基于含水層-鉆孔水量交換的疏水鉆孔水量計(jì)算

劉 基，靳德武，王 皓

(1.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

我國(guó)西部地區(qū)侏羅紀(jì)煤炭資源豐富[1]，其侏羅系延安組煤層開(kāi)采普遍受到頂板水害的威脅[2-3]。目前，采用鉆孔進(jìn)行大降深、大流量超前預(yù)疏放是煤礦頂板水害主要防治工程措施[4]。在一些特定的礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下，超前疏排煤層頂板直接或間接充水含水層水是惟一的防治手段[5]。頂板疏放水鉆孔的設(shè)計(jì)(長(zhǎng)度、仰角、數(shù)量等)直接關(guān)乎鉆探工程量、疏放時(shí)間及疏放水效果[6]，同時(shí)為工作面防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及制定可控疏放方案提供直接參考。

井下疏放水是利用鉆孔孔口標(biāo)高低于充水含水層水位標(biāo)高的天然條件，使含水層地下水從鉆孔中自然涌出，從而有效降低充水含水層水位(頭)的方法。由于承壓含水層水頭較大，大降深、大流量的井下疏放水，與地面抽水有很大區(qū)別，常規(guī)井流理論不適用于井下疏放水過(guò)程。目前，有關(guān)煤層頂板疏放水量計(jì)算多采用點(diǎn)源線(xiàn)匯理論[6-8]，根據(jù)多目標(biāo)管理模型對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[9]。該方法一方面適用性未得到充分驗(yàn)證[10]，另一方面未考慮疏放水鉆孔內(nèi)復(fù)雜的流態(tài)特征[11]，同時(shí)，不能解決鉆孔穿透多個(gè)含水層的水量分配問(wèn)題[12]，導(dǎo)致計(jì)算精度不高，不能滿(mǎn)足疏放水鉆孔工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，因此目前對(duì)疏放水鉆孔參數(shù)的優(yōu)化工作開(kāi)展較少。

事實(shí)上，傾斜鉆孔疏放水時(shí)鉆孔內(nèi)水流流態(tài)具有管道流特征[11]，整個(gè)含水層-鉆孔系統(tǒng)可分解為含水層和鉆孔2個(gè)子系統(tǒng)。含水層子系統(tǒng)可以用滲流方程來(lái)刻畫(huà)，而鉆孔子系統(tǒng)可以近似看作為一個(gè)小型管道系統(tǒng)，通過(guò)滲流-管流耦合模型來(lái)描述。

“滲流-管流耦合模型”最早應(yīng)用在供水水文地質(zhì)水資源量評(píng)價(jià)領(lǐng)域[13-14]，該模型充分考慮了鉆孔內(nèi)多流態(tài)并存的水流特征[11，13]，已廣泛用于水平井[15]、滲流井[16-17]、輻射井[18-19]等取水建(構(gòu))筑物水量計(jì)算中，效果良好。筆者借鑒“滲流-管流耦合模型”理論及能量守恒定律，以含水層-鉆孔間水量交換量為耦合點(diǎn)，構(gòu)建煤層頂板復(fù)合充水含水層傾斜疏放水鉆孔定降深放水的含水層-鉆孔系統(tǒng)耦合模型。以母杜柴登礦井井下疏放水工程為例，研究鉆場(chǎng)內(nèi)不同參數(shù)(角度、數(shù)量等)下鉆孔涌水量的變化特征，確定鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔最佳長(zhǎng)度、仰角和數(shù)量等參數(shù)，為疏放水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 基于含水層-鉆孔水量交換的疏放鉆孔水量計(jì)算模型

1.1 含水層子系統(tǒng)滲流模型

疏放水鉆孔放水時(shí)，含水層中地下水流呈現(xiàn)明顯的承壓三維流，其滲流模型可表示為

(1)

式中，Kxx，Kyy和Kzz為沿x,y,z軸方向的主滲透系數(shù)，這里假設(shè)滲透系數(shù)的主方向和坐標(biāo)軸的方向一致;h為水頭高度;Ss為多孔介質(zhì)的彈性釋水率;t為時(shí)間。

1.2 鉆孔子系統(tǒng)管流模型

疏放水鉆孔近似看作一小型管道。當(dāng)管道完全飽和時(shí)，其流動(dòng)可以假定為沿管道軸線(xiàn)的一維流。19世紀(jì)50年代末，通過(guò)對(duì)直筒形管道中水流的實(shí)驗(yàn)表明，沿管道的水頭損失與速度水頭和管道長(zhǎng)度直接相關(guān)，與管道直徑成反比[20]。Darcy,Weisbach和其他水力學(xué)研究者提出以下適用于紊流和層流的一般方程:

(2)

在管道中v=nu,其中n=1,v=u。此時(shí)方程(2)可變?yōu)?/p>

(3)

式中，ΔH為沿程水頭損失;f為摩擦因數(shù);l為沿程長(zhǎng)度;d為管道直徑;u為流速;n為孔隙度;v為平均流速;g為重力加速度。

方程(3)中的摩擦因數(shù)是流量和管道相對(duì)粗糙度的函數(shù)。方程式(3)被稱(chēng)為Darcy-Weisbach方程。方程(3)變形為

(4)

管道中的流量為

(5)

其中，A為管道的過(guò)水?dāng)嗝娣e，即管道中的流量與含水層滲流中的流量計(jì)算公式形式上是一樣;K′為管道中的“等效滲透系數(shù)”;J為管道中水力梯度。摩擦因數(shù)與雷諾數(shù)Re相關(guān)，不同的雷諾數(shù)Re分別對(duì)應(yīng)不同的摩擦因數(shù)[19]。

(1)當(dāng)Re≤3 000，水流呈層流時(shí)，摩擦因數(shù)可用以下公式計(jì)算[20]，即

(6)

式中,υ為黏滯系數(shù)，那么

(7)

將式(7)代入式(5)得

(8)

(2)當(dāng)Re>3 000，水流呈紊流時(shí)，摩擦因數(shù)可用以下公式計(jì)算[21],即

(9)

將式(9)代入式(4)[22]得

(10)

綜上所述，鉆孔中的流量計(jì)算公式為

式中，Kc為鉆孔內(nèi)壁管壁的粗糙高度;μ為動(dòng)力黏滯系數(shù);τ為鉆孔內(nèi)壁粗糙度;ρ為水的密度。

1.3 含水層-鉆孔系統(tǒng)耦合模型

根據(jù)能量守恒定律，含水層地下水流入鉆孔的總流量等于鉆孔內(nèi)涌水量，即

∑Qex+Qp=0

(11)

其中，Qex為含水層與管道之間的交換水量，負(fù)號(hào)代表含水層流入管道，即含水層地下水進(jìn)入鉆孔的水量。

多孔介質(zhì)地下水滲流區(qū)(含水層)與管道之間的水量交換，可根據(jù)兩區(qū)域之間的水頭差進(jìn)行線(xiàn)性計(jì)算,即

Qex=α(hp-hi)

(12)

式中，α為含水層與管道交換區(qū)的水力傳導(dǎo)系數(shù);hp為交換區(qū)管道中的水頭;hi為交換區(qū)含水層中的水頭。

那么由式(11)可推出

(13)

這樣，就將多孔介質(zhì)地下水的滲流與鉆孔中的管流耦合起來(lái)，方程(13)即為構(gòu)建的含水層-鉆孔系統(tǒng)復(fù)雜流態(tài)水流計(jì)算耦合模型。

方程(13)可通過(guò)改進(jìn)管道流計(jì)算程序Conduit Flow Process(CFP)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。CFP為在MODFLOW程序包上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，地下水滲流區(qū)根據(jù)MODFLOW進(jìn)行離散化，利用CFP程序包將管道離散為一系列的節(jié)點(diǎn)和管子，兩相鄰節(jié)點(diǎn)用一根管子連接，地下水在相鄰節(jié)點(diǎn)間通過(guò)管子傳輸，地下水滲流區(qū)和管道之間通過(guò)水量交換量進(jìn)行耦合[22]。近年來(lái)，CFP程序已經(jīng)開(kāi)始用于層流和紊流的計(jì)算[23]，能夠很好地刻畫(huà)巖溶等管道流[24]以及滲流井傾斜輻射管-含水層間復(fù)雜水流[25]，模擬計(jì)算效果良好。

2 模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該耦合模型，筆者采用母杜柴登礦井臨時(shí)煤倉(cāng)放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的可靠性驗(yàn)證。

2.1 研究區(qū)概況

母杜柴登礦井位于鄂爾多斯盆地呼吉爾特礦區(qū)，礦井地層自下而上由老至新發(fā)育有:三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)和第四系全新統(tǒng)(Q4)(圖1)。主要的含水層為第四系松散層(Q)潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙裂隙承壓含水層、侏羅系直羅組(J2z)裂隙承壓含水層以及侏羅系中延安組(J2y)碎屑巖類(lèi)承壓含水層，具體簡(jiǎn)述如下:

圖1 地層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive stratigraphic column

(1)第四系松散層潛水含水層。含水層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，透水性良好。含水層水位標(biāo)高1 266.65～1 315.24 m，單位涌水量0.495～12.176 L/(s·m)，含水層富水性中等～極強(qiáng)，滲透系數(shù)0.398 ～30.625 m/d。

(2)白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙裂隙承壓含水層。該含水層巖芯較為破碎，膠結(jié)程度相對(duì)較差，裂隙較發(fā)育，開(kāi)啟程度較好。含水層水位標(biāo)高1 269.22～1 317.63 m，單位涌水量0.114～0.624 L/(s·m)，含水層富水性中等，滲透系數(shù)0.034 ～1.424 m/d。

(3)侏羅系直羅組孔隙裂隙承壓含水層。該含水層分布較為連續(xù)、穩(wěn)定，同樣是由一套砂巖與泥巖含、隔水層相互疊置的組合結(jié)構(gòu)。含水層水位標(biāo)高1 261.95～1 296.8 m，單位涌水量0.014～0.203 L/(s·m)，含水層富水性弱至中等，滲透系數(shù)0.031 ～0.288 m/d。

(4)侏羅系延安組碎屑巖類(lèi)承壓含水層:延安組為含煤地層，煤層之間巖性以粉細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖為主。砂巖分布不連續(xù)，砂質(zhì)泥巖、泥巖厚度大，分布較穩(wěn)定。由于埋藏深，砂巖含水層分布不連續(xù)，含水層富水性弱，滲透性差。

對(duì)礦井充水因素分析認(rèn)為，煤層開(kāi)采的直接充水含水層為侏羅系延安組三段、直羅組一段和二段的復(fù)合含水層，其中直羅組含水層富水性較強(qiáng)，水壓較高，這3層含水層都是采前預(yù)疏放的對(duì)象。

2.2 模型驗(yàn)證

母杜柴登礦井臨時(shí)煤倉(cāng)放水試驗(yàn)是以TF1放水孔，以TG2,TG3作為井下觀(guān)測(cè)孔。3個(gè)鉆孔均從3-1煤層頂板開(kāi)口，各鉆孔參數(shù)及布設(shè)位置見(jiàn)表1。

表1 母杜柴登礦井臨時(shí)煤倉(cāng)放水試驗(yàn)鉆孔參數(shù)Table 1 Drilling parameters of drainage test in temporary coal bunker in Muduchaideng Coal Mine

根據(jù)放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其影響半徑小于5 km，因此，本次建立10 km×10 km的理想模型;由于鉆孔開(kāi)口處為3-1煤層頂板，選擇3-1煤層底板作為模型底板，模型垂向包括3-1煤層、3-1煤頂板延安組，2-2中煤層、2-2中煤頂板直羅組地層。由于本次目的主要為探討傾斜鉆孔的計(jì)算方法，因此建立的數(shù)值模型為均質(zhì)各向異性含水層理想模型。模型邊界概化為四周為變流量邊界，模型中采用GHB邊界處理，頂?shù)装鍨楦羲吔纭?/p>

臨時(shí)煤倉(cāng)傾斜疏放水鉆孔放水試驗(yàn)期間，地下水流服從三維達(dá)西流。采用下列數(shù)學(xué)模型[26-27]進(jìn)行描述:

式中，n為第2類(lèi)邊界外法線(xiàn)方向;q(x,y,z,t)為四周側(cè)向補(bǔ)給量;Hc為鉆孔疏放水時(shí)定水頭;Γ1為四周第2類(lèi)流量邊界；Γ2為底板邊界;D為計(jì)算區(qū)范圍。

本次模擬范圍為10 km×10 km，模型坐標(biāo)為x為0～10 km;y為0～10 km。首先采用100 m×100 m分別平行于x軸、y軸的正交網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行平面剖分，對(duì)鉆孔布設(shè)區(qū)域進(jìn)一步精細(xì)剖分為2 m×2 m的網(wǎng)格，最終將模擬區(qū)剖分為492行×394列;為了精細(xì)刻畫(huà)鉆孔，垂向上采用水平切片方式將地層細(xì)分為22層：1～6層對(duì)應(yīng)實(shí)際的直羅組底部中粗砂巖孔隙-裂隙承壓含水層，7～21層對(duì)應(yīng)實(shí)際的延安組砂巖孔隙-裂隙承壓含水層，22層對(duì)應(yīng)實(shí)際的3-1煤層。模擬時(shí)間為1 d，應(yīng)力期劃分與現(xiàn)場(chǎng)放水試驗(yàn)觀(guān)測(cè)時(shí)間一致，共分為50個(gè)應(yīng)力期，模擬的所有含水層初始水位為未擾動(dòng)的含水層原始水位1 267.702 m。

以耦合數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用MODFLOW軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以放水試驗(yàn)過(guò)程中地下水水位和水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證，最終識(shí)別的水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。主放水孔TF1，觀(guān)測(cè)孔TG2和TG3在模型中計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，地下水水位及水量數(shù)值計(jì)算值和實(shí)際觀(guān)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，表明該數(shù)值模型合理可靠，所建立的地下水流數(shù)值模型可以用于傾斜鉆孔的涌水量計(jì)算。

表2 模型各層水文地質(zhì)參數(shù)Table 2 Hydrogeological parameters of each layer

圖2 臨時(shí)煤倉(cāng)放水試驗(yàn)流量和降深模擬值與實(shí)測(cè)值擬 合曲線(xiàn)Fig.2 Fitting curves of flow rate and drawdown of the simulated and measured value of temporary bunker dewatering test

3 鉆孔參數(shù)優(yōu)化

不同的疏放水鉆孔參數(shù)(如單孔角度，單個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔數(shù)量)影響著總涌水量，進(jìn)而決定疏放水持續(xù)時(shí)間和工程費(fèi)用，為此需要開(kāi)展母杜柴登礦井疏放水鉆孔參數(shù)優(yōu)化研究。

3.1 角 度

為了探討仰角角度對(duì)鉆孔涌水量的影響，設(shè)計(jì)一個(gè)垂向長(zhǎng)度為120 m的鉆孔，仰角分別為30°,45°,60°,75°,90°，分別計(jì)算不同仰角方案下的單孔涌水量以及單位長(zhǎng)度涌水量(圖3,4)。

圖3 不同角度下鉆孔單孔涌水量曲線(xiàn)Fig.3 Water inflow curve of single borehole at different angles

由圖3可知，鉆孔仰角為30°時(shí)，單孔穩(wěn)定涌水量約為222 m3/h;鉆孔仰角為45°時(shí)，單孔穩(wěn)定涌水量約為191 m3/h;鉆孔仰角為60°時(shí)，單孔穩(wěn)定涌水量約為165 m3/h;鉆孔仰角為75°時(shí)，單孔穩(wěn)定涌水量約為121 m3/h;鉆孔仰角90°時(shí)涌水量與75°基本一致。根據(jù)母杜柴登礦井現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)際施工情況，45°鉆場(chǎng)涌水量為160～180 m3/h，井底車(chē)場(chǎng)井下施工的一個(gè)仰角60°的生產(chǎn)用水鉆孔，鉆孔終孔涌水量為150～160 m3/h。由此可見(jiàn)，耦合模型計(jì)算的單孔涌水量和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際涌水量基本一致，計(jì)算精度有保證。

由圖4可知，隨著角度的不斷增大，單孔涌水量不斷減少。這是因?yàn)榇咕嘁欢〞r(shí)，隨著角度的增大，鉆孔斜長(zhǎng)逐漸變小，有效長(zhǎng)度減少，導(dǎo)致其涌水量變小。然而，隨著角度增大，單位長(zhǎng)度鉆孔涌水量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在仰角為60°時(shí)，鉆孔單位涌水量達(dá)到最大。

圖4 不同角度單位長(zhǎng)度鉆孔涌水量變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation curves of borehole water inflow per unit length at different angles

不同角度下的鉆孔放水時(shí)的第1應(yīng)力期的流場(chǎng)如圖5所示。由圖5可知，地下水流場(chǎng)為以鉆孔為中心的降落漏斗，水流由含水層流向鉆孔，鉆孔內(nèi)水流由鉆孔最頂部向下流，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

綜上所述，疏放水鉆孔的最佳角度為60°，此時(shí)，鉆孔單位長(zhǎng)度涌水量最大，且主要涌水層位為直羅組一段含水層，約占總涌水量的81%(表3)。

3.2 數(shù) 量

在鉆孔單位長(zhǎng)度涌水量達(dá)到最大的條件下，即垂向長(zhǎng)度為120 m，仰角為60°時(shí)，設(shè)計(jì)6種不同鉆孔數(shù)量組合方案，探討鉆孔數(shù)量對(duì)總涌水量及單位長(zhǎng)度涌水量的影響(圖6～8)，6種不同鉆孔組合方案如圖6所示。設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)內(nèi)施工6個(gè)鉆孔，方位角以正北為起點(diǎn)，以60°遞增均勻布置，其他方案則在此基礎(chǔ)上抽稀即可。

圖6 組合方案示意及相對(duì)位置Fig.6 Schematic diagram of combination scheme and relative position

由圖7可知，鉆孔數(shù)量為2個(gè)時(shí)，鉆孔穩(wěn)定總涌水量約為268 m3/h;鉆孔數(shù)量為3個(gè)時(shí)，鉆孔穩(wěn)定總涌水量約為348 m3/h;鉆孔數(shù)量為4個(gè)時(shí)，鉆孔穩(wěn)定總涌水量約為395 m3/h;鉆孔數(shù)量為5個(gè)時(shí)，鉆孔穩(wěn)定總涌水量約為443 m3/h;鉆孔數(shù)量為6個(gè)時(shí)，鉆孔穩(wěn)定總涌水量約為448 m3/h。鉆孔數(shù)量增加到5個(gè)以后，鉆孔總涌水量基本不再增加。

圖7 不同方案下鉆孔總涌水量歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.7 Curves of total water inflow of boreholes under different schemes

由圖8可知，隨著鉆孔數(shù)量增加，鉆孔總涌水量不斷增加，但是，單位長(zhǎng)度的鉆孔涌水量呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，鉆孔之間的干擾程度隨著其數(shù)量的增加不斷增大。

圖8 不同方案下鉆孔總涌水量對(duì)比Fig.8 Comparison of total water inflow of boreholes under different schemes

綜合以上考慮，單個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)部鉆孔的數(shù)量宜為5個(gè)，超過(guò)5個(gè)后總涌水量增加不明顯，增加的工程量為無(wú)效工程量。

4 600 m工作面疏放水效果

以鉆孔仰角60°，垂向長(zhǎng)度為120 m，單個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔5個(gè)為組合，探討150 m鉆孔間距下600 m工作面范圍內(nèi)的疏放效果。此方案下鉆場(chǎng)共布置10個(gè)鉆場(chǎng)(5鉆場(chǎng)×2巷)，50個(gè)鉆孔。假設(shè)3種定降深疏降模式，分別為780,830 m以及880 m。在工作面600 m范圍內(nèi)進(jìn)行井下定水頭疏放水，分別探討其涌水量、降深以及流場(chǎng)分布情況。

4.1 鉆場(chǎng)涌水量

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，不同降深的鉆孔總涌水量變化如圖9所示。由圖9可知，3種水頭疏降方案下，鉆孔總涌水量隨時(shí)間逐步減小，最終趨于穩(wěn)定。水頭越小，鉆孔的初始總涌水量越大，但隨著時(shí)間的不斷延續(xù)，最終3種水頭下的鉆孔總涌水量相差變小。

圖9 不同降深的鉆孔總涌水量歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.9 Curves of total water inflow of boreholes with different drawdowns

60 d內(nèi)，780 m定水頭疏降時(shí)，鉆孔總涌水量由第1天的1 700 m3/h降至170 m3/h，降幅達(dá)90%;830和880 m定水頭疏降下，鉆孔總涌水量由第1天的1 530，1 350 m3/h分別降至153,135 m3/h，降幅均為90%。

不同鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔總涌水量分布圖如圖10所示。由圖10可知，600 m范圍內(nèi)工作面兩端2個(gè)鉆場(chǎng)(1,5和6,10)鉆場(chǎng)總涌水量較大，內(nèi)側(cè)3個(gè)鉆場(chǎng)總涌水量則相對(duì)較小，位于中間第3和第8鉆場(chǎng)鉆孔總涌水量最小。780 m定水頭疏降時(shí)，兩端鉆孔總涌水量約為309 m3/h，中間鉆場(chǎng)鉆孔總涌水量約為142 m3/h。由此可見(jiàn)，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔總涌水量受周邊鉆場(chǎng)疏降的影響，由兩端向內(nèi)側(cè)影響逐步增大。其他2個(gè)定降深疏降條件下，鉆場(chǎng)總涌水量的變化趨勢(shì)基本一致。

圖10 第1天不同鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔總涌水量Fig.10 Total water inflow of different drilling field in the first day

4.2 降 深

不同定水頭疏降方案下，工作面內(nèi)部水頭變化情況如圖11所示。由圖11可知，隨著疏放時(shí)間的延續(xù)，不同方案下，工作面內(nèi)部水頭變化趨勢(shì)均為由初始水頭1 267.702 m降至不同的定水頭(780,830和880 m)，定水頭越小，疏降的時(shí)間則相對(duì)越長(zhǎng)。150 m鉆場(chǎng)間距方案下，疏降至780,830和880 m的時(shí)間分別為155,125和100 d。

圖11 不同降深下工作面內(nèi)部水頭變化歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.11 Duration curves of water head change in working face under different drawdown

不同時(shí)間不同降深的范圍有所不同如圖12所示。由圖12可知，隨著時(shí)間延續(xù)，不同降深范圍逐步增大(橫向)。以200 m的降深為例，10 d之前，降深均小于200 m，10 d之后，隨著時(shí)間延續(xù)，降深大于200 m的范圍逐漸增大。同一時(shí)間內(nèi)，小降深的范圍大于大降深的范圍(縱向)。

圖12 定水頭880 m方案下不同時(shí)間的降深范圍曲線(xiàn)Fig.12 Curves of drawdown range at different time under 880 m constant head scheme

4.3 流 場(chǎng)

隨著疏放水工程推進(jìn)，煤層頂板含水層的流場(chǎng)不斷發(fā)生變化。剖面和平面流場(chǎng)圖如圖13,14所示。由圖13，14可知，隨著疏放時(shí)間延續(xù)，橫剖面呈現(xiàn)以?xún)A斜鉆孔為中心的降落漏斗且范圍逐步增大，平面上則呈現(xiàn)以全部鉆場(chǎng)范圍為中心的降落漏斗且范圍逐漸增大。

圖13 定水頭880 m方案下橫剖面流場(chǎng)(中心)Fig.13 Flow field of cross section under 880 m constant head scheme (central location)

圖14 定水頭880 m方案下侏羅系含水層平面流場(chǎng)Fig.14 Plane flow field of Jurassic aquifer under 880 m constant head scheme

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)復(fù)合充水含水層傾斜疏放水鉆孔涌水量計(jì)算方法不完善的問(wèn)題，以能量守恒定律為基礎(chǔ)，以“含水層-鉆孔水量交換”為耦合點(diǎn)，建立了含水層-鉆孔系統(tǒng)多流態(tài)水流計(jì)算的耦合模型。

(2)應(yīng)用母杜柴登礦井臨時(shí)煤倉(cāng)井下放水試驗(yàn)的1個(gè)主放水孔水量和2個(gè)觀(guān)測(cè)孔水位歷時(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了含水層-鉆孔系統(tǒng)耦合模型的可靠性，可以很好解決傾斜鉆孔在復(fù)合充水含水層中的水量分配問(wèn)題。

(3)傾斜疏放水鉆孔涌水量受到其角度和數(shù)量等參數(shù)的影響。隨著角度增大，單位長(zhǎng)度鉆孔涌水量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在仰角為60°時(shí)，鉆孔單位涌水量最大。此外，隨著單個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔數(shù)量的增多，鉆孔總涌水量不斷增加，鉆孔數(shù)量超過(guò)5個(gè)后總涌水量增加并不明顯。即鉆孔的最優(yōu)角度為60°，單個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔最佳數(shù)量為5個(gè)。

(4)150 m間距方案下600 m工作面范圍內(nèi)，不同疏降水頭鉆孔總涌水量、工作面內(nèi)部降深、流場(chǎng)變化均不同。降深越大，鉆孔的初始總涌水量越大，隨著時(shí)間推移，最終鉆孔總涌水量相差變小，直至穩(wěn)定。鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔總涌水量受到周邊鉆場(chǎng)疏降的影響，由兩端向內(nèi)側(cè)影響逐步增大。同時(shí)，疏降定水頭越小，疏降時(shí)間則相對(duì)延長(zhǎng)。