基于放水试验的含水层参数计算及含水层间关系分析_王占银.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 基于放水试验的含水层参数计算 及含水层间关系分析 王占银， 胥海东， 王彦召， 赵新宇 （国家能源集团宁夏煤业公司 麦垛山煤矿， 宁夏 银川 750408） 摘要 为防止麦垛山煤矿上组煤开采时发生突水溃砂事故， 通过施工井下放水孔及水文地质 观测孔, 对 1～2 煤间延安组含水层进行放水试验， 求得水文地质参数， 并通过软件模拟了地下水 流场。研究结果表明 1～2 煤间延安组含水层与直罗组下段含水层水力联系紧密， 受直罗组下段 含水层的直接补给， 区域内的含水层不存在降不下去的高水位异常区， 因此可以采取长时间疏 降办法防止顶板突水溃砂。 关键词 地下水； 放水试验； 流场演化； 水文地质参数； 稳定流 中图分类号 TD745.22文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0227-05 Calculation of Aquifer Parameters and Analysis of Aquifer Relationship Based on Drainage Test WANG Zhanyin, XU Haidong, WANG Yanzhao, ZHAO Xinyu （Maiduoshan Coal Mine, National Energy Group Ningxia Coal Industry Company, Yinchuan 750408, China） Abstract In order to prevent the occurrence of water inrush and sand burst during coal mining in the upper group of Maiduoshan Coal Mine, drainage tests were carried out on the aquifer of Yan’ an ation between 1 and 2 coal seams through underground water drainage holes and hydro -geological observation holes, and the hydro -geological parameters were obtained, and the underground water flow field was simulated by software. The results show that the aquifer of Yan’ an ation receives direct recharge from the aquifer of lower Zhiluo ation, that is, the two groups of the aquifer have close hydraulic connection. There is no abnormal area of high water level that cannot be lowered in the aquifer area, so the of long-time drainage can be adopted to prevent water inrush and sand bursting from roof. Key words groundwater; drainage experiment; evolution of flow field; hydrogeological parameters; steady flow 放水试验是一种应用于煤田水文地质勘探中特 殊的含水层水文地质参数求参方法，对放水试验得 到的抽水量-水位降深资料进行计算分析相对于抽 水试验更精准获取含水层水文地质参数的方法。煤 矿含水层因为水泵抽水量、水泵扬程等原因，往往 改用放水试验方法[1]。井下放水试验具有直观了解 采区含水层具体水文地质条件的特点，不仅能弥补 水文补勘不足，而且能够进一步检验地质勘探和水 文补勘中的结论[2]。大流量放水试验能够充分暴露 采区水文地质条件，能够形成大范围、大降深激发 流场，从而有助于建立完整的水文地质概念模型， 这一点是地面抽水试验所不具备的。放水试验既是 以井流模型为基础，也是建立采区地下水流数学模 型的必要手段，为工作面涌水量计算、顶板水疏放 提供可靠依据[3]。 麦垛山煤矿隶属于国家能源集团宁夏煤业有限 责任公司，位于宁东煤炭基地鸳鸯湖矿区南部， 是 宁东能源化工基地开发建设的主要供煤矿井。煤炭 总储量 19.8 亿 t， 可采储量 11.4 亿 t。矿井在回采阶 段主要的充水水源为 2 煤顶板砂岩含水层水，该含 水层富水性较强， 水压较大； 因此 2 煤顶板砂岩含水 层为安全开采的重要危险源。为此， 以 11 采区 2 煤 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.047 王占银， 胥海东， 王彦召， 等.基于放水试验的含水层参数计算及含水层间关系分析 ［J］ .煤 矿安全， 2020， 51 （11） 227-231 WANG Zhanyin, XU Haidong, WANG Yanzhao, et al. Calculation of Aquifer Parameters and Analysis of Aquifer Relationship Based on Drainage Test［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 227-231. 移动扫码阅读 227 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 1放水试验钻孔参数 Table 1Drilling parameters for water discharge test 位置钻孔孔深/m 仰角/ （ ）方位角/ （ ）孔口管长度/m 2 煤辅运巷 2 煤回风巷 2 煤辅运巷 2 煤机巷 机动孔 总计 FS0 FS1-1 FS1-2 FS2-1 FS2-2 G1 G2 G3 G4 G5 JD1 JD2 12 个 157 157 157 157 157 113 113 113 113 113 157 157 1 664 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 297 297 117 297 57 297 297 297 147 297 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 252 大巷顶板 1～2 煤间延安组含水层为研究对象， 通过 放水试验和示踪试验进一步查明 2 煤顶板 1～2 煤 延安组下段含水层的水文地质参数和特征，为预测 工作面涌水量提供科学合理的依据，掌握该矿井以 直罗组下段含水层为主要充水水源的工作面涌水特 征和充水条件， 为以后 1～2 煤间延安组含水层水疏 放提供依据[4-5]。 1放水试验 1.1钻孔布设 放水试验的主要目的是揭示研究区直罗组含水 层的水文地质条件，确定含水层的水文地质参数， 并准确的预测矿井涌水量。放水试验在井下布设 2 个放水孔 （FS0、 FS1-1） ， 在井下施工了 7 个观测孔 （G1～G5、 JD1、 JD2） 和地面观测孔。 G1 和 G2 作为 1～ 2 煤间含水层的观测孔， 同时 G3～G5 作为 1～2 煤间 含水层放水时直罗组下段含水层的观测孔，放水试 验钻孔参数见表 1。 1.2试验过程 1 ） 初始水位观测。在放水试验前， 统一观测各 钻孔的初始水位。共观测 3 次， 取其平均值。 2 ） 试放水。 观测好初始水位后， 进行试放水， 目的 是检查排水系统可靠性， 检查存在的问题并整改。 3） 正式放水。 整个放水试验分为 3 个阶段 ①第 1 阶段 1～2 煤间延安组含水层单孔放水试验， 利用 FS0 钻孔对 1～2 煤间含水层进行放水试验， FS1-1、 G1 和 G2 对 1～2 煤间延安组含水层进行水压观测， G3～G5、 FS1-2、 FS2-1 和 FS2-2 对直罗组下段含水 层进行水压观测，当 FS0 钻孔水量和观测孔水压稳 定 24 h 后， 关闭 FS0 钻孔， 进行水位恢复； ②第 2 阶 段 1～2 煤间延安组含水层单孔放水试验，利用 G1 钻孔对 1～2 煤间含水层进行放水试验， FS0、 FS1-1 和 G2 对 1～2 煤间延安组含水层进行水压观测， G3～ G5、 FS1-2、 FS2-1 和 FS2-2 对直罗组下段含水层进 行水压观测，当 G1 钻孔水量和观测孔水压稳定 24 h 后， 关闭 G1 钻孔， 进行水位恢复； ③第 3 阶段 1～2 煤间延安组含水层多孔放水试验， 利用 FS0 和 FS1- 1 钻孔对 1～2 煤间含水层进行放水试验， G1 和 G2 对 1～2 煤间延安组含水层进行水压观测， G3～G5、 FS1-2、 FS2-1、 FS2-2 对直罗组下段含水层进行水压 观测， 当 FS0 和 FS1-1 钻孔水量和观测孔水压稳定 24 h 后， 关闭 FS0 和 FS1-1 钻孔， 进行水位恢复。 1.3试验结果 1～2 煤间延安组含水层放水试验累计放水总量 8 900 m3， 其中包括 3 次放水试验 （FS0 钻孔单孔放 水试验、 G1 钻孔单孔放水试验和 FS0、 G1 多孔放水 试验） 。 FS0 钻孔单孔放水从试放水 80 m3/h 逐步增大到 130 m3/h 至最大到 200 m3/h，在正式放水期间水量 基本保持在 180 m3/h 左右， 在放水过程中没有明显 衰减， FS0 放水孔水量历时变化曲线图如图 1。其中 80 m3/h 定流量放水 7 h， 130 m3/h 定流量放水 12 h， 180 m3/h 定流量放水 11 h， 恢复水位 12 h。 G1 钻孔单孔放水从 250 m3/h 增大到 280 m3/h 至最大到 180 m3/h，其中 240 m3/h 定流量放水 9 h， 恢复水位 7 h， 在放水过程中水量没有明显衰减， G1 放水孔水量历时变化曲线图如图 2。 G1 钻孔由于距离放水钻孔 FS0 最近 （50 m） ， 在 FS0 钻孔开始放水时，水位便出现了显著变化， 此 后， 随着 FS0 钻孔放水水量的不断增大， 其水位呈现 出较为明显的 3 个阶段变化，当 FS0 钻孔停止放水 图 1FS0 放水孔水量历时变化曲线图 Fig.1Time varying curve of water quantity of FS0 drain hole 228 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 3FS0 与 G1 钻孔水量历时变化曲线图 Fig.3Time varying curves of water quantity of FS0 and G1 drain hole 后水位迅速出现回升，并且在短时间内水位便呈现 稳定趋势， FS0 钻孔在停止放水 10 min 时， G1 钻孔 水位便恢复了 88， 说明 1～2 煤间延安组含水层补 给条件非常好， FS0 与 G1 钻孔水量历时变化曲线图 如图 3。 直罗组下段含水层单孔放水试验 （FS0 钻孔） 共 放水 288 h， 放水钻孔为 FS0， 直罗组下段含水层观 测孔为 FS1-1、 FS1-2、 FS2-1、 FS2-2、 G1～G5 和地面 长观孔，其中 216 m3/h 定流量放水 143 h， 326 m3/h 定流量放水 121 h， 恢复水位 24 h，FS0 单孔放水试 验过程中， 除了 G1、 G2、 FS2-2、 G5 钻孔水位变化不 明显或者无变化，其它钻孔水位变化较为明显， 均 发生了显著的下降， FS0 钻孔单孔放水时采用 3 阶 段定流量放水，在各次放水阶段内，直罗组下段含 水层水位对 1～2 煤间延安组含水层放水孔水量 80、 240、 440 m3/h 的响应时间分别为 180、 165、 111 min， 并且对于 80 m3/h 放水量有 3 个观测孔无响应， 对 于 240 m3/h 放水量有 2 个观测孔无响应，对于 440 m3/h 放水量仅有 1 个观测孔无响应，说明直罗组下 段含水层水位对 1～2 煤间延安组含水层放水在 2～3 h 内基本上会有变化，并且随着放水孔水量增大而 增大， FS0 钻孔放水试验观测孔水位历史变化曲线 图如图 4。 G1 钻孔对 1～2 煤间延安组含水层进行单孔放 水试验时，直罗组下段含水层的水位也发生下降， 当 G1 钻孔放水水量为 240 m3/h 时，直罗组下段含 水层水位最大下降值平均为 0.60 m， 说明直罗组下 段含水层对延安组含水层还是有紧密的水力联系及 补给关系， G1 钻孔放水试验观测孔水位历史变化曲 线图如图 5。 1～2 煤间延安组含水层多孔放水试验（FS0 和 G1 钻孔） 一共放水 31 h， 放水钻孔为 FS0 和 G1， 1～2 煤间延安组含水层观测孔为 G2 （FS1-1 钻孔由于堵 孔， 其数据不参与分析） ， 直罗组下段含水层观测孔 为 G3～G5、 FS1-2、 FS2-1 和 FS2-2， 放水量基本上按 照 FS0 和 G1 钻孔最大流量放水，其中 FS0 钻孔平 均放水水量 200 m3/h， G1 钻孔平均放水水量 240 m3/h， 放水 6 h， 恢复 25 h。 由于 FS1-1 钻孔距离放水孔 FS0 和 G1 钻孔最 近，所以其水位随着 2 个放水孔的放水量变化较为 明显，在 FS0 和 G1 钻孔多孔放水时， FS1-1 钻孔水 位最大降深 6 m， G2 钻孔水位变化时间和趋势与 FS1-1 一致， 钻孔水位最大降深 5.6 m， G3 钻孔水位 没有发生变化， 其余钻孔随着 G1 钻孔放水， 水位变 图 2G1 放水孔水量历时变化曲线图 Fig.2Time varying curve of water quantity of G1 drain hole 图 4FS0 钻孔观测孔水位历史变化曲线图 Fig.4Historical change curves of water level in observation hole of FS0 borehole 图 5G1 钻孔观测孔水位历史变化曲线图 Fig.5Historical change curves of water level in observation hole of G1 borehole 229 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 3单孔放水 （G1 钻孔） 直罗组下段含水层水位变化 Table 3Water level of lower segment of Zhiluo ation in single hole water discharge of aquifer（G1 borehole） 钻孔G3G4G5FS1-2 FS2-1 FS2-2 平均 与放水孔的距离/m263150400217219261252 最大降深/m0.101.00001.001.500.60 表 2单孔放水 （FS0 钻孔） 直罗组下段含水层水位变化 Table 2Water level of lower segment of Zhiluo ation in single hole water discharge of aquifer（FS0 borehole） 钻孔G3G4G5FS1-2 FS2-1 FS2-2 平均 与放水孔的距离/m216200450182281325276 最大 降深 /m 第 1 阶段0000000 第 2 阶段0.200.300.300.500.400.200.32 第 3 阶段0.400.300.601.500.500.300.60 化较为明显， 说明 1～2 煤间延安组含水层连通性较 好， 富水性较强， 受直罗组下段含水层大量补给； 2 个含水层水力联系密切，并且所放水量来源于同一 水源， FS0 与 G1 钻孔放水试验观测孔水位历史变化 曲线图如图 6。 2参数计算 根据第 1、 第 2 阶段放水试验数据， 选取最后近 似稳定阶段数据，采用稳定流，具有 2 个观测孔观 测的裘布依计算公式计算含水层的渗透系数 K[6] K 0.366Q M S 1-S2 （） lg r2 r1 （ ）（1） 式中 Q 为放水孔稳定流量， m3/d； M 为含水层 厚度， m，取 19.29 m； S1为距离较近观测孔水位降 深， m； S2为距离较远观测孔水位降深， m； r1为距离 较近观测孔与放水孔距离， m， 取 50 m； r 2为距离较 远观测孔与放水孔距离， m， 取 100 m。 影响半径计算采用多孔放水试验带 2 个观测孔 的承压含水层裘布依公式[7] lgR S1lgr 2-S2lgr1 S1-S2 （2） 式中 R 为影响半径， m。 根据公式，利用 FS0 钻孔 3 阶段定流量放水观 测数据和 G1 1 次定流量放水观测数据，分别计算 了 1～2 煤间延安组含水层放水试验的影响半径， 计 算结果如下 K11.741 m/d， K21.937 m/d， K32.184 m/d， K42.511 m/d。 3放水试验数据分析 3.1水位响应特征 1～2 煤间延安组含水层放水试验过程中，从直 罗组下段流场模型 （略） 可以看出， 当 FS0 和 G1 放 水孔对 1～2 煤间延安组含水层放水时， 直罗组下段 含水层水位随之下降，说明 2 个含水层之间存在密 切的水力联系。 3.2空间响应特征 1 ） 1～2 煤间延安组含水层单孔放水试验 （FS0 钻孔） 。利用 FS0 钻孔对 1～2 煤间延安组含水层进 行单孔放水试验时，直罗组下段含水层的水位发生 下降，并且随着 FS0 钻孔放水水量的增大，直罗组 下段含水层水位下降的幅度也随之增大。单孔放水 （FS0 钻孔） 直罗组下段含水层水位变化见表 2。从 表 2 可以看出， FS0 钻孔放水水量为 80 m3/h 时， 直 罗组下段含水层水位未发生变化，当 FS0 钻孔放水 水量增加到 130 m3/h 时， 直罗组下段含水层水位最 大下降值平均为 0.32 m， 当 FS0 钻孔放水水量增加 到 180 m3/h 时， 直罗组下段含水层水位最大下降值 平均为 0.60 m[4]。 2） 1～2 煤间延安组含水层单孔放水试验 （G1 钻 孔） 。利用 G1 钻孔对 1～2 煤间延安组含水层进行单 孔放水试验时，直罗组下段含水层的水位也发生下 降， 单孔放水 （G1 钻孔） 直罗组下段含水层水位变化 见表 3。 从表 3 可以看出， G1 钻孔放水量为 240 m3/h 时， 直罗组下段含水层水位最大下降值平均为 0.60 m， 与 FS0 钻孔放水试验一致[8]。 3） 1～2 煤间延安组含水层多孔放水试验 （FS0 和 G1 钻孔） 。利用 FS0 和 G1 钻孔对 1～2 煤间延安 组含水层进行多孔放水试验时，直罗组下段含水层 的水位发生显著下降，多孔放水直罗组下段含水层 图 6FS0 与 G1 钻孔观测孔水位历史变化曲线图 Fig.6Historical change curves of water level in observation hole of FS0 and G1 borehole 230 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 71～2 煤间延安组含水层不同放水水量与直罗组下段 含水层水位相关关系图 Fig.71-2 correlation diagram between different water discharge amounts of aquifer in Yanan ation of coal and water level of lower segment of Zhiluo ation 水位变化见表 4。从表 4 可以看出， FS0 和 G1 钻孔 放水水量总和为 440 m3/h 时， 直罗组下段含水层水 位最大下降值平均为 1.48 m[9]。 1～2 煤间延安组含水层不同放水水量与直罗组 下段含水层水位相关关系图如图 7。从图 7 可以看 出, 随着 1～2 煤间延安组含水层放水钻孔水量的不 断增大，直罗组下段含水层水位降深也随之增大， 并且从表 4 中可以看出 G3 和 FS1-2 钻孔水位变化 较小，一方面与距离放水钻孔较远有关，另一方面 可能由于这 2 个钻孔的高程较低，受放水钻孔的影 响较小。 4结论 1 ） 对放水试验资料分析， 麦垛山煤矿 1～2 煤间 延安组含水层和直罗组含水层具有统一的流场， 静 储量较大，含水层渗透性较好，水文地质参数呈现 了一定的非均一性， 径流条件相对较好。 2 ） 水位恢复阶段， G1、 G2 观测孔水位恢复现象 明显， 1～2 煤间延安组含水层有一定的补给来源， 其 中位于直罗组含水层的 G4、 G5 孔水位恢复明显， 说 明了该含水层与 1～2 煤间延安组含水层有一定的 水力联系。 3） 通过计算麦垛山煤矿 1～2 煤间延安组含水 层的水文地质参数，区域内的含水层应属于中等富 水性至强富水性， 不存在降不下去的高水位异常区， 因此可采取长时间疏降办法防止顶板突水溃砂。 参考文献 ［1］ 王友长， 魏克敏， 文泽康， 等.宝鼎矿区矿井涌水量影 响因素分析 ［J］ .矿业安全与环保， 2011， 38 （6） 82. ［2］ 李园.藁城市地下水回灌示范场地数值模拟研究 ［D］ . 北京 中国地质大学 （北京） ， 2015. ［3］ 李曦滨.基于井下放水试验的矿井疏降量预测评价 ［J］ .中国煤炭地质， 2012， 24 （10） 26-30. ［4］ 赵宝峰， 马莲净.基于多含水层放水试验的顶板水可 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