解析法與配線法在弱膠結砂巖水文地質參數(shù)的計算應用

孫建西 付應凱 王 波

（新汶礦業(yè)集團有限責任公司，山東 新泰 271233）

1 概況

伊犁一礦位于新疆伊犁哈薩克自治州西南部察布查爾錫伯自治縣南30 km， 試采煤層為5 煤，煤層厚度9.20～23.95 m，平均厚度19.21 m。本區(qū)位于天山山前，沖洪積層接受天山雪融水直接補給，地下水補給充沛,徑流條件較好。5 煤底板隔水層薄，承壓高，富水性好，且補給、徑流條件復雜，對5煤開采威脅大，水文地質參數(shù)、疏降可行性、涌水量等還有待進一步查明。

通過水文補勘，結合已有水文孔，針對各主要充水含水層開展“大流量、大降深、長延時”群孔抽（放）水試驗，以充分暴露各含水層的補給條件、邊界條件。利用抽（放）水試驗資料，進一步求取各含水層水文地質參數(shù)。設計FS1、FS2、FS3、FS4 四個底板放水孔及兩個觀測孔GC1 和GC2，四個放水孔集中放水不僅能形成“大流量、大降深、長延時”的疏放效果，而且在高強度放水條件下，充分暴露研究區(qū)水文地質條件，達到試驗目的。

2 解析法求參

5 底砂含水層未被完全揭穿，因此，在計算5底砂水文地質參數(shù)時，按照非完整井穩(wěn)定流計算。對5 底砂放水試驗而言，利用觀測孔放水階段的數(shù)據(jù)，考慮井壁進水和井底進水兩階段，采用非完整井巴布什金公式對其求參，公式如下：

式中：Q為鉆孔放水時流量，m3/d；s為水位降深，m；l 為放水孔進入含水層的厚度，m；r 為放水孔半徑，m；K 為滲透系數(shù)，m/d。

由于非完整井巴布什金公式是針對的單孔無觀測孔的推導公式，并不適用于群孔放水試驗。將群孔放水試驗概化為一個“單孔放水”，其流量為群孔放水的總流量80 m3/h，降深為放水中心FS2 的降深52 m，各放水孔的平均半徑rw為0.046 3 m，各個放水孔平均進尺為22.4 m，見表1。

表1 放水鉆孔平均進尺及孔徑表

將各參數(shù)的值代入上式，求得K=1.352 m/d。

3 配線法求參

（1）配線法原理

由于放水階段流量并不穩(wěn)定，對于非穩(wěn)定流求參，一般按照Theis 公式或其變形式Jacob 公式進行求參，公式如下：

式中：S為水位降深，m ；Q為放水孔流量，m3/d；T 為導水系數(shù)，T=KM；t 為自放水開始至計算時刻的時間，d；r 為計算點到放水孔的距離，m；μ*為含水層的儲水系數(shù)，μ*=μsM；M 為含水層厚度，m；W（u）為Theis 井函數(shù)。

（2）參數(shù)計算

對于5 底砂含水層而言，群孔放水試驗，在用配線法求取T、u 時無法分別獲取各個放水孔對觀測孔產生的降深，故可將FS1、FS3、FS4、GC1 和5 底砂Sy-9 看作一個大流量的單個抽水孔，穩(wěn)定流量為80 m3/h，利用配線來求取參數(shù)。

利用FS2 觀測孔的時間-降深（s-t）曲線求取參數(shù)，F(xiàn)S2 距放水中心的距離為96 m，放水開始到第5760 min 水位穩(wěn)定，穩(wěn)定降深52 m。如圖1 所示。

圖1 FS2 觀測孔Theis 配線圖

求得：T=19.234 m2/d，K=T/M=0.86 m/d。

利用GC2 觀測孔的時間-降深（s-t）曲線求取參數(shù)，GC2 距放水中心的距離為80m ，放水開始到第5760 min 水位穩(wěn)定，穩(wěn)定降深68 m。如圖2 所示。

圖2 GC2 觀測孔Theis 配線圖

求得：T=8.8 m2/d，K=T/M=0.395 m/d。

利用5 底砂x-2 觀測孔的時間-降深（s-t）曲線求取參數(shù)，5 底砂x-2 距放水中心的距離為356 m，放水開始到第4830 min 水位穩(wěn)定，穩(wěn)定降深35.4 m。如圖3 所示。

圖3 X-2 觀測孔Theis 配線圖

求得：T=15.28 m2/d，K=T/M=0.687 m/d。

在配線過程中發(fā)現(xiàn)，5 底砂所有觀測孔的s-t/r2曲線與Theis 標準曲線擬合均有明顯的下垂趨勢，并沒有與Theis 標準曲線完全重合，這可能是由于5 底砂抽水過程中，承壓含水層在重力釋水階段存在滯后效應造成的，即Boulton 滯后效應，故采用Boulton 模型進行配線法求參。如圖4 所示。

圖4 FS2 觀測孔Boulton 配線圖

FS2 求得：T=16.75 m2/d，K=T/M=0.747 m/d。

圖5 GC2 觀測孔Boulton 配線圖

GC2 求 得：T=8.01 m2/d，K=T/M=0.357 m/d。如圖5 所示。

圖6 X-2 觀測孔Boulton 配線圖

5底砂x-2求得：T=15.27 m2/d，K=T/M=0.68 m/d。如圖6 所示。

4 求參結果分析

利用解析法和配線法求得的滲透系數(shù)K 為0.357～1.352 之間，用解析法與配線法求取的參數(shù)差異2.5 倍左右，但Theis 配線和Boulton 配線法兩者之間求取的K 值基本接近，求得參數(shù)差異的主要原因是實際放水試驗條件無法完全滿足兩種方法的理論條件造成的。綜上，將配線法求得K 值0.595～0.647作為推薦選用的參數(shù)。求參方法比較表見表2。

表2 求參方法比較表

5 結論

（1）通過解析法和配線法分別對礦井5 煤層底板弱膠結砂巖含水層滲透系數(shù)進行了求取，并對兩種方法求取的參數(shù)進行了對比分析，對含水層滲透性有了更加清晰的認識，為礦井5 煤層底板砂巖水害防治及類似條件的含水層水害防治提供了依據(jù)。

（2）通過兩種方法對比發(fā)現(xiàn)，由于配線法取得的參數(shù)是經過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)擬合獲得，可靠性較高；其次，Theis 配線和Boulton 配線法取得的參數(shù)和以往5 底砂參數(shù)（K=0.765 m/d）相差不大。因此配線法求參更適合該礦井區(qū)域的5 煤層底板砂巖參數(shù)求取。