貴州某厚大溶蝕－裂隙承壓含水層儲(chǔ)存量計(jì)算

趙 鵬,李紅偉,徐大寬

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南長(zhǎng)沙 410000)

貴州某厚大溶蝕－裂隙承壓含水層儲(chǔ)存量計(jì)算

趙 鵬,李紅偉,徐大寬

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南長(zhǎng)沙 410000)

在礦區(qū)水文地質(zhì)條件的研究過(guò)程中,針對(duì)涌水量的計(jì)算的難題提出了采用大流量、大降深的群孔抽水試驗(yàn)來(lái)求取含水層給水度μ和降落漏斗面積F的值,并根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,得出等幅下降值,以確定整個(gè)漏斗內(nèi)水位的下降值。同時(shí)對(duì)儲(chǔ)存量和動(dòng)流量進(jìn)行區(qū)分,計(jì)算疏排量和疏排時(shí)間的關(guān)系,得到了厚大含水層下礦井的排水能力應(yīng)為25134.8m3/d。

礦井涌水量;含水層;抽水試驗(yàn);等降深線(xiàn)

0 引 言

礦井涌水量是礦山水害防治工作的一個(gè)關(guān)鍵且具有基礎(chǔ)意義的量[1]。它是礦井生產(chǎn)系統(tǒng),特別是礦井防排水系統(tǒng)能力及其在井下分配分布情況設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是礦井制定水害防治技術(shù)路線(xiàn)和防治水工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)的依據(jù)[2]。

近年來(lái),礦井涌水量的預(yù)測(cè)方法不斷更新,從解析法、水文地質(zhì)比擬法、水均衡法等確定性方法逐漸發(fā)展為模糊數(shù)學(xué)模型、灰色系統(tǒng)理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非確定性預(yù)測(cè)方法[3-4]。

本文以礦區(qū)半工業(yè)性大井群孔抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),結(jié)合區(qū)域地下水資源的均衡計(jì)算和礦區(qū)單孔抽水試驗(yàn)資料,運(yùn)用地下水動(dòng)、靜轉(zhuǎn)化基本原理[5]。分析研究厚大承壓含水層降落漏斗內(nèi)單位儲(chǔ)存量計(jì)算方法,從而確定開(kāi)采設(shè)計(jì)需要的疏排水中段儲(chǔ)存量及疏排時(shí)間。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)位于貴州省甕安縣,礦層賦存于白巖背斜北傾伏端[6]。礦層頂板燈影組白云巖溶蝕－裂隙承壓含水層厚約300m,受多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,節(jié)理裂隙、溶孔、晶洞發(fā)育,裂隙率為0.7%～2.95%,滲透系數(shù)為0.151～0.103m/d,含水層出露面積13.3 km2,補(bǔ)給源主要為大氣降水和巖根河局部滲漏,形成背斜控水,裂隙、孔洞賦水的封閉式泉排型巖溶地下水完整水文地質(zhì)單元。

2 承壓含水層動(dòng)流量與疏干排水量的關(guān)系

礦區(qū)含水層中水資源由動(dòng)流量、儲(chǔ)存量和疏干消耗量3部分組成。這3部分并不是彼此孤立,而是可以相互轉(zhuǎn)化。在天然條件下,同一水文地質(zhì)單元上游的動(dòng)流量,進(jìn)入含水層轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存量,同時(shí)下游的儲(chǔ)存量不斷轉(zhuǎn)化為疏干消耗量。在疏排條件下,疏排量是由漏斗范圍內(nèi)的儲(chǔ)存量以及流入漏斗區(qū)的動(dòng)流量?jī)刹糠纸M成的。礦區(qū)地下水的動(dòng)流量、儲(chǔ)存量和消耗量的轉(zhuǎn)化過(guò)程是礦區(qū)地下水在天然和人工疏排條件下運(yùn)動(dòng)的普遍現(xiàn)象。

老虎洞礦區(qū)為遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)的承壓含水層的礦區(qū),當(dāng)彈性?xún)?chǔ)存量不斷消耗(疏排),漏斗也不斷擴(kuò)展,其疏排量組成關(guān)系為:

式中:Q疏排——預(yù)計(jì)礦區(qū)疏排量,m3/d;

ΔQ補(bǔ)——礦區(qū)動(dòng)流量補(bǔ)給量,m3/d;

ΔQ消——天然消耗量,即天然狀態(tài)下泉排泄量和天然蒸發(fā)量,m3/d;

μFΔh/Δt——降落漏斗內(nèi)提供的單位面積儲(chǔ)存量,m3/d;

μ——含水層的給水度;

F——降落漏斗面積,m2。

當(dāng)ΔQ補(bǔ)和ΔQ消量有限時(shí),Q疏排主要為降落漏斗范圍內(nèi)的儲(chǔ)存量μFΔh/Δt。這種不斷消耗承壓含水層中彈性?xún)?chǔ)存量和溶蝕裂隙中重力水而無(wú)法使漏斗穩(wěn)定的礦區(qū),稱(chēng)為非穩(wěn)定的消耗型礦區(qū)。

3 疏排漏斗內(nèi)單位儲(chǔ)存量計(jì)算

在疏排漏斗范圍內(nèi)出現(xiàn)等幅下降的過(guò)程中,任一時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)存量的變化量,應(yīng)該等于該時(shí)段抽出的水體積。即為:

式中:QΔt——在Δt時(shí)段內(nèi)抽出的地下水總量, m3/d;

μF——當(dāng)水頭下降一個(gè)單位時(shí),降落漏斗面積內(nèi)釋放的儲(chǔ)存量(靜儲(chǔ)量),m3/m;

ΔS——在Δt時(shí)段內(nèi)漏斗內(nèi)水位等幅下降值,m/d;

ΔQ補(bǔ)——在Δt時(shí)段內(nèi)漏斗內(nèi)的動(dòng)流量補(bǔ)給量,m3/d。

從公式(2)可知,要精確求出μ和F比較困難,必須在抽水過(guò)程中求出ΔS值(即等幅下降值)。為此,抽水總量應(yīng)達(dá)到動(dòng)、靜轉(zhuǎn)化,必須形成動(dòng)水位等幅下降,以便確定整個(gè)漏斗內(nèi)水位下降值。

老虎洞磷礦區(qū),設(shè)計(jì)3個(gè)大口徑抽水鉆孔,抽水能力達(dá)到11520m3/d。該礦區(qū)抽水試驗(yàn)從2015年9月11日起至2015年10月25日止,歷時(shí)45d。抽出總水量約38萬(wàn)m3,抽水規(guī)模達(dá)到半工業(yè)型試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,抽水試驗(yàn)期間24h各觀測(cè)孔地下水位埋深變化平均值曲線(xiàn)見(jiàn)圖1,抽水試驗(yàn)期間各抽水孔流量變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

表1 老虎洞磷礦區(qū)抽水試驗(yàn)結(jié)果

圖1 抽水試驗(yàn)期間24h各觀測(cè)孔地下水位埋深變化平均值

圖2 抽水試驗(yàn)期間各抽水孔流量變化

根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)抽水試驗(yàn)進(jìn)行到第18d (9月30日)時(shí),漏斗內(nèi)各觀測(cè)孔水位開(kāi)始出現(xiàn)等幅下降,等幅下降延續(xù)至10月3日,這4d的平均等幅下降值為0.169m/d(見(jiàn)圖1),此4d的抽水量基本不變,平均值為11182m3/d(見(jiàn)圖2)。同時(shí),據(jù)9月30日至10月3日共4d的等降深線(xiàn)圖(見(jiàn)圖3),這4d的等降深線(xiàn)圖形態(tài)基本一致,說(shuō)明漏斗已達(dá)邊界,出現(xiàn)動(dòng)靜轉(zhuǎn)化,反應(yīng)出漏斗范圍內(nèi)的動(dòng)流量補(bǔ)給嚴(yán)重不足,此時(shí)抽水以消耗儲(chǔ)存量為主。

根據(jù)表1的第二個(gè)降深S2,當(dāng)抽水量為7128.48 m3/d時(shí),漏斗內(nèi)各觀測(cè)孔水位和抽水量出現(xiàn)穩(wěn)定值,即達(dá)到相對(duì)均衡,見(jiàn)圖1、圖2。確定動(dòng)流量出現(xiàn)區(qū)間值為7182.48～11137.44m3/d,在計(jì)算中近似取值7182.48m3/d,根據(jù)以上抽水資料利用公式(2)來(lái)計(jì)算漏斗內(nèi)單位儲(chǔ)存量:μF＝QΔt－ΔQ補(bǔ)/ΔS＝11137.44－

7182.48 /0.169＝23402.13m3/m

故漏斗范圍內(nèi),地下水頭每下降一個(gè)單位,釋放出來(lái)的地下水儲(chǔ)存量為23402.13m3。

圖3 等降深線(xiàn)圖

4 疏排中段儲(chǔ)存量、疏排量及疏干時(shí)間計(jì)算

根據(jù)礦山建設(shè)需要,結(jié)合礦山設(shè)計(jì)的首采中段,礦山基建期間必須把礦區(qū)地下水位由目前的1000 m標(biāo)高降至400m標(biāo)高,方能確保礦山建設(shè)免受水害的威脅。根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件,礦山建設(shè)初期擬采用地表疏干井群對(duì)淺部(700m標(biāo)高以上)地下水進(jìn)行預(yù)先疏干,這部分地下水的疏排量和疏排時(shí)間計(jì)算如下:

4.1 700m標(biāo)高以上的儲(chǔ)存量

目前礦區(qū)平均地下水位標(biāo)高為1000m,當(dāng)疏干至700m標(biāo)高時(shí),地下水位降低值為300m。

根據(jù)大井抽水試驗(yàn),抽水降落漏斗內(nèi)地下水位等幅下降值為0.169m/d,同期對(duì)應(yīng)的大井抽水量為11137m3/d,降落漏斗內(nèi)單位儲(chǔ)存量為23402.13 m3/m(已減去同一時(shí)間的動(dòng)流量7182.48m3/d)。

故700m標(biāo)高以上的儲(chǔ)存量為23402.13m3/m ×300m＝7020639m3。

4.2 700m標(biāo)高以上疏排量與疏排時(shí)間的關(guān)系

疏排量Q的計(jì)算采用公式(3)計(jì)算:

式中:Q疏排量——700m標(biāo)高預(yù)計(jì)疏排量,m3;

μF——當(dāng)水頭下降一個(gè)單位時(shí),降落漏斗面積內(nèi)釋放的儲(chǔ)存量(靜儲(chǔ)量),m3/m; Smax——預(yù)計(jì)疏干標(biāo)高的水位最大降低值,m;

S0——預(yù)計(jì)疏干標(biāo)高的殘余水頭,m。

根據(jù)式(3),當(dāng)疏排中段設(shè)在700m標(biāo)高,殘余水頭為20m,疏干時(shí)間為一年,疏排量為9174201 m3,所需排水能力為25134.8m3/d;當(dāng)疏排中段設(shè)在700m標(biāo)高,殘余水頭為20m,疏干時(shí)間為兩年,疏排量為11795806m3,所需排水能力為16158.64 m3/d。疏排量與疏排時(shí)間關(guān)系見(jiàn)下表2。

表2 700m標(biāo)高疏排時(shí)間與疏排量關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)礦井正常動(dòng)流量為7182.48m3/d,如確定疏排時(shí)間為一年時(shí),預(yù)計(jì)疏排至700m中段,疏排量為9174201m3,排水能力需達(dá)到25134.8m3/d。

(2)本計(jì)算方法,需對(duì)礦區(qū)進(jìn)行大流量、長(zhǎng)時(shí)間抽水試驗(yàn),以求得降落漏斗內(nèi)地下水位等幅下降值,需投入較大資金。

(3)本計(jì)算方法回避了含水層給水度、降落漏斗面積等較難確定的參數(shù)。

(4)本方法適用于含水層厚度較大、動(dòng)流量有限、儲(chǔ)存量巨大的礦區(qū)。

[1]虎維岳,閆 麗.對(duì)礦井涌水量預(yù)測(cè)問(wèn)題的分析與思考[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(1):13-18.

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[3]陳酩知,劉樹(shù)才,楊國(guó)勇.礦井涌水量預(yù)測(cè)方法的發(fā)展[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2009,6(1):68-72.

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2017-04-20)

趙 鵬(1983－),男,云南巧家縣人,工程師,主要從事礦山水文地質(zhì)及其防治水工作,Email:85368698＠qq.com。