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      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

      2019-11-07 11:30:38王曉軍
      中國資源綜合利用 2019年10期
      關鍵詞:圖解法大觀水文地質(zhì)

      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。

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