双层水位矿床的水文地质结构特征
矿床水文地质主要服务于矿床的勘探与开采，其工作内容因勘探与开采的不同阶段而异，可分为矿区水文地质勘查和矿山水文地质工作两大类。
1.矿区水文地质勘查：矿区水文地质勘查是地质勘探的组成部分，以满足勘探要求与矿山设计为目的，主要工作内容为：依据国家的有关勘探规范，查明矿区水文地质条件和矿床充分条件，预测矿坑涌水量，初步评价供水水源，预测矿床开采造成的环境地质问题，为有效地防治矿井水提供依据。这部分工作是矿床水文地质的主要工作。
2.矿山水文地质工作：该工作以保障矿山生产安全，提高效益，降低成本为目的。主要工作内容为：
1）一般工作：按矿山开发阶段分为3个部分：①基建阶段水文地质工作，承接勘探资料，持续长期观测，研究防治水设计，建立资料档案；②开采阶段经常性工作，井巷水文地质编录，长期观测，水文地质资料综合整理；③闭坑阶段工作，总结经验与教训。
2）专门性工作：①水文地质补充性勘探；②根据矿山设计和生产的需要，为某些特定的防治水工程进行放水试验和示踪连通试验；③矿坑水的防治与利用。
通常，矿山水文地质工作不是传统矿床水文地质研究的主要内容。矿区水文地质工作的特点如下：
1）矿区水文地质工作是与地质勘探密切配合的。由于矿区水文地质工作是矿产地质勘探的一个组成部分，因此，它必须在矿产地质勘探的总体框架内作为一个整体开展工作，并全面融入其设计中，才能充分利用地质勘探的多种勘探成果获取水文地质信息，以发挥最大技术经济效益。因此，必须了解地质勘探的特点与过程。
2）矿床水文地质评价是与采矿条件相合的。由于采矿活动对矿区水文地质条件影响极大，无论是充水因素分析，还是矿坑涌水预测，都需要考虑矿床的开采条件。因此，了解矿床与采矿的基础知识是做好矿区水文地质工作的需要。
3）矿床水文地质与供水水文地质的工作目标是既相互对立又相互统一的。矿床水文地质以疏干为目的，以最小矿坑涌水量获得最大水位降深为其工作目标，以丰水年雨季峰期最大水位降深的安全生产保障程度为其安全观，而供水水文地质则以供水为目的，以最小水位降深条件下的最大开采量为其工作目标，以枯水年安全开采量的保证率为其安全观。因此，两者的工作重点、思维方式与对水文地质条件的评价各异。矿区水文地质把工作重点放在雨季峰期的充水通道过水能力和强度上，而供水水文地质则以以枯季补给与储水构造的调蓄能力为其工作重点。因此，两者是对立的。矿区疏干与供水是维系矿山生存与安全的两大基本要素，当疏干与供水作用于同一水源时，就出现了排供予盾，它成为矿区水文地质工作的一大难点与特点。因此，必须将疏干与供水结合起来作为整体研究，才能发挥最佳的综合效益。因此，两者又是统一的。
如上所述，矿区水文地质勘探是在探矿与水文地质、疏干与供水的统筹过程中开展工作的，高度综合性与整体性是其工作特点，也是必须遵循的工作方法与准则。
矿床水文地质调查中所运用的基本理论与手段，与一般水文地质调查基本相同。但矿床水文地质调查具有综合性和长期性（或延续性），在运用中，应针对矿床排水的特殊性有所侧重。
1.以孔隙含水层充水为主的矿床（孔隙充水矿床）
本类型矿床以孔隙水充水为主，主要包括产于第四系松散层中的砂矿床和产于第三系半胶结层中的煤和油页岩等矿床。
本类型矿床的水文地质特征：①矿床主要分布在有一定厚度的松散含水层分布区；②矿床和充水岩层埋藏浅，或直接出露于地表，主要受大气降水和地表水的补给，受大气降水补给时涌水动态较稳定；③充水强度取决于充水层的透水性，且多数矿床为直接充水，少数为间接充水，井巷涌水量一般较大；④充水层本身主要是砂层，稳定性差，开采时常发生流砂冲溃和露天开采边坡的滑动等不良工程地质问题；⑤矿床一般位于当地侵蚀基准面以下，补给较易，水文地质条件多数较复杂。
2.以裂隙含水层充水为主的矿床（裂隙充水矿床）
包括产于坚硬沉积岩、岩浆岩和变质岩中的各种矿床，多分布在高山区和丘陵区。
裂隙充水矿床受到裂隙发育程度和分布规律的控制，其充水特点是：①层状矿床常以构造及成岩裂隙充水为主，多由大气降水和地表水补给，富水性中等，脉状矿床则多以风化裂隙和断裂带充水为主，富水性中—弱，且由浅部至深部逐步减弱；②多为直接充水，在井巷内主要是沿裂隙产生涌水且有季节性变化；③矿坑涌水量一般比较小（＜1000m3/d），矿坑涌水具有不均匀性，疏干排水时的影响范围较小；④水文地质条件复杂程度为简单—中等。
3.以岩溶含水层充水为主的矿床（岩溶充水矿床）
岩溶充水矿床在我国分布很广，涉及金属、非金属、煤等各类矿种，多为大水矿床，水文地质条件复杂。
岩溶充水矿床的矿床（坑）充水条件，主要取决于充水岩层的岩溶发育特征。由于岩溶发育和富水性的不均一性，岩溶矿床的充水特点主要是：①矿坑涌水量大；②以集中突水为主要充水方式；③矿井排水的影响范围可以扩展很远。
孔隙、裂隙、岩溶三类充水矿床水文地质类型的基本特征见表12-4。
表12-4 不同类型矿床的水文地质特征
续表
续表
小结
通过本章的学习，掌握以下重点内容：①矿床开采，主要是矿床开采方式、步骤、采矿方法和采空区顶板岩体破坏特征；②矿床充水条件，主要是矿床（坑）充水水源、充水通道（充水途径）和矿床充水强度分析；③矿床水文地质类型，主要是孔隙充水矿床、裂隙充水矿床、岩溶充水矿床的充水特征。
复习思考题
1.试述矿床水文地质的含义、目的、任务是什么？
2.试述矿区、矿田、井田、阶段（中段）、采区、水平（中段）的概念。
3.矿床开采方式有几种？各适用于什么条件？
4.矿床开采通常分几个步骤？
5.采空区顶板岩层破坏有什么特征？分哪几个带？
6.什么是矿床（坑）充水条件？矿坑充水水源有几种？各有什么特征？
7.矿坑充水通道（充水途径）有几种？各有什么特点？
8.对断层如何进行水文地质分类？
9.如何应用斯列萨列夫公式评价巷道顶底板的稳定性？
10.什么是临界水压值（HL）？什么是临界隔水层厚度（tL）？
11.试述底板突水系数水压比的概念。
12.如何计算采空区顶板冒落带和裂隙带高度？
13.影响矿床充水强度的因素主要有哪些？
14.矿床边界条件主要包含什么边界？
15.矿床水文地质分类应遵循什么原则？
16.固体矿床水文地质类型是如何划分的？
17.中国岩溶充水矿床的水文地质类型是如何划分的？
18.以孔隙含水层充水为主的矿床有什么特征？调查重点是什么？开采时期的水文地质问题是什么？
19.以裂隙含水层充水为主的矿床有什么特征？调查重点是什么？开采时期的水文地质问题是什么？
20.以岩溶含水层充水为主的矿床有什么特征？调查重点是什么？开采时期的水文地质问题是什么？
21.某矿区示意剖面如图12-17所示，试回答下列问题。
图12-17 某矿区示意剖面图
1—铁矿；2—煤层；3—页岩；4—灰岩；5—闪长岩；6—断层；7—坑道及标高（m）；8—揭露灰岩的钻孔水位及其标高（m）；9—河水位及其标高（m）
（1）分析天然情况下灰岩含水层地下水的补给、径流的排泄条件。
（2）分析铁矿床充水条件及煤矿床充水条件（注意对100m、0m、-100m不同开采水平的充水条件进行对比）。
（3）开采100m水平煤层时，是否会造成矿坑充水？开采0m水平煤层时，最大可能性充水水源是哪种？开采-100m水平煤层时，充水水源可能是什么？并分析说明其理由。
22.华北某煤田受底板岩溶水的威胁，地质情况及矿坑如图12-14所示。已知底板隔水层厚度t=30m，容重γ=2 t/m3，灰岩含水层作用在巷道底板的实际水压值H=350m。如果设计巷道底宽L=10m，坑道底板是否稳定？为安全开采，是否需要疏干降压？水位降（S）为多大？（参考答案：坑道底板不稳定，需疏干降压，水位降S=20m）
大水矿山的主要充水含水层多数与巨厚的碳酸盐含水层密切相关，一般称为岩溶充水矿床。根据矿床水文地质分类，按其充水形式的不同通常分成两大类：一类为岩溶充水矿床；一类为溶隙充水矿床。
岩溶充水矿床主要分布在我国南方，以长江中下游以及南岭一带的金属矿床为代表，如湖南、江西等地的泥盆纪、石炭纪、二叠纪及三叠纪碳酸盐类岩层，其溶洞发育，矿床充水主要以岩溶形式。溶隙充水矿床主要分布在我国北方，如华北、鲁中地区的石炭系、二叠系中的煤田和夕卡岩铁矿床以及东北的多金属和非金属矿床等，其充水岩层主要有寒武系、奥陶系和石炭系石灰岩层，其中，奥陶系石灰岩分布最广、影响也最大。如河北的邯邢地区、山东的鲁中地区(淄博的山东金岭铁矿)等。
根据若干矿山疏干后产生双层水位流这一特殊水文地质现象发现，能够产生双层水位流的矿床具备一定的水文地质特征和条件。
矿山主要充水含水层为溶隙含水层，适宜于形成双层水位，而岩溶含水层不宜产生双层水位流。
图1-10 铁山灰岩溶隙含水层渗透系数随深度变化关系曲线
溶隙含水层的厚度必须“足够”大。以溶隙含水层为主要充水含水层的矿床也并非都能够形成双层水位流，尤其不一定能够形成矿山用来防治地下水患的“深部疏干”的双层水位流。能够被利用来进行“深部疏干”的双层水位流，溶隙含水层必须应有“足够”大的厚度。矿床类型不同，这个“足够”大的厚度也不同。能够产生被用来进行“深部疏干”的双层水位流溶隙含水层厚度的大小，与溶隙含水层渗透性随深度变化指数(A)的大小有关(见第三章)。
即 Lg=2/A
式中：Lg为产生双层水位流溶隙含水层厚度(m)；A为含水层渗透性随深度变化指数。
矿床溶隙含水层渗透性具有随深度增加而逐渐减小的规律。许多国内外学者对岩层渗透性随埋深的变化而变化的规律进行过广泛而深入的研究，最后都认为这样的规律是普遍的，即岩层的渗透性在浅部因受表生作用的影响大而增大，在深部因受围岩压力的增大而减小。甚至有些学者指出了岩层渗透性按负指数(或负对数)规律向深部递减。不管呈什么规律递减，岩层的渗透性具有上强下弱这个特点是普遍的规律。
田开明教授和万力教授在《各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价》一书中指出：“岩石渗透性沿岩层层面的各向异性特征随埋深逐渐削弱，最终趋于各向同性”。同时提出了“岩石渗透性随埋深的变化普遍具有如下规律：
各渗透主值都随埋深的增加按负指数规律减小；
各渗透主值随埋深衰减的速率不同，垂直方向渗透主值衰减的速率大于水平方向渗透主值衰减的速率；
由于垂直方向和水平方向渗透主值随埋深衰减的速率不同，在某一深度上垂直方向渗透主值大于水平方向渗透主值，以下则相反，这一介质各向异性渗透性特征的转变，是连续流场中在特定条件下出现局部非连续流现象的基础。这就是说，如果具有“足够”大的厚度是溶隙含水层产生双层水位流必要条件的话，那么溶隙含水层的渗透性随埋深的增加而有规律的减小，则是产生双层水位流的充分条件。
如铁山矿床，中奥陶统马家沟组溶隙灰岩含水层厚度达几百米(+50m～-380m)，20世纪60年代进行水文地质勘探时就发现灰岩溶隙含水层的渗透系数随深度增加而逐渐减小的规律。生产疏干后便发现了双层水位流，并在后期深部疏干中以最小的疏干水量获得了较大疏干降深的良好效果(图1-11)。
水文地质方法
答：因此，应该把奥陶纪灰岩含水层中的相对隔水层(O2m1，O2m3)作为双层水位矿床的重点研究对象，而不是把透水性较好的层段(如O2m2，O2m4，O2m6)作为研究重点。断裂构造在水文地质研究中具有特殊意义。一条大的断裂常常使其两侧地层岩性和地貌特征等产生很大差别，容易形成不同水文地质单元的分界线，或成为...
双层水位矿床矿坑涌水量预测的基本概念
答：属于什么类型的双层水位矿床?是突变型还是渐变型?然后，才能根据所确定的双层水位矿床类型进行分层涌水量预测，以备矿山建设部门根据不同情况进行选择和利用。实际上，目前矿床水文地质常用的矿坑涌水量预测方法，均可以应用于双层水位矿床的矿坑涌水量计算，只是在计算时充分考虑双层水位这一特殊条件就可以，...
矿床水文地质工作的内容及特点
答：3）矿床水文地质与供水水文地质的工作目标是既相互对立又相互统一的。矿床水文地质以疏干为目的，以最小矿坑涌水量获得最大水位降深为其工作目标，以丰水年雨季峰期最大水位降深的安全生产保障程度为其安全观，而供水水文地质则以供水为目的，以最小水位降深条件下的最大开采量为其工作目标，以枯水年安全...
矿区水文地质特征
答：在相同的应力作用下，砂质泥岩、泥岩力学强度低，岩石受力发生塑性变形，当应力超过弹性极限后发生破裂，破裂方式主要以黏性剪断为主，产生隐蔽裂隙和闭合裂隙，即使发育张裂隙，但裂隙中往往充填了自身破碎的泥质碎屑物，或遇水膨胀使裂隙闭合，成为隔水层。而砂岩一般致密坚硬发生破裂变形，形成构造裂隙，...
压水试验法
答：尽管压水试验方法还有某些缺点,比如未考虑溶隙的方向和各向异性特点等,在双层水位矿床水文地质工作中,大多数情况下是可以满足矿山防治水需要的,这种方法仍不失为一种实际可行的好方法。 图6-1 a.双管压水器具;b.单管压水器具 (一)单孔单栓塞压水试验法 目前,国内外经常采用的是双管单栓塞压水试验器具(图6-...
矿井水文地质
答：图4-5 13-补27孔奥陶系灰岩水位变化曲线图 图4-6 观1孔奥陶系灰岩水位变化曲线图 大平井田位于新密煤田西南,井田南、北、西三面环山,组成一个向东开阔的箕形汇水盆地,周边为寒武系—奥陶系灰岩或二叠系碎屑岩组成的低山丘陵区。煤矿床隐伏于第四系冲、洪积扇堆积物之下,矿区地势西高东低。大平井田构造特征为一轴...
北方巨厚灰岩含水层的多层性
答：山东金岭铁矿区各个矿床，都赋存在岩体与石灰岩的接触带上，围绕铁山岩体周围形成大小十几个矿床，累计储量近两亿吨，在矿床水文地质勘探中，都曾发现过双层水位的某些现象，虽然早期并不认识双层水位和双层水位矿床，但此类现象的存在却是不争的事实。比如，铁山水3号水文地质勘探孔，在20世纪60年代，当...
渐变型双层水位矿床矿坑涌水量计算
答：渐变型双层水位矿床矿坑涌水量计算目前尚无成熟的方法。已有的稳定流和非稳定流理论，都是以含水层厚度(M)和渗透系数(K)为定值条件进行计算。实际上，在传统的水文地质计算方法中，对于具有渗透性随埋深增加而发生有规律地变化这一特征的含水层，根本就没有考虑这一变化。在通常的计算过程中，这种变化...
矿床充水条件及矿床水文地质类型
答：矿床开采后，则可以用矿井的实际涌水量来较准确地确定其充水强度。矿床充水强度不仅与充水水源类型和矿井通道特征有关，还与矿床周边边界的隔、透水性质、矿井所处区域地质构造的部位以及主要充水岩层的补给条件有关。此外，地震活动也会对矿床充水强度产生短时间的影响。四、矿床水文地质类型 矿床水文地质...
双层水位矿床勘探钻孔的处理方法
答：在传统的地质及水文地质勘探规范中，勘探钻孔除了个别另有它用之外(观测孔、抽水孔等)，一般均要求封孔。封孔位置一般强调两个位置，一个是第四系底板以下20米，另一个是矿体顶板以上20米，除此以外，未做其他规定。这种规定对双层水位矿床来说，显然是不适宜的，因为，规定没有考虑双层水位的存在，按...
