淺談煤礦防治水規(guī)定中單位涌水量的換算分析與應(yīng)用

王　燦，孟懷安

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊，安徽 宿州 234000)

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淺談煤礦防治水規(guī)定中單位涌水量的換算分析與應(yīng)用

王燦，孟懷安

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊，安徽 宿州 234000)

[摘要]依據(jù)煤礦防治水規(guī)定、煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)、水文地質(zhì)手冊、對抽水實驗鉆孔單位涌水量曲線來確定最佳選配類型，換算成口徑91 mm，抽水水位降深10 m來評價其富水性。

[關(guān)鍵詞]煤礦防治水規(guī)定；抽水試驗；涌水量公式；口徑91 mm；降深10 m

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》(國家安全監(jiān)管總局令第28號)已于2009年12月1日起施行，各大煤礦企業(yè)深入貫徹《防治水規(guī)定》，加強(qiáng)煤礦防治水工作，對井田內(nèi)主要充水含水層進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)勘工作，建立水位動態(tài)長期監(jiān)測網(wǎng)，有效防范遏制煤礦重特大水害事故，為促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)，將含水層富水性按鉆孔單位涌水量(q)以口徑91 mm、抽水水位降深10 m為準(zhǔn)分為以下4級：

(1)弱富水性：q≤0.1 L/s·m；

(2)中等富水性：0.1 L/s·m

(3)強(qiáng)富水性：1.0 L/s·m

(4)極強(qiáng)富水性：q>5.0 L/s·m。

若口徑、降深與上述不符時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行換算后再比較富水性。下面結(jié)合日常學(xué)習(xí)和工作實踐及參考資料，就其換算的過程與其淺談。共分三部分：一是根據(jù)抽水試驗Q=f(s)曲線確定涌水量的經(jīng)驗公式，二是換算成口徑91 mm，降深10 m的單位涌水量，三是結(jié)合工程實例演示其過程。

1涌水量經(jīng)驗公式的選配

計算井涌水量的穩(wěn)定流理論公式在導(dǎo)出過程中假定了許多理想的水文地質(zhì)條件，而在實際抽水時往往超出了這些假定條件，計算時帶來較大的誤差。在生產(chǎn)實踐中，常常根據(jù)抽水試驗資料做出水井的流量Q與水位降深S之間關(guān)系曲線，然后由該曲線通過數(shù)學(xué)方法找出Q和S之間關(guān)系的表達(dá)式，即配出經(jīng)驗公式，然后用它進(jìn)行水位或流量的預(yù)測。選配經(jīng)驗公式的一般步驟如下：

(1)根據(jù)抽水試驗資料，得到每一抽水落程穩(wěn)定時的流量Q和水位降深S，做出Q～S曲線。

(2)根據(jù)Q～S曲線的形狀，判斷經(jīng)驗方程的類型。

(3)確定經(jīng)驗公式的系數(shù)，建立經(jīng)驗公式。

(4)根據(jù)經(jīng)驗公式，進(jìn)行流量(或降深)的預(yù)測。一般預(yù)測的降深不能超過抽水試驗時最大降深的1.5～2倍。不允許利用降深很小的試驗資料所建立的經(jīng)驗公式來預(yù)測大降深時的流量。

1.1Q=f(s)曲線類型

抽水試驗出現(xiàn)不同類型的Q=f(s)曲線，是與試驗地區(qū)地段的水文地質(zhì)條件密切相關(guān)的，同時也與井位、井(孔)結(jié)構(gòu)、試驗方法等因素有關(guān)，只有當(dāng)井(孔)位置、結(jié)構(gòu)、試驗方法等合理的前提下，曲線類型才能正確反映當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件。根據(jù)實踐經(jīng)驗，當(dāng)抽水時間相當(dāng)長，在抽水井內(nèi)及井附近地區(qū)地下水運動出現(xiàn)相對穩(wěn)定狀態(tài)時，承壓水的涌水量(Q)與水位降深(S)的關(guān)系曲線有直線型、拋物線型、冪函數(shù)曲線型、對數(shù)曲線型等多種類型。當(dāng)然，在實際抽水試驗時也可能遇到其他類型的曲線，可用類似的方法處理。

1.1.1直線型

表示滿足承壓水的裘布依公式，Q和S有如下關(guān)系：

Q=qs

承壓井出現(xiàn)Q=f(S)為直線的條件是：抽水試驗條件接近于裘布依推導(dǎo)時的假定條件，即含水層比較均質(zhì)，厚度變化小，近乎水平，滲透性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好，水位降深較小，井孔附近阻力甚小，整個流程為二維流，滲流符合達(dá)西定律。

1.1.2拋物線型

涌水量曲線方程式為：S=aQ+bQ2

式中：a、b為待定系數(shù)，根據(jù)抽水試驗資料確定，該方程稱為凱列爾公式。

將公式兩邊除以Q，得到直線化拋物線涌水量曲線方程：即S/Q=a+bQ S/Q=S0，

得：S0=a+bQ

拋物線型曲線，一般代表含水層的補(bǔ)給條件較好，分布比較廣、厚度比較大、透水性比較強(qiáng)，水量比較豐富的一種特征曲線。抽水井的出水量、水位都比較容易達(dá)到相對穩(wěn)定。停抽后，水位恢復(fù)很快，水位恢復(fù)曲線拐折點明顯，當(dāng)出現(xiàn)拐折點很快能達(dá)到或者非常接近抽水前得穩(wěn)定水位。

1.1.3冪函數(shù)曲線型

式中：n、m為待定系數(shù)，根據(jù)抽水試驗資料確定，該方程又稱為斯姆列蓋爾公式。

對式等號兩邊取對數(shù)，既得直線化的指數(shù)曲線方程：

此類曲線常出現(xiàn)在含水層滲透性能較好，其厚度相對較大，補(bǔ)給來源相對較差的地區(qū)。反映在抽水試驗過程中特點是：當(dāng)水位降深較小時，出水量隨著水位降深的加大增加的幅度較大。當(dāng)水位降到一定深度后，出水量隨著水位降深的加大而增加的幅度變得很小。抽水井的水位、水量不易達(dá)到相對穩(wěn)定，它將隨著時間的延續(xù)呈現(xiàn)明顯的有系統(tǒng)的下降趨勢。水位恢復(fù)曲線一般拐點仍明顯，但拐折點之后經(jīng)過較長時間才能接近抽水的得穩(wěn)定水位。

1.1.4對數(shù)曲線型

其方程式為：Q=a+blgS

式中：a、b為待定系數(shù)，根據(jù)抽水試驗資料確定，該方程又稱為阿里托夫斯基公式。

對數(shù)型曲線常出現(xiàn)在一些相對隔離的含水層、含水體，其分布范圍較大，地下水補(bǔ)給條件較差。抽水過程中，出水量隨著水位降深的加大增加的很小，在Q=f(s)曲線圖上，曲線靠近s軸，每次降深的水位、水量都很難達(dá)到穩(wěn)定，隨著抽水時間的延續(xù)呈現(xiàn)階梯狀的系統(tǒng)下降，整個抽水過程地下水呈現(xiàn)非穩(wěn)定運動狀態(tài)。停抽后，水位恢復(fù)很慢，拐點不明顯，而且恢復(fù)不到抽水試驗前的穩(wěn)定水位。

1.2Q=f(s)曲線類型的鑒別方法

鑒別涌水量曲線類型的方法，目前常用的有伸直法(圖解法)，差分法和曲度法。

1.2.1伸直法

根據(jù)三次以上不同水位降深的抽水試驗資料繪制Q=f(s)曲線，若Q=f(s)是直線關(guān)系，則很容易判斷涌水量曲線為直線型。若不是直線關(guān)系，則將曲線方程以直線關(guān)系式表示，并以直線關(guān)系式中兩個相對應(yīng)的函數(shù)建立坐標(biāo)系。

即把抽水試驗取得的涌水量和相對應(yīng)的水位降深資料以S0、Q，lgQ和Q、lgS為直角坐標(biāo)系分別繪制S0=f(Q)，lgQ～f(lgS)和Q～f(lgS)曲線，進(jìn)行伸直判別，其中呈直線者，即為待確定的曲線類型。

1.2.2差分法

根據(jù)差分理論，凡屬同一直線方程其一階差分均相等，即為一常數(shù)，因此直線化后的各種曲線方程的一階差分也應(yīng)相等。這樣，就可以利用差分原理，對各種類型曲線進(jìn)行判別計算，其判別公式如下：

直線型Q=qS

拋物線型S0=a+bQ

對數(shù)型Q=a+blgS

若計算結(jié)果上述各方程中的一階差分不相等，則曲線不完全適合所確定的方程類型，此時可根據(jù)差分誤差計算進(jìn)行判別比較。一階差分誤差的大小可用曲線擬合誤差C表示：

1.2.3曲度法

用曲度n值進(jìn)行鑒別，其表達(dá)式如下：

當(dāng)n=1時，為直線型；當(dāng)n=2時，為拋物線型，當(dāng)12時，為對數(shù)型，如果n<1一般為異常型曲線(抽水資料有誤)。

1.3確定涌水量曲線方程式中待定參數(shù)的方法

1.3.1作圖選點法

將抽水試驗實測數(shù)據(jù)，按直線關(guān)系點入相應(yīng)的直角坐標(biāo)圖中，作一直線，使該直線通過實際資料點最多，同時使直線不能通過的點均勻地分布在直線的兩側(cè)。直線畫出后，可以選取該直線上任意點或者根據(jù)直線兩要素(斜率和截距)來計算參數(shù)。參數(shù)a為坐標(biāo)系中截距，可直接量得，參數(shù)b是其直線段斜距(正切)，可分別變成：

1.3.2均衡誤差法(分組平均法)

根據(jù)二次不同降深的抽水資料，作聯(lián)立方程求得：

拋物線方程：

冪函數(shù)曲線程：

對數(shù)曲線方程：

1.3.3最小二乘法

(N為抽水試驗的落程次數(shù))

以上介紹的確定涌水量曲線方程中參數(shù)的方法，以作圖選點法最為簡單易作，但精度低，最小二乘法是幾種方法中精度最高的，但它的計算工作量最大。

一般的方式，采用伸直法及曲度法判定涌水量曲線類型，采用最小二乘法確定待定系數(shù)。

2單位涌水量的換算

按規(guī)程要求，野外抽水試驗孔徑一般≥108 mm，依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》，含水層富水性評價時，單位涌水量統(tǒng)一到以口徑91 mm抽水水位降深10 m為準(zhǔn)，因而要進(jìn)行井徑換算，其方法：

根據(jù)Q-S曲線類型確定降深10 m時抽水孔的涌水量，再用下面公式計算口徑為91 mm時的涌水量，最后除以10 m，便是單位涌水量。

(1)

式中：Q91、R91、r91為孔徑為91 mm的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑；Q孔、R孔、r孔為孔徑為r的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑

(1)式為井徑流量換算的常用公式，它是根據(jù)裘布依公式導(dǎo)出。井徑與涌水量的關(guān)系是比較復(fù)雜的，是目前尚未解決好的問題。

3實例演示

淮南某井田松散層中含抽水，含水層以中、細(xì)砂為主，厚度60.70 m，鉆孔半徑r=0.054 m，抽水試驗資料如表1，簡略評價含水層富水性。

3.1鑒別曲線類型

3.1.1伸直法

試驗現(xiàn)場所作Q～S曲線，不是直線類型，而是三種曲線類型中的一種。分析整理抽水試驗資料如表1，作S0=f(Q)，lgQ=f(lgS)和Q=f(lgS)三種曲線(圖1)，從圖1可以看出圖1(b)最接近直線關(guān)系，為冪函數(shù)曲線類型。

3.1.2曲度法

所得：1

3.2確定待定系數(shù)

經(jīng)鑒別抽水試驗涌水量曲線類型為冪函數(shù)型，即,采用作圖選點法和最小二乘法求取待定系數(shù)n、m值。

3.2.1作圖法

3.2.2最小二乘法

涌水量曲線方程式可以寫為

3.2.3驗算

將抽水試驗三次s值代入上式，求得Q1=11.61，Q2=15.1，Q3=18.84，與抽水試驗三次涌水量相比較是接近的，采用最小二乘法計算是精準(zhǔn)的。

3.3單位涌水量換算

經(jīng)配型，抽水試驗涌水量曲線類型為冪函數(shù)型，即

Q=4.7554S0.544

當(dāng)降深為10 m時，涌水量為Q=16.64 L/s。

經(jīng)計算口徑為91 mm，降深為10 m時的單位涌水量為q=1.63 L/m·s，按此評價含水層的富水性為強(qiáng)富水性含水層。

(a)　　　　(b)　　　　(c)

原始資料降程S(m)Q(L/s)qS0lgSlgQ(lgS)2Q2(拋)lgSlgQ(冪)QlgS(對)15.1611.602.2480.44480.71261.06450.5079134.560.75868.266228.3615.141.8110.55220.92221.18010.8505229.21961.088313.9621312.5618.841.500.66671.0991.27511.2078354.94561.401320.7052∑45.582.73383.51972.5662718.72523.248242.9335

參考文獻(xiàn)

[1]煤礦防治水規(guī)定.煤炭工業(yè)出版社.2009.

[2]煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn).國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局發(fā)布.2009.

[3]水文地質(zhì)手冊.地質(zhì)出版社.1983.

[中圖分類號]P641.4+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0067-03

[作者簡介]王燦(1982-)，男，安徽宿州人，工程師，主要從事水文地質(zhì)與煤田地質(zhì)勘探。

[收稿日期]2015-10-28