顶板含水层放水试验的钻孔单位涌水量计算方法*

2019-04-12马莲净赵宝峰

中国安全生产科学技术 2019年3期

马莲净，赵宝峰

(1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054;2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710054；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054)

0 引言

水害事故作为矿井的五大灾害之一，严重影响和威胁着矿井的安全生产，根据《煤矿防治水细则》相关条款，矿井水文地质类型划分、含水层下提高开采上限、带压开采评价等均需要基于含水层的富水性等级[1]，而钻孔单位涌水量是评价含水层富水性等级的唯一标准[2-4]。抽水试验[5-6]和注水试验[7]是获取钻孔单位涌水量常用的方法，但是由于抽水试验和注水试验均采用地面钻孔对含水层的水文地质条件进行探查，在钻进过程中所采用的泥浆会不同程度地改变含水层的性质，同时抽水试验与注水试验往往为单孔试验，水跃和井损现象也降低了勘探的准确性，所获取的钻孔单位涌水量与实际情况相差较大，导致水文地质类型划分、矿井排水系统设计及相应防治水工程设计存在较大误差，从而易发生水害事故。

煤层顶板含水层井下放水试验利用的是井下多个钻孔计算水文地质参数，并且上仰钻孔在施工过程中可以采用清水钻进，有效避免了抽水试验和注水试验的缺点，因此，该试验在矿井水文地质条件探查中的应用日益广泛[8-9]，不仅可以结合数值模拟反演参数[10]，还可以对含水层的可疏放性进行评价[11-14]。在以往研究中，由于在顶板含水层放水过程中放水孔的水位降深难以直接观测，通常只能通过放水试验获取含水层的渗透系数、导水系数和影响半径等参数，而无法获取放水孔的单位涌水量。为了解决以上问题，基于放水试验和抽水试验计算水文地质参数的原理一致，提出了顶板含水层放水试验中放水孔水位降深解析法、图解法和相关系数法，利用观测孔的数据计算放水孔的水位降深，进而获取放水孔的单位涌水量，为顶板含水层富水性等级划分和矿井防治水工作提供依据。

1 钻孔单位涌水量计算

1.1 问题的提出

根据钻孔单位涌水量计算公式，有：

(1)

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

常规抽水试验和注水试验中，抽水孔和注水孔的水位观测一般采用测钟、浮标水位计或电测水位计等方法，这些方法均是从地面孔口利用观测设备和仪器对地下水位进行观测，结合抽水或注水量计算钻孔的单位涌水量。

由于顶板含水层放水试验中放水孔是与井下空间相通，在放水过程中无法采用常规抽水试验或注水试验的方法观测水位降深，放水试验采用最大放水量放水时(闸阀全开)，采用压力表观测不到观测放水孔的水压。以上原因导致无法获取放水孔水位降深，进而无法计算放水孔的单位涌水量。

顶板含水层放水试验不能直接观测到放水孔的水位降深，可以考虑利用观测孔水位降深数据，并结合地下水动力学或通过绘制观测孔水位降深及其与放水孔距离的曲线图等方法，间接获取放水孔的水位降深。

1.2 解析法获取钻孔单位涌水量

根据式(1)可知，获取钻孔单位用水量需要掌握放水孔的放水水量和水位降深。放水水量可以通过流量计或容积法观测，而水位降深可以通过地下水动力学中的地下水向井的稳定流方程计算，由于放水试验与抽水试验采用的参数求解公式和假设条件一致，故可借助抽水试验中的参数求解公式计算放水孔水位降深。

放水试验与抽水或注水试验的等效条件为：假设放水试验的目标含水层为均质、各向同性的水平岩层；含水层的侧向边界无限远；地下水流无垂直方向的补给或排泄；原始潜水面(测压水位面)为水平面；放水孔贯穿整个含水层，单孔放水(图1)。

1)潜水含水层放水孔水位计算

根据潜水完整井的涌水量方程(裘布依公式)：

(2)

图1 不同类型含水层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为放水孔的放水水量，m3/d；K为含水层的渗透系数，m/d；H0为潜水的原始水位值，m；hw为放水孔的稳定水头值，m；R为影响半径，m；rw为放水孔的半径，m。

放水孔水位降深：

S=H0-hw

(3)

式中：S为放水孔的水位降深，m。

经过整理，得到潜水含水层放水孔水位降深计算公式：

(4)

2)承压含水层放水孔水位计算

根据承压完整井的涌水量方程(裘布依公式)：

(5)

式中：M为承压含水层的厚度，m；H0为承压水的原始水头值，m；hw为放水时放水孔中的稳定水头值(以隔水底板为基准面)，m；其余符号的意义同前。

结合式(2)，经过整理得到承压含水层放水孔水位降深计算公式：

(6)

钻孔单位涌水量计算公式同式(1)。

3)承压-无压含水层放水孔水位计算

根据承压-无压完整井的涌水量方程：

(7)

结合式(2)，经过整理得到承压-无压含水层放水孔水位降深计算公式：

(8)

钻孔单位涌水量计算公式同式(1)。

1.3 图解法获取钻孔单位涌水量

1)对于潜水含水层和承压-无压含水层，可以利用Excel软件绘制观测孔水位降深及其与放水孔距离对数的曲线图(S-lnr图)，从而确定S与lnr拟合度最高的函数关系(如线性函数、对数函数、指数函数、幂函数和多项式函数等)，利用已确定的函数关系曲线图进行趋势预测，在曲线图上找到lnrw对应的S，即为放水孔的近似水位降深。

2)对于承压含水层，则有：

(9)

由式(9)可以看出，各观测孔水位降深S与孔间距lnr呈线性相关关系，在S-lnr曲线图上找到lnrw对应的S，即为放水孔的水位降深。

1.4 相关关系法获取钻孔单位涌水量

对于承压含水层，将式(6)带入式(1)，可得：

(10)

由式(10)可以看出，在承压含水层放水试验中，当得到渗透系数K和影响半径R后，可以计算出放水孔的单位涌水量q。对于承压含水层中的放水孔，式(10)中M和rw为定值，而放水试验过程中放水孔的影响半径R一般变化不大，lgR/rw可以视为定值，故放水孔的单位涌水量与含水层的渗透系数呈线性相关关系。

利用对顶板含水层的放水试验计算钻孔单位涌水量，该方法的先进性表现为：①煤层顶板含水层放水试验的钻孔施工过程中无需使用泥浆，对含水层水文地质特征的影响基本可以忽略；②放水试验一般为单孔放水，多孔观测，可以有效提高观测的精度，同时避免水跃和井损现象；③利用解析法、图解法和相关关系法计算钻孔单位涌水量可以互相对比，互相印证，减少人为计算误差。

2 实例分析

2.1 矿井水文地质条件

麦垛山煤矿位于宁东煤田鸳鸯湖矿区南部，是宁东煤化工基地的主力生产矿井。井田先期开采的煤层为2煤和6煤，其中2煤平距厚度为2.63 m，主要受到顶板直罗组下段含水层(以下简称Ⅱ含水层)的威胁。

Ⅱ含水层在整个井田范围内均有分布，厚度为60.21～317.70 m，平均厚度为138.70 m，岩性为灰绿、蓝灰、灰褐色的中、粗粒砂岩，底部含砾。根据水文地质补充勘探成果可知，Ⅱ含水层的渗透系数为0.061 7～0.955 7 m/d，单位涌水量为0.031 9～0.299 5 L/s·m，富水性为弱～中等。麦垛山煤矿在建井过程和2煤大巷掘进过程中发生过多次集中涌水，严重影响和威胁着矿井采掘活动的安全。

为了进一步查明2煤Ⅱ含水层的水文地质条件，在2煤大巷开展了放水试验，获取了Ⅱ含水层的渗透系数和影响半径等参数。由于井下放水孔无法直接观测水位降深，为了获取放水孔的单位涌水量，拟采用解析法和图解法等计算放水孔的水位降深。

2.2 放水试验及观测资料

2.2.1 放水试验

井下放水试验位于11采区2煤大巷与110207工作面交汇区域，参与计算水文地质参数的钻孔包括：放水孔FS0、观测孔FS1-1，G1～G5，放水试验中FS0放水孔采用三次降深稳定流放水，放水水量分别为112，216和326 m3/h。放水试验钻孔平面布置如图2所示。

图2 放水试验钻孔平面布置Fig.2 The plan layout of borehole in thedewatering test

放水试验区域地层柱状示意见图3，Ⅱ含水层为放水试验的目标含水层，钻孔从2煤顶板开孔，终孔位置位于Ⅱ含水层的顶板，Ⅱ含水层底板以下的地层均采用止水套管或注浆封堵，钻孔成孔后的稳定水压为0.95 MPa，换算成水头为95 m(以2煤顶板隔水层底板为基准面)，说明放水试验目标含水层为潜水含水层。

图3 放水试验区域地层柱状示意Fig.3 The stratigraphic column of dewatering test area

2.2.2 放水试验观测资料

各观测孔距离放水孔的距离和稳定水位降深见表1。

2.3 放水孔单位涌水量计算

2.3.1 解析法

放水试验放水孔的孔径为85 mm，当rw为放水孔的半径0.042 5 m时，利用式(3)可以计算出三次降深放水孔的稳定水位降深，结合放水水量，可以计算得到单位涌水量(见表2)。

表1 放水试验各观测孔位置与水位降深Table 1 The position and drawdown of each observation borehole in the dewatering test

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

2.3.2 图解法

放水试验S-r曲线如图4所示。从图4可以看出，各观测孔水位降深S与孔间距r呈对数相关关系，三次降深中，S-r曲线与对数函数的决定系数R2分别为0.974 4，0.978 5和0.990 8，拟合度较高。

图4 放水试验S-r曲线Fig.4 The S-r curve graph of dewatering test

同时可以绘制出S-lnr曲线(见图5)。

计算放水孔半径rw的对数为ln(0.042 5)=-3.158 3，在S-lnr曲线图上当x=-3.158 3时，得到的纵坐标值即为三次降深放水孔的稳定水位降深S(图4)，结合放水水量，可以计算得到单位涌水量(见表3)。

2.3.3 结果分析

采用解析法计算三次降深放水试验的放水孔单位涌水量分别为4.735 3，3.738 3和2.209 2 L/(s·m)；采用图解法获取三次降深放水试验的放水孔单位涌水量分别为3.897 0，3.445 6和2.246 7 L/(s·m)，2种方法获取的单位涌水量较为接近。不同方法获取放水孔单位涌水量成果见表4。

图5 放水试验S-lnr曲线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稳定水位降深/m7.9817.41 40.31 放水水量/(m3·h-1)112216326单位涌水量/(L·s-1·m-1)3.897 03.445 62.246 7

表4 不同方法获取放水孔单位涌水量成果Table 4 The specific capacity of dewatering borehole with different methods (L·s-1·m-1)

利用井下放水试验获取的渗透系数和单位涌水量分别为3.857 0～6.612 5 m/d和2.209 2～4.735 3 L/s·m，结合地质勘探和水文地质补充勘探资料分析，通过放水试验获取的水文地质参数相对较大(见表5)，这主要是因为井下放水试验钻孔施工过程中不需要泥浆作为冲洗液，含水层的渗透性未受到影响，另外一方面，利用放水试验获取的水文地质参数避免了“水跃”现象，使得获取的参数更能反映含水层的水文地质条件。

表5 Ⅱ含水层水文地质参数Table 5 The hydrogeological parameters of aquiferⅡ

结合本次放水试验，FS0放水孔的最大瞬时水量接近400 m3/h，当放水水量在326 m3/h时，持续放水121 h，水量未发生衰减，说明含水层富水性较强；后期开展多孔放水试验时，5个放水孔的单孔放水量均超过150 m3/h，并且总放水量达到了811 m3/h，受到矿井排水系统的限制，多孔放水仅持续了8 h，总放水量也未发生衰减，由于放水孔的最大间距超过400 m，排除了个别放水孔揭露局部裂隙或断层的可能性。

通过以上分析，并与以往勘探资料中抽水试验成果对比可知，利用放水试验资料，通过解析法和图解法获取的放水孔单位涌水量较为可靠，与实际情况接近；而利用抽水试验计算得到的钻孔单位涌水量偏小，导致划分的矿井水文地质类型偏简单。因此，在未来矿井防治水工作中，可以采用放水试验所计算的钻孔单位涌水量。

2.3.4 有关问题的讨论

抽水试验一般分为单孔和带观测孔的多孔抽水试验，井田地质勘探或者水文地质补充勘探通常采用单孔抽水试验，而放水试验获取钻孔单位涌水量利用的是观测孔的水位降深，因此，建议放水试验至少布置3个观测孔，并且观测孔距离放水孔最好满足1d,2d,4d,8d……(d为放水孔与最近的观测孔之间的距离)。在承压含水层放水孔水位降深计算公式中，放水孔水位降深S与lnr呈线性相关关系，而对于潜水含水层和承压-无压含水层，放水孔水位降深S与lnr并非线性相关关系，则不能直接采用相关关系法计算放水孔的单位涌水量，而需要利用解析法或图解法获取放水孔水位降深及其单位涌水量。