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矿井水灾防治及水体下安全采煤

2019-01-18 17:11
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导读:
一、地下水的基本知识(一)自然界中水的循环自然界中的水:1、大气水:水蒸气、云、雾、雨、雪和冰雹;2、地表水:河流、湖泊、海洋、冰雪;3、地下水:保存在地下


一、地下水的基本知识
(一)自然界中水的循环
自然界中的水:
1、大气水:水蒸气、云、雾、雨、雪和冰雹;
2、地表水:河流、湖泊、海洋、冰雪;
3、地下水:保存在地下岩石的空隙、裂隙及岩溶中的水。
自然界中的水在太阳辐射热和重力的作用下不断地循环着。从海洋、河流、湖泊的表面,岩石的表面及植物的叶面上蒸发,变成水汽上升至大气圈中。在高空凝结,形成不同形式的降水而降落到地面。降落下来的水一部分就地蒸发,一部分通过地表和地下径流的形式回归到海洋、河流、湖泊中。
(二)岩石的空隙性和透水性
1、岩石的空隙性
(1)孔隙:岩石颗粒之间存在的空隙。孔隙以孔隙度(n)表示。
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颗粒大小均匀,孔隙度大;大颗粒之间空隙充填有较小颗粒,孔隙度小。沉积岩孔隙度一般为10%,砾岩和充填胶结差的砂岩可达20%30%或更大。
(2)裂隙:坚硬岩石受地壳运动作用,产生各式各样的裂缝,称为裂隙。
(3)岩溶:地下水溶蚀了某些可溶性岩石(如石灰岩、石膏、岩盐)后,在岩石中形成了洞穴,称为岩溶溶洞。
2、岩石的透水性
岩石能使水透过本身的性能,称透水性。根据岩石透水性的大小,岩石可分为透水岩石和不透水岩石。
砂、砾石、砾岩以及裂隙与岩溶比较发育的岩石(砂岩、石灰岩)为透水性岩石;粘土及裂隙不发育的岩石(如页岩)为不透水岩石。
岩石的透水性是相对的。在普通压力下为不透水岩石,在高压力下可能是透水性岩石。
介于透水与不透水之间的岩石为半透水性岩石,如亚粘土和亚砂土等。
岩石透水性的大小,用渗透系数 表示。(见图1)
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渗透系数是水力坡度为1时的渗透速度。测得太原组石灰岩含水层渗透系数平均为4.792×10-6m/s(0.414m/d);本溪组石灰岩含水层渗透系数平均为1.446×10-6m/s(0.125m/d)。
3、透水层与不透水层;含水层与隔水层
能够透水或透水性强的岩石,称为透水层,如石灰岩,白云岩,空隙度大的砾岩和砂岩。充满了地下水的透水层,称为含水层。
不能透水或透水性差的岩石,称为不透水层或隔水层,如粘土,页岩,裂隙少的岩浆岩。
根据渗透系数K(m/d)的大小,岩石透水性可分为五级:1、极强透水性岩石(K>10);2强透水性岩石(K=10-1);3、中等透水性岩石(K=1-0.01);4、弱透水性岩石(K=0.01-0.001);5、极弱透水性或不透水性岩石(K<0.001).
几种岩石的渗透系数见表1。
表1 几种岩石的渗透系数
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(三)地下水分类及其特征
1、潜水与承压水
潜水:地下第一个稳定隔水层以上含水层中的地下水,是具有自由表面的重力水。潜水水面至地表有一定距离。潜水由高位向低位流动,又称无压水。(见图2)
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承压水:承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中的重力水,又称为自流水。承压水形成条件是向斜构造和单斜构造:Ⅰ区为补水区,位置较高,接受大气降水或地表水的补给,渗入地下沿含水层流动,;Ⅲ区为排泄区,位置较低,以泉的形式出露于地表;补水区与排泄区之间的Ⅱ区,充满具有静压力的地下水,就是承压水。由于充满于两个隔水层之间的地下水具有压力,钻孔通过隔水层后,地下水便涌入孔内,不断上升,有可能喷出至地表。(见图3)
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2、降压漏斗的概念(见图4)
在潜水(或承压水)井中抽水,水位下降,程漏斗形,直到形成稳定的降压漏斗为止。
潜水井涌水量(即井的排水量)计算公式为:
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(四)地下水的化学成分
自然界有许多岩石(如石灰岩、白云岩)都溶于水,因此地下水不是化学纯水,而是复杂的溶液。已发现有几十种元素。
离子状态:阴离子Cl-、SO4--、HCO3-
阳离子Na+、K+、Ca++、Mg++
化合物状态:Fe2O3、Al2O3 等
气体状态: N2、O2、CO2、CH4、H2S等
以主要阴阳离子来表征地下水的化学类型。若地下水主要阴离子成分为HCO3-、阳离子为Ca++ 时,称为重碳酸钙型水;若地下水主要阴离子成分为SO4--、阳离子为Na+ 时,称为硫酸钠型水。
反映地下水化学性质常用指标有以下几个:
1、 水的总矿化度(矿化度)
单位体积水中所含的离子、分子和各种化合物的总量称为水的总矿化度,以克/升来表示。它表明水中含盐分的多少。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。按总矿化度大小,可将地下水分为以下几类:(见表2)
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2、 氢离子浓度(pH值)
pH值是水中氢离子浓度的负对数值:
pH=-lg H+ 
当 pH=7时,说明水为中性; pH7时,说明水呈酸性反应;
当 pH>7时,说明水呈碱性反应。根据pH,可将地下水分为五类:
(见表3)
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3、 水的硬度
地下水的硬度大小取决于Ca++ 和Mg++ 的含量。硬度又有:总硬度(Ca++ 、 Mg++的总含量)、暂时硬度(沸腾后 Ca++ 、 Mg++ 沉淀量)和永久硬度(沸腾后 Ca++ 、 Mg++ 不沉淀量)。根据总硬度,可将地下水分为五类:极软水、软水、弱硬水、硬水和极硬水。

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