鄧蓓蓓，許光泉，戴定賢，2，汪遷遷

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建 泉州 362011)

疊加原理在礦山放水試驗(yàn)過程對(duì)含水層參數(shù)計(jì)算中的應(yīng)用

鄧蓓蓓1,2，許光泉1，戴定賢1，2，汪遷遷1

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建 泉州 362011)

[摘要]放水試驗(yàn)是礦山開采重要的補(bǔ)充勘探手段，利用其求解含水層水文地質(zhì)參數(shù)方法，往往沒有考慮工作面疏放水對(duì)其干擾的影響，存在一定誤差。本文在考慮礦山工作面疏放水背景干擾的影響下，開展侏羅系中統(tǒng)承壓含水層放水試驗(yàn)過程，利用地下水疊加原理求取含水層參數(shù)，所計(jì)算出滲透系數(shù)平均為0.0555 m/d，與前期地面抽水試驗(yàn)所求得參數(shù)基本一致。

[關(guān)鍵詞]含水層；放水試驗(yàn)；疊加原理；滲透系數(shù)

含水層參數(shù)獲取是水文地質(zhì)工作中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，在礦山開采過程中常利用放水試驗(yàn)的方法來獲取含水層參數(shù)值[1]，進(jìn)而來評(píng)價(jià)含水層水文地質(zhì)條件，同時(shí)也用來預(yù)計(jì)礦井涌水量以及來確定含水層可疏放性[2-3]，為煤礦安全開采提供理論依據(jù)。

利用放水試驗(yàn)水量和觀測(cè)資料，可以采用泰斯配線法、直線圖解法、拐點(diǎn)法和水位恢復(fù)法等來求取含水層水文地質(zhì)參數(shù)[4-6]，利用抽水?dāng)?shù)據(jù)全程曲線擬合法，并通過實(shí)例驗(yàn)證該方法速度快，精度高[7]。我國(guó)鄂爾多斯盆地侏羅系煤田主要受頂板砂巖水的威脅，利用頂板放水試驗(yàn)方法來查明煤層頂板含水層水文地質(zhì)條件，至今研究還不多[8]。工作面回采前需進(jìn)行工作面頂板含水層的疏放水工作，同時(shí)也要開展放水試驗(yàn)，因此二者產(chǎn)生相互干擾。在此條件求取含水層參數(shù)目前考慮較少。為此，提出利用地下水疊加原理求解工作面在疏水干擾下所開展的放水試驗(yàn)獲取含水層參數(shù)的方法，并以鄂爾多斯某礦山為例，進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究。

1計(jì)算方法與原理

地下水井流中Theis公式是關(guān)于非穩(wěn)定承壓含水層中水量與降深之間計(jì)算公式(公式1、2、3)。

(1)

(2)

(3)

式中，s為抽水試驗(yàn)范圍內(nèi)，任一點(diǎn)的任一時(shí)刻水位降深，(m)；Q為流量，(m3/d)；T為導(dǎo)水系數(shù)，(m2/d)；W(u)為井函數(shù)；r為觀測(cè)孔距放水孔的距離，(m)；S為貯水系數(shù)，(無量綱)；t為試驗(yàn)延續(xù)時(shí)間，(d)。

對(duì)于多井(孔)抽(放)水，其降深是在非穩(wěn)定井流基礎(chǔ)上采用疊加原理方法進(jìn)行降深的線性疊加。若在同一含水層存在兩個(gè)放水孔，對(duì)任意一點(diǎn)觀測(cè)孔在某一時(shí)刻所產(chǎn)生的降深等于這兩個(gè)放水孔獨(dú)立產(chǎn)生的降深之和。

S總=s1+s2

(4)

如果已知總降深，同時(shí)也知道某一個(gè)抽水孔所產(chǎn)生的降深，利用疊加原理，則另一個(gè)孔所產(chǎn)生的降深等于總降深減去前一個(gè)放水孔所產(chǎn)生的降深。

具體地說，礦山若先有個(gè)工作面中因疏放對(duì)第一個(gè)觀測(cè)孔所產(chǎn)生的水位降深，作出觀測(cè)孔中的水位與時(shí)間的變化曲線為：

H1=H(t)

(5)

過一段時(shí)間后打開第二個(gè)放水孔，當(dāng)放水至某一時(shí)間，上述第一個(gè)觀測(cè)孔產(chǎn)生水位變化，應(yīng)該是工作面疏放與該放水孔對(duì)它的共同影響所產(chǎn)生的降深值，水位-時(shí)間關(guān)系曲線的斜率會(huì)增大，此時(shí)，觀測(cè)孔水位設(shè)為Ht。為消除工作面疏放對(duì)第一個(gè)觀測(cè)孔所產(chǎn)生的影響，利用疊加原理，用共同影響的水位減去工作面疏放對(duì)第一個(gè)觀測(cè)孔所產(chǎn)生的水位。由第二個(gè)放水單獨(dú)所產(chǎn)生的降深為：

(6)

兩邊取對(duì)數(shù)：

(7)

(8)

由公式(7)(8)知，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，采用s*-t曲線與標(biāo)準(zhǔn)W(u)-1/u曲線配線求解參數(shù)，具體值為：

(9)

(10)

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)，(m2/h)，K為滲透系數(shù)，(m/h)，M含水層厚度，(m)。

2實(shí)例應(yīng)用

以鄂爾多斯盆地某礦為例，在首采工作面進(jìn)行疏放水條件下，在其他工作面開展放水試驗(yàn)，利用前述的理論與方法求解含水層參數(shù)。

2.1研究區(qū)概況

依據(jù)鉆探資料，礦區(qū)內(nèi)地層由新到老發(fā)育有：第四系、白堊系、侏羅系、三疊系，主采煤層為侏羅系中、下統(tǒng)延安組3-1組煤層。地層傾角在1°～3°之間，斷層較少，斷層落差在0～3 m之間，礦井構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類型。

3-1煤層頂板侏羅系中統(tǒng)含水層為本次放水試驗(yàn)主要含水層，其富水性相對(duì)較強(qiáng)，平均厚度為170.56 m。以孔隙-裂隙為主，對(duì)3-1煤層開采造成嚴(yán)重的威脅。

為此，先期連續(xù)開展首采工作面113101、113102頂板含水層的疏放水工作，通過降低上部含水層的水位，為下一步煤層安全開采提供保障，但對(duì)本次6-4#放水試驗(yàn)產(chǎn)出一定的干擾作用。圖1為該某區(qū)工作面放水試驗(yàn)平面布置圖，其剖面圖如圖2。

圖1　礦區(qū)簡(jiǎn)易放水試驗(yàn)平面圖

圖2　水文地質(zhì)剖面圖

2.2放水試驗(yàn)工程概況

本次煤層頂板侏羅系含水層放水試驗(yàn)，以井下6-4#為放水孔，地面孔水J8為觀測(cè)孔，但由于首采工作面的疏放誰對(duì)本次放水試驗(yàn)產(chǎn)生影響。同時(shí)該工作面放水鉆孔數(shù)目，放水量大，鉆孔分布形態(tài)不規(guī)則，放水時(shí)間不同步等特點(diǎn)，前期利用統(tǒng)計(jì)方法，把它作為一個(gè)“大井”對(duì)觀測(cè)孔J8產(chǎn)生的降深。

本次放水孔6-4#孔于2015年8月14日開始放水，歷時(shí)20天，其放水量如表1所示。放水孔在前期加密觀測(cè)，水量在15日至20日水量較為穩(wěn)定。

觀測(cè)孔J8水位從2015年1月10日至9月2日，其水位波動(dòng)如圖2所示。在放水前，水位呈直線下降，水位隨時(shí)間變化曲線為H=-0.056 t+1 328.1。當(dāng)放水試驗(yàn)開始后，觀測(cè)孔J8的降深急劇下降，主要由工作面疏放與-4#孔放水疊加影響造成的，如圖3。

圖3　J8觀測(cè)孔水位動(dòng)態(tài)變化歷時(shí)曲線

2.3參數(shù)計(jì)算

本次放水試驗(yàn)J8水位降深可以概化為兩個(gè)放水孔對(duì)此的疊加影響，按照上述公式(4)(5)，利用疊加原理可獲得僅由6-4#放水孔單獨(dú)對(duì)觀測(cè)孔J8的水位降深的影響，其計(jì)算過程如表2所示。

圖4　6-4#放水孔單獨(dú)引起的水J8累計(jì)降深曲線

經(jīng)過處理后，如圖4為6-4#孔累計(jì)降深與時(shí)間的曲線，該曲線出現(xiàn)兩次波動(dòng)，由于滲透系數(shù)的時(shí)空變異性和尺度效應(yīng)[9]，導(dǎo)致隨放水時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)，影響范圍越來越大，在一定范圍內(nèi)，參數(shù)值會(huì)隨著放水持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。因此分三段求取參數(shù)，分別為：第217～225天，226～229天，230～235天。

基于前面提到的配線法，數(shù)據(jù)擬合過程采用地下水專業(yè)軟件Aquifer test[10-11]處理，將放水孔和觀測(cè)孔的相關(guān)參數(shù)輸入軟件中個(gè)，選擇承壓非完整井，分別對(duì)上述三段數(shù)據(jù)進(jìn)行配線法擬合，擬合曲線如圖5、圖6和圖7所示，從圖中可以看出繪制實(shí)測(cè)的降深-時(shí)間(s*-t)曲線與理論標(biāo)準(zhǔn)曲線(W(u)-1/u)擬合效果好，計(jì)算出滲透系數(shù)K1=0.055 9 m/d、K2=0.025 0 m/d、K3=0.085 7 m/d，K平均=0.0555m/d。

圖5　第一段數(shù)據(jù)配線法擬合圖

8月14日8月15日8月16日8月17日8月18日8月19日8月20日8月24日9月2日6-4孔水量(m3/h)80757473.573.87473.67268

表2　疊加原理計(jì)算J8孔降深

圖6　第二段數(shù)據(jù)配線法擬合圖

2.4參數(shù)驗(yàn)證

水J8孔在早期施工完成后，工作面未進(jìn)行回采之前開展過單孔三階段階梯式抽水試驗(yàn)，取其后期穩(wěn)定階段數(shù)據(jù)，利用穩(wěn)定流計(jì)算出滲透系數(shù)值。在放水階段過程中，當(dāng)水位達(dá)到穩(wěn)定后，持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間后再進(jìn)行下階段放水。第1階段：歷時(shí)25 h，穩(wěn)定時(shí)間10 h，穩(wěn)定時(shí)流量為3.857 L/s，降深為35.25 m；第2階段：歷時(shí)15 h，穩(wěn)定時(shí)間8 h，穩(wěn)定時(shí)流量為2.638 L/s，降深23.68 m；第3階段：歷時(shí)時(shí)間14.5 h，穩(wěn)定時(shí)間8 h，穩(wěn)定時(shí)流量為1.554 L/s，降深為13.56 m。用Dupuit公式和承壓水影響半徑經(jīng)驗(yàn)公式，如下所示：

(11)

(12)

式中：K為滲透系數(shù)，(m/d)；Q為涌水量，(m3/d)；為含水層厚度,(m)；sw為井中水位降深，(m)；R為抽水影響半徑，(m)；rw為井徑，(m)。

采用以上方法求得滲透系數(shù)為K1=0.065 4 m/d、K2=0.062 8 m/d、K3=0.059 2 m/d，K平均為0.0625 m/d，與本次求得參數(shù)在同個(gè)數(shù)量級(jí)上，且數(shù)值較為接近。

圖7　第三段數(shù)據(jù)配線法擬合圖

3結(jié)語

利用疊加原理與方法，消除前期工作面疏放水干擾影響條件下，然后利用非穩(wěn)定井流中的配線法所求含水層參數(shù)與地面前期彈孔抽水試驗(yàn)所求出滲透系基本一致，說明了該方法切實(shí)可行，為類似條件下含水層參數(shù)的求取提供一個(gè)參考。

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[收稿日期]2016-03-01

[作者簡(jiǎn)介]鄧蓓蓓(1983-)，女，安徽淮北人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。

[中圖分類號(hào)]TD74

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0032-04