第三篇 矿床水文地质 hydrogeology

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1 第三篇 矿床水文地质 hydrogeology

2 第12章 地下水的预测与防治 地下水运动的基本规律 涌水量预测方法简介 涌水量测量方法（自学） 矿坑突水的条件及预防

3 研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。
§12.1 地下水运动的基本规律 属地下水动力学的研究范畴： 研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。 　　它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利防害的理论基础。

4 §12.1 地下水运动的基本规律 一、地下水的运动状态 一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。
　　一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。 地下水在多孔介质中的运动，称为渗流。发生渗流的区域称为渗流场。 由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较地表水为缓慢。 由于地下水的类型、介质类型的不同，地下水的运动状态多种多样。

5 §12.1 地下水运动的基本规律 渗流的分类：

6 1. 层流与紊流 传递动量、热量和质量的方式不同： 层流通过分子间相互作用； 紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。 A C
B C 1. 层流与紊流 层流(laminar flow)：亦称片流，指在流速较小时，液体质点作有条不紊的运动,彼此不相混掺的形态。 水质点运动连续不断，流束平行而不混杂。 紊流(turbulent flow) ：亦称湍流，是指随流速增大，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态。 水质点运动不连续，流束混杂而不平行。 传递动量、热量和质量的方式不同： 层流通过分子间相互作用； 紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。

7 2.稳定流与非稳定流 稳定流：在流体的运动空间内，任一点处流体的速度、压力、密度等运动要素不随 时间而变化的称为稳定流。
p=f(x,y,z) 或 p/t=0 v=f(x,y,z) 或 v/t=0 非稳定流： p=f(x,y,z,t) 或 p/t0 v=f(x,y,z,t) 或 v/t0

8 　　实验和观察表明，当地下水在孔隙和细小的裂隙岩层中运动时，如水流速度缓慢，多为层流状态；当地下水在大裂隙和岩溶溶洞中运动时，由于流速较快，则多表现出紊流状态。
　　由于地下水主要是在岩石的孔隙和裂隙中运动，运动时受阻较大，流速一般较慢，所以，一般情况下可以地下水的运动理解为层流运动。

9 二、达尔西定律—层流运动定律 　　法国水力工程师亨利·达西(Henry Darcy)在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，于l856年发现： 渗透流速与水力坡度成正比，即线性渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之为达西定律。 Darcy 实验装置

10 二、达尔西定律—层流运动定律 Henri Darcy’s Law: Q=KI 或 v=Q/=KI Q—渗透流量； —过水断面总面积；
I—水力坡度； v—渗透流速（m/s）； K—渗透系数（m/s，为I=1时的v ） 用途：矿坑、地基工程中涌水量的计算。 强调：层流，线性 说明：在单位水压梯度（I=1）下，单位时间内通过单位截面积的流量，即为岩土的渗透系数。该值可针对具体的岩石（土），通过在室内使用达西仪或其他渗透仪经试验求得。

11 达西公式讨论： 达西定律反映了能量转化与守恒。 V与I的一次方成正比； 　　当K一定，V增大时，水头差增大，表明单位渗透途径上被转化成热能的机械能损失越多，即V与机械能的损失成正比关系； 　　当V一定时，K越小，水头差越大，即K与机械能的损失成反比关系。

12 三、紊流运动的非线性渗透定律 混合流动 Q=KI1/m （m=1~2） Q=KI1/2 或 v=Q/=KI1/2
I—水力坡度； v—渗透流速（m/s）； K—渗透系数（m/s）； 强调：紊流、非线性 常见情况：介于层流与紊流之间的 混合流动 Q=KI1/m （m=1~2）

13 四、地下水向井运动的基本规律 1. 相关概念 (1)井：处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水 。
(2)潜水井：当井揭露潜水含水层，由含水层中吸取无压地下水的井称为潜水井或普通井。 (3)承压水井：当井揭露承压水含水层时，称为承压水井。 (4)完整井：揭露整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层时的潜水井或承压水井，称为完整井。 (5)非完整井：没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水井。 完整井 非完整井

14 (6)水位降深：初始水头减去抽水t时间后的水头，也简称降深。用S表示。
r z h s H (8)影响半径：是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。

15 2. 稳定流假设 (1) 含水层均质、各向同性，产状水平，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；
(2) 抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的； (3) 含水层中的水流服从Darcy定律，并在水头下降的瞬间水就释放出来。如有弱透水层，则忽略其弹性释水量。 (4) 在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。 (5) 在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当它增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳定状态。 (6) 在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小，降落漏斗的扩展越来越慢，在短时间内观测不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。

16 （1）潜水完整井稳定流裘布依公式(J.Dupuit)
R 3.向井运动的基本规律 （1）潜水完整井稳定流裘布依公式(J.Dupuit) s Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) H h Q—井的涌水量(或称排水量)，m3/d K —潜水含水层的渗透系数，m/d H —潜水含水层厚度，m； S —井中稳定的水位降深，m； R —稳定时漏斗半径(影响半径), m r —井的半径，m。 说明：均质含水层，且水平分布无限广阔； 无蒸发、无渗漏； 运动状态为层流状态。 R可用经验公式确定：R=3000SK1/2 r R

17 3. 向井运动的基本规律 （2）承压水完整井稳定流裘布依公式 h M R s H r M—承压含水层的厚度，m; 其它符号同前； R

18 3. 向井运动的基本规律 （3）潜水-承压水完整井稳定流裘布依公式 b) r1 —R a）从r0—r1 潜水完整井
Q= K(M2-h2)/(lnr1-ln r0) b) r1 —R 承压水完整井 Q= 2KM(H-M)/ (lnR-ln r1) c) 组合后得出 r 潜水-承压水完整井

19 4. Dupuit公式的应用（用途） (1)确定水文地质参数 确定岩土的渗透系数K、导水系数T、影响半径R等。 (2)预报流量或降深 　　根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况下，只要给出设计的合理降深，既可预报井的开采量；也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。 　　但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补给源，且能和抽水量平衡，达到稳定流条件；否则，不可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。

20 利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。
用途一：确定水文地质参数 （潜水） （承压水） 利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。 （潜水） （承压水）

21 例1 有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。
用途二、预报涌水量 R 例1  有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。 s H h r R 解：H=8 h=3 r=0.1 k=0.001 S= H-h=8-3=5 R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2 =474.3 Q= 1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) =0.02m3/s

22 用途二、预报涌水量 根据承压完整井涌水量计算公式：
例2：某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m，宽22m，坑底标高为-6.0m，自然地面标高为±0.00，地势平坦，地下水位为-2m。根据地质钻探资料查明，地面下-2.5m为不透水黏土层，-2.5~-9.0m为细砂层。-9.0m以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m，细砂层渗透系数K=6m/d，试求涌水量 。 解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m 降深s=6-2=4m 抽水影响半径： 基坑假想半径： 根据承压完整井涌水量计算公式：

23 §12.2 涌水量预测方法简介 背景：涌水量预测是矿坑作业、地基工程施工过程一项十分重要的工作，也是矿山生产中的经常性工作。 目标：预测涌水量≈实际涌水量 问题：预测量>实际涌水量 预测量<实际涌水量 预测方法： 一、大井法（坑道系统的水动力学法） 二、水均衡法 三、水文地质比拟法

24 一、大井法（坑道系统的水动力学法） 大井法 涌水量预测中，把坑道系统所占面积简化为一个圆形的大井，然后应用地下水向井运动的公式预测坑道系统的涌水量。注意： 1) 坑道系统的长度与宽度的比值应小于10。 2) 坑道系统的引用影响半径R R0=R+r0

25 大井法实例 1. 某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比=2.5，影响半径R=900m，渗透系数K=0.2m/d，潜水含水层厚度100m，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。 解：据题意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0= P/2=630/ 2 =100m R0=R+r0 =1000m 应用潜水完整井公式： Q=1.366K(2H-S)S/lg(R0/r0) =2732m3/d 2. 教材P221

26 二、水均衡法 水均衡法：详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给来源的矿坑涌水量，总涌水量等于各部分涌水量的总和。计算较复杂，用于计算露天采矿场和不深的地下坑道时。 1）露天采矿场面积上静储量的消耗量 2）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消耗量 h——含水层平均厚度；R——疏干时的影响半径 μ——给水度或裂隙度L——疏干地段的周长 总静储量

27 二、水均衡法（续） F1 F 动储量： 3）直接降落在露天采场内的大气降水q3 4）采矿场外围降水渗入的水量q4 A——年平均降雨量；
t——一年时间； F——露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围） φ——地下迳流系数。 F

28 三、水文地质比拟法 基本思想：类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌水量应是接近的。
用途：根据已有开采地段的实际涌水量预测新开采地段可能的涌水量，从而为疏排水工程的配置提供依据。

29 三、水文地质比拟法 方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量
实践或试验研究证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体积的扩大成正比增加。因此，收集现有生产矿坑排水资料、矿坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的矿坑的涌水量。假定： Q0—已有矿坑总涌水量，m3/d; F0—已有矿坑的开采面积，m2; S0—已有矿坑的水位减低值，m 则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为： 这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为： Fnew—新开采矿坑的开采面积，m2; Snew—新开采矿坑的设计平均水位减低值，m。

30 三、水文地质比拟法 方法二：富水系数法 在一定时期内，从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系数（KB），即
Q0—矿坑排水量，m3/a; P0—矿坑的矿石开采量，t/a; 在与上述矿坑地质、水文地质条件和开采条件相同或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为： Pnew—新开采矿坑的设计矿石开采量，t/a.

31 §12.3 涌水量测量方法（自学） 一、水沟流速浮标法 Q=0.8FV m3/sec; V=L/t m/sec
L-浮标流经距离、t-浮标流经L距离的时间 二、堰测法 三角堰 梯形堰 h-水流流过堰口高度; B-梯形堰堰口底部宽度 三、储水池容积法 四、水仓水泵观测法

32 §12.４矿坑突水的条件及预防 ①有岩溶存在，溶硐、矿体在同一部位与构造勾通； ②有导水构造断裂与矿体联通； ③有积水老窑存在并与构造勾通；
一、井下突水条件 ①有岩溶存在，溶硐、矿体在同一部位与构造勾通； ②有导水构造断裂与矿体联通； ③有积水老窑存在并与构造勾通； ④有勘探钻孔在含水层中集水并与构造勾通； ⑤有裂隙强烈发育地区； ⑥有弱含水层（隔水层）与含水层接触面形成积水，并与构造联通。

33 §12.４矿坑突水的条件及预防 二、矿坑透水、突水征兆 ①顶板突然渗出水珠；
②工作面温度下降，空气变冷，或者工作面水蒸气大面积释放且时常产生雾气； ③工作面顶板淋水增大或底板突然涌水； ④工作面岩层出现有暗红色透水或带臭味的水； ⑤岩缝明显有“吱吱”的水叫声，如出现这种情况，工作地点的人员必须立即全部撤出； ⑥掘进工作炮眼孔出现高压射流水，射流长度在1.5米以上时。

34 §12.４矿坑突水的条件及预防 三、预防原则 　　掘进施工中，当接近有水害威胁地区时，必须按“有疑必探，先探后掘”的原则进行。遇到下面任何一种情况都必须停止掘进，先探水： ①掘进工作面接近溶硐、含水断层、含水层（流沙层、冲积层各种承压水的含水层）或接近大量积水区时； ②掘进面接近被淹井巷或有积水的水窑、老采空区时； ③上层有积水，在下层进行采掘工作，两层间的垂直距离小于掘进巷道高度10倍时； ④在探水地区内掘进，掘进长度达到设计掘进长度时；

35 ⑤采掘工作面发现出水征兆时； ⑥在探空区积水地区，发现新的断层，但对断层另一盘水文地质情况不清楚时； ⑦当采掘工作面接近各类防水矿柱，为确保防水矿柱的安全可靠，必须提前探明情况时。 ⑧当掘进工作面出现地下水增大(或比预计的水量大很多)时； ⑨当掘进工作面将穿过勘探钻孔(含水层中钻孔)时。

36 四、预防措施 ①开挖排水沟：在垂直来水方向向上开挖排水沟，拦截洪水，排水沟大致沿地形等高线布置，利用地形坡度，排出矿区。 ②防水堵漏：为防止或减少降水及地表水进入矿坑，对矿区附过地表各种裂隙通道、岩溶塌陷以及可能积水的洼地等，均应用粘土或水泥等进行回填。在岩溶塌陷十分强烈的地段，甚至用不透水的围堤将塌陷区隔离起来。 ③河流改道：在河流上游筑拦水坝，将水引出矿区。 ④井下防水：矿山开采过程中，首先要合理进行开采布局，采用正确的开采方法，在适当位置要预留防水矿柱，修建防水闸门或水闸墙。

37 水文地质篇复习要点 地下水成分—库尔洛夫式的应用 按埋藏条件分类的各类地下水特征 按含水层空隙性质分类的各类地下水特征 潜水等水位线图 承压水等水压线图 矿床水文地质图 地下水向井运动基本规律 涌水量预测常用方法