地下水防治技术与方法矿山开采方式及井巷结构基本知识2.pptx

矿床矿床：由地质作用形成的，具有开采利用价值的地质单元体，是矿体自然分布和排列的总和。矿床类型矿床类型：固体矿床、液体矿床、气体矿床以及特殊的易溶盐类矿床。矿床由矿体与围岩组成，矿体是矿床的主体与核心。根据矿体与围岩的关系：顶板顶板矿体上部围岩；底板底板矿体下部的围岩帮帮矿体（巷道）两侧的围岩顶顶顶顶底底底底帮帮帮帮矿床开采方式与开采区间矿床开采方式与开采区间露天开采：矿体埋藏浅、厚度大开采能力强、效率高、成本低、安全性好；但地表环境破坏严重地下开采：矿体埋藏深 成本高、危险性大；联合开采：水平与阶段 垂向上按一定高度划分的开采区间;习惯上煤矿称-水平;金属矿称-阶段矿山井巷功能与结构直立巷道直立巷道：1.立井（竖井）分主井(矿石)/副井(人与材料);直接通向地面出口;2.小井（风井）-通风及安全备用通道;3.暗井 盲井,与地面不直接相通,上下水平之间提升矿石;4.溜井 无通向地面出口,类似暗井,溜放矿石;水平巷道：水平巷道：1.平硐-功能类似立井,也有主/副之分;2.平巷 沿矿层或岩层走向的水平巷道,不直接与地面相通;3.石门 直交或斜交,穿过岩(矿)层的水平巷道倾斜巷道：倾斜巷道：1.斜井-功能类似立井,也有主/副之分 2.上山/下山 功能类似平巷或暗井;通常的几种采矿方法通常的几种采矿方法空场法空场法 -采空区不进行处理采空区不进行处理,靠岩石自身支撑靠岩石自身支撑 崩落法崩落法 -采空区顶板自然崩塌/垮落,对围岩破坏严重留矿柱法留矿柱法 -保留适当矿体(矿柱),支护顶板,丢矿较多充填法充填法 -采用废弃矿石/碎石,或水泥等进行人工充填,成本高第一部分第一部分 充水条件分析充水条件分析关于充水条件的概念关于充水条件的概念 任何地下施工工程，施工前必须开挖井下一系列巷道，方可任何地下施工工程，施工前必须开挖井下一系列巷道，方可作业；而地下施工一般情况下都不可避免到会揭露含水层，引作业；而地下施工一般情况下都不可避免到会揭露含水层，引起地下水、甚至地表水或多或少进入施工系统。起地下水、甚至地表水或多或少进入施工系统。然而，这种涌水从何而来，涌入的水量有多少，以何种方式然而，这种涌水从何而来，涌入的水量有多少，以何种方式涌入或突入，具有怎样的特征等等：涌入或突入，具有怎样的特征等等：来源、来量，来路来源、来量，来路，均取决于施工系统所处位置的水文地质条件，这种决定地下施均取决于施工系统所处位置的水文地质条件，这种决定地下施工系统涌水量大小的水文地质条件工系统涌水量大小的水文地质条件 充水条件充水条件。充水条件的概念充水条件的概念充水条件的概念充水条件的概念(续续续续)充水条件充水条件 是对地下施工系统所处位置、范围水文地质是对地下施工系统所处位置、范围水文地质条件的描述，核心包括：充水水源和充水途径。条件的描述，核心包括：充水水源和充水途径。是突出以地下施工系统充水水源和充水途径为核心的，矿是突出以地下施工系统充水水源和充水途径为核心的，矿区所在位置水文地质条件的综合。区所在位置水文地质条件的综合。充水水源充水水源：可以进入地下施工系统的水源；可以进入地下施工系统的水源；充水途径充水途径：水源可以进入地下施工系统的通道；：水源可以进入地下施工系统的通道；充水条件分析示例充水条件分析示例充水条件分析示例充水条件分析示例某地区地下采煤条件图所示：断层切断了煤层和含水层，断层上覆地某地区地下采煤条件图所示：断层切断了煤层和含水层，断层上覆地表水体，煤层上下均为隔水层，底部存在灰岩强含水层。表水体，煤层上下均为隔水层，底部存在灰岩强含水层。思考问题：如果进行地下采矿，会不会有涌水、突水的威胁，威胁主思考问题：如果进行地下采矿，会不会有涌水、突水的威胁，威胁主要来自哪些方面？要来自哪些方面？地下施工巷道充水条件分析示例充水条件分析示例充水条件分析示例充水条件分析示例在这种情况下，对矿层开采时：在这种情况下，对矿层开采时：可能构成的威胁水源有：可能构成的威胁水源有：地表地表水体；水体；底部含水层；底部含水层；第四系第四系含水层；含水层；对盘含水层。对盘含水层。但这仅是可能，必须有充水通道，但这仅是可能，必须有充水通道，它才能够成为充水水源；它才能够成为充水水源；如果断层导水，第四系和河水、如果断层导水，第四系和河水、岩溶水可能成为充水水源；岩溶水可能成为充水水源；如果矿层底板较薄，承受不了下如果矿层底板较薄，承受不了下部含水层作用于底板的水压时，部含水层作用于底板的水压时，发生底板突破，而成为充水水源。发生底板突破，而成为充水水源。反过来，如果没有地表水体，即使断层结反过来，如果没有地表水体，即使断层结构疏松，但无水水源，断层也构不成充水构疏松，但无水水源，断层也构不成充水途径。途径。隔水层含水层充水条件分析（续）充水条件分析（续）充水条件分析（续）充水条件分析（续）因此，分析地下施工是否遭受地下水威胁，必须抓住两个方面，因此，分析地下施工是否遭受地下水威胁，必须抓住两个方面，一是有充水水源，二是具有充水途径，二者有机结合，才能构成一是有充水水源，二是具有充水途径，二者有机结合，才能构成完整的充水条件。完整的充水条件。这也就是说，分析一个地下工程是否受水影响这也就是说，分析一个地下工程是否受水影响威胁，必须同时考虑充水水源和充水途径。威胁，必须同时考虑充水水源和充水途径。关系关系：充水水源与充水途径需要有机的结合，方能对地下施工系：充水水源与充水途径需要有机的结合，方能对地下施工系统构成威胁，这是需要明确的重要概念。统构成威胁，这是需要明确的重要概念。至于一个地下工程其受到水的威胁程度的大小，则要分析充水水至于一个地下工程其受到水的威胁程度的大小，则要分析充水水源、充水途径的性质。源、充水途径的性质。马坑铁矿情况简介马坑铁矿是国内著名的特大型磁铁矿床之一。已探明总储量4.34亿吨，平均含铁品位37.99%，并伴生钼矿，为华东地区第一大铁矿。马坑一期开采工程的可开采量正逐渐减小，为加大马坑铁矿的发展规模，马坑矿业公司决定进行二期技改工程方案，按年采选铁矿石300万吨设计和实施由于马坑铁矿属于岩溶充水矿床，且主要矿体埋藏深度大，天然地下水位500m，目前450m，主要开采水平：200m0m拟采取疏干工程，将地下水位逐步降低至0m标高福建马坑矿区地质图绮赖泉三号泉一号泉三号泉第一节第一节第一节第一节充水水源充水水源充水水源充水水源常见的充水水源有：常见的充水水源有：（1）大气降水；）大气降水；（2）地下水；）地下水；（3）地表水；）地表水；（4）老窖水）老窖水 地下相对封闭空间中，长期封存的地下水。地下相对封闭空间中，长期封存的地下水。充水水源不同，充水特征不同，分析的重点和充水水源不同，充水特征不同，分析的重点和方法也不同。方法也不同。1.1.大气降水大气降水大气降水大气降水 precipitation/Rain fallprecipitation/Rain fall 大气降雨作为充水水源是指它作为一种大气降雨作为充水水源是指它作为一种唯一唯一的、的、直直接接影响地下开采（或施工）的充水水源。影响地下开采（或施工）的充水水源。从严格意义上讲，大气降水是地表水、地下水的最从严格意义上讲，大气降水是地表水、地下水的最终补给来源，因此，所有地下工程的充水均或多或终补给来源，因此，所有地下工程的充水均或多或少，直接的、或间接的受到大气降水的影响。少，直接的、或间接的受到大气降水的影响。大气降水为直接充水水源大气降水为直接充水水源大气降水为直接充水水源大气降水为直接充水水源大气降雨作为充水水源的大气降雨作为充水水源的条件是条件是充水岩层裸露地表充水岩层裸露地表（1）矿体埋藏浅的露天开采矿区）矿体埋藏浅的露天开采矿区（2）地下水位以上的坑道、隧道等）地下水位以上的坑道、隧道等大气降水为直接充水水源的涌水量动态曲线大气降水为直接充水水源的涌水量动态曲线大气降水为直接充水水源的涌水量动态曲线大气降水为直接充水水源的涌水量动态曲线涌水量涌水量单位时间进入地下施工系统的水量，单位时间进入地下施工系统的水量，m3/s,m3/minm3/s,m3/min.动态曲线图动态曲线图水位、水量、水质、水温等要素随时间变化的过程线。水位、水量、水质、水温等要素随时间变化的过程线。2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12涌水量月请思考：这条动态曲线具有什么特征？反映了什么样的充水条件？请思考：这条动态曲线具有什么特征？反映了什么样的充水条件？月降水量月降水量涌水量曲线涌水量曲线大气降水为直接充水水源的动态特征（大气降水为直接充水水源的动态特征（大气降水为直接充水水源的动态特征（大气降水为直接充水水源的动态特征（1 1）如果大气降雨是主要充水水源，则涌水量动态变化表现为如如果大气降雨是主要充水水源，则涌水量动态变化表现为如下几个特点：下几个特点：（1 1）涌水量动态变化幅度大）涌水量动态变化幅度大 涌水量在枯水季节（枯水年）较低，而在丰水季节（丰水年）陡增，涌水量在枯水季节（枯水年）较低，而在丰水季节（丰水年）陡增，两者可以相差几倍、几十倍，甚至上百倍。两者可以相差几倍、几十倍，甚至上百倍。例例 湖南香花岭多金属矿，旱季矿坑涌水量湖南香花岭多金属矿，旱季矿坑涌水量10m10m3 3/h/h，大暴雨形成的涌，大暴雨形成的涌水量高达水量高达3000m3/h3000m3/h，势如山洪爆发，将十几部机电车从平硐冲出，同，势如山洪爆发，将十几部机电车从平硐冲出，同时毁坏了附近大片农田，时毁坏了附近大片农田，Qmax/Qmin=300.Qmax/Qmin=300.大气降水为直接充水水源的动态特征（大气降水为直接充水水源的动态特征（大气降水为直接充水水源的动态特征（大气降水为直接充水水源的动态特征（2 2）（2 2）涌水量与大气降水的动态变化过程一致。）涌水量与大气降水的动态变化过程一致。与降水变化之间基本无滞后、延迟效应，也会出现季节性与降水变化之间基本无滞后、延迟效应，也会出现季节性的周期变化；的周期变化；滞后滞后系统对一次输入做出响应的时间落后于输入时间系统对一次输入做出响应的时间落后于输入时间；延迟延迟系统对输入所做出的响应持续的时间。系统对输入所做出的响应持续的时间。因此，如果一个矿区的涌水量动态表现有上述因此，如果一个矿区的涌水量动态表现有上述2 2个基本特征，可以说个基本特征，可以说明其充水水源是大气降雨，或充水水源与大气降雨有十分密切的关系。明其充水水源是大气降雨，或充水水源与大气降雨有十分密切的关系。降水为直接充水水源条件下，降水为直接充水水源条件下，降水为直接充水水源条件下，降水为直接充水水源条件下，涌水量大小的影响因素分析涌水量大小的影响因素分析涌水量大小的影响因素分析涌水量大小的影响因素分析（1 1）与降水量、降水特征有关：）与降水量、降水特征有关：降水量、降水强度、降水持续的时间降水量、降水强度、降水持续的时间（2 2）入渗条件）入渗条件 表层岩性、含水层类型、地形地貌条件表层岩性、含水层类型、地形地貌条件 降水为直接充水水源条件下，降水为直接充水水源条件下，降水为直接充水水源条件下，降水为直接充水水源条件下，涌水量涌水量涌水量涌水量大小大小大小大小的影响因素分析的影响因素分析的影响因素分析的影响因素分析 如右图所示：在渗透如右图所示：在渗透性相同的充水岩层中发性相同的充水岩层中发育一矿体，其发育部位育一矿体，其发育部位不同，决定了开采方式不同，决定了开采方式不同，即平硐开采、露不同，即平硐开采、露天开采、地下开采，在天开采、地下开采，在相同的降雨条件下，试相同的降雨条件下，试分析涌水量与降水的动分析涌水量与降水的动态变化关系。态变化关系。降雨量 （a）平硐开采（b）露天开采（c）地下开采 涌水量动态特征与充水条件涌水量动态特征与充水条件（1）裸露型平硐开采裸露型平硐开采Pt涌水量变化与降水时间变化同步涌水量动态特征与充水条件涌水量动态特征与充水条件（2）露天开采涌水量变化与降水时间变化同步、延迟、增幅Pt 涌水量动态特征与充水条件涌水量动态特征与充水条件（3）Pt地下开采（地下水位之上）涌水量变化与降水时间变化滞后、延迟、减幅涌水量变化与降水时间变化同步涌水量变化与降水时间变化同步、延迟、增幅涌水量变化与降水时间变化滞后、延迟、减幅影响因素分析影响因素分析影响因素分析影响因素分析 对比这几条矿坑涌水量的变化曲线，可以发现，不同的入渗条件，表现对比这几条矿坑涌水量的变化曲线，可以发现，不同的入渗条件，表现对比这几条矿坑涌水量的变化曲线，可以发现，不同的入渗条件，表现对比这几条矿坑涌水量的变化曲线，可以发现，不同的入渗条件，表现在动态曲线上有在动态曲线上有在动态曲线上有在动态曲线上有同步、滞后和延迟同步、滞后和延迟同步、滞后和延迟同步、滞后和延迟，增幅或减幅增幅或减幅增幅或减幅增幅或减幅现象现象现象现象；当大气降雨成为主要充水水源时，水文地质工作的主要任务是当大气降雨成为主要充水水源时，水文地质工作的主要任务是当大气降雨成为主要充水水源时，水文地质工作的主要任务是当大气降雨成为主要充水水源时，水文地质工作的主要任务是：1 1 1 1、特别关注雨季、尤其是暴雨对地下工程的危害，重点预测雨季矿坑、特别关注雨季、尤其是暴雨对地下工程的危害，重点预测雨季矿坑、特别关注雨季、尤其是暴雨对地下工程的危害，重点预测雨季矿坑、特别关注雨季、尤其是暴雨对地下工程的危害，重点预测雨季矿坑最大涌水量；最大涌水量；最大涌水量；最大涌水量；2 2 2 2、分析地下水水位、水量的动态变化特征，这样可以帮助我们更好查、分析地下水水位、水量的动态变化特征，这样可以帮助我们更好查、分析地下水水位、水量的动态变化特征，这样可以帮助我们更好查、分析地下水水位、水量的动态变化特征，这样可以帮助我们更好查清充水条件，判断充水水源特征。清充水条件，判断充水水源特征。清充水条件，判断充水水源特征。清充水条件，判断充水水源特征。2.2.充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水 地下水往往是矿坑的直接充水水源；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；（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。不管哪种方式，只有某一含水层的水进入矿坑，该含水层才称为该矿坑的充水岩层。当充水水源以地下水为主时，矿区、地下工程涌水量的大小和变化特征受一系列因素的影响，不同矿区，受到的影响因素不同。一般主要影响因素有：充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水（1）充水岩层的空隙性质，即充水岩层是岩溶含水层、裂隙含水层，还是孔隙含水层。一般情况下，相同气候条件下，上述三种含水层产生涌水量大小的顺序一般为：岩溶含水层 孔隙含水层 裂隙含水层但在实际情况中，还要视充水岩层与外界联系情况。在原矿床水文地质学中，依据充水岩层类型的不同分为：岩溶充水矿床、裂隙、孔隙充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水（2）充水岩层的规模及补给条件规模充水岩层的分布范围和厚度的大小；补给条件充水岩层与外界的联系，决定了充水岩层中地下水的属性，也决定了地下水被疏干的难易程度，进而决定了我们应该采取的防治方法。充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水（2）充水岩层的规模及补给条件（续）地下水的属性疏干条件下，水量构成包含充水岩层中2种不同性质的组成部分，即岩层空隙中地下水的贮存量和充水岩层从外界源源不断获得的补给量；贮存量取决于充水岩层的规模和给水度，即分布面积、厚度和给水度；补给量取决于充水岩层的补给条件充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水对某一地下施工而言,如果充水岩层中地下水的属性不同，涌水量的大小,动态特征以及最终的防治措施均不相同。看看下面典型示例，分析A、B 可能各自的条件差异：A 与 B 有什么不同？a1 与 a2；b1 与 b2 又存在什么差异？充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水a1t1QtAb2QtBb1a2t2图图A A特点，随时间延续，开采面特点，随时间延续，开采面积、揭露含水层面积增加，依据积、揭露含水层面积增加，依据达西定律，涌水量应不断增加，达西定律，涌水量应不断增加，但矿坑涌水量在某一时刻达到最但矿坑涌水量在某一时刻达到最大后不断下降，这种动态特征说大后不断下降，这种动态特征说明了什么？明了什么？a2t2a1t1QtA说明了充水岩层的补给条件差，涌说明了充水岩层的补给条件差，涌水以地下水贮存量为主，矿坑排水水以地下水贮存量为主，矿坑排水的过程主要是消耗贮存量，如果含的过程主要是消耗贮存量，如果含水岩层完全封闭，则可能完全被疏水岩层完全封闭，则可能完全被疏干，因此可考虑采取疏干方案。干，因此可考虑采取疏干方案。两条曲线形态类似，但幅度不一样，两条曲线形态类似，但幅度不一样，这说明什么问题？这说明什么问题？充水岩层的规模、给水能力的差异充水岩层的规模、给水能力的差异造成的。造成的。充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水图B特点，虽开采时间增加，涌水量不断增加，并具有一定的周期性，这又说明了什么问题？b2QtBb1说明充水岩层补给条件良好，排出的地下水主要是补给量，随开采时间的延续，开采深度增加，开采面积和水力梯度加大，涌水量呈现逐渐增加，此时疏干难度很大。充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水 设想：地下施工系统若以地下水为主要充水水源时，水文地质工作的重点是什么？查清充水方式、充水通道是否存在，确认是否构成充水岩层；了解充水岩层的性质（岩溶、裂隙和孔隙）与规模；查清充水岩层的补给条件如何。充水水源充水水源充水水源充水水源 地下水地下水地下水地下水马坑矿区地下水位（量）天然动态曲线马坑矿区地下水位（量）天然动态曲线马坑矿区地下水位天然动态曲线马坑矿区地下水位天然动态曲线3.3.充水水源充水水源充水水源充水水源地表水地表水地表水地表水地表水成为充水的主要水源的条件当矿区附近存在地表水体（江河湖海）且存在某些联系通道或地表水体与充水岩层之间存在水力联系如果地表水一旦成为主要充水水源，防治水的工作就变得非常艰巨！例例 江西九江城门山铜矿是我国为数不多的大型铜矿之一，铜、硫、钼品位高，矿体埋藏浅。矿体成半岛状延伸到塞湖，三面都为塞湖环绕。塞湖为一季节性湖泊，洪水期形成一个面积几十平方公里的水体，水深35米；湖区及矿体围岩为二叠、三叠系灰岩含水层，相当于“头顶一盆水”，水文地质条件相当复杂，因此，该矿的水文地质工作慎之又慎。该矿与五十年代就已发现，但到1993年尚未形成规模开采，主要原因就是关键水文地质问题未能查清，一直论证湖水对矿体的影响及采取的防治措施。充水水源充水水源地表水地表水上下水力联系良好上下水力联系良好灰岩为统一含水层灰岩为统一含水层10102020米淤泥米淤泥质亚粘土、粘土质亚粘土、粘土关键的水文地质问题是？1.开采期间涌水量量到底会有有多大？2.开采期间能否引发岩溶地面塌陷，出现塞湖水大量倒灌？3.长江水与塞湖的联系，长江对矿坑的充水影响如何等？1991-1992 1991-1992 年枯水期进行的持续年枯水期进行的持续6868天的大型天的大型联合疏干试验，基本结论联合疏干试验，基本结论疏干水平150米时疏干排水量50000 m3/d岩溶塌陷：在不同地点、不同时间发生过两次塌陷,规模较小,塌坑形成过程缓慢,以蠕变为主,淤积粘土有一定的自我封堵能力；岩溶含水层与长江有一定联系，但岩溶不发育，矿区可以疏干,“以疏为主,以堵为辅,疏堵结合治理地下水;建地表防水堤治理地表水”的原则武山岩溶塌陷危险性分区图武山岩溶塌陷危险性分区图 12091209孔孔 T1d-T2j27022702孔孔P1m2-P2c 27012701孔孔 C2h-P1q 地下水水位随大气降雨季节性变地下水水位随大气降雨季节性变化明显化明显,一般在一般在4-84-8月份水位上升月份水位上升,尤其是大雨和暴雨过后水位上升尤其是大雨和暴雨过后水位上升更为明显。更为明显。9 9月到翌年的月到翌年的2 2月水位月水位持续缓慢下降。表现为丰水期短持续缓慢下降。表现为丰水期短期强补给期强补给,而枯水期缓慢排泄消耗而枯水期缓慢排泄消耗的模式，补给区年降雨量与地下的模式，补给区年降雨量与地下水位年变幅呈正相关关系。水位年变幅呈正相关关系。岩溶含水层水位动态岩溶含水层水位动态充水水源充水水源充水水源充水水源地表水地表水地表水地表水对于存在地表水体的地下开采或地下工程，我们研究工作的重点应该是什么呢？（1）是否存在充水通道，充水通道的性质如何；通过断层、岩溶管道、天窗、含水层间接影响？（2）地表水体的性质和规模；常年性的、还是季节性的？（3）地表水体的相对位置（距离、高差等）渗透性强的岩溶含水层，甚至几公里、几十公里之外的地表水体都有可能成为矿区充水水源。马坑矿区地质图绮赖泉三号泉一号泉一号泉我们需要回答：我们需要回答：溪马河断裂是否构成充水途径？溪马河断裂是否构成充水途径？溪马河是否可能成为矿区充水水源？溪马河是否可能成为矿区充水水源？思考题：如果一旦地表水成为充水水源，涌水量动态曲线的形态可能表现为？4.4.充水水源老窑水充水水源老窑水充水水源老窑水充水水源老窑水老窖老矿区废旧的坑道、煤窑；老窖水属性以贮存量、静贮量为主，长期封闭、水质差，硫酸根离子偏高；充水特点：势猛（水压大）、时短、难预测、破坏性大易于疏干思考题：突水、涌水的概念与区别？开采水平与开采中段概念与区别？水文地质条件与充水条件的概念与区别？什么叫充水水源、什么叫充水途径？以大气降水为主要充水水源的地下工程，其涌水特征及水文地质工作要点？以地下水为主要充水水源的地下工程，其涌水特征及水文地质工作要点？