地下水课程设计.doc

地下水防治方法与技术
课 程 设 计

学号：20101003109
姓名：安忠明
班级：041101
中国地质大学（武汉）环境学院
目 录
（一）矿区水文地质条件分析
1.矿区自然地理条件
（1）地形
（2）水文
（3）气候
2.区域地质
（1）地层
（2）构造
3.岩石含水性
4.分析地表水与地下水之间的水力联系
5.分析各含水层之间的水力联系及断层的导水性
6.分析矿区地下水补给、径流、排泄条件
（二）矿坑充水条件分析
1.分析不同含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水意义
2.分析断层对矿坑充水的作用
3.分析二号矿Ⅰ号煤层底板的稳定性
4.分析河下采煤条件
（三）初步预测二矿的矿坑涌水量
1.薄层灰岩涌水量初步预测
2.初步预测开采-50m水平一号煤时需对奥陶纪灰岩地下水降压的排水量

（一）矿区水文地质条件分析
1.矿区自然地理条件
（1）地形
该矿区地形较为简单，是一四面为正地形，中间为负地形的盆地，西北面为区内最高海拔，约500米，最低海拔处于洺河河谷，约300米。洺河位于矿区中部，流向从北向南。
（2）水文
矿区内发育的主要水系为洺河，由五条主干支流汇集而成，在奥陶系岩溶发育地段有河水漏失现象。据当地测水站统计，上游流量为3000，下游流量为85000（二者均为1978年8月3日统计数据）。区内下降泉有11处，主要出露于东侧的侵入岩中，流量0.01-0.5；上升泉有1处，出露于南部的第四系内，从剖面图上可知此泉与F4断层的导水性有关，流量为80000。
（3）气候
根据已知气象观测资料绘制气象要素（降水量、蒸发量）变化统计图(图1)可知，全区年均降雨量64.6mm，一般集中在6—9月，占全年降雨量84.5%；该地区蒸发量大，年均蒸发量84.6mm，主要集中在3—7月，占全年80.8%。

2.区域地质条件
（1）地层
本区主要出露前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、白垩系、第四系地层。主要含煤地层为石炭、二叠系砂页岩。
地层自上而下描述如下：
①第四系（）：厚0-50米，位于区域中部，沿洺河流域分布，岩性主要为砂砾互层。
②白垩系（K）：厚80-140米，分布于中部，南北向条状展布，岩性为凝灰质砂页岩。
③二叠系（P）：厚约250米，分布于图区中部，南北向条状展布，岩性为砂页岩。
④石炭系（C）：厚200-250米，分布于图区中部，南北向条状展布，岩性为砂页岩、页岩夹铝土层，铝土层厚35-40米。岩层中可开采煤层3-5米。上石炭统砂页岩煤层顶部含有5-8米灰岩。
⑤奥陶系（O）：厚800-1000米，分布于图区西北部、西部，沿西北向条状展布，岩性主要为结晶灰岩及白云岩。岩溶发育强烈，河流流经区域发生河水漏失现象。从剖面图可看出，与上覆地层之间缺失泥盆系及志留系地层，但是新老顺序未变，可知与上覆石炭系地层为平行不整合接触关系。
⑥寒武系（∈）：分布于图区西北部、西部，沿西北向条状展布，岩性为灰岩、页岩。
⑦震旦系（Z）：厚约300米，分布于图区西南角，岩性为石英砂岩。
⑧前震旦系（Al）：分布于图区东部、东南部，出露面积较大，岩性为片岩、片麻岩。
（2）构造
本区受燕山运动的影响，使东西向断层被南北向断层切割，形成 “棋盘格”状的构造格局。区内主要发育4条断层，均为正断层。其中F1断层沿南北向延伸，贯通整个区域；F2、F3、F4为东西走向断层。断层使地层有一定的错动，对区内地表水、地下水分布及流动有一定影响。

3.岩石含水性
由煤田水文地质图可知本区含水层主要有：第四系松散堆积层、石炭系及二叠系砂页岩、奥陶系及寒武系灰岩、震旦系石英砂岩、前震旦系片麻岩。隔水层主要有：白垩系凝灰质砂页岩、二叠系及石炭系页岩。
①第四系松散堆积层中地下水为孔隙水，主要接受大气降雨及地表水补给，含水性较好。
②前震旦系片麻岩及震旦系石英砂岩中地下水为基岩裂隙水，主要接受大气降雨补给。由出露的泉来看，其流量为0.01-0.5，可知其含水性一般。
③石炭系及二叠系砂页岩中地下水为砂岩裂隙水，由钻孔资料可知，此层单位降深较大，故其含水性较差，矿化度0.6—1.0g/L。
④奥陶系及寒武系灰岩中地下水为岩溶裂隙水及岩溶水，含水性较好,矿化度0.25—0.5g/L。
⑤石炭系砂页岩夹灰岩层中存在岩溶裂隙水，含水性较好,矿化度0.6—0.9 g/L。
⑥白垩系凝灰质砂页岩、二叠系及石炭系页岩为隔水层，在矿区内分布较广，厚度80-140米，隔水性较好。
4.地表水与地下水之间的水力联系
由煤田水文地质图可知，地表水与地下水之间存在密切的水力联系。在图区西北部及北部发生河水漏失现象，证明此处地表水补给地下水。第四系潜水分布区，地表水与地下水联系紧密，丰水季节地下水补给地表水；枯水季节地表水补给地下水。图区内泉水出露较多，多分布于洺河支流发育地段，为地下水补给地表水。其中 1号泉为上升泉，流量大；其余泉均为下降泉，且流量较小。
从洺河上分布的三个测水站统计数据可知，图区内总体的补给关系是地下水补给地表水。
5.各含水层之间的水力联系及断层的导水性
（1） 各含水层之间的水力联系
分析煤田水文地质图以及各钻孔资料可知，各含水层之间的水力联系因地质条件的不同而有所差异，主要表现在以下几个方面：
①第四系砂砾石含水层与奥陶系灰岩含水层接触处岩溶发育，且发生河水漏失，说明河水补给第四系含水层后，第四系含水层内的地下水又补给了灰岩溶洞中的岩溶水，故在图区内河流流经奥陶系灰岩处（在图区北部和西部两处）第四系含水层与奥陶系含水层的水力联系非常紧密。
②由剖面图Ⅰ―Ⅰ′可知，第四系砂砾石含水层与石炭二叠系砂岩含水层之间在直接的水力联系。但是在剖面图Ⅱ―Ⅱ′中，两含水层之间存在白垩系凝灰质砂页岩隔水层，阻断了二者的水力联系。
③由A1、A2、A3、A4四个水文地质孔的数据可知，石炭二叠系砂岩含水层与上石炭统砂岩含水层的水位标高、矿化度及裂隙率相差不大，故两含水层之间存在水力联系。
④水文地质孔A1、A2、A3的数据表明中下奥陶统灰岩含水层与上石炭统砂岩含水层的水位标高、矿化度及裂隙率相差较大，说明两含水层之间的水力联系微弱。
⑤由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可知，由于F4断层的存在，使得前震旦系片岩片麻岩含水层与震旦系石英岩含水层之间有一定的水力联系。
（2）断层的导水性分析
矿区内共发育有F1、F2、F3、F4四条正断层，各断层的导水性有所不同，主要表现在断层处出露泉的流量大小、断层与各含水层之间的位置关系以及断层本身的性质，分别分析如下：
由煤田水文地质图可知，F1断层延伸较长，贯穿整个图幅。断层附近只发育10号、11号两个下降泉，无上升泉，且两个下降泉流量较小（分别为0.2及0.5），是前震旦系片岩片麻岩中的裂隙水形成的溢流下降泉，故F1断层在垂向上是阻水的。而断层两盘的含水层的含水量相差很大，证明该断层在横向也是阻水的。综上所述，F1断层为垂向和水平向都是阻水的。
由断层F2附近的A2水文地质孔资料可知，上石炭统砂页岩和中下奥陶统结晶灰岩含水层中的地下水位标高、矿化度、裂隙率均不相同，且没有泉水出露于地表，故F2断层在垂向上是阻水的。由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可知，在F2断层处的地下水水位线连续，地下水流向无明显变化，且在A2孔中同一含水层中水的矿化度、裂隙率相同，证明F2断层两盘的含水层之间存在水力联系，故F2断层在水平向是导水的。
同理，F3断层在垂向上是阻水断层，在水平向是导水断层。
由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可看出F4断层处有一上升泉，且流量较大（为80000），此泉是由断层上盘各含水层中的地下水汇集后遇断层而流出地表，说明此处F4断层是地下水流动的集水廊道，进而证明了F4断层在垂向上是导水的。断层上、下两盘之间的岩性差异较大（上盘为沉积岩，含水性较好；下盘为变质岩，含水性较差。），两盘岩层的含水量相差很大，说明二者之间水力联系不大，即证明F4断层在水平向是阻水的。
6.矿区地下水的补给、径流和排泄条件
图区内地下水的主要补给来源为大气降水、地表水以及地下径流的侧向补给；由剖面图可知地下水的径流方向基本与地形一致，从西、北、东三个方向向南部地势较低处流动；排泄除蒸发外主要以泉的形式向地表排泄。
矿区含水层主要有第四系砂砾石层、石炭系及二叠系砂页岩、奥陶系及寒武系灰岩、震旦系石英砂岩及前震旦系片麻岩，各含水层之间存在一定的水力联系，且断层对矿区的地下水补、径、排的影响也不容忽视，现分别叙述如下：
第四系砂砾石中的孔隙水补给来源有：大气降雨和地表河水的下渗以及地下各含水层径流的侧向补给。补给量的大小由降雨量、岩石孔隙度、地下水径流强度决定。排泄主要以蒸发、补给洺河以及向周边含水层排泄为主。
石炭系及二叠系砂页岩中的地下水补给来源主要为大气降水下渗和其周边含水层的侧向径流补给，排泄途径主要以1号上升泉向地表河流排泄为主，少部分通过地下径流方式补给了其他含水层。
奥陶系及寒武系灰岩中的地下水主要来源于大气降雨下渗、洺河河水的漏失以及上石炭统砂页岩的越流补给，排泄主要以F4断层处形成的1号上升泉向地表河流排泄。
震旦系石英砂岩及前震旦系片麻岩中的基岩裂隙水主要来源于大气降雨，以泉的形式向地表排泄，并补给了洺河。
总体上来说，矿区年降雨量较大（为775ml），直接补给各含水层；F4断层处上升泉的流量较大（为80000），是地下水的主要排泄区，除此外还有基岩处的下降泉以及蒸发等方式。

（二）矿坑充水条件分析
1. 各含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水意义
由概念：“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——直接充水水源；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——间接充水水源。”可知，在图区内能成为充水岩层的含水层有：寒武系及奥陶系灰岩含水层、上石炭统砂页岩含水层、上石炭统薄层灰岩含水层、二叠系砂页岩含水层和第四系砂砾石含水层。各含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水意义分析如下：
（1）由于F4断层在横向是阻水断层，地下水以泉的形式向地表排泄，所以图区西南部的前震旦系片岩片麻岩含水层以及震旦系石英砂岩含水层不满足充水岩层的条件，不能成为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水水源；
（2）图区东部的前震旦系片岩片麻岩由于F1断层的阻水性也不能成为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采的充水水源；
（3）寒武系及奥陶系灰岩含水层上覆的中石炭统页岩隔水层起隔水作用， F2、F3断层在横向上是阻水的，在横向上是导水的，且Ⅰ、Ⅲ号煤层上下都是相对隔水层，故寒武系及奥陶系灰岩含水层不能成为Ⅰ、Ⅲ号煤层开采的充水水源。对Ⅱ号煤层而言，煤层上覆还有一层上石炭统中的薄层灰岩，具导水性，由于F4断层的垂向导水性，因此寒武系及奥陶系灰岩含水层可能会成为Ⅱ号煤层开采的间接充水水源。
（4）上石炭统砂页岩含水层中含有Ⅰ、Ⅱ号煤层，是Ⅰ、Ⅱ号煤层开采时的直接充水水源，其上覆的二叠系砂页岩是弱含水层，含有Ⅲ号煤层，故上石炭统砂页岩含水层可能会成为Ⅲ号煤层开采时的间接充水水源。
（5）上石炭统薄层灰岩含水层上覆的上石炭统砂页岩为弱含水层，故其对Ⅲ号煤层的开采有影响，是Ⅲ号煤层开采的间接充水水源；上石炭统薄层灰岩含水层是Ⅱ号煤层的上覆岩层，Ⅱ号煤层开采时，会成为Ⅱ号煤层开采的直接充水水源；上石炭统薄层灰岩含水层下覆的中石炭统页岩是相对隔水层，对Ⅰ号煤层的开采无影响，不能成为Ⅰ号煤层开采的充水水源。
（6）二叠系砂页岩弱含水层中含有Ⅲ号煤层，是Ⅲ号煤层开采时的直接充水水源，下伏的上石炭统砂页是弱含水层，且含有Ⅰ、Ⅱ号煤层，是有Ⅰ、Ⅱ号煤层开采时的间接充水水源。
（7）第四系砂砾石含水层与其他含水层之间都有一定的水力联系，是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层开采时的间接充水水源。
2.断层构造对矿坑充水的作用
由煤田水文地质图以及对各断层导水性的判断（详见表1）可知，F1断层无论是横向还是垂向都是阻水断层，且断层东部为前震旦系片岩片麻岩，是弱含水层，故F1断层对一、二、三号矿坑的充水没有影响；F2、F3断层均为横向导水，垂向阻水的断层，虽然两条断层都切过多个含水层，但是由于垂向上的阻水作用使各含水层之间没有水力联系，只起到地下水径流方向的一致性，并没有对各矿坑的充水提供有利条件；F4断层的垂向导水性使各含水层之间的水力联系紧密，而且处于矿坑的边缘地带，故其为各矿坑提供了良好的充水条件，对安全开采造成一定的威胁。
综上所述，四条断层中只有F4断层对矿坑充水有明显影响，其余断层对矿坑吹水并无显著影响。
3.二号矿Ⅰ号煤层底板的稳定性
由一矿资料：页岩平均抗张强度KP＝0.16MPa，平均容重γ＝2.45T/m3，巷道底板隔水层实际厚度t=30m，坑道底宽L＝10m。由剖面图Ⅱ―Ⅱ′可知一矿Ⅰ号煤层与二矿Ⅰ号煤层所处的地质环境基本相同，则可以借鉴一矿页岩隔水层的有关数据。
当二矿Ⅰ号煤层-50m水平开采，天然水位标高为320m时的底板稳定性计算过程如下：由斯列萨列夫公式：

（底板） （1）
式中：γR——岩层容重（N/m3）γR＝2.45T/m3= 2.45*9.8*103N/m3=2.4*104 N/m3
——岩层的抗张强度(MPa) ,=0.16MPa
——隔水底板厚度（m）,=30m
——开采区底宽（m）,=10m
将以上数据带入斯列萨列夫公式得
当隔水底板厚度为30m，抗张强度为0.16MPa时，所能承受的极限水压力大小为：=3.6MPa
转化成地下水位标高为:
=367.3m
由于煤层是在-50m开采，故其允许水头高度为：
=367.3-50=317.3m＜天然=320m
综上所述，二号矿Ⅰ号煤层底板不稳定。
4.河下采煤条件
由于河流流经三个矿区之上，为确定河下采煤安全开采上限，留设防水柱、实现地下安全施工作业，需对河下安全开采的深度进行计算。安全开采深度是指地下安全施工区的最小埋深值，是保证安全开采的深度。
由已知资料可知，煤层平均倾角＝10°，开采厚度m=6m，岩石碎胀系数K＝1.3，河床第四系厚度为50m，保护层厚度Hc=20m。
此煤层由倾角可知为缓倾斜煤层，故由经验公式：
（2）式中，—— 岩石的碎胀系数，即岩石跨落前后的体积比，K=1.3
—— 矿层厚度或开采厚度（或开挖净空）（m）,=6m
——煤层倾角（°），=10°
将数据代入经验公式求得：

而 （3）
取
防水矿柱高度： （4）
缓角度时 （5）式中为煤层倾角，砂页岩类的保护层厚度取
将数据代入（4）式计算得
所以，河下煤层的安全开采深度为:

综上所述，要达到河下安全采煤，需留设安全防水矿柱的高度为60m，河下安全开采的深度是110m。
（三）初步预测二矿的矿坑涌水量
1.C3薄层灰岩涌水量初步预测
由一矿资料可知：+200m水平开采二号煤层时，天然水位标高321m，坑道系统长1500m，宽1000m，开拓排水一年时，矿坑涌水量为1200 m3／d。二矿资料：开采±0m水平二号煤层时，坑道系统长2000m，宽1060m。由于一矿和二矿两煤层的水文地质条件相似，开拓进度、采矿技术要求基本一致，故用用水文地质比拟法中的单位涌水量法方法二预测，根据公式

式中，—— 一矿的涌水量，（m3／d），Q1=1200m3／d；
——二矿的涌水量，（m3／d）；
——一矿的开采面积，（m²）,F1=1500*1000=1.5*10 m²；
—— 二矿的开采面积，（m²），F2=2000*1060=2.12*10 m²；
——一矿的降深(m),S1=321-200=121m；
——二矿的降深（m）,S2=321-0=321m；
—— 待定系数，需要通过对涌水量与开采面积、降深的统计关系取值，此处取。
将以上数据代入式（6）得

故开采±0m水平二号煤时，C3薄层灰岩的涌水量为4500。
2.初步预测开采-50m水平一号煤时需对奥陶纪灰岩地下水降压的排水量
（1）根据A1孔抽水CK1观测孔的观测资料，用特定条件标准曲线对比法计算奥陶纪灰岩含水层的参数T、a。
由煤田水文地质图可看出，西南部的F4断层距水文地质观测孔的距离较远，当抽水井在短时间内抽水时，F4断层对观测孔的降深无显著的影响，则由《地下水动力学》可知，此处的F4断层可作为无限含水层边界处理；而东部的F1断层贯穿整个图区，与抽水井、观测孔的距离均较近，抽水时对观测孔的降深影响较大，且由于其本身的不导水性，故此处将F1断层作为直线隔水边界处理。抽水试验模型平面图如表2中所示。

依据泰斯井流理论及泰斯公式，观测井的水位降深方程为：

（7）

在特定条件标准曲线法中，将上式记
（8）
式中，。

由表2在excel表格中做曲线如图2所示。

由计算附表中的表3可绘制标准曲线如图3所示：

将实测曲线置于标准曲线之上，平移曲线使两曲线基本重合，此时确定坐标轴的平移值，可求出相应的（时对应的t值）与 时对应的S值)。
根据公式（8）可得，
将所求得的代入上式可得奥陶系灰岩含水层的参数分别为：

（2）初步预测开采－50m水平一号煤时所需对奥陶系灰岩地下水压降的排水量及相应排水时间
此计算过程中需对矿区水文地质模型进行概化，由第一、二章的论述可将模型进行下列概化：
①　 北面和西面奥陶系灰岩延伸长，分布于整个含水层，概化为无限含水边界；
②　 F1断层水平和垂向上都不导水，且延伸较长，概化为直线隔水边界；
③　 F2、F3断层水平导水，概化为导水通道；
④　 F4断层水平阻水，概化为隔水边界；
⑤　 F1F4断层交界处泉群，流量大，对矿坑排水有较大影响，需考虑；
模型简化如下图4所示：

直线孔排
Q泉

S实
S虚
S虚
S虚

图4 模型概化简图
据上述概化后的模型则有：

据表四经过excel表格处理后可得以流量抽水的s-t曲线统计图：

综上所述，安全降深为：，则各流量排水时依据上表满足的时间（t）即可。