解析法与配线法在弱胶结砂岩水文地质参数的计算应用

2020-11-05孙建西付应凯

山东煤炭科技 2020年10期

孙建西付应凯王波

（新汶矿业集团有限责任公司，山东新泰 271233）

1 概况

伊犁一矿位于新疆伊犁哈萨克自治州西南部察布查尔锡伯自治县南30 km，试采煤层为5 煤，煤层厚度9.20～23.95 m，平均厚度19.21 m。本区位于天山山前，冲洪积层接受天山雪融水直接补给，地下水补给充沛,径流条件较好。5 煤底板隔水层薄，承压高，富水性好，且补给、径流条件复杂，对5煤开采威胁大，水文地质参数、疏降可行性、涌水量等还有待进一步查明。

通过水文补勘，结合已有水文孔，针对各主要充水含水层开展“大流量、大降深、长延时”群孔抽（放）水试验，以充分暴露各含水层的补给条件、边界条件。利用抽（放）水试验资料，进一步求取各含水层水文地质参数。设计FS1、FS2、FS3、FS4 四个底板放水孔及两个观测孔GC1 和GC2，四个放水孔集中放水不仅能形成“大流量、大降深、长延时”的疏放效果，而且在高强度放水条件下，充分暴露研究区水文地质条件，达到试验目的。

2 解析法求参

5 底砂含水层未被完全揭穿，因此，在计算5底砂水文地质参数时，按照非完整井稳定流计算。对5 底砂放水试验而言，利用观测孔放水阶段的数据，考虑井壁进水和井底进水两阶段，采用非完整井巴布什金公式对其求参，公式如下：

式中：Q为钻孔放水时流量，m3/d；s为水位降深，m；l 为放水孔进入含水层的厚度，m；r 为放水孔半径，m；K 为渗透系数，m/d。

由于非完整井巴布什金公式是针对的单孔无观测孔的推导公式，并不适用于群孔放水试验。将群孔放水试验概化为一个“单孔放水”，其流量为群孔放水的总流量80 m3/h，降深为放水中心FS2 的降深52 m，各放水孔的平均半径rw为0.046 3 m，各个放水孔平均进尺为22.4 m，见表1。

表1 放水钻孔平均进尺及孔径表

将各参数的值代入上式，求得K=1.352 m/d。

3 配线法求参

（1）配线法原理

由于放水阶段流量并不稳定，对于非稳定流求参，一般按照Theis 公式或其变形式Jacob 公式进行求参，公式如下：

式中：S为水位降深，m ；Q为放水孔流量，m3/d；T 为导水系数，T=KM；t 为自放水开始至计算时刻的时间，d；r 为计算点到放水孔的距离，m；μ*为含水层的储水系数，μ*=μsM；M 为含水层厚度，m；W（u）为Theis 井函数。

（2）参数计算

对于5 底砂含水层而言，群孔放水试验，在用配线法求取T、u 时无法分别获取各个放水孔对观测孔产生的降深，故可将FS1、FS3、FS4、GC1 和5 底砂Sy-9 看作一个大流量的单个抽水孔，稳定流量为80 m3/h，利用配线来求取参数。

利用FS2 观测孔的时间-降深（s-t）曲线求取参数，FS2 距放水中心的距离为96 m，放水开始到第5760 min 水位稳定，稳定降深52 m。如图1 所示。

图1 FS2 观测孔Theis 配线图

求得：T=19.234 m2/d，K=T/M=0.86 m/d。

利用GC2 观测孔的时间-降深（s-t）曲线求取参数，GC2 距放水中心的距离为80m ，放水开始到第5760 min 水位稳定，稳定降深68 m。如图2 所示。

图2 GC2 观测孔Theis 配线图

求得：T=8.8 m2/d，K=T/M=0.395 m/d。

利用5 底砂x-2 观测孔的时间-降深（s-t）曲线求取参数，5 底砂x-2 距放水中心的距离为356 m，放水开始到第4830 min 水位稳定，稳定降深35.4 m。如图3 所示。

图3 X-2 观测孔Theis 配线图

求得：T=15.28 m2/d，K=T/M=0.687 m/d。

在配线过程中发现，5 底砂所有观测孔的s-t/r2曲线与Theis 标准曲线拟合均有明显的下垂趋势，并没有与Theis 标准曲线完全重合，这可能是由于5 底砂抽水过程中，承压含水层在重力释水阶段存在滞后效应造成的，即Boulton 滞后效应，故采用Boulton 模型进行配线法求参。如图4 所示。

图4 FS2 观测孔Boulton 配线图

FS2 求得：T=16.75 m2/d，K=T/M=0.747 m/d。

图5 GC2 观测孔Boulton 配线图

GC2 求得：T=8.01 m2/d，K=T/M=0.357 m/d。如图5 所示。

图6 X-2 观测孔Boulton 配线图

5底砂x-2求得：T=15.27 m2/d，K=T/M=0.68 m/d。如图6 所示。

4 求参结果分析

利用解析法和配线法求得的渗透系数K 为0.357～1.352 之间，用解析法与配线法求取的参数差异2.5 倍左右，但Theis 配线和Boulton 配线法两者之间求取的K 值基本接近，求得参数差异的主要原因是实际放水试验条件无法完全满足两种方法的理论条件造成的。综上，将配线法求得K 值0.595～0.647作为推荐选用的参数。求参方法比较表见表2。