馬蓮凈，趙寶峰

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054;2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

水害事故作為礦井的五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響和威脅著礦井的安全生產(chǎn)，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)條款，礦井水文地質(zhì)類型劃分、含水層下提高開采上限、帶壓開采評(píng)價(jià)等均需要基于含水層的富水性等級(jí)[1]，而鉆孔單位涌水量是評(píng)價(jià)含水層富水性等級(jí)的唯一標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。抽水試驗(yàn)[5-6]和注水試驗(yàn)[7]是獲取鉆孔單位涌水量常用的方法，但是由于抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)均采用地面鉆孔對(duì)含水層的水文地質(zhì)條件進(jìn)行探查，在鉆進(jìn)過程中所采用的泥漿會(huì)不同程度地改變含水層的性質(zhì)，同時(shí)抽水試驗(yàn)與注水試驗(yàn)往往為單孔試驗(yàn)，水躍和井損現(xiàn)象也降低了勘探的準(zhǔn)確性，所獲取的鉆孔單位涌水量與實(shí)際情況相差較大，導(dǎo)致水文地質(zhì)類型劃分、礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相應(yīng)防治水工程設(shè)計(jì)存在較大誤差，從而易發(fā)生水害事故。

煤層頂板含水層井下放水試驗(yàn)利用的是井下多個(gè)鉆孔計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，并且上仰鉆孔在施工過程中可以采用清水鉆進(jìn)，有效避免了抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)的缺點(diǎn)，因此，該試驗(yàn)在礦井水文地質(zhì)條件探查中的應(yīng)用日益廣泛[8-9]，不僅可以結(jié)合數(shù)值模擬反演參數(shù)[10]，還可以對(duì)含水層的可疏放性進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-14]。在以往研究中，由于在頂板含水層放水過程中放水孔的水位降深難以直接觀測(cè)，通常只能通過放水試驗(yàn)獲取含水層的滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)和影響半徑等參數(shù)，而無法獲取放水孔的單位涌水量。為了解決以上問題，基于放水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的原理一致，提出了頂板含水層放水試驗(yàn)中放水孔水位降深解析法、圖解法和相關(guān)系數(shù)法，利用觀測(cè)孔的數(shù)據(jù)計(jì)算放水孔的水位降深，進(jìn)而獲取放水孔的單位涌水量，為頂板含水層富水性等級(jí)劃分和礦井防治水工作提供依據(jù)。

1 鉆孔單位涌水量計(jì)算

1.1 問題的提出

根據(jù)鉆孔單位涌水量計(jì)算公式，有：

(1)

式中：q為放水孔的單位涌水量，L/(s·m)；Q為放水孔的放水水量，m3/d；S為放水孔的水位降深，m。

常規(guī)抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)中，抽水孔和注水孔的水位觀測(cè)一般采用測(cè)鐘、浮標(biāo)水位計(jì)或電測(cè)水位計(jì)等方法，這些方法均是從地面孔口利用觀測(cè)設(shè)備和儀器對(duì)地下水位進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)合抽水或注水量計(jì)算鉆孔的單位涌水量。

由于頂板含水層放水試驗(yàn)中放水孔是與井下空間相通，在放水過程中無法采用常規(guī)抽水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)的方法觀測(cè)水位降深，放水試驗(yàn)采用最大放水量放水時(shí)(閘閥全開)，采用壓力表觀測(cè)不到觀測(cè)放水孔的水壓。以上原因?qū)е聼o法獲取放水孔水位降深，進(jìn)而無法計(jì)算放水孔的單位涌水量。

頂板含水層放水試驗(yàn)不能直接觀測(cè)到放水孔的水位降深，可以考慮利用觀測(cè)孔水位降深數(shù)據(jù)，并結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)或通過繪制觀測(cè)孔水位降深及其與放水孔距離的曲線圖等方法，間接獲取放水孔的水位降深。

1.2 解析法獲取鉆孔單位涌水量

根據(jù)式(1)可知，獲取鉆孔單位用水量需要掌握放水孔的放水水量和水位降深。放水水量可以通過流量計(jì)或容積法觀測(cè)，而水位降深可以通過地下水動(dòng)力學(xué)中的地下水向井的穩(wěn)定流方程計(jì)算，由于放水試驗(yàn)與抽水試驗(yàn)采用的參數(shù)求解公式和假設(shè)條件一致，故可借助抽水試驗(yàn)中的參數(shù)求解公式計(jì)算放水孔水位降深。

放水試驗(yàn)與抽水或注水試驗(yàn)的等效條件為：假設(shè)放水試驗(yàn)的目標(biāo)含水層為均質(zhì)、各向同性的水平巖層；含水層的側(cè)向邊界無限遠(yuǎn)；地下水流無垂直方向的補(bǔ)給或排泄；原始潛水面(測(cè)壓水位面)為水平面；放水孔貫穿整個(gè)含水層，單孔放水(圖1)。

1)潛水含水層放水孔水位計(jì)算

根據(jù)潛水完整井的涌水量方程(裘布依公式)：

(2)

圖1 不同類型含水層放水孔水位降深示意Fig.1 The schematic diagram of borehole’s drawdown in different types of aquifer

式中：Q為放水孔的放水水量，m3/d；K為含水層的滲透系數(shù)，m/d；H0為潛水的原始水位值，m；hw為放水孔的穩(wěn)定水頭值，m；R為影響半徑，m；rw為放水孔的半徑，m。

放水孔水位降深：

S=H0-hw

(3)

式中：S為放水孔的水位降深，m。

經(jīng)過整理，得到潛水含水層放水孔水位降深計(jì)算公式：

(4)

2)承壓含水層放水孔水位計(jì)算

根據(jù)承壓完整井的涌水量方程(裘布依公式)：

(5)

式中：M為承壓含水層的厚度，m；H0為承壓水的原始水頭值，m；hw為放水時(shí)放水孔中的穩(wěn)定水頭值(以隔水底板為基準(zhǔn)面)，m；其余符號(hào)的意義同前。

結(jié)合式(2)，經(jīng)過整理得到承壓含水層放水孔水位降深計(jì)算公式：

(6)

鉆孔單位涌水量計(jì)算公式同式(1)。

3)承壓-無壓含水層放水孔水位計(jì)算

根據(jù)承壓-無壓完整井的涌水量方程：

(7)

結(jié)合式(2)，經(jīng)過整理得到承壓-無壓含水層放水孔水位降深計(jì)算公式：

(8)

鉆孔單位涌水量計(jì)算公式同式(1)。

1.3 圖解法獲取鉆孔單位涌水量

1)對(duì)于潛水含水層和承壓-無壓含水層，可以利用Excel軟件繪制觀測(cè)孔水位降深及其與放水孔距離對(duì)數(shù)的曲線圖(S-lnr圖)，從而確定S與lnr擬合度最高的函數(shù)關(guān)系(如線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)等)，利用已確定的函數(shù)關(guān)系曲線圖進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，在曲線圖上找到lnrw對(duì)應(yīng)的S，即為放水孔的近似水位降深。

2)對(duì)于承壓含水層，則有：

(9)

由式(9)可以看出，各觀測(cè)孔水位降深S與孔間距l(xiāng)nr呈線性相關(guān)關(guān)系，在S-lnr曲線圖上找到lnrw對(duì)應(yīng)的S，即為放水孔的水位降深。

1.4 相關(guān)關(guān)系法獲取鉆孔單位涌水量

對(duì)于承壓含水層，將式(6)帶入式(1)，可得：

(10)

由式(10)可以看出，在承壓含水層放水試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)玫綕B透系數(shù)K和影響半徑R后，可以計(jì)算出放水孔的單位涌水量q。對(duì)于承壓含水層中的放水孔，式(10)中M和rw為定值，而放水試驗(yàn)過程中放水孔的影響半徑R一般變化不大，lgR/rw可以視為定值，故放水孔的單位涌水量與含水層的滲透系數(shù)呈線性相關(guān)關(guān)系。

利用對(duì)頂板含水層的放水試驗(yàn)計(jì)算鉆孔單位涌水量，該方法的先進(jìn)性表現(xiàn)為：①煤層頂板含水層放水試驗(yàn)的鉆孔施工過程中無需使用泥漿，對(duì)含水層水文地質(zhì)特征的影響基本可以忽略；②放水試驗(yàn)一般為單孔放水，多孔觀測(cè)，可以有效提高觀測(cè)的精度，同時(shí)避免水躍和井損現(xiàn)象；③利用解析法、圖解法和相關(guān)關(guān)系法計(jì)算鉆孔單位涌水量可以互相對(duì)比，互相印證，減少人為計(jì)算誤差。

2 實(shí)例分析

2.1 礦井水文地質(zhì)條件

麥垛山煤礦位于寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)南部，是寧東煤化工基地的主力生產(chǎn)礦井。井田先期開采的煤層為2煤和6煤，其中2煤平距厚度為2.63 m，主要受到頂板直羅組下段含水層(以下簡(jiǎn)稱Ⅱ含水層)的威脅。

Ⅱ含水層在整個(gè)井田范圍內(nèi)均有分布，厚度為60.21～317.70 m，平均厚度為138.70 m，巖性為灰綠、藍(lán)灰、灰褐色的中、粗粒砂巖，底部含礫。根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探成果可知，Ⅱ含水層的滲透系數(shù)為0.061 7～0.955 7 m/d，單位涌水量為0.031 9～0.299 5 L/s·m，富水性為弱～中等。麥垛山煤礦在建井過程和2煤大巷掘進(jìn)過程中發(fā)生過多次集中涌水，嚴(yán)重影響和威脅著礦井采掘活動(dòng)的安全。

為了進(jìn)一步查明2煤Ⅱ含水層的水文地質(zhì)條件，在2煤大巷開展了放水試驗(yàn)，獲取了Ⅱ含水層的滲透系數(shù)和影響半徑等參數(shù)。由于井下放水孔無法直接觀測(cè)水位降深，為了獲取放水孔的單位涌水量，擬采用解析法和圖解法等計(jì)算放水孔的水位降深。

2.2 放水試驗(yàn)及觀測(cè)資料

2.2.1 放水試驗(yàn)

井下放水試驗(yàn)位于11采區(qū)2煤大巷與110207工作面交匯區(qū)域，參與計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的鉆孔包括：放水孔FS0、觀測(cè)孔FS1-1，G1～G5，放水試驗(yàn)中FS0放水孔采用三次降深穩(wěn)定流放水，放水水量分別為112，216和326 m3/h。放水試驗(yàn)鉆孔平面布置如圖2所示。

圖2 放水試驗(yàn)鉆孔平面布置Fig.2 The plan layout of borehole in thedewatering test

放水試驗(yàn)區(qū)域地層柱狀示意見圖3，Ⅱ含水層為放水試驗(yàn)的目標(biāo)含水層，鉆孔從2煤頂板開孔，終孔位置位于Ⅱ含水層的頂板，Ⅱ含水層底板以下的地層均采用止水套管或注漿封堵，鉆孔成孔后的穩(wěn)定水壓為0.95 MPa，換算成水頭為95 m(以2煤頂板隔水層底板為基準(zhǔn)面)，說明放水試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水層為潛水含水層。

圖3 放水試驗(yàn)區(qū)域地層柱狀示意Fig.3 The stratigraphic column of dewatering test area

2.2.2 放水試驗(yàn)觀測(cè)資料

各觀測(cè)孔距離放水孔的距離和穩(wěn)定水位降深見表1。

2.3 放水孔單位涌水量計(jì)算

2.3.1 解析法

放水試驗(yàn)放水孔的孔徑為85 mm，當(dāng)rw為放水孔的半徑0.042 5 m時(shí)，利用式(3)可以計(jì)算出三次降深放水孔的穩(wěn)定水位降深，結(jié)合放水水量，可以計(jì)算得到單位涌水量(見表2)。

表1 放水試驗(yàn)各觀測(cè)孔位置與水位降深Table 1 The position and drawdown of each observation borehole in the dewatering test

表2 三次降深放水孔的單位涌水量計(jì)算成果(解析法)Table 2 The calculation result of the dewatering borehole’s specific capacitywith three drawdowns (analytical method)

2.3.2 圖解法

放水試驗(yàn)S-r曲線如圖4所示。從圖4可以看出，各觀測(cè)孔水位降深S與孔間距r呈對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，三次降深中，S-r曲線與對(duì)數(shù)函數(shù)的決定系數(shù)R2分別為0.974 4，0.978 5和0.990 8，擬合度較高。

圖4 放水試驗(yàn)S-r曲線Fig.4 The S-r curve graph of dewatering test

同時(shí)可以繪制出S-lnr曲線(見圖5)。

計(jì)算放水孔半徑rw的對(duì)數(shù)為ln(0.042 5)=-3.158 3，在S-lnr曲線圖上當(dāng)x=-3.158 3時(shí)，得到的縱坐標(biāo)值即為三次降深放水孔的穩(wěn)定水位降深S(圖4)，結(jié)合放水水量，可以計(jì)算得到單位涌水量(見表3)。

2.3.3 結(jié)果分析

采用解析法計(jì)算三次降深放水試驗(yàn)的放水孔單位涌水量分別為4.735 3，3.738 3和2.209 2 L/(s·m)；采用圖解法獲取三次降深放水試驗(yàn)的放水孔單位涌水量分別為3.897 0，3.445 6和2.246 7 L/(s·m)，2種方法獲取的單位涌水量較為接近。不同方法獲取放水孔單位涌水量成果見表4。

圖5 放水試驗(yàn)S-lnr曲線Fig.5 The S-lnrcurve graph of dewatering test

三次降深第一降深第二降深第三降深穩(wěn)定水位降深/m7.9817.41 40.31 放水水量/(m3·h-1)112216326單位涌水量/(L·s-1·m-1)3.897 03.445 62.246 7

表4 不同方法獲取放水孔單位涌水量成果Table 4 The specific capacity of dewatering borehole with different methods (L·s-1·m-1)

利用井下放水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)和單位涌水量分別為3.857 0～6.612 5 m/d和2.209 2～4.735 3 L/s·m，結(jié)合地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探資料分析，通過放水試驗(yàn)獲取的水文地質(zhì)參數(shù)相對(duì)較大(見表5)，這主要是因?yàn)榫路潘囼?yàn)鉆孔施工過程中不需要泥漿作為沖洗液，含水層的滲透性未受到影響，另外一方面，利用放水試驗(yàn)獲取的水文地質(zhì)參數(shù)避免了“水躍”現(xiàn)象，使得獲取的參數(shù)更能反映含水層的水文地質(zhì)條件。

表5 Ⅱ含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 5 The hydrogeological parameters of aquiferⅡ

結(jié)合本次放水試驗(yàn)，F(xiàn)S0放水孔的最大瞬時(shí)水量接近400 m3/h，當(dāng)放水水量在326 m3/h時(shí)，持續(xù)放水121 h，水量未發(fā)生衰減，說明含水層富水性較強(qiáng)；后期開展多孔放水試驗(yàn)時(shí)，5個(gè)放水孔的單孔放水量均超過150 m3/h，并且總放水量達(dá)到了811 m3/h，受到礦井排水系統(tǒng)的限制，多孔放水僅持續(xù)了8 h，總放水量也未發(fā)生衰減，由于放水孔的最大間距超過400 m，排除了個(gè)別放水孔揭露局部裂隙或斷層的可能性。

通過以上分析，并與以往勘探資料中抽水試驗(yàn)成果對(duì)比可知，利用放水試驗(yàn)資料，通過解析法和圖解法獲取的放水孔單位涌水量較為可靠，與實(shí)際情況接近；而利用抽水試驗(yàn)計(jì)算得到的鉆孔單位涌水量偏小，導(dǎo)致劃分的礦井水文地質(zhì)類型偏簡(jiǎn)單。因此，在未來礦井防治水工作中，可以采用放水試驗(yàn)所計(jì)算的鉆孔單位涌水量。

2.3.4 有關(guān)問題的討論

抽水試驗(yàn)一般分為單孔和帶觀測(cè)孔的多孔抽水試驗(yàn)，井田地質(zhì)勘探或者水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探通常采用單孔抽水試驗(yàn)，而放水試驗(yàn)獲取鉆孔單位涌水量利用的是觀測(cè)孔的水位降深，因此，建議放水試驗(yàn)至少布置3個(gè)觀測(cè)孔，并且觀測(cè)孔距離放水孔最好滿足1d,2d,4d,8d……(d為放水孔與最近的觀測(cè)孔之間的距離)。在承壓含水層放水孔水位降深計(jì)算公式中，放水孔水位降深S與lnr呈線性相關(guān)關(guān)系，而對(duì)于潛水含水層和承壓-無壓含水層，放水孔水位降深S與lnr并非線性相關(guān)關(guān)系，則不能直接采用相關(guān)關(guān)系法計(jì)算放水孔的單位涌水量，而需要利用解析法或圖解法獲取放水孔水位降深及其單位涌水量。

3 結(jié)論

1)放水試驗(yàn)與抽水試驗(yàn)原理一致，可以利用抽水試驗(yàn)中的裘布依公式得到不同類型含水層放水孔的水位降深解析法計(jì)算公式；通過建立觀測(cè)孔水位降深與孔間距的函數(shù)關(guān)系，利用S-lnr曲線圖反求放水孔的水位降深；對(duì)于承壓含水層，可以通過放水孔單位涌水量與含水層滲透系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系計(jì)算得到放水孔的單位涌水量。

2)通過實(shí)例分析，解析法和圖解法獲取的放水孔單位涌水量接近，并且與現(xiàn)場(chǎng)放水試驗(yàn)的實(shí)際情況一致，說明利用放水試驗(yàn)得到的放水孔單位涌水量較為可靠。

3)提出了利用放水試驗(yàn)計(jì)算放水孔單位涌水量的適用條件，包括放水試驗(yàn)過程中井下觀測(cè)孔的數(shù)量、位置要求以及相關(guān)關(guān)系法的應(yīng)用條件。