矿井水基础知识

第一章 基本知识

一、地下水的起源

降水渗入地下形成的地下水，称为渗入水。但是降水的渗入并不是地下水的唯一来源。部分地下水的成因，无法用降水渗入解释。

干旱的沙漠地区，降雨稀少，有时整个夏季都不下一滴雨，但在沙丘中仍可以见到水汽凝结形成的地下水，即凝结水。当地面温度低于空气的温度时，空气中的水汽便要进入土壤和岩石的空隙中，在颗粒和岩石表面凝结形成地下水。

还有一部分地下水既不是渗入水，也不是水汽凝结形成的，而是由岩浆中分离出来的气体冷凝形成，这种水是岩浆作用的结果，称为初生水。此外，与沉积物同时生成或海水渗到原生沉积物的孔隙中而形成的地下水，称为埋藏水。

在渗入水、凝结水、初生水、埋藏水等成因的地下水中以渗入水最为常见。

二、地下水的赋存

1、岩石中的空隙

自然界中的各种岩石，不论是松散层的第四系沉积物，或是坚硬致密的基岩，都存在着大小不等、形状各异的空隙。自然界岩石的空隙差异极大，规律大者如可溶岩中的地下厅堂，可达数十万立方米；最小的显微孔隙和劈理，连肉眼也难以辩认。岩石空隙差异如此之大，与其不同的成因有关。根据成因可将空隙分为三大类：孔隙、裂隙、溶隙（穴）。地下水就存在于岩石的空隙中，空隙越发育，储存的地下水

就越多，地下水的运动越通畅。因此，岩石中的空隙，不仅是储水空间，又是地下水的运移通道。

孔隙 存在于松散沉积物或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。这些空间相互连通，呈小孔状，储水空间为孔隙的地下水称为孔隙水。

裂隙 裂隙就是坚硬岩石形成时或形成以后由于各种内外营力的作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙。岩石在成岩过程中，如岩浆岩的冷凝收缩或沉积岩的固结干缩作用都可产生裂隙（成岩裂隙）；岩石在形成后由于构造变动受力可产生构造断裂裂隙（构造裂隙）；或经受风化作用产生风化裂隙（风化裂隙）。储水空间为裂隙的地下水称为裂隙水。

溶隙 可溶性岩石（如盐岩、石膏、石灰岩、白云岩等）经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产生的空隙，称之为溶隙，也称为溶穴。溶穴包括溶孔、溶蚀裂隙、溶洞和暗河等。溶穴是可溶性岩石在原有空隙的基础上经地下水长期的差异溶蚀作用而形成的空隙，其形态和大小变化很大，不均匀性尤为突出，大型溶洞宽可在数十米，高可达数十米到上百米，长可达数十千米，而深部的小溶孔直径仅数微米。储水空间为溶穴的地下水称为岩溶水。

自然界岩石空隙的发育情况非常复杂。松散岩石的空隙通常以孔隙为主，但某些松散岩石也发育裂隙，如黄土发育垂直裂隙，某些粘土干缩后可产生干缩裂隙，由于发育有干缩裂隙也可以含有一定量的地下水。坚硬的基岩主要发育

裂，但某些沉积岩也发育孔隙，如凝灰岩、风化的火山沉积岩。可溶性岩石由于差异溶蚀，有的部位发育溶穴，有的部位发育裂隙，有的部位发育孔隙。

孔隙形成于颗粒之间，其分布均匀，连通良好，在各个方向上孔隙的大小和多少几乎接近，赋存于其中的地下水分布和流动都比较均匀。坚硬基岩的裂隙是宽窄不等的线状缝隙，具有一定的方向性，分布不均匀。溶隙的空隙大小悬殊，分布极不均匀，故溶隙中地下水的分布与流动也极不均匀。

2、水在岩石中的存在形式

水在岩石中的存在形式如下：

⑴、气态水：即水蒸汽，它来源于大气中的水汽与液态地下水的蒸发。夏季白天的气温高于岩石的温度，于是水汽将由大气向岩石空隙中运动、聚集并凝结成为凝结水，夜晚则方向相反；此外，在年常温带以下，深部的温度总是高于上部，水汽蒸发后总是向上运动，然后聚集凝结成为液态水。气态水在一定温度、压力下与液态水相互转化，二者保持动平衡，因而对岩石中水的重新分配有很大意义。

⑵、结合水：由于静电引力作用而吸附在岩石颗粒上的水叫结合水。其中最靠近颗粒表面受静电引力最大的部分结合水称强结合水，其外层受静电引力较小的叫弱结合水。

强结合水又称吸附水，不能自由运动，只有加热到105～110℃，使其成为气态水时才能将它与岩石分开。弱结合水又称薄膜水。

⑶、重力水：岩石空隙全部被充满，在重力作用下运动

的液态水称重力水。重力水在自身重力影响运动，是水文地质学研究的主要对象。

⑷、毛细水：由于毛细力的作用而充满岩石毛细空隙中的水称毛细水。岩石的毛细孔隙（直径小于1mm ）和毛细裂隙（宽度小于0.25mm ）就如同细小的玻璃管一样，可以发生毛现象。即在表面张力作用下水可沿重力水面上升一定的距离，形成毛细上升带。

⑸、固态水：以固体冰形式存在于岩石空隙中的水称固态水。当岩石温度低于水的冰点0℃时，岩石空隙中的重力水便冻结成为固态水。冻结岩石中并不是所有的水都呈固体状态，结合水尤其是强结合水，其冰点较低仍可保持液态。固态水分布于多年冻结区或季节冻结区。

⑹、矿物水：是存在于矿物晶体内部或晶格之间的水，又称化学结合水，包括沸石水、结晶水和结构水等。矿物水一般来说不能被被利用，只有当高温变质岩脱水以后，才能从矿物中析出，并转变为上述各种类型的水。

①、沸石水：以水分子（H 2O ）形式存在于矿物晶格空隙之中的水称沸石水。方沸石（Na 2Al 2Si 4O 12〃nH 2O ）中所含的水便是沸石水。沸石水与矿物结合得很不牢固，矿沸石水的含量并不固定，随湿度的变化而变化。常温下当湿度下降时，所含的水可以从沸石中逸出。

②、结晶水：以水分子形式进入矿物结晶格架并成为某些矿物的组成成分时叫结晶水。如将矿物加热到400℃以上时，结晶水便可从矿物中分离出来，水分离出来后，矿物本

身并未遭到破坏。如石膏（CaSO 4〃2H 2O ）加热后，随着水分子的溢出，石膏本身并未遭到破坏，而是分解为硬石膏（CaSO 4）和自由水（H 2O ）。

③、结构水：结构水是以H 和OH 形式存在于矿物结晶格架中的水，在矿物中并不保持水分子（H 2O ）结构。H 和OH

+-+-+-与矿物结合处非常紧密，如白云母（K Al 2[AlSi3O 10]OH2），白云母只有加热到400℃以上，H 和OH 才能分离出来，随着它

们的析出，白云母也被破坏了。

三、含水层和隔水层

含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。因此，含水层应是空隙发育的具有良好给水性和透水性的岩层。如各种砂土、砾石、裂隙和容穴发育的坚硬岩石。隔水层则是不能透过并给出或只能透过与给出极少量水的岩层。因此隔水层具有良好的持水性，而其给水性和透水性均不良，如粘土、页岩和片岩等。

含水层首先应该是透水层，是透水层中位于地下水位以下经常为地下水所饱和的部分，地下水位上部未饱和部分则是透水不含水层。

形成含水层具备的条件：

1、岩层具有储存重力水的空间：岩石的空隙越大，数量越多，连通性越好，储存和通过重力水就越多，越有利于形成含水层。坚硬砂岩的孔隙虽不发育，但发育构造裂隙和风化裂隙，裂隙成为其主要的储水空间，所以砂岩是含水层。

2、具备储存地下水的地质结构：具有空隙的岩层必须

有一定的地质构造条件才能储水。一个含水层的形成必须要有透水层和不透水层组合在一起，才能形成含水地质构造。

3、具有充足的补给水源： 充足的补给水源、丰富的补给量是决定含水层水量大小和保证程度的重要因素。

含水层与隔水层只是相对而言，并不存在截然的界限，二者是通过比较而存在的，同样的岩层在不同的地质条件下可能具有不同的含水意义。如河床冲积相粗砂岩中夹粉砂岩，粉砂岩由于透水性小，可视为相对隔水层；但是粉砂岩若夹在粘土中，粉砂岩因其透水性大则成为含水层，粘土层作为隔水层。

含水层的相对性表现在所给出的水是否具有实际价值，即是否能满足开采利用的实际需要或对采矿工程造成的危害。含水层与隔水层之间可以相互转化。如粘土，通常情况下是良好的隔水层，但在地下深处较大的水头差作用下，当其水头梯度大于起始水力坡度，也可能发生越流补给，透过并给出一定数量的水而成为含水层。

隔水层的隔水作用是防治水工作重点研究的内容，煤层直接顶底板一般都是泥岩、砂质泥岩和粉砂岩等，它们将可采煤层与含水层分离，阻止充水含水层中水涌向矿井，保证煤矿的安全开采。隔水层的隔水作用主要取决于隔水层的厚度、岩性、力学性质、岩层组合关系和裂隙发育情况等。隔水岩层的厚度越大，力学强度越大，柔、脆性岩石配置得当，断裂裂隙不发育，则其抵抗水压的能力越大，隔水性能就越好，煤矿生产就越安全。

含水带、含水段和含水岩组

有的一些地方，由于煤系地层岩性变化大，断裂发育，无法按含水层的函义加以严格地划分，从实际应用出发，可划分出含水带、含水段和含水岩组等。

1、含水带：坚硬基岩由于裂隙和溶穴发育不均匀，在同一岩层或岩体的不同地带，富水性差异很大，有的地带富水性强，有的地带富水性弱，通常把富水带强的地带称为含水带。含水带指空间延伸长度较大，而宽度有限的狭长地带。含水带裂隙、岩溶发育，富水性强，与周围弱透水或不透水围岩呈过渡状态，并切穿不同成因和不同深度的岩体，如断层破碎带、岩溶径流带、岩脉含水带、侵入岩与围岩接触带等。

2、含水段：某一含水层厚度很大，但由于岩性差异，不同地段裂隙、溶穴发育程度不同，致使不同层段之间透水性差异较大，但期间并无明显隔水层存在，或通过断裂各段之间仍有较密切的水力联系，故可按富水性分出强富水段和弱富水段。

3、含水岩组：具有统一的水力联系和一定的水化学特征的多层含水层的空间组合。

从矿井防治水的角度，推荐含、隔水层的划分标准：

四、矿井的富水构造部位

1、断裂交叉处：同一个断裂内的主干断裂与分支断裂的交叉处（如入字型构造）或两个断裂交接和几个断层的收敛部位，由于应力集中，岩体承受压力变形也相对强烈，岩石破碎，充填胶结差，导水性好。在矿山压力作用下，该部位易突水。位于构造复合部位的矿井，水文地质条件也相应复杂。

2、断裂密度大的块段：为应力集中或有多次构造应力叠加的块段。表现为较大断裂伴生一系列小断裂，裂隙发育。该地段富水性相对较强。

3、断层的端点部位：是以密集破裂变形释放应力的地段，裂隙较发育，导水性较好。

4、褶曲轴部：背斜褶曲轴部岩层因弯曲破裂，产生X 型节理以及纵节理等，构成富水地段。推而广之，处于弧形构造之弧顶部位的矿井，张性断裂发育，也相对富水。

5、挠曲转折部位：岩层沿走向、倾向产状急剧变化的地段，裂隙发育，相对富水。

五、常用水文地质参数

1、单位涌水量（q ）

对某一含水层进行抽（压）水，含水层在单位时间降深抽出（压入）的水量。计算公式：q=Q/S，Q —抽水井的涌水量，S —单位时间水位降深，单位涌水量常用来描述含水层的富水性。

含水层赋水性的等级标准：（《矿井水文地质规程》附录一）

含水层的含水性差别很大，根据给出水量（q ）的大小可划分为四个等级，即

q ＜0.1l/s.m ，含水小的含水层（弱含水层）

0.1≤q ＜2l/s.m ，含水中等含水层（中等含水层）

2≤q ＜10l/s.m ，含水丰富含水层(强含水层)

q ≥10l/s.m ，含水极度丰富含水层（极强含水层）

2、渗透系数（K ）

水文地质学把岩石本身可以通过流体的能力称为渗透系数(用K 表示) 。渗透系数也称水力传导系数，是描述含水层渗透能力的重要水文地质参数。根据达西公式，渗透系数代表当水力坡度为1时，水在介质中的渗流速度，单位是m/d或cm/s。渗透系数大小与岩石的性质（粒度成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性质和发育程度等）和水的物理性质（粘滞性、容重等）有关。一说是指液体在一昼夜（24小时）在固体里面流动的长度，一般用m/d。渗透系数K 能用来表示岩层的透水性，但它不能单独说明含水层的过水能力。一个K 值较大的含水层，如果厚度很小，它的过水能力也是有限的。为此引出导水系数（T ）。

3、导水系数（T ）

导水系数也是一个重要的水文地质参数，即含水层的渗透系数与其厚度的乘积。其理论意义为水力梯度为1时，通过含水层的单宽流量，常用单位是m 2/d。

4、突水的等级标准

矿井水的概念：凡是在矿井开拓、采掘过程中，渗入、

滴入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源，统称矿井水。

井下某一地点出水时，我们要进行现场调查，对出水的程度要进行描述，滴水、淋水，是对采掘工作面顶板来说的，渗水和流水多是对底板和煤（巷）帮来说的，出水量较大时一般称突水。

滴水：出水以不连续且间隔时间较长的水滴方式进入工作面。

淋水：出水以连续或不连续且间隔时间较短的水滴方式进入工作面。

涌水：水从顶底板大面积进入工作面，或从某一通道流出，有时伴有压力。

溃水：强调的是突发性，瞬间水量很大。

突水点突水量的等级标准：（《矿井水文地质规程》附录二） 涌水量Q ≤60m 3/h，小突水点

涌水量Q ：60～600m 3/h，中等突水点

涌水量Q ：60～1800m 3/h，大突水点

涌水量Q ≥1800m 3/h，特大突水点