钻孔单位涌水量换算的理论与实践_奚砚涛.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-08-20 作者简介 奚砚涛（1973），男，江苏丰县人，博士，副教授，从事地球信息科学研究. E-mailxyt556 引用格式 奚砚涛， 冯春莉， 郭英海， 等. 钻孔单位涌水量换算的理论与实践［J］. 煤田地质与勘探， 2015， 43（1） 48-51. 文章编号 1001-1986（2015）01-0048-04 钻孔单位涌水量换算的理论与实践 奚砚涛 1，冯春莉2，郭英海1，郑世书1 （1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116； 2. 徐州市铜山区交通运输管理所，江苏 徐州 221116） 摘要 单位涌水量是评价煤矿区含水层富水性强弱和划分矿井水文地质类型的重要指标之一。分 析了单位涌水量换算的意义及煤矿钻孔实际抽水资料，研究了具有三次降深、二次降深及一次降 深资料单位涌水量换算的方法，结合某煤矿的实际抽水资料进行了验证，计算结果符合该煤矿区 含水层富水性的实际情况。 关 键 词单位涌水量；含水层富水性；Q-S 曲线方程 中图分类号P641.4 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.010 The theory and practice of conversion about specific capacity XI Yantao1， FENG Chunli2， GUO Yinghai1， ZHENG Shishu1 （1. School of Resources and Earth Science， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 2. Department of Tongshan Transportation， Xuzhou 221116， China） Abstract The specific capacity can uate the water rich property of aquifer and divide the hydrogeological type of mine water， we analyze the significance of conversion about specific capacity. Besides， we explain the of using the Q-S curve equation to converse the pumping test data of three times， and how to deal with the data of one or two times drawdown. At last， the was verified by use of the actual data of a coal mine， and the results are in accordance with the actual situation of the water rich property of aquifer. Key words specific capacity； water rich property of aquifer； Q-S curve equation GB127191991矿区水文地质工程地质勘探 规范 （以下简称 规范 ）和 煤矿防治水规定 （2009 年）（以下简称规定）都要求按照钻孔单位涌水量 q 将含水层分为弱、 中等、 强和极强 4 级， 并强调“评 价含水层的富水性， 钻孔单位涌水量以孔径 91 mm， 抽水降深 10 m 为准，若口径、降深与上述不符时， 应进行换算后再比较富水性［1-2］。在国家煤矿安全 监察局组织编写的煤矿防治水规定释义中对按 Q-S 曲线进行 q 值换算的，在规定中介绍了井 径换算的方法。可见在煤矿防治水工作中，按统一 权重换算 q 值是十分重要的， 是水文地质勘探中一 项非常重要的基础工作。因此，本文着重从理论和 实践上讨论钻孔单位涌水量换算的必要性和换算 方法。 1 钻孔单位涌水量换算的意义 单位涌水量换算实质上是将权重的概念引入到 水文地质学研究，也是建立数字矿山时数据标准化 和规范化的需要。因为只有按权重相同的分类标准 来进行分类才能体现出分类公平合理的科学性。在 很多矿区也进行了相关换算， 有基于 Excel 进行 Q-S 曲线的确定［3］，利用最小二乘法［4］或者 Matlab 进行 Q-S 曲线的拟合［5］。 水文地质工作中衡量含水层的富水性规定用孔 径 91 mm 和降深 10 m 的钻孔单位涌水量也是这个 道理。孔径 91 mm 和降深 10 m 就是标准的权重， 所以，不符合时一定要换算。 在煤田地质基础中， 要求正式抽水时， 抽水的水 位降深， 应尽设备能力做最大降深。 降深次数一般不 少于 3 次，每次降深距离不小于 3 m，抽水点应做到 合理分布。但在实际工作中，往往未按照抽水试验 规程对抽水试验进行设计和施工，即使按照抽水 试验规程 对抽水试验进行设计和施工， 但未对抽水 成果按规范和规定要求进行符合标准权重的 钻孔单位涌水量换算，很难公平、合理、科学地表征 含水层富水性［6-7］，甚至会造成误导。 ChaoXing 第 1 期 奚砚涛等 钻孔单位涌水量换算的理论与实践 49 2 某矿区钻孔单位涌水量换算 2.1 抽水资料简介 本文选用晋中某矿区 50 个 O2f 的抽水孔。为 了深入研究奥灰含水层的富水规律，我们对 O2f 抽 水孔的钻孔单位涌水量按规范和规定的要 求进行了换算。 该矿区 50 个 O2f 抽水孔孔径变化很大，最小 的为 89 mm，最大的达 394 mm，其中以 108 mm、 127 mm 和 146 mm 居多，约占总数的一半，有 2 个 孔没有孔径数据。 50 个 O2f 抽水孔中进行过三次降深抽水的钻孔 只有 16 个， 而且其中的 416 孔第三次降深抽水较 1、 2 次降深抽水时间相隔近 40 a，数据无法利用。其 余抽水孔除 2 个孔没有降深值外，都为两次降深抽 水（8 个孔）和 1 次降深抽水（30 个孔）。在这 38 个抽 水孔中，降深值都不等于 10 m，其中＞10 m 的有 9 个，1～5 m 的有 15 个（包括一次降深抽水的降深值 和两次降深抽水的较大降深值）， S＜1 m 的有 9 个孔， 最小降深值只有 0.12 m（详细抽水数据从略）。由于 研究区抽水孔数量较多，又有各种各样的孔径及各 不同的降深次数，有必要利用现有大量抽水资料进 行钻孔单位涌水量换算，以便科学合理地评价研究 区含水层的富水性，进行涌水量预测［8］，指导煤矿 安全生产。 2.2 钻孔单位涌水量的换算 2.2.1 三次降深抽水资料的换算 对 10 个有 3 次降深抽水资料中的 9 个按 规范 和规定的要求进行了换算，换算步骤较规定 稍作修改，基本步骤如下。 a. 步骤一 判定 Qf（S）曲线类型，由于承压 井抽水的 Q-S 曲线基本都是近似抛物线形态，只是 抛物线、幂曲线和对数曲线偏离 S 的距离不同，本 文省略了 Q-S 曲线的绘制，直接按下式计算的曲度 值来判别［9］。 曲度值 21 21 lglg lglg SS n QQ - - （1） 曲度值计算结果，当 n1 时，Q-S 曲线为直线； 当 1＜n＜2 时， 为幂曲线； 当 n2 时为抛物线； 当 n＞2 时，为对数曲线。如 n 明显小于 1，反映抽水数据 有误。根据三次降深数据，计算出 3 个曲度值，3 个曲度值进行大小比较。如果有任意两个相等或者 3 个相同，则按照曲度值的大小进行曲线类型的判 断，如果 3 个均不相同，则选取 S 接近 10 m 的两次 降深的计算结果来决定曲线的类型。 b. 步骤二 计算 Q-S 曲线中的待定系数 a 和 b。本文采用最小二乘法计算。 c. 步骤三 将计算的待定系数值代入对应的 Qf（S）方程后，就能得到预测 S 为 10 m 时钻孔涌 水量的经验公式。应该注意的是经验公式只适用已 知范围内的数据，不得随意外推。根据前人的研究， 不同类型经验公式的允许推断范围如下 直线方程 （） max 1.5～1.75SS 允 ≤ 抛物线方程 （） max 1.75～2.0SS 允 ≤ 幂曲线方程 （） max 1.75～2.0SS 允 ≤ 对数曲线方程 （） max 2.0～3.0SS 允 ≤ 上列式中， max S为三次降深抽水中最大的一次 降深值， 并且由于要换算的是 S 为 10 m 时的钻孔涌 水量，所以S允10 m。 d. 步骤四 换算孔径为91 mm（半径 r0.045 5） 的钻孔涌水量 Q91 ww 91w 9191 lglg lglg Rr QQ Rr ■■- ■■ - ■■ （2） 式中 91 Q、 91 R、 91 r为口径91 mm（半径为0.045 5 m） 的钻孔涌水量、影响半径和钻孔半径。Qw、Rw、rw 为抽水孔口径为 r 的钻孔涌水量、影响半径和钻孔 半径。 在进行孔径换算时应注意 ①由于 Rw 与 R91相差很小， 可以认为 Rw R91， 如果孔径相差较大，就必须进行井径换算。 ②影响半径的因素计算时需借助经验公式 10RSK 和裘布依公式 0.366 lg QR K Sr 求得 K 和 R，式中 R 为影响半径，K 为渗透系数；根据规程 取 S10，采用迭代法求得 R 和 K。 e. 步骤五 Q91除以 10即为换算后的钻孔单位 涌水量。 2.2.2 一次降深抽水资料选取换算 由于大量抽水孔并没有严格按照规程进行三次 降深的实验，如本矿区进行一次降深抽水试验的钻 孔占该层段全部抽水孔的 64％。如果能从这些抽水 成果中挖掘出一些 q 值，对于评价本区的富水性研 究都是极其有益的。 在对三次降深抽水资料计算的 Q-S 曲线类型基 本上都是幂函数型和对数函数型。构成幂曲线的主 要原因含水层渗透性能较好，其厚度相对较小， 补给来源相对较差，而对数型则常是一些相对隔离 ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 43 卷 的含水岩体或含水构造，地下水补给条件还不如幂 函数型。本区 O2f 抽水成果没有一个是反映补给条 件好，含水层厚，水量较大的抛物线型。由此可以 推断出，由于 O2f 的补给条件相对较差，只进行过 一次降深抽水成果如果也进行三次降深抽水，其抽 水成果得到的 Q-S 曲线类型也主要是幂函数型，少 数为对数型。 如果将三次降深抽水试验中每次降深抽水按 Qw/Sw直接计算的qw与由三次以上降深按Q-S曲线经 验方程推算的 Q10/s10求得的 q10作对比，就可以了解 到一次降深值不同时，qw与 q10的差值即相对误差大 小。然后按照其相对误差的大小进行统计，就可以进 一步了解到在允许误差范围内的降深值的大小，从而 可以判断允许降深值的有效范围。即根据有效降深值 范围内的一次降深值，用 Qw/Sw作为 q10，再进行孔径 换算求得 S10 m、r0.045 5 m 时的钻孔单位涌水量。 具体步骤是 a. 对有三次降深抽水的钻孔，对每次降深抽水 直接计算的 qw与按 Q-S 经验方程换算求得的 q10作 比较，并计算其相对误差； b. 对相对误差进行统计，确定允许误差范围， 进一步确定允许降深值； c. 根据允许降深值选择允许的一次降深数据， 进行井径换算，求 r0.045 5 m 时 Q91；按 10 10 Q′ 计算 S10 m，r0.045 5 m时的q91。 根据计算结果可以看出（表1）， 当同一钻孔（只有 降深变化没有井径变化）抽水，一次降深值小于10 m 时，qw与q10之误差基本为“正”值，而当一次降深值 大于10 m时，qw与q10之误差基本为“负”值，并且 小的愈多或大的愈多误差值会愈大， 根据选取的误差 范围选取出可以利用的抽水试验数据。 表 1 一次降深直接计算的 qw与按 Q-S 经验方程换算的 q10之对比 Table 1 Comparison of one time drawdown calculated and q10 conversion by Q-S equation 按抽水试验数据 按 Q-S 经验方程换算 误差 孔号 抽水降深 Sw /m Qw/（Ls-1） qw Qw/ Sw /（L（sm） -1） Q10/（Ls-1） q10/（L（sm） -1） δ 10 10 100 w qq q - C-11 3.49 4.300 1.232 1 6.608 0 0.660 8 86.45 GS-15 8.88 8.333 0.938 4 9.105 7 0.910 6 3.06 C-11 9.84 6.450 0.655 5 6.608 0 0.660 8 -0.80 GS-6 24.00 1.831 0.076 3 0.793 0 0.079 3 -3.79 GS-15 24.67 13.597 0.551 2 9.105 7 0.910 6 -39.47 2.2.3 两次降深抽水资料选取换算 选取出合适的一次降深抽水数据后，同样可以 挑选出两次降深的抽水数据，从而更好的对该地区 的富水性进行评价。 在对一次降深抽水的数据进行计算发现，只要 一次降深抽水的降深值在5～30 m内， 就可以将直接 计算的qw近似地视为q10，直接通过井径换算求得 S10 m、r0.045 5 m的钻孔单位涌水量。两次降深 抽水有两个降深值，本文分三种情况来进行考虑 a. 如果其中一个降深值在5～30 m， 就可以用来 计算qw或直接利用Qw通过井径换算后求得q10或 Q10； b. 如果两个降深值均在5～30 m的允许范围以 外，对该钻孔的抽水数据则弃之不用； c. 如果两次抽水的降深值都在5～30 m， 采用均 衡误差法，根据两次的抽水数据建立计算曲度值的 方程，根据计算的结果判断曲线类型，之后按照三 次降深法的换算步骤依次进行。 2.3 某矿区 q 值换算前后富水性之对比 根据前文提到的方法，将研究区收集到的相关 抽水试验资料进行分析、计算，得到研究区各抽水 孔换算后的单位涌水量，限于篇幅，表2为部分三 次降深的单位涌水量换算结果。 根据换算前后的结果， 进行含水层富水性分区， 图1、图2分别为单位涌水量换算前后的研究区含 水层富水性分区图。图中I 区q≤0.1为弱富水性， Ⅱ区0.1＜q≤1.0为中等富水性，Ⅲ区1.0＜q≤5.0为 强富水性，IV区q＞5.0 为极强富水性。 比较图1和图2可知，按换算后的q值编制的 富水性分区图，研究区不存在极强富水区，强富水 区的范围缩小了很多，中等富水区也减少了，全区 基本为弱等富水区。换算后的结果是根据权重来进 行计算，同时舍弃一些误差较大的抽水资料，换算后 的含水层富水性情况与研究区的实际情况比较吻合。 3 结结 论论 通过对钻孔单位涌水量换算的理论意义和实践 ChaoXing 第1期 奚砚涛等 钻孔单位涌水量换算的理论与实践 51 表 2 三次降深单位涌水量换算结果（部分） Table 2 Results of specific capacity conversion of three times drawdown （part） 孔号 含水层名称 水位降深/m 涌水量/（Ls-1） 单位涌水量/（L（sm） -1）单位涌水量换算后/（L（sm） -1） 1.68 1.33 0.791 7 3.78 2.8 0.740 7 C-24 O2f 6.68 4.08 0.610 8 0.058 41 3.49 4.3 1.232 1 5.65 5.7 1.008 8 C-11 O2f 9.84 6.45 0.655 5 0.660 7 图 1 单位涌水量换算前富水性分区图 Fig.1 Map of water rich property of aquifer before conversion 图 2 单位涌水量换算后富水性分区图 Fig.2 Map of water rich property of aquifer after conversion 意义的分析， 不难得出在水文地质勘探和矿井防治水 工作中应该重视这一工作的共识。 本文通过对抽水资 料进行分析，按照规程进行三次降深抽水资料的换 算；同时为了更好的利用该地区的抽水试验资料，分 别从一次、 两次降深抽水资料中选取出可以作为评价 该地区富水性的数据， 研究了不同抽水试验条件下的 单位涌水量的换算方法。结合某矿区抽水试验资料， 对比分析了按照规程进行单位涌水量换算前后的含 水层富水性分区图，研究结果表明，按照抽水试验 规程换算后的含水层富水性分区情况更符合研究区 的实际情况，取得了较好的效果，表明根据抽水试 验规程对抽水试验数据进行单位涌水量换算具有必 要性、科学性和实践性。 参考文献 ［1］ 国家技术监督局． GB127191991 矿区水文地质工程地质勘 探规范［S］. 北京中国标准出版社，1991． ［2］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿防治 水规定［M］．北京煤炭工业出版社，2009． ［3］ 李云峰. 基于Excel的Qf（S）及qf（S）曲线判别［J］. 中国煤炭地 质，2012，24（5）42-43. ［4］ 韩政兴. 最小二乘法在矿井涌水量计算中的应用［J］. 江西煤炭 科技，2008（2）51-52. ［5］ 刘埔，孙亚军，黄鑫磊，等．Q-S 曲线的MATLAB 拟合单位 涌水量换算方法［J］．煤矿安全，2011，42（8）11-14． ［6］ 魏新， 张玉东. 快速确定涌水量Q与降深S曲线类型的方法［J］. 山东煤炭科技，2011（2）210-211. ［7］ 薛建坤，许进鹏，宋淑光．钻孔单位涌水量换算的探讨［J］．煤 炭技术，2011，30（8）261-262． ［8］ 褚程程，杨滨滨. 灰色理论在矿井涌水量预测中的应用［J］. 煤 田地质与勘探，2012，40（2）55-58. ［9］ 吴吉春，薛禹群．地下水动力学［M］．北京中国水利水电出 版社，2009． （责任编辑 张宏） ChaoXing