叠加原理在矿山放水试验过程对含水层参数计算中的应用

2016-07-04邓蓓蓓许光泉戴定贤汪迁迁

地下水 2016年3期

关键词：渗透系数含水层

邓蓓蓓，许光泉，戴定贤，2，汪迁迁

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.福建省197地质大队，福建泉州 362011)

叠加原理在矿山放水试验过程对含水层参数计算中的应用

邓蓓蓓1,2，许光泉1，戴定贤1，2，汪迁迁1

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.福建省197地质大队，福建泉州 362011)

[摘要]放水试验是矿山开采重要的补充勘探手段，利用其求解含水层水文地质参数方法，往往没有考虑工作面疏放水对其干扰的影响，存在一定误差。本文在考虑矿山工作面疏放水背景干扰的影响下，开展侏罗系中统承压含水层放水试验过程，利用地下水叠加原理求取含水层参数，所计算出渗透系数平均为0.0555 m/d，与前期地面抽水试验所求得参数基本一致。

[关键词]含水层；放水试验；叠加原理；渗透系数

含水层参数获取是水文地质工作中一项重要的内容，在矿山开采过程中常利用放水试验的方法来获取含水层参数值[1]，进而来评价含水层水文地质条件，同时也用来预计矿井涌水量以及来确定含水层可疏放性[2-3]，为煤矿安全开采提供理论依据。

利用放水试验水量和观测资料，可以采用泰斯配线法、直线图解法、拐点法和水位恢复法等来求取含水层水文地质参数[4-6]，利用抽水数据全程曲线拟合法，并通过实例验证该方法速度快，精度高[7]。我国鄂尔多斯盆地侏罗系煤田主要受顶板砂岩水的威胁，利用顶板放水试验方法来查明煤层顶板含水层水文地质条件，至今研究还不多[8]。工作面回采前需进行工作面顶板含水层的疏放水工作，同时也要开展放水试验，因此二者产生相互干扰。在此条件求取含水层参数目前考虑较少。为此，提出利用地下水叠加原理求解工作面在疏水干扰下所开展的放水试验获取含水层参数的方法，并以鄂尔多斯某矿山为例，进行系统分析与研究。

1计算方法与原理

地下水井流中Theis公式是关于非稳定承压含水层中水量与降深之间计算公式(公式1、2、3)。

(1)

(2)

(3)

式中，s为抽水试验范围内，任一点的任一时刻水位降深，(m)；Q为流量，(m3/d)；T为导水系数，(m2/d)；W(u)为井函数；r为观测孔距放水孔的距离，(m)；S为贮水系数，(无量纲)；t为试验延续时间，(d)。

对于多井(孔)抽(放)水，其降深是在非稳定井流基础上采用叠加原理方法进行降深的线性叠加。若在同一含水层存在两个放水孔，对任意一点观测孔在某一时刻所产生的降深等于这两个放水孔独立产生的降深之和。

S总=s1+s2

(4)

如果已知总降深，同时也知道某一个抽水孔所产生的降深，利用叠加原理，则另一个孔所产生的降深等于总降深减去前一个放水孔所产生的降深。

具体地说，矿山若先有个工作面中因疏放对第一个观测孔所产生的水位降深，作出观测孔中的水位与时间的变化曲线为：

H1=H(t)

(5)

过一段时间后打开第二个放水孔，当放水至某一时间，上述第一个观测孔产生水位变化，应该是工作面疏放与该放水孔对它的共同影响所产生的降深值，水位-时间关系曲线的斜率会增大，此时，观测孔水位设为Ht。为消除工作面疏放对第一个观测孔所产生的影响，利用叠加原理，用共同影响的水位减去工作面疏放对第一个观测孔所产生的水位。由第二个放水单独所产生的降深为：

(6)

两边取对数：

(7)

(8)

由公式(7)(8)知，在双对数坐标纸上，采用s*-t曲线与标准W(u)-1/u曲线配线求解参数，具体值为：

(9)

(10)

式中：T为导水系数，(m2/h)，K为渗透系数，(m/h)，M含水层厚度，(m)。

2实例应用

以鄂尔多斯盆地某矿为例，在首采工作面进行疏放水条件下，在其他工作面开展放水试验，利用前述的理论与方法求解含水层参数。

2.1研究区概况

依据钻探资料，矿区内地层由新到老发育有：第四系、白垩系、侏罗系、三叠系，主采煤层为侏罗系中、下统延安组3-1组煤层。地层倾角在1°～3°之间，断层较少，断层落差在0～3 m之间，矿井构造属简单类型。

3-1煤层顶板侏罗系中统含水层为本次放水试验主要含水层，其富水性相对较强，平均厚度为170.56 m。以孔隙-裂隙为主，对3-1煤层开采造成严重的威胁。

为此，先期连续开展首采工作面113101、113102顶板含水层的疏放水工作，通过降低上部含水层的水位，为下一步煤层安全开采提供保障，但对本次6-4#放水试验产出一定的干扰作用。图1为该某区工作面放水试验平面布置图，其剖面图如图2。

图1　矿区简易放水试验平面图

图2　水文地质剖面图

2.2放水试验工程概况

本次煤层顶板侏罗系含水层放水试验，以井下6-4#为放水孔，地面孔水J8为观测孔，但由于首采工作面的疏放谁对本次放水试验产生影响。同时该工作面放水钻孔数目，放水量大，钻孔分布形态不规则，放水时间不同步等特点，前期利用统计方法，把它作为一个“大井”对观测孔J8产生的降深。

本次放水孔6-4#孔于2015年8月14日开始放水，历时20天，其放水量如表1所示。放水孔在前期加密观测，水量在15日至20日水量较为稳定。

观测孔J8水位从2015年1月10日至9月2日，其水位波动如图2所示。在放水前，水位呈直线下降，水位随时间变化曲线为H=-0.056 t+1 328.1。当放水试验开始后，观测孔J8的降深急剧下降，主要由工作面疏放与-4#孔放水叠加影响造成的，如图3。

图3　J8观测孔水位动态变化历时曲线

2.3参数计算

本次放水试验J8水位降深可以概化为两个放水孔对此的叠加影响，按照上述公式(4)(5)，利用叠加原理可获得仅由6-4#放水孔单独对观测孔J8的水位降深的影响，其计算过程如表2所示。

图4　6-4#放水孔单独引起的水J8累计降深曲线

经过处理后，如图4为6-4#孔累计降深与时间的曲线，该曲线出现两次波动，由于渗透系数的时空变异性和尺度效应[9]，导致随放水时间持续越长，影响范围越来越大，在一定范围内，参数值会随着放水持续时间的延长而增大。因此分三段求取参数，分别为：第217～225天，226～229天，230～235天。

基于前面提到的配线法，数据拟合过程采用地下水专业软件Aquifer test[10-11]处理，将放水孔和观测孔的相关参数输入软件中个，选择承压非完整井，分别对上述三段数据进行配线法拟合，拟合曲线如图5、图6和图7所示，从图中可以看出绘制实测的降深-时间(s*-t)曲线与理论标准曲线(W(u)-1/u)拟合效果好，计算出渗透系数K1=0.055 9 m/d、K2=0.025 0 m/d、K3=0.085 7 m/d，K平均=0.0555m/d。

图5　第一段数据配线法拟合图

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　叠加原理计算J8孔降深

图6　第二段数据配线法拟合图

2.4参数验证

水J8孔在早期施工完成后，工作面未进行回采之前开展过单孔三阶段阶梯式抽水试验，取其后期稳定阶段数据，利用稳定流计算出渗透系数值。在放水阶段过程中，当水位达到稳定后，持续稳定一段时间后再进行下阶段放水。第1阶段：历时25 h，稳定时间10 h，稳定时流量为3.857 L/s，降深为35.25 m；第2阶段：历时15 h，稳定时间8 h，稳定时流量为2.638 L/s，降深23.68 m；第3阶段：历时时间14.5 h，稳定时间8 h，稳定时流量为1.554 L/s，降深为13.56 m。用Dupuit公式和承压水影响半径经验公式，如下所示：

(11)

(12)

式中：K为渗透系数，(m/d)；Q为涌水量，(m3/d)；为含水层厚度,(m)；sw为井中水位降深，(m)；R为抽水影响半径，(m)；rw为井径，(m)。

采用以上方法求得渗透系数为K1=0.065 4 m/d、K2=0.062 8 m/d、K3=0.059 2 m/d，K平均为0.0625 m/d，与本次求得参数在同个数量级上，且数值较为接近。