【理论】矿床水文地质基础知识

主要内容：

一、矿床类型与矿床开采

二、矿床充水因素分析

三、矿床水文地质类型

一

矿床类型与矿床开采

  1、矿石、矿体、矿床及矿产

矿石：凡含经济上有价值和技术上可提取有用元素、化合物或矿物的岩石。

矿体：矿石的自然堆积体。它是独立的地质体，有一定的形状、大小和产状，占有一定的空间。包围矿体的无实用价值的岩石称矿体的围岩。矿体和围岩石间的界面有清晰的．也有逐渐过渡的。

矿床：由成矿地质作用在地壳中形成的质和量皆符合当前经济技术条件，可被开采和利用的地质体总称。它由矿体和围岩组成。一个矿床可由一个或多个矿体组成。

  2、矿体的形状及产状

矿体的形状，系指矿体在空间的存在形态。

形状不同的矿体，它与周围含水层(体)之间具有不同的接触状态，发生不同的水力联系，使矿床具有不同的水文地质特征。

矿体的产状，是指矿体产出的地质位置和产出状态，包括矿体的构造位置、形状、大小、与围岩的接触关系及其空间位置等。矿体产状，通常以矿体(层)的走向、倾向及倾角来表示。

按倾角，把矿体分成：

• 倾角小于3°的水平矿体；

• 3°至30°的缓倾斜矿体；

• 30°至45 ° ~55°的倾斜矿体；

• 大于45°~55°的急倾斜矿体。

  3、矿床成因类型及其与周围含水层间的关系

• 岩浆矿床：是指伴随地壳中岩浆活动而形成的矿床。如铬、镍、铂、金刚石、钒、饮、铜、钻、铁、磷等。该类矿床和围岩多发育有各种裂隙，故裂隙水为该类矿床的主要充水水源。

• 伟晶岩矿床：为晶体粗大的脉状矿床，富含稀有及放射性元素，富含挥发性组分的矿物易于富集。产铍、铌及云母、水晶等。岩脉本身裂隙多较发育，故其多成为含水较丰富的裂隙水带。

• 气水—热液矿床：是由含水、挥发性纽分及成矿组分的气水热液，在运移中，成矿物质通道充填或交代作用所形成的矿床。

这类矿床的水文地质条件复杂，多为岩溶充水矿床。接触交带矿床的围岩一侧多为岩溶水，远离接触带的矿床，则多处于岩溶水包围之中，甚至矿体本身也含水。

• 风化矿床：出地壳表层风化作用形成的矿床，称风化矿床。主要产出铁、锰、铝、镍、钻、金、金刚石、磷块岩及高岭土等。按成因分为残积和坡积矿床、残余矿床、淋积矿床。其主要充水层为风化裂隙潜水层，一般水文地质条件较简单。

• 沉积矿床：系由地表沉积作用形成的矿床。以其中富集有用物质而与一般岩相相区别。

沉积矿床所产矿种大多产量丰富，尤其是生物化学和胶体化学沉积矿床，多与碳酸盐岩共生，多具有利蓄水的构造，受岩溶水的威胁．致使矿床水文地质条件极为复杂．国内、外大水矿床多属此类。

• 变质矿床：系伴随岩石变质过程，由有用元素富集而成的矿床，除产金、铀、铜、铅、锌等金属矿产外，还产滑石、石墨、石棉等非金属矿产，多数为水文地质条件简单的裂隙充水矿床。

  4、矿床开采

矿床水文地质工作是为开采矿床服务的，采矿方法的选择、矿井涌水量的大小及疏干措施的设置，均与矿区水文地质条件有关。

采用不同的开采方式和开采方法，会使矿区水文地质条件受到不同的改造，不仅会导致矿井涌水量、采矿难易程度及成本等有很大的差别，还会出现不同的环境地质问题。

a.  矿床的开采单位

• 矿田：一个矿床的天然分布范围。

• 矿区：划归一个矿山企业开采的范围。

• 井田：在一个矿山中，划归一个矿井（坑口）开采的矿体则成为井田。

• 矿井（坑）:是一个独立开采系统的生产单位，井田则是基本的开采单位。

由于矿井(或坑口)是独立的生产单位，所以也将从全井田中流入井巷的水称为矿井(矿坑)涌水。

沿倾向的长度，由于井田的范围过大，所以开采时尚需按矿体(层)的倾角和技术条件，将矿体划分为更小的单元有顺序的进行开采。

对倾斜的矿体(层)，多沿倾斜按一定标高分成若干个平行于走向的长条，称其为阶段。其上边界为阶段回风平巷，所在水平面称回风水平；下边界则为阶段运输平巷，其水平面称运输水平。

b.  开采矿床的方式

•  露天开采及露天矿场的构成    

当矿床埋藏近地表、覆盖层较薄，或开采由浅延至深部矿床的浅部矿体时、宜用露天方式开采，即从地面以较大面积直接向深处掘露天沟道、形成工作面开采矿石的方式。

露天采矿场示意剖面图

1-台阶；2-台阶坡面；3-排水沟，4-矿体；5-台阶面坡角

• 地下开采及开采系统的构成

应用地下开采方式开采埋藏在地下深处的矿床，就是利用适宜类型的地下巷道和不同的采矿方法从地下采出矿石。

地下开采矿山井巷综合示意图

    1-立井；2-斜井；3-平硐；4-暗立井；5-溜井；6-石门；7-矿门；8-矿仓；9-上山道；10-下山道；11-风井；12-岩层平巷；13-矿层平巷

c.  开采矿床的步骤

• 开拓。是采矿的第一步，据设计从地面到矿体开掘一系列的开拓巷道，建立运输、通风、排水和供水等工程系统。

• 采准。就是在已开拓的阶段或盘区中，进一步切割成采区或矿壁，为回采作准备工作；同时，作为行人、运输和通风之用。

• 回采。是从完成采淮的采区或矿室中大量采出矿石的生产过程。

d.  采矿方法

• 支撑采矿法分天然和人工两种：

• 天然支撑法(矿柱法) : 采用保留安全矿柱（永久、暂时）的方法保持围岩稳定性，适用于围岩稳固的采区；

• 人工支撑采矿法：是用人工支撑的方法控制地区，保护采区安全生产。

• 崩落采矿法：运用于采空区上方无城镇，地表水或无强含水层的采区，是利用顶板崩落的岩块充填采空区，控制围岩的位移，确保安全生产。崩落法是最常用的采矿方法，但它对矿床充水的威胁也最大。

• 充填采矿法：在基本不改变上覆地层的情况下进行开采，但成本高，大多用于城镇、道路、地表水下和顶底板有强含水层的情况下。

二

矿床充水因素分析

  1、基本概念

• 矿床充水：自然状态下矿床和围岩中赋存的水；

• 矿坑涌水：采矿时流人井巷的水；

• 矿井突水：超过矿井正常排水能力的瞬时大量涌水。

充水强度、涌水强度和突水强度：充水、涌水和突水的水量大小。

矿山井巷之所以有水涌入，是各种水源通过各种通道进入井巷造成的，其涌入水量的大小主要受矿床赋存与开采的具体条件控制。

因此，充水水源与通道是形成矿坑涌水的必备条件，

加上影响涌水强度诸因素，三者综合作用称矿床充水条件。

矿床充水分析示意图

矿山井巷之所以有水涌入，是各种水源通过各种通道进入井巷造成的，其涌入水量的大小主要受矿床赋存与开采的具体条件控制。

因此，充水水源与通道是形成矿坑涌水的必备条件，加上影响涌水强度诸因素，三者综合作用称矿床充水条件。

  2、充水水源

a.  大气降水为主要充水水源的矿床

其充(涌)水特征与降水、地形、岩性和构造密切相关。    

• 矿井涌水动态与当地降水动态相一致，具明显的季节性和多年周期性的变化规律。

1年中的涌水最大值在融雪期和雨季，最小值在旱季；矿井最大涌水量出现在丰水年、干旱年为最小，突水事故则多发生在丰水年的丰水期。

矿坑涌水量随降水量变化曲线（京西王平村矿）

1-降水量；2-矿坑涌水量

• 多数矿床随采深增加矿井涌水量逐渐减少，其涌水高峰值出现迟后的时间加长。

• 矿井涌水量的大小还与降水性质、强度、连续时间及入渗条件有密切关系。通常，长时间连续降中雨对入渗有利。汇水条件好、充水层裸露、地表渗透性大的矿区矿井涌水量大，反之则小。

典型类型：位于当地侵蚀基准面以上的矿床、无地表水分布的矿区、分水岭地段和地下水位变幅带内的矿床，矿床浅埋充水含水层基本裸露的矿床。

b.  以地表水为主要充水水源的矿床

这类矿床赋存在山区河谷和平原区河流、湖泊及海洋等地表水附近或其下面。充水特征主要取决于地表水的补给方式。

根据地表水进入井巷的方式和强弱，可分为四种情况：

• 是地表水不补给者：矿体顶部有较厚的可靠隔水层，矿体与地表水之间无水力联系；

• 是地表水微弱补给者：矿体顶部有弱隔水层，少量地表水可通过它补给井巷；

• 是地表水渗入或补给者：疏干漏斗以地表水为界，地表水通过渗透通道，能较多地进入井下；

• 是地表水灌入式补给者：疏干漏斗以地表水为界，地表水通过强导水通道溃入井巷，造成灾害性突水。

恩口矿区边界条件转化示意图

1－T1s+P2d  下叠大冶组；2－P2l上叠龙潭组隔水层；3－P1m+P1q4  下二叠茅口组与栖霞组岩溶含水层；4－P1q3  下二叠栖霞组李子塘段隔水层；5－Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，疏干水平

c.  地表水充水矿床的涌水规律:

• 矿井涌水动态随地表水的丰枯作季节性变化，且其涌水强度与地表水的类型、性质和规模有关。

受季节流量变化大的河流补给的矿床．其涌水强度亦呈季节性周期变化。有常年性大水体补给时，可造成定水头补给稳定的大量涌水，并难于疏干。有汇水面积大的地表水补给时，涌水量大且衰减过程长。

• 矿井涌水强度还与井巷到地表水体间的距离、岩性与构造条件有关。

一般情况下，其间距愈小，则涌水强度放大。其间岩层的渗透性愈强，涌水强度愈大。当其间分布有厚度大而完整的隔水层时，则涌水极微或无影响。其间地层受构造破坏愈严重，并巷涌水强度亦愈大。

  排水坑道与河流距离示意图

1-含水层；2-隔水层；3-矿层；4-排水坑道；5-排水水位线

d. 采矿方法的影响

依据矿床水文地质条件选用正确的采矿方法，开采近地表水体的矿床，其涌水强度虽会增加，仍不会过于影响生产；如选用的方法不当，可造成崩落裂隙与地表水体相通或形成塌陷，发生突水和泥沙冲溃。

e.  以地下水为主要充水水源的矿床

能造成井巷涌水的含水层称矿床充水层。有些含水层，虽接近矿井，但在天然和开采时其中水皆不能进入井巷，则不属于矿床充水层。可是当采矿破坏了它的隔水条件时，亦可转化为充水层。当地下水成为主要涌水水源时，有如下规律。

• 矿井涌水强度与充水层的空隙性及其富水程度有关。

一般，裂隙水的充水强度小、孔隙水中等，岩溶水最大；井巷位于富水地段者涌水量大，处于弱含水地段者小；矿体和围岩含饱水流砂时，可造成流砂冲溃。

• 矿井涌水强度与充水层厚度和分布面积有关。

充水层巨厚、分布面积大者，矿井涌水量亦大；反之则小。

• 矿井涌水强度及其变化，与含水层水量组成有关。

当涌入水以储存量为主时，揭露初期涌水量大、易突水，后逐渐减少，容易疏干；当涌水以补给量为主时，则涌水量由小变大，后趋于相对稳定，多不易疏干。

f.  以老窖水为主要充水水源的矿床

老窖水是指被废弃的矿坑和淹没的生产井巷中的积水，是矿区浅部采矿常见的充水水源。

其涌水特征：

• 老空水涌水一般来势凶猛；

• 酸性大、并含有害气体并携带块石，破坏性大；

• 老空水涌水还可成为其它水源涌入矿坑的通道；

• 老空水因年代久远，分布范围不清，调查困难。

单个矿井的突水（涌水），多系以某一种水源为主，多种水源综合补给而成。实际工作中，不仅要找出主要水源，还要分析采前（天然）水源和采后（人工）水源，以便于提出准确的防治水措施。

  3、充水通道

矿体及其周围虽有水存在，但只有通过某种通道。它们才能进入井巷形成涌水或突水。涌水通道可分为两类：地层的孔隙、断裂带等属于自然形成的通道；以及由于不合理勘探和开采造成的人为涌水通道。

a.  自然通道

• 岩层的裂隙与断裂带

坚硬岩层中的矿床中的节理型裂隙较发育部位，彼此连通可构成裂隙涌水通道。裂隙含水层，因裂隙发育不均一而含水不均匀，多为弱含水层．其透水性弱，矿井涌水量较小。在国内外采矿史上，因中小型断裂带形成的导水通道，造成突水者最为多见。依据勘探及开采资料，可把断裂带分为两类，即隔水断裂带和透水断裂带。

• 岩溶通道

岩溶空间极不均一，可以从细小的溶孔直到巨大的溶洞。  它们可彼此连通，成为沟通各种水源的通道，也可形成孤立的充水管道。我国许多金属与非金属矿区，都深受其害。

欲认识这种通道．关键在于能否确切地掌握矿区的岩溶发育规律和岩溶水的特征 :

•  大、中、小型岩溶通道：由小型岩溶及溶隙形成的涌水通道，虽可增加矿井涌水量，但尚较小；由大、中型岩溶(溶洞及管道)及溶蚀断裂带形成的涌水通道，矿井涌水量将大增，更易造成突水灾害。

• 岩溶坍隔与“天窗”

岩溶坍隔 :是指覆盖于充水（或空气）空间之上的土层，因外力（抽、放水、暴雨）作用瞬间坍落，先期存在的岩溶网隙为容纳和运移坍落物质提供了必要的空间条件，它是岩溶动力地质作用的结果，与非可溶岩中产生的坍隔不同。岩溶坍隔是岩溶充水矿床严重的水文地质工程地质问题，它不仅造成突发性矿坑溃水，同时破坏地面多种设施，导致河水断流，破坏水资源。

我国岩溶坍隔集中发生在南方溶洞充水矿床中，北方溶隙充水矿床仅占1.8%。

 “天窗”是指岩溶充水含水层与上覆冲积层之间的未胶结、半胶结地层，因沉积相变或河谷下切而变薄甚至消失，导致充水含水层与上覆第四系含水层的直接接触，形成导水“天窗”。天然状态下，“天窗”是充水含水层地下水排泄通道，也是岩溶坍隔的有利部位。一旦“天窗形成坍隔，其补给方式立即由渗透补给演变为集中渗入式补给。

• 孔隙通道

孔隙通道，主要是指松散层粒间的孔隙潜水。它可在开采砂矿床和开采上覆松散层的深部基岩矿床时遇到。前者多为均匀涌水、仅在大颗粒地段和有丰富水源的矿区才可导致突水；后者多在建井时期造成危害。此类通道可输送本含水层水入井巷，也可成为沟通地表水的通道。

b.  人为通道

• 采空区上方冒裂带

当采矿形成大面积采空区后，原始应力平衡受破坏，采空区顶板在集中应力的作用下，岩层破裂冒落，在采空区上方依次产生无规则冒落带、导水裂隙带和变化微弱的整体移动带，并在地面形成坍陷。

上述分带规律在岩层缓倾的矿区较完整，并与崩落采矿法有关。冒落带和导水裂隙带统称为冒裂带。当冒裂带达到上覆地面水源时，将造成突水。因此冒落带和导水裂隙带的最大高度，是在强含水层或地表水下采矿时，是确保安全采深或开采上限的重要依据。

• 底板突水通道

当采空区位于高压富水的岩溶含水层上方时，在矿山压力和底板承压水压力水头的作用下，岩溶水会突破采空区底板隔水层的薄弱地段涌入矿坑。因此，隔水层的薄弱地段，可初视为不同于其它导水通道的另类。

• 封闭不良或未封闭钻孔

 若对各种完工的钻孔处置不当，可成为沟通各水源涌入矿坑的直接通道，国内外均有钻孔突水淹矿的记录，因此要求对每口已完工的钻孔进行严格的封孔止水。一是为保护矿体免遭氧化破坏；二是防止地下水或其它水源的直接入渗大矿坑。

导水通道在充水过程中的突发性、复杂性、灾害性是它的重要意义所在，三者相互依存，在大水矿床开采中得到最完整的体现。我国大水矿床的主要突水通道各异，北方以底板突水为主，南方以地面坍陷为主，它们均与断裂有关。

因此，断裂岩溶坍陷，底板突水通道是研究重点。

  4、矿床充水强度

在开采前的调查阶段，衡量矿床充水的强弱，多间接用矿区内泉及井孔出水量数值来推测，很不准确；

较精确的是用该矿开采时矿井涌水量值来衡量或比拟已开采相似矿井的涌水量来确定其充水强度。分析开采资料，可知矿井涌水量的大小，除直接与充水水源和通道的性质与特征有关外，还有下述主要影响因素。

a.  矿床的边界条件

矿床与充水层的边界条件，对未来矿井涌水量大小起主要的控制作用。

• 矿床的侧向边界：当矿床和直接充水含水系统之间有强透水边界时，则开采时外系统地下水或地表水会迅速而大量地流入矿井。供水充足的边界越长，则涌水量越多、越稳定。如矿体或直接充水层被隔水边界所封闭，则矿井涌水量较小或由大变小，甚至干涸。如因开采导致原非充水层或新水源进入矿井时，则将形成新的充水系统，矿井涌水量将增大，原边界将转变成新的边界条件。

首次勘探，岩溶地下水系统的边界条件没有查明，抽水试验水位降低1.695m，单位涌水量为125.5m3/h.m，渗透系数为100m/d，按无限边界计算，-100m水平涌水量为16万m3/d，为开放性的大水矿区。

邯邢杨二庄铁矿区水文地质略图

• 矿床顶、底部边界：矿床及其顶、底部的隔、透水条件，对矿井涌水强度亦起控制作用。因此，如能保持它们的隔水性能或减弱其渗透强度，即可达到保持或减弱矿井涌水量的目的。

顶底剖面边界有四种情况：

• 直接顶底板均是可靠隔水层，基本无外部水补给；

• 底板隔水．矿体与直接充水层只能获得较强或弱的大气降水或地表水补给；

• 顶板隔水，仅通过弱透水底板产生越流或直接获得强补给；

• 顶板及底板皆为强或弱透水居构成。如隔水层的岩性致密，则隔水能力强，如其厚度大而稳定且完整性好，矿井的涌水量及其变幅皆较小；在其变薄、缺失或破碎等抗张强度降低的地段上，涌水量则会增加。

b.  地质构造条件

地质构造的类型、规模和分布，对矿井总涌水量的形成起制约作用。如矿床位于褶皱或断裂构造中，则其对矿床与充水层的空间分布、地下水的补径排条件会有较大的影响，充水强度也必然受影响。处在同一类型构造中的矿床，随构造规模及矿井所处构造部位的不同，矿井涌水量大小亦各异。

c.  充水岩层接受补给的条件

图可代表华北石炭二叠系煤田上部的充水条件、充水层暴露程度及与水源的接触情况。它们对矿井涌水强度的影响很大。

充水层及矿体的出露程度愈高，盖层透水性愈强，与补给水体接触面积愈多，矿井涌水强度愈大。

• A条件下的矿井：处在缺乏补给的山前地带，其直接顶板为较强的充水层，但其上覆层为粘土层，在a处得到的补给少。涌水量一般在５０－２００ｍ３／ｈ，开采初期水量较大、但衰减快，  易疏干。

• B条件下的矿井：分布在平原区，基岩无水层与上覆砂砾石层直接接触，并在b处得到补给。矿井涌水量常稳定在500—１０００ｍ３／ｈ，较不易疏干。

• C条件下的矿井：为湖水下采矿、矿床与充水层直接出露在湖底，c处常年受地表水威胁、易造成量大而稳定的突水，极易淹井且难于恢复。开采中既要留足安全矿住，又要严格加强顶板管理，避免导致湖水突入井巷。

• D条件下的矿井：充水层直接出露地表，仅接受大气降水渗人补给(在d处得到补给)。矿井涌水量一般较小，动态随季节变化，易于疏干。

• E条件下的矿井：分布在季节性河流的下面，河水流量呈季节性变化，矿井水在e处接受河水补给，亦呈季节性变化。涌水量在中、小之间变化，少数矿区在丰水季可造成突水。此类矿床应从远河处向近河处开采，且留足矿柱，而河下应在旱季开采。

三

矿床水文地质类型

长期的勘探与开采实践表明，相似水文地质条件的矿床，具有基本类同的充水条件与接近的矿坑涌水量及采后主要水文地质工程地质问题。

随着资料和经验的积累，逐渐揭示了矿床所处的内外环境与充水条件，充水强度之间的内在联系，为在理论上分类奠定了基础。分类既要对我国复杂多变的矿床充水条件具有高度的概括，又应明确多类型的基本水文地质特征，同时不同类型之间的界线清楚便于掌握应用。

1993年水文地质、工程地质研究所提出了《中国岩溶充水矿床水文地质勘探类型》，将岩溶充水矿床进一步划了溶隙充水、溶洞充水和暗河管道充水三个亚类。

1991－10－01国家技术监督局在吸纳了《岩溶充水矿床水文地质勘探类型》和1982年地质矿产部颁发的《矿区水文地质工程地质普查勘探规范》的基础上，颁发了新的国家标准《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719－91）。

该方案如下：

  1、类及亚类

首先根据矿床主要充水层的储水空间特征，将充水矿床划分为三类：

• 第一类：以孔隙含水层充水为主的矿床，简称孔隙充水矿床。

• 第二类：以裂隙含水层充水为主的矿床，简称裂隙充水矿床。

• 第三类：以岩溶含水层充水为主的矿床，简称岩溶充水矿床。

岩溶充水矿床又可按岩溶形态划分三个亚类：

• 第一类为溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿床。

• 第二类为以溶洞为主的岩溶充水矿床。

• 第三类为以暗河为主的岩溶充水矿床。

  2、不同的充水方式与型

按矿体（或层，下同）与主要充水含水层的空间关系，上述各类充水矿床方式分为：

• 直接充水的矿床，指矿床主要充水层（含冒落带和底板破坏厚度），与矿体直接接触，地下水直接进入矿坑；

• 顶板间接充水矿床，指主要充水层位于矿层冒落带之上，矿层与其之间有隔水层或弱透水层，地下水通过构造破碎带、弱透水层进入矿坑；

• 底板间接充水矿床，指主要充水层位于矿层之下，矿层与其之间有隔水层或弱透水层，承压水通过底板薄弱地段、构造破碎带、弱透水层或导水的岩溶陷落柱进入矿坑。

若综合考虑矿体与当地侵蚀基准面的关系，地下水的补给条件、地表水与主要充水层水力联系密切程度，主要充水含水层和构造破碎带的富水性、导水性，第四系覆盖情况以及水文地质边界的复杂程度等，各类充水矿床又可分三个型：

• 第一型：水文地质条件简单的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面上，地形有利自然排水，或主要矿体虽在基准面以下，但附近无地表水体。矿床主要充水层和构造破碎带富水性弱至中等，地下水补给条件差，很少或无第四系覆盖，水文地质边界简单。

• 第二型：水文地质条件中等的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，地形有自然排水条件，主要充水含水层和构造破碎带富水性中等至强，地下水补给条件好；或主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，但附近地表水不构成矿床的主要充水因素，主要充水含水层、构造破碎带富水性中等，地下水补给条件差，第四系覆盖面积小且薄，疏干排水可能产生少量塌陷，水文地质边界较复杂。

• 第三型：水文地质条件复杂的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层富水性强，补给条件好，并具较高水压，构造破碎带发育，导水性强且沟通区域强含水层或地表水体，第四系厚度大，分布广，疏干排水有产生大面积塌陷、沉降的可能，水文地质边界复杂。

本篇来自百度文库，作者为吉林大学苏小四教授。

致谢作者！桔灯勘探公众号整理。

编辑：天地一沙鸥

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