基于Neuman井流理论确定玄武岩潜水含水层渗透系数的应用——以吉林靖宇煤矿为例

段乃金，陈刚，候海巅，徐健

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013；2.平阴县国土资源局，山东 平阴 250400)



基于Neuman井流理论确定玄武岩潜水含水层渗透系数的应用
——以吉林靖宇煤矿为例

段乃金1，陈刚1，候海巅2，徐健2

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013；2.平阴县国土资源局，山东 平阴 250400)

全面分析研究区玄武岩潜水含水层水文地质条件的基础上，对稳定流和非稳定理论确定潜水含水层渗透系数的优缺点进行了对比，认为非稳定井流公式确定玄武岩潜水含水层渗透系数是合理的。Aquifer Test软件基于Neuman井流理论配线法求参原理，运用计算机完成了自动求参，避免了人工配线的不足。该文根据吉林靖宇煤矿研究区玄武岩潜水含水层非稳定流抽水试验，分别用Aquifer Test软件和稳定井流公式进行了求参，并对比分析得出：玄武岩含水层弹性释水作用影响时间较长，利用Neuman潜水井流公式求参可靠，且更逼近现实；用Aquifer Test软件实现了自动求参，具有操作简单规范、可比性好的优点。

玄武岩潜水含水层；渗透系数；Neuman配线法；Aquifer Test软件；靖宇煤矿；吉林

0 引言

长期以来，以玄武岩含水层为主要充水因素的矿山，开采过程中经常发生溃水现象，究其原因，很重要的一个因素是根据抽水试验资料所确定的渗透系数与含水层实际情况差异较大所致。根据抽水试验资料确定的潜水含水层水文地质参数，前人已经做了大量工作[1-2]，目前，生产实践中多是根据稳定流和非稳定流抽水试验公式来确定水文地质参数。稳定流抽水试验理论利用时间较早，且计算方法简便，但其不能反映不断发展、变化的地下水实际运动状态，只能利用足够长的抽水时间以达到相对稳定，具有一定的局限性，造成动力、人员不足，耗费较大等问题。

非稳定抽水试验理论现有解析公式虽不能包含潜水运动的所有特点，但是其已尽可能地逼近地下水实际运动状态。结合玄武岩潜水含水层渗透性各向异性的特点，该文以潜水流速垂直分量和弹性释水的Neuman井流模型为基础，利用Aquifer Test软件，通过计算机求参，简化了过程、提高了效率，实现了确定玄武岩潜水含水层渗透系数的自动化。

1 Neuman井流模型理论

1.1 假设条件

①含水层为均质各向异性，坐标轴选择要和主渗透方向一致，含水层侧向无限延伸，隔水层水平；②初始自由水面为水平；③水流服从达西定律；④完整井，定流量抽水；⑥抽水期间自由面上没有入渗补给和蒸发，潜水面降深和含水层厚度相比小得多。

1.2 标准曲线法确定水文地质参数原理

基于Neuman井流模型确定渗透系数的方法有标准曲线配比法和直线图解法，标准曲线配比法能够利用抽水试验所有的数据且能够直观反映水位降低的3个阶段，可比性强，因此，该文只介绍标准曲线配比法求参的过程。

(1)根据由完整观测孔中所测得的s，t资料，在透明双对数纸上做s-t曲线。

2 Aquifer Test软件求参方法简介

AquiferTest软件由加拿大滑铁卢水文地质公司开发的专门用于分析抽水试验结果，用户在较短的时间里有效地处理来自试验所有的信息，并且计算结果可以以图表形式输出和打印。该软件的运行原理是以地下水井流公式，采用图解法确定含水层参数，提供了Theis，Cooper-JacobTime-Drawdown，Cooper-Jacob，NeumanDistance-Drawdown，Cooper-JacobTime-Distance-Drawdown，Walton(Hantush-Jacob)等14种方法。该文只对软件中“Neuman” 标准曲线配线法求参的操作方法进行概述。

(1)双击AquiferTest软件中试验图标，开始含水层抽水试验。

(2)填写笔记簿抽水试验的记录，键入抽水的时间、抽水流量及含水层的厚度。

(3)在软件面板中，选择“实例”下的“Analysis”(分析)，在出现的弹出窗口中，选择“Drawdownvstime”(水位降低与时间)图解法。

(4)创建一个新的分析。从出现的弹出窗口中选择“Neuman”标准曲线配线法进行理论分析。

3 求参实例

在吉林省靖宇煤矿研究区玄武岩潜水含水层进行了第一个观测孔非稳定流抽水试验。抽水井编号SK3，井深110m，井径0.325m；观测井编号GK3，井深110m，井径0.11m，观测孔距抽水井距离20m；稳定抽水量17.4m3/h。根据勘查资料，含水层由灰黑色玄武岩组成，遍布整个研究区，大部分被第四纪粘土覆盖，只在东南部冲沟处零星出露。玄武岩由多期喷发形成，气孔发育，柱状节理和水平裂隙密集，形成良好的地下水赋存空间和径流通道。含水层厚33.4m，抽水井、观测井初始水位埋深均为76.6m，抽水持续时间1070min*明达化工地质有限责任公司,段乃金、成世才、郭跃祥等，吉林省靖宇煤矿水文地质调查报告，2014年。。抽水时观测井GK3观测资料见表1。

3.1 稳定井流公式求参

表1 吉林靖宇煤矿观测孔GK3观测资料

该次抽水试验虽按非稳定流原理对水位降深进行了观测，但抽水试验延续时间较长，后期观测水位已近似稳定，可以利用后期数据采用稳定流公式求参。将观测资料带入仿Theis公式(1)，经计算：K=1.18m/d。

(1)

3.2 软件求参

选择“Neuman”配线法进行理论分析，移动观测曲线与标准曲线进行拟合，首先观测曲线与B组曲线拟合，结果如图1所示，计算结果为K=1.21m/d。通过拟合结果看，无论稳定流公式和非稳定公式，利用抽水试验后期数据所求渗透系数相差不大。最后使观测曲线与A组曲线拟合，结果如图2所示，计算结果为K=1.47m/d。通过拟合结果看，利用抽水试验前期数据求参时，因考虑了含水层弹性释水的因素，Neuman配线法相比稳定井流公式求参结果要大。求2次配线法所得渗透系数平均值得K=1.34m/d。

图1 Neuman配线法观测曲线与B组曲线拟合图

图2 Neuman配线法观测曲线与A组曲线拟合图

实际观测曲线与A组标准曲线拟合较好，而只在后期较少数据与B组数据拟合较好，且观测曲线中间近水平的曲线较长，说明抽水试验过程中，含水层弹性释水时间较短，随即转入重力排水为主、弹性释水为辅的阶段，抽水后期弹性释水作用消失转为重力排水。配线结果说明，弹性释水时间在整个非稳定流抽水时间中占比较大，计算玄武岩潜水含水层K值时，不能忽视弹性释水影响，利用Neuman井流公式配线法求参是合理的。

4 对比分析

通过上述计算结果并结合求取渗透系数井流公式的适用条件，对Neuman井流公式相比于稳定井流公式确定玄武岩含水层的优越性做以下对比分析：

(1)稳定流求潜水含水层参数计算方法多以裘布衣模型为基础，该方法对含水层条件进行了概化处理，可直接用公式或方程组解出相关水文地质参数，求参方法单一，容易操作，但对较复杂水文地质条件目标区域适用程度受限或不适用[4]，且抽水时间长、花费大[5]。

非稳定流求潜水含水层参数方法主要包括THeis配线法、Jacob直线图解法、水位恢复法、全程图解法，包括博尔顿、neuman井流公式等，所求水文地质参数较多，能够适用于较复杂多变量的抽水过程，且所需抽水时间短[6]。通过大量的实践证明非稳定井流公式与稳定井流所求结果基本一致[7]，因此，目前非稳定井流公式为确定潜水含水层参数的主要方法。

(2)玄武岩潜水含水层地下水赋存空间为成岩孔洞、柱状节理及构造裂隙。研究区玄武岩含水层由多期喷发形成，在垂向和水平上富水性差异较大，如果简单的讲其概化为各向同性的含水层，并利用THeis,Jacob公式计算渗透系数，显然是不合适的。Neuman井流公式考虑了弹性释水和地下水垂向流动这两个因素，能够反映地下水在含水层中的发展变化，并且其适用条件与研究区水文地质条件拟合性最好。通过计算结果可以看出Neuman井流公式较稳定流公式所求结果要大[7]，是因其考虑了垂向释水的缘故，在实际应用中还是可靠的[8]。

(3)利用Neuman井流公式求参，传统的方式为人工配线，需在双对数纸上绘制标准曲线，然后在另一张模数相同的透明纸上绘制实测曲线将实测曲线置于标准曲线之上，保持对应坐标轴平行的条件下相对平移，直至两曲线重合。该方法耗时耗力，而且人为性大。

Aquifer Test软件专门为水文地质学者和其他水利专家设计，其中自带的Neuman井流公式模型，实现了求参的自动化，具有操作简便、实用性强、可视化、对比分析速度快等特点[9-10]，并在实践中得到改进和推广利用[11]。

5 结论

通过求取研究区玄武岩潜水含水层渗透系数的2种方法，得出以下结果：

(1)与稳定井流公式相比，非稳定井流公式应用范围更广，能够更真实的反映潜水水位不断变化的运动状态，且省时省力。

(2)考虑地下水垂向流动和弹性释水的Neuman井流公式所规定的适用条件与研究区玄武岩含水层地下水的赋存特征拟合的最好，利用此方式求取的渗透系数能反映地下水流动的实际过程，且大量实践证明所求参数是可靠的。

(3)Aquifer Test软件自带的Neuman井流公式实现了求参的自动化，避免了人工配线随意性大的缺点，具有操作简单，过程可视，结果输出规范等优点，值得在生产实践中推广。

(4)在利用抽水试验数据求取含水层渗透系数选择井流公式时，应使公式的适用条件与含水层地下水赋存特征拟合的最好，只有这样所求参数才能准确、可靠。

[1] 李佩成,卢玉东，张艳杰，等.再论渗流计算的“割离井法”及其微机实现[J].灌溉排水，1998，(1):1-5.

[2] 刘大海.等价裘布衣半径及其单孔抽水试验解算方法[J].地下水，1987,21(3):3-7.

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Application of Determing Permeability Coefficient of Basalt Phreatic Aquifer Based on Neuman Well Flow Model——Setting Jingyu Coal Mine in Jilin Province as an Example

DUAN Naijin1, CHEN Gang1, HOU Haidian2, XU Jian2

(1.Shandong Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Shandong Jinan 250013, China; 2. Pingyin Bureau of Land and Resources, Shandong Pingyin 250400, China)

On the basis of analyzing hydrogeological conditions of basalt phreatic aquifer in studying area, comparing the advantages and disadvantages of steady flow and unsteady flow pumping test, it is regarded that it is reasonable to determine permeability coefficient of basalt phreatic aquifer by using unsteady well flow formula. Based on Neuman well flow model, Aquifer Test software can calculate hydrogeological conductivity and avoid manual parameter by computer. According to unsteady flow pumping test of basalt phreatic aquifer in Jingyu coal mine, hydrogeological conductivity has been calculated by using Aquifer Test software and steady well flow formula respectively. Through comparision and analysis, it is regarded that basalt phreatic aquifer release water time is long by own compression deformation. So it is reasonable to calculate hydrogeological conductivity of basalt Phreatic aquifer by using Neuman well flow model. The parameters gained by Aquifer Test software are normative and have good comparability.

Basalt phreatic aquifer; conductivity; Neuman fitting curve method; Aquifer Test software; Jingyu coal mine; Jilin province

2016-02-15；

2016-03-10；编辑：陶卫卫

段乃金(1983—)，男,山东济南人，工程师，主要从事水文地质、环境地质工作;E-mail：1019065529@qq.com

P641.4;S273.4

B

段乃金，陈刚，候海巅，等.基于Neuman井流理论确定玄武岩潜水含水层渗透系数的应用——以吉林靖宇煤矿为例[J].山东国土资源，2016,32(10)：57-60.DUAN Naijin, CHEN Gang, HOU Haidian, etc. Application of Determing Permeability Coefficient of Basalt Phreatic Aquifer Based on Neuman Well Flow Model——Setting Jingyu Coal Mine in Jilin Province as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：57-60.