋藏深度小且含水层厚度大，旱季时相反。此外，潜水面的形状与地形也有密切关系，它随当地的地形起伏而变化，地形高的地方潜水位也高，地面坡度越大潜水面坡度也越大，二者基本一致，但地面坡度总体大于潜水面坡度。潜水面的倾斜方向总是从补给区（大气降水或地表水等补给潜水的地段）倾向于排泄区（排泄潜水的地段），它表示潜水的运动方向。潜水面的形状可用潜水等水位线图表示。 潜水等水
22、位线图，是潜水面上各点的水位高程的等值线图，它是以潜水面上各点的水位 标高为依据而编制成的。利用潜水等水位线图可确定潜水的流向、潜水的水力坡度（指沿潜水的流向在单位距离内的水位标高差）、潜水的埋藏深度，推断含水层的岩性和厚度变化，确定引水工程的位置等等。 由于潜水含水层之上无稳定的隔水层存在，埋藏较浅，易于取用，可作为供水水源。如 做生活和工业用水，还可用于农田灌溉等，但其易受污染。潜水对建井和露天开采影响较 大，对地下开采影响较小。 3.层间水层间水，是指存在于两个稳定隔水层之间的重力水。层间水又可分为无压层间水和承 压层间水两种。 无压层间水是指两个隔水层间的含水层未被重力水充满、仍具有自
23、由水面而不承受压力，只能在重力作用下由高处向低处流动，其性质与潜水相同。 承压层间水（承压水）是指充满于两个稳定隔水层之间、含水层具有压力的重力水。承压水的重要特征是有承压水头，当钻孔打穿隔水层顶板后，承压水便在静水压力作用下沿钻孔上升，到含水层顶板以上某一高度后稳定下来，该高度称为静止水位或承压水位。从静止水位到顶板隔水层底面的垂直距离称为承压水头或水头高度。当地表标高低于静止水位时，水可自行喷出，此时的承压水称自流水。若在该地打井，便出现自流井。最适宜于形成承压水的地质构造为向斜构造（或盆地、洼地）和单斜构造。形成承压水的向斜构造称为承压盆地，形成承压水的单斜构造称为承压斜地。承压盆地和承
24、压斜地按水文地质特征分为补给区、承压区及排泄区三个区。补给区是指大气降水或地表水直接补给承压水的部分;承压区是指含水层上部具有隔水层的地段，在承压区地下水具有静水压力;排泄区是指承压水以泉等形式排泄出含水层的区域。 承压水的埋藏条件不同，其承压水位也不同。在同一承压含水层中，把承压水位相等的点连起来，即得到承压水位的等高线，将承压水位等高线绘制成图，就是承压水等水压线图。等水压线图有很多实际用途，根据该图可确定承压水的流向和计算某地段水力坡度（承 压水面坡度）;确定承压水埋藏深度和承压水头（在该图上，同时附有地形等高线和隔水层顶板等高线时才能确定）;判断开采承压水的有利地段;确定含水层厚度（必
25、须在有上、下隔水层等高线时才能确定）;分析有无自流区，等等。由于承压水上部有隔水层存在，所以其补给区与分布区不一致。其动态变化受大气降水、蒸发等影响不显著且不易受污染，是很好的供水水源。在采矿工作中遇到承压含水层时，可能会使大量承压水涌入巷道，甚至造成矿井被淹等。因此，应引起高度重视，采取一定的防范措施，避免水患发生。 （二）按地下水含水层性质可将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水 1.孔隙水 是指存在于疏松岩层孔隙中的水。这些疏松岩层主要是第四系沉积物和基岩风化壳。 孔隙水的存在条件和特征取决于岩石的孔隙情况，因为岩石孔隙的大小和多少不仅关系岩 石透水性好坏，而且直接影响岩层中地下水的运动条件
26、以及水量大小和水质好坏。岩石的 孔隙情况与岩石颗粒的大小、形状、均匀程度和排列情况等有关。若岩石颗粒大而均匀，则 含水层孔隙大、透水性好，地下水水量大、运动快、水质好;相反，若颗粒大小混杂或颗粒很细，则含水层的孔隙小、透水性差，地下水水量小、运动慢、水质差。 孔隙水由于其埋藏条件不同，可以形成上层滞水、潜水和承压水。孔隙水对采矿的影 响，主要取决于孔隙含水层的厚度、孔隙情况及其与煤层的位置关系。一般含水层厚度大、 孔隙大，水量就大。建井时遇到它，需加强排水才能穿过;若为颗粒细又均匀的砂层，易形成流砂，可能会使大量流砂涌入井内，甚至会使整个井筒报废;若直接在强孔隙含水层之下开采急倾斜煤层时，很可
27、能发生突水事故等。总的来说，孔隙水对建井和露天开采均有一定 影响。 2.裂隙水 埋藏于岩石裂隙中的地下水，称为裂隙水。按埋藏条件裂隙水可分为裂隙潜水和裂隙 承压水。裂隙的成因和发育程度不同，裂隙水赋存和运动条件有所差异。因此，裂隙水的特 征主要取决于裂隙的性质。 按其成因裂隙可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙等。对煤矿生产影响较大的裂隙 主要是赋存于构造裂隙中的水，即构造裂隙水。 其中断层破碎带中的裂隙水，通常具承压水性质，其含水性能取决于断层性质、两盘岩性和次生充填物等。一般而言，逆断层产生的破碎带两盘的裂隙多是闭合的，裂隙的含水性能较差。当遇到较大的正断层，其两盘又是坚硬脆性岩石（如砂岩）
28、时，断层破碎带的规模均较大，裂隙的张开性能好，富水性强，若这种断层又与其他强含水层接触，巷道一旦揭露就会发生突然涌水。 3.岩溶水 赋存于石灰岩、白云岩等可溶性碳酸盐岩裂隙、溶洞中的地下水，称为岩溶水，有时也称喀斯特水或溶洞水。 按其埋藏条件岩溶水可分为岩溶潜水和岩溶承压水。它们对矿山开采均有不利影响， 尤其是岩溶承压水常具有高压特点，致使我国许多煤矿水文地质条件复杂化。岩溶水对采 矿的影响主要决定于煤系地层及其附近是否发育有可溶性岩石，一般煤层附近厚度大于5 m的石灰岩均作应为重要的岩溶水含水层考虑。如我国华北石炭二叠纪煤田，其煤系地层 下伏为奥陶纪石灰岩，岩溶承压水非常发育，对煤炭开采影响
29、很大，如淄博矿区、焦作矿区、 峰峰矿区等均有岩溶水。 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会形成泉，它是排泄地下水的一种重要方式。在山区和丘陵的沟谷中及山脚下含水层出露的最低处，均容易找到泉，而在平原区很难找到。泉是在一定的地形、地质和水文地质等条件结合下形成的。 按照泉的形成方式泉可分为下降泉和上升泉。由潜水形成的泉称为下降泉;由承压水 形成的泉称为上升泉。温泉一般为上升泉。 第二节 矿井充水条件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，统称为矿井水。水进入矿井的过程称矿井充水。矿井充水水量的大小是由许多因素综合作用决定的。 在许多因素中，一定的水
30、源和充水通道是造成矿井充水的两个主要因素，即充水条件。在采 掘过程中，正确地分析判断矿井水的水源、充水通道和影响涌水量大小的因素，对计算矿井 涌水量大小、合理地制定矿井防治水措施有重要意义。 一、矿井充水的水源 矿井充水必然会有某种水源补给，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，特别是在开采地形低洼且埋藏较浅的煤层时，大气降水往往是矿井涌水的主要水源。大气降水一般是沿岩石的孔隙和裂隙渗入地下补给含 水层，属间接进入矿井，少数情况是直接进入矿井。大气降水作为矿井充水水源时，有以下 特点: 矿井涌水量的大小与该区的年降水量
31、大小、降水性质和延续时间有关。降水量大的地区，矿井涌水量大，如我国南方一般矿井涌水量就大;长时间的小雨有利于渗入，矿井涌水量就大;短时间暴雨，不利于渗入，矿井涌水量就小。 矿井涌水量的大小随季节不同而变化。雨季矿井涌水量大，旱季矿井涌水量小，而 且矿井涌水量的高峰期往往比降水滞后一定时间。 大气降水渗入量随开采深度增加而减少。即是说同一矿井的不同开采深度，大气降 水的影响程度不同。（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，可通过一定通道进入矿井，而成为矿井充水水源。地表水能否进入矿井，主要取决于巷道距离水体的远近、水体与巷道之间的岩层性质和构造，其次是开采方
32、法。 地表水进入矿井的途径主要有通过第四系松散砂、砾层和基岩露头渗入补给地下水，然后在适当条件下进入巷道;通过构造破碎带或老窑直接溃入井下;洪水期间，通过井口（或冲破围堤）直接灌入;沿采空区上方的冒落带和导水裂缝带进入。 地表水作为矿井充水水源时有以下特点: 煤层距地表水体越近，矿井涌水量越大; 常年性水体，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，仍然会起到补给含 水层的作用。 受地表水威胁的矿井，在开采过程中应当查明地表水水体的大小、距离巷道的远近，以 及位于最高洪水位以下的范围以便预先采取一定措施以避免水害发生。 （三）地下水 地下水是矿井充水最
33、直接、最主要的充水水源。煤层附近往往存在含水层，当其与采掘空间有通道相连时，含水层中的水就会进入矿井成为矿井充水水源。这些含水层的地下水 根据含水层空隙的性质不同可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水，其特点如下。 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。水量较大且常有流砂溃入井下。如开滦煤矿某矿井曾发生过水、砂突入矿井事故。 充水水源为裂隙水当采掘工作面揭露含裂隙水的围岩时，这种水就会流入工作面，其水量较小、水压较高。当裂隙水与其他水源无水力联系时，多数情况下涌水量逐渐减小，甚至干涸;反之，涌水量就会增大，甚至造成淹井事故。 充水水源为岩溶水在开采顶、底板为石灰岩等可溶性岩
34、层的煤层时，常会遇到此类水源。其水量大，水压高，来势猛，水量稳定，不易疏干，危害性大。例如，我国华北石炭二叠纪煤系地层平行不整合于奥陶系石灰岩强含水层之上，同时在该煤系中很多煤层顶、底板往往是含有岩溶水的石灰岩。不少地区发生的突水事故，其水源绝大多数为石灰岩含水层中的岩溶水。 （四）老窑积水（老空水） 古代和近期的采空区和废弃巷道，由于长期停止排水而积存的地下水，通常称为老窑积水，又称为老空水，其特点如下: 常来势凶猛，在短暂时间可有大量水涌入井巷，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。 老窑积水一般为酸性水，对金属有腐蚀性，易损坏井下金属设备。 若与其他水源无水力联系，往
35、往容易疏干;若与其他水源有水力联系，则可造成稳定涌水，危害性极大。在某一个具体充水事例中，常由某一种水源起主导作用，但也可能由几种水源综合起作 用。因此，在具体分析矿井充水水源时，应该进行充分的实地调查分析，找出水源的主次，便于合理地防治水。 二、矿井充水的通道 矿区只有充水水源存在，并不能决定矿井是否充水，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）岩石的孔隙 这种通道多存在于疏松沉积物中。其透水性能好坏，取决于孔隙的大小和连通情况，如 砾石、粗砂等松散的碎屑沉积物中孔隙比较大，连通程度好，其透水性好，巷道穿过时往往会 引起井巷充水且涌水量大;否则，涌
36、水量就小。 （二）岩层的裂隙（裂缝） 岩层的风化裂隙、成岩裂隙（原生裂隙）、构造裂隙、压力裂隙等都能构成矿井充水通道。对矿井具有普遍而严重威胁的是构造裂隙（断裂），其中包括各种节理、断层等。任何矿井所揭露的地层，都或多或少分布着不同性质、不同规模和不同时期所形成的构造断裂，在采掘过程中当采掘工作面遇到或接近它们时，与其有联系的水常常会通过它们导入井下而造成矿井充水。 其中，断层破碎带常是地下水的通道和聚积区，断层破碎带可沟通各个含水层，并与地表水发生水力联系，造成矿井突水。但并不是所有的断层都能造成矿井突水事故，一般而言断层破碎带本身贮存的水量并不很大，只有当其与地表水、地下水等水源沟通且地下
37、水压比较大、有足够力量突破断层破碎带和隔水层底板时，才会引起突水，而且水量大而稳定，不易疏干，常会造成淹井事故。而那些与其他水源无联系、不沟通的只形成含水断层破碎 带，当井巷接近或揭露它时会发生突然涌水，但通常是开始水量大，以后逐渐减少甚至干涸，对采掘工作影响较小。此外，突水也与断层本身的透水性有直接关系。许多矿的实践经验均证明，多数逆断层透水性差，正断层透水性强。如果在矿井中有许多条断层，断层的交叉处是最容易发生突水事故的位置。如果断层破碎带中充填了许多颗粒细小的柔性岩石（如黏土岩）、煤粉等，经后期胶结牢固，也可能起到隔水作用。因此，断层虽然是矿井充水的一种重要通道，但并不是绝对的，实际工作
38、中应根据具体情况具体分析判断其透水性能。 （三）岩层的岩溶洞隙 这种空隙存在于碳酸盐类等可溶性岩层。其大小、形状等变化较大，可从细小的溶孔直到巨大的溶洞，可以是彼此连通，也可以形成单独的管道或格架状岩溶体，当岩溶洞隙很大且连通性很好时，不仅可贮存大量的地下水，而且也是矿井充水的良好通道，当巷道接近或揭露它们时易造成突水。 （四）人工因素造成的充水通道 1.未封闭或封闭不良的钻孔 当钻孔未封闭或封孔质量不合乎规定要求时，这些钻孔就会构成沟通煤层顶、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，使采空区上部岩层产生冒落裂缝，煤
39、层底板也会产生底鼓或裂隙，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，在不稳定情况下逐渐向外扩展，可能涉及新的水源甚至造成袭夺水源。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。如前所述，水源的类型、规模、充水通道的位置、透水性能的好坏等，都直接控制着流入矿井水量的多少。除此之外，下面一些因素也影响矿井涌水量的大小。 （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， 因此地形间接地影响着
40、矿井涌水量。 当矿区位于当地侵蚀基准面以上时，通常涌水量较小;当开采深度低于当地侵蚀基准面时，涌水量较大，且水文地质条件比较复杂。在同一地质条件下，位于低标高矿区，如河谷、冲沟或低地，其涌水量可能较大，尤其当矿区位于四周地形高而中间为低平的盆地时，雨季积水量大，在地表不易排泄，地表水可大量补给煤系地层中的含水层，在一定条件下可造成矿井强烈充水;反之，在地形较陡的情况下降水大部分形成地表水流走，补给含水层的水量就少。 （二）覆盖层和煤层围岩的影响 大气降水和地表水能否渗入地下、进入矿井，与煤层上覆岩层的透水性和围岩的出露程度、透水性有直接关系。煤层上覆岩层中存在弱透水层或不透水层时（如黏土层等）
41、且厚度稳定（厚度大于5 m），其可起到隔水作用，大气降水和地表水基本不能渗入;上覆岩层若透水性好，则地表水 和大气降水可渗入，矿井涌水量就大。 若煤层围岩为透水岩层且出露于地表，出露面积越大接受大气降水和地表水下渗补给 量就越大，井下涌水量也越大。 此外，煤层下覆岩层中存在含水层，若含水层距煤层较近、其上的隔水层薄而含水层水压又很高时，容易发生突水事故，造成矿井涌水量增大。 （三）地质构造的影响 地质构造既决定地下水的埋藏条件，又控制着地下水的运动，影响着矿井涌水量的大 小。尤其是其中的断层对矿井涌水量的影响，除了前面所述外，在矿区断层密集的地段裂隙 发育，可能造成涌水量增大;由于断层的作用使
42、煤层与强含水层接触或接近时，可能造成突 水事故，使矿井涌水量增大。 在矿区存在褶曲且煤层上覆岩层存在含水层情况下，在开采位于向斜轴部附近的煤层 时，涌水量一般比较大;开采位于背斜轴部附近的煤层时，涌水量一般比较小。 （四）不正确的采矿工程 采掘工程必须在符合煤矿安全规程前提下按设计要求进行，若采掘工程违反规程， 没有按设计要求去做，如开采了防隔水煤（岩）柱，或减小了隔离煤（岩）柱的厚度等，触及了积水水源，就会使水进入矿井，增大矿井涌水量。 第三节 煤矿防治水工作一、水文地质的观测和实例 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
43、现错误。如北方某矿，煤层开采后地表产生许多塌陷裂 缝，为了防止降水和地表水渗入，花费了大量人力物力填堵这些塌陷坑和裂缝。后来实践证 明，这些裂缝对矿井涌水量毫无影响，最后停止了这项毫无意义的工作，从而避免了国家资 金的浪费。 （一）矿井水的观测 主要包括水位观测、流量观测、水质观测等。下面通过具体的实例介绍如何利用这些观 测资料解决生产实际问题。 1.水位观测 预报透水事故发生例如开滦矿务局唐山矿，地表被百余米厚的冲积层覆盖，冲积层下部是厚卵石层，含水极其丰富。为了开采冲积层下面的急倾斜煤层，避免冲积层水突然溃入矿井而造成事故，在采煤工作面上方打了观测孔，派专职人员进行水位观测工作。了解断层的
44、导水性例如焦作矿务局某矿，在巷道掘进过程中发现许多小断层且 都有涌水现象，有些小断层被揭露后涌水还相当大。如果巷道继续掘进，前方将遇一较大的 断层，其落差超过20 m。巷道能否安全穿过，要看是否会有大量透水。为查明断层导水性， 在断层两盘分别布置了观测孔，观测两盘同一含水层的水位变化。经过对两个钻孔水位的长期观测，发现两钻孔水位差别很大，这说明断层两侧无水力联系此断层不导水。由于断层的导水性已确定遂大胆地继续进行施工，巷道穿过断层时果然无水。了解突水水源了解地下水与地表水的补给关系2.流量观测 矿井涌水量与降雨量的关系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
45、降雨量虽有不同，但矿井涌水量变化幅度却不大、基本稳定，这表明降雨对矿井涌水量的影响很小。前面曾经提到北方某矿煤层开采后，地表有许多塌陷裂缝，通过对矿井涌水量观测，发现这些塌陷裂缝与井下并不连通，降雨季节雨量再大对井下亦不产生直接影响。后来，该矿用水泵有意识地向地表裂缝中灌水，发现矿井涌水量仍未增加，从而证明填堵地表裂缝没有实际意义。 第二种情况矿井涌水量随降水量多少而明显变化。降雨量大，矿井涌水量也大;反之，矿井涌水量就小。这类矿井在雨季前必须做好防洪工作，其中包括填堵地表裂缝，否则将会影响正常生产。 第三种情况这种情况一般常见于开采深度较大但仍受大气降水直接影响的矿井。 由于巷道、回采工作面
46、距地表较远，降雨后雨水向下渗透，需要一定时间才能流入井下，所以 矿井涌水量最高峰出现在降水量最大月份之后12个月。 利用河流流量观测资料确定对矿区的影响对于流经矿区或矿区附近的河流，应 设河流观测站，观测河流流量变化。观测站一般设置在河流出入矿区、采区、含水层露头的 上下游，根据上下游流量比较就可了解河流对矿区影响大小。如果河流流入矿区的流量与 流出矿区的流量相近，表明河流的影响较小;如果流入矿区的流量大于流出矿区的流量，则 河流的影响较大，必要时应采取防水措施。 3.水质的观测和研究 实际上自然界中的水，无论是大气降水、地表水、地下水还是老空水，都具有比较复杂的成分和不同的特点。其中，以大气
47、降水的矿化度最低，地 表水次之，地下水较高而老空水最高。 对地下水来说，不同含水层中的水，其化学成分也常有区别。这是由于地下水埋藏、运动于地下不同岩石的孔隙之中，不断地与周围的介质相互作用，溶解了岩石中的可溶盐分，所以造成各含水层水化学成分不同。如果井下一旦发生突水，先进行水化学分析，然后与各含水层化学成分作对比，往往能为判断矿井突水原因提供可靠的依据。 水化学资料的获得，一般在出水地点取水样，送化验室由专门化验人员进行化验分析 而得。 水温变化也反映地下水变化的一个侧面，对分析矿井水的来源具有一定参考价值，其变 化规律此处不再赘述。 （二）矿井涌水量的测量方法 测量矿井涌水量，要求在井下布置
48、观测站，观测站设置在井下有代表性的地点，如主要 巷道排水沟、采区石门排水沟及井下出水点附近。在观测站要定期测量涌水量。常用的测量方法有容积法、浮标法、堰测法、流速仪法等。 树皮1.容积法 用一定容积的量水桶（圆形或方形的），放在出水点附近，然后将出水点流出的水导入桶内，用秒表记下流满桶所需要的时间，然后按下述公式计算其涌水量: Q= V / t （6 -1） 式中 Q涌水量，m 3/h或L/s; V量水桶 的容积，m3 或L; t流满量水桶所需的时间，h或s。 容积法测定涌水量一般比较准确，但亦有局限性，当涌水量过积大时这种方法不宜使用。 2.浮标法 它是在规则的水沟上下游选定两个断面，并分别
49、测定这两个断面的过水面F1和F2， 取其平均值F，再量出在这两个断面之间的距离l，然后用一个轻的浮标（如木片、厚纸片、乒乓球之类），从水沟上游的断面投入水中同时记下时间，等浮标到达下游断面时再记下时间，两个时间的差值即浮标从上游断面到下游断面流经l长的距离所需的时间t，然后按下式计算其涌水量 : Q=0.8Fl / t （6 -2）式中 Q涌水量，m3/min; F排水沟过水断面平均值，m2 ; l上、下游断面间的距离，m; t浮标从上游断面流到下游断面所需的时间，min。 这种方法简单易行，特别是涌水量大时更适用，但不太准确。因为所观测的速度只是水 的表面速度，而沟的两帮、沟底因阻力大而流速
50、慢，所以浮标的流速并不是水的真正流速（近 似速度）。为此，在计算流量时要乘上一个经验系数0.8，这个经验系数的确定主要是考虑 水沟断面的粗糙程度和巷道风流的方向及大小等因素。 3.堰测法 它是在排水沟中设置水堰板，通过测量水流过堰口的高度来计算涌水量。堰口的形状 不同，计算的公式也不一样，常用的堰板有三角堰、梯形堰、矩形堰。4.流速仪法使用流速仪测定矿井涌水量，一般是在巷道水沟中选定一个断面，用流速仪测定该断面处的平均流速，从而确定该断面的流量。 流速仪主要由感应部分（包括旋杯、旋轴、顶针）、传讯盒部分（包括偏心筒、齿轮、接触丝、传导机构）和尾翼三部分组成。测量时，将仪器放入水沟中，记录转动圈
51、数，并按公式计 算出流速，计算公式如下: v=Kn+C （6 -7） 式中 v流速，m/s; K仪器常数; n旋杯转速，n= N /t ; C仪器摩阻系数。 每台仪器都有其固定的 C、K值。 测流时，旋杯每转5圈接触丝便接通电路一次，电讯盒即发出一次讯号（响铃或亮灯）。 观测人员记录讯号数（乘以5即为 N）和相应的时间t，即可按上式计算出流速，再乘以过水断面积，即得出流量。 （三）矿井涌水量预测 矿井涌水量的大小是衡量和评价矿井充水程度的重要标志，也是煤矿设计和生产部门 制定采掘方案、确定矿井排水能力、制定疏干措施和选择排水设备的主要依据。因此，做好 矿井涌水量预测是一项重要的基础工作。 目前
52、常用的预测方法是水文地质比拟法，它是指根据已有生产矿井的涌水量资料，预测地质、水文地质条件基本相似的新建或扩建矿井的涌水量。 1.含水系数法 含水系数 Kp，是指矿井排水量 Q（t）与同一时期矿井产量 P（t）的比值: K p = Q / P 含水系数通常根据月或年的资料进行计算。设计新矿涌水量则为: Q新 =Kp P 1 （6 -8） 式中 Q新新建矿井涌水量; P1新建矿井的设计年产量; Kp原生产矿井的含水系数。 含水系数随季节而变化，利用此法时应考虑季节变化因素。 2.单位面积单位降深法 矿井涌水量有时与水位降深、开采面积大致成直线正比关系，即矿井涌水量往往随着开采面积的加大和开采深度
53、的增加而增加。假设采区的开采面积为 F0、涌水量为Q 0 ，则采区的平均涌水量 q= Q0/ F 0 。当采区内地下水水位的降低值已知为 S 0 m，那么水位降低1 m时1m 2 开采面积上的单位实际涌水量为: q 0 = q /S 0这样，根据这些实际资料，即可以大致预计出水文地质条件相类似的新建矿井或采区的最大涌水量，即: Q p =q 0 F p S p （6 -9） 式中 Q p 新建矿井（采区）最大涌水量，m 3 /d; q 0 生产矿井（采区）单位涌水量，m 3 /（d·m 2 ·m）; F p 新建矿井（采区）的面积，m 2 ; S p 新建矿井（采区）内水位
54、降低值，m。 利用水文地质比拟法只能得到一个概略性的涌水量概念。 二、矿井水的综合治理和实例 煤矿防治水规定（2009年）规定:煤矿“防治水工作应当坚持预测预报、有疑必探、先 探后掘、先治后采的原则，采取防、堵、疏、排、截的综合治理措施。” 煤矿防治水十六字原则，科学地概括了水害防治工作的基本程序。“预测预报”，是水害防治的基础，是指在查清矿井水文地质条件基础上，运用先进的水害预测预报理论和方法， 对矿井水害做出科学的分析判断和评价。“有疑必探”，是指根据水害预测预报评价结论，对 可能构成水害威胁的区域，采用物探、化探和钻探等综合探测技术手段，查明或排除水害。 “先探后掘”，是指先综合探查，确定巷道掘进没有水害威胁后再掘进施工。“先治后采”，是 指根据查明的水害情况，采取有针对性的治理措施排除水害隐患后，再安排采掘工程，如井 下巷道穿越导水断层时必须预先注浆加固方可掘进施工，防止突水造成灾害。 五项治理措施是水害治理的基本技术方法。“防”，主要指合理留设各类防隔水煤（岩） 柱和修建各类防水闸门或防水墙等，防隔水煤（岩）柱一旦确定后，不得随意开采破坏;“堵”， 主要指注浆封堵具有突水威胁的含水层或导水断层、裂隙和陷落柱等通道;“疏”，主要指探 放老空水和对承压含
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