直線圖解法與恢復水位法在大淑村井田水文地質(zhì)參數(shù)計算中的對比應用

王曉軍

（河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056200）

大淑村礦開采石炭、二疊系煤層，煤層埋藏深度達500～1 000 m，開采中受到水壓高達4～10 MPa的下伏巨厚奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓水的潛在威脅。依照《大淑村礦防治水中長期規(guī)劃》，為了查明礦井西部進水邊界水文地質(zhì)條件，人們在大淑村礦西翼進行井下放水試驗[1]。

為了對比不同計算方法的適用性和可靠性，本次放水試驗采用水位恢復法和直線圖解法（Jacob 直線圖解法），分別求取大淑村礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)。同時進行對比分析，選擇最佳的計算結(jié)果，進行推廣應用。

1 放水試驗系統(tǒng)

大淑村礦西翼奧陶系石灰?guī)r含水層放水試驗系統(tǒng)是充分利用本礦和薛村礦已有的水文地質(zhì)鉆孔，由井下鉆孔和地面鉆孔兩部分組成。通過調(diào)查分析最近礦井和當前課利用的水文地質(zhì)鉆孔和相應鉆孔的空間分布情況以及涌水量等數(shù)據(jù)，優(yōu)選O2 孔為代表來研究本次放水工作的試驗孔位，并將研究調(diào)查區(qū)O2 附近的大觀1、大觀3 以及正西方位較遠的大觀2 和正東方的W25、W27 孔作為觀測孔。根據(jù)W18 的特殊位置和井的形態(tài)構(gòu)成等情況，確定該孔為越流補給觀測孔[2]。上述不同方位的6 口井和鉆孔覆蓋了本礦區(qū)西部，可以控制下覆奧陶地層灰?guī)r水力關系觀測系統(tǒng)。

2 水文地質(zhì)參數(shù)計算

2.1 地下水數(shù)學模型建立

根據(jù)地層巖性特征、地下水所處層位和頂?shù)装鍘r性分析結(jié)果，大淑村礦區(qū)的地下水屬于承壓含水；位于礦區(qū)北部的胡峪斷層為壓扭性斷層，作為側(cè)向上的阻水斷層，并且距離試驗孔較遠，所以對研究區(qū)內(nèi)水頭變化的影響較小。因此，該研究區(qū)的含水層及奧陶紀峰峰組石灰?guī)r為一個無限延伸的含水層[3]。

參考區(qū)內(nèi)已有靜止水位觀測數(shù)據(jù)，峰峰組含水層天然狀態(tài)下水力坡度介于0.008 6%～0.618 0%，水力坡度較小，可以認為呈水平平衡狀態(tài)；放水孔屬于完整井定流量放水，孔徑為0.075 m；水頭下降所導致地下水從儲存量中瞬時釋放（如放水7 min 大觀1孔水位下降0.27 m，6 min大觀3孔水位下降0.43 m），含水層中地下水流服從達西定律（Darcy）。綜上所述可知，峰峰組石灰?guī)r含水層地下水基本符合泰斯公式（Theis）假設條件。

當放水時間t=0 時，滲流區(qū)域內(nèi)任何一點的水頭均為常數(shù)，其降深為零。在遠離降落漏斗中心的區(qū)域，降深亦為零，根據(jù)Darcy 定律，放水孔處故而本次單孔定流量承壓完整井流歸納為如下的參數(shù)模型：

利用上述參數(shù)公式建立的模擬模型可用作計算水文地質(zhì)參數(shù)。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)計算

在整個放水試驗過程中，流量和水位需要從正式放水初期一直到恢復水位采用非穩(wěn)定流進行動態(tài)觀測，即流量、水位加密觀測。其取得觀測資料較系統(tǒng)、精度高，足以滿足非穩(wěn)定流試驗要求，可以求解出準確的水文地質(zhì)參數(shù)。

2.2.1 直線圖解法求水文地質(zhì)參數(shù)

本研究的試驗解析法主要根據(jù)雅柯布（Jacob）近似公式來求解，公式為：

其具體求解水文地質(zhì)參數(shù)的做法是，用累計觀測時間和相應的水位降深值在單對數(shù)紙上作s～lgt關系曲線圖，用直線把吻合較好點連起來，直線與t軸相交一點，求得截距t0。直線斜率可在圖中的時間t的對數(shù)坐標軸上截取一個對數(shù)周期，使Δlgt=1，或用計算的方法求出。

作兩條平行于縱軸的線，截取一直線段，其直線段在縱軸上的投影長度就等于直線斜率。即由式（7）、式（8）可以計算出導水系數(shù)T。

由s～lgt關系曲線圖，當s=0 時，橫軸上的截距為t0。計算公式為：

本次井下放水試驗水位觀測資料完整系統(tǒng)，同一觀測孔中不同時間連續(xù)觀測的水位降深值，滿足非穩(wěn)定流直線圖解法求水文地質(zhì)參數(shù)的要求。

根據(jù)放水試驗觀測資料，用大觀1、大觀2、大觀3、W25、W27 孔的累計時間和水位降深值，分別在單對數(shù)紙上作s～lgt曲線（見圖1）[4-5]。

圖1 直線圖解法求解水文地質(zhì)參數(shù)示意圖

采用上述方法和計算公式即可求得導水系數(shù)T及儲水系數(shù)S。

2.2.2 水位恢復法求水文地質(zhì)參數(shù)

水位恢復法求水文地質(zhì)參數(shù)，是根據(jù)放水試驗停止以后，用不同時刻的剩余降深值來計算水文地質(zhì)參數(shù)T和S的方法。由于水位恢復過程排除了放水（抽水）過程中一些因素的干擾，因而恢復水位的降深～時間曲線一般比較規(guī)則，所求得的水文地質(zhì)參數(shù)比較接近實際情況。故選擇水位恢復法求水文地質(zhì)參數(shù)。同時也可與直線圖解法相互驗證。

利用式（10）可求出儲水系數(shù)S。

3 結(jié)論

求解的水文地質(zhì)參數(shù)正確與否，直接影響到奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r含水層的評價和礦井涌水量的預算。本次求解水文地質(zhì)參數(shù)用非穩(wěn)定流直線圖解法（Jacob 直線圖解法）和水位恢復法求解水文地質(zhì)參數(shù)T和S。兩種求解法所求得的水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)求解成果對比

由表1可知，本次利用的水位恢復法和直線圖解法所分別得到導水系數(shù)（T）數(shù)值相近，并且二者數(shù)據(jù)最大差值僅為0.146 4，根據(jù)數(shù)據(jù)分析和地質(zhì)特征方面綜合考慮，所求的導水系數(shù)（T）能夠真實、準確地反映含水層水文地質(zhì)特征。造成試驗結(jié)果中儲水系數(shù)（S）相差較大的原因是，本次放水試驗不滿足“放水持續(xù)時間tp較長而恢復時間較短”的前提條件，故恢復水位法所求取的儲水系數(shù)（S）僅供參考。綜上所述，以直線圖解法求得的導水系數(shù)（T）和儲水系數(shù)（S）作為評價含水層的依據(jù)是適宜的。