基于Neuman井流理論確定玄武巖潛水含水層滲透系數的應用——以吉林靖宇煤礦為例

段乃金，陳剛，候海巔，徐健

(1.中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013；2.平陰縣國土資源局，山東 平陰 250400)

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基于Neuman井流理論確定玄武巖潛水含水層滲透系數的應用
——以吉林靖宇煤礦為例

段乃金1，陳剛1，候海巔2，徐健2

(1.中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013；2.平陰縣國土資源局，山東 平陰 250400)

全面分析研究區玄武巖潛水含水層水文地質條件的基礎上，對穩定流和非穩定理論確定潛水含水層滲透系數的優缺點進行了對比，認為非穩定井流公式確定玄武巖潛水含水層滲透系數是合理的。Aquifer Test軟件基于Neuman井流理論配線法求參原理，運用計算機完成了自動求參，避免了人工配線的不足。該文根據吉林靖宇煤礦研究區玄武巖潛水含水層非穩定流抽水試驗，分別用Aquifer Test軟件和穩定井流公式進行了求參，并對比分析得出：玄武巖含水層彈性釋水作用影響時間較長，利用Neuman潛水井流公式求參可靠，且更逼近現實；用Aquifer Test軟件實現了自動求參，具有操作簡單規范、可比性好的優點。

玄武巖潛水含水層；滲透系數；Neuman配線法；Aquifer Test軟件；靖宇煤礦；吉林

0 引言

長期以來，以玄武巖含水層為主要充水因素的礦山，開采過程中經常發生潰水現象，究其原因，很重要的一個因素是根據抽水試驗資料所確定的滲透系數與含水層實際情況差異較大所致。根據抽水試驗資料確定的潛水含水層水文地質參數，前人已經做了大量工作[1-2]，目前，生產實踐中多是根據穩定流和非穩定流抽水試驗公式來確定水文地質參數。穩定流抽水試驗理論利用時間較早，且計算方法簡便，但其不能反映不斷發展、變化的地下水實際運動狀態，只能利用足夠長的抽水時間以達到相對穩定，具有一定的局限性，造成動力、人員不足，耗費較大等問題。

非穩定抽水試驗理論現有解析公式雖不能包含潛水運動的所有特點，但是其已盡可能地逼近地下水實際運動狀態。結合玄武巖潛水含水層滲透性各向異性的特點，該文以潛水流速垂直分量和彈性釋水的Neuman井流模型為基礎，利用Aquifer Test軟件，通過計算機求參，簡化了過程、提高了效率，實現了確定玄武巖潛水含水層滲透系數的自動化。

1 Neuman井流模型理論

1.1 假設條件

①含水層為均質各向異性，坐標軸選擇要和主滲透方向一致，含水層側向無限延伸，隔水層水平；②初始自由水面為水平；③水流服從達西定律；④完整井，定流量抽水；⑥抽水期間自由面上沒有入滲補給和蒸發，潛水面降深和含水層厚度相比小得多。

1.2 標準曲線法確定水文地質參數原理

基于Neuman井流模型確定滲透系數的方法有標準曲線配比法和直線圖解法，標準曲線配比法能夠利用抽水試驗所有的數據且能夠直觀反映水位降低的3個階段，可比性強，因此，該文只介紹標準曲線配比法求參的過程。

(1)根據由完整觀測孔中所測得的s，t資料，在透明雙對數紙上做s-t曲線。

2 Aquifer Test軟件求參方法簡介

AquiferTest軟件由加拿大滑鐵盧水文地質公司開發的專門用于分析抽水試驗結果，用戶在較短的時間里有效地處理來自試驗所有的信息，并且計算結果可以以圖表形式輸出和打印。該軟件的運行原理是以地下水井流公式，采用圖解法確定含水層參數，提供了Theis，Cooper-JacobTime-Drawdown，Cooper-Jacob，NeumanDistance-Drawdown，Cooper-JacobTime-Distance-Drawdown，Walton(Hantush-Jacob)等14種方法。該文只對軟件中“Neuman” 標準曲線配線法求參的操作方法進行概述。

(1)雙擊AquiferTest軟件中試驗圖標，開始含水層抽水試驗。

(2)填寫筆記簿抽水試驗的記錄，鍵入抽水的時間、抽水流量及含水層的厚度。

(3)在軟件面板中，選擇“實例”下的“Analysis”(分析)，在出現的彈出窗口中，選擇“Drawdownvstime”(水位降低與時間)圖解法。

(4)創建一個新的分析。從出現的彈出窗口中選擇“Neuman”標準曲線配線法進行理論分析。

3 求參實例

在吉林省靖宇煤礦研究區玄武巖潛水含水層進行了第一個觀測孔非穩定流抽水試驗。抽水井編號SK3，井深110m，井徑0.325m；觀測井編號GK3，井深110m，井徑0.11m，觀測孔距抽水井距離20m；穩定抽水量17.4m3/h。根據勘查資料，含水層由灰黑色玄武巖組成，遍布整個研究區，大部分被第四紀粘土覆蓋，只在東南部沖溝處零星出露。玄武巖由多期噴發形成，氣孔發育，柱狀節理和水平裂隙密集，形成良好的地下水賦存空間和徑流通道。含水層厚33.4m，抽水井、觀測井初始水位埋深均為76.6m，抽水持續時間1070min*明達化工地質有限責任公司,段乃金、成世才、郭躍祥等，吉林省靖宇煤礦水文地質調查報告，2014年。。抽水時觀測井GK3觀測資料見表1。

3.1 穩定井流公式求參

表1 吉林靖宇煤礦觀測孔GK3觀測資料

該次抽水試驗雖按非穩定流原理對水位降深進行了觀測，但抽水試驗延續時間較長，后期觀測水位已近似穩定，可以利用后期數據采用穩定流公式求參。將觀測資料帶入仿Theis公式(1)，經計算：K=1.18m/d。

(1)

3.2 軟件求參

選擇“Neuman”配線法進行理論分析，移動觀測曲線與標準曲線進行擬合，首先觀測曲線與B組曲線擬合，結果如圖1所示，計算結果為K=1.21m/d。通過擬合結果看，無論穩定流公式和非穩定公式，利用抽水試驗后期數據所求滲透系數相差不大。最后使觀測曲線與A組曲線擬合，結果如圖2所示，計算結果為K=1.47m/d。通過擬合結果看，利用抽水試驗前期數據求參時，因考慮了含水層彈性釋水的因素，Neuman配線法相比穩定井流公式求參結果要大。求2次配線法所得滲透系數平均值得K=1.34m/d。

圖1 Neuman配線法觀測曲線與B組曲線擬合圖

圖2 Neuman配線法觀測曲線與A組曲線擬合圖

實際觀測曲線與A組標準曲線擬合較好，而只在后期較少數據與B組數據擬合較好，且觀測曲線中間近水平的曲線較長，說明抽水試驗過程中，含水層彈性釋水時間較短，隨即轉入重力排水為主、彈性釋水為輔的階段，抽水后期彈性釋水作用消失轉為重力排水。配線結果說明，彈性釋水時間在整個非穩定流抽水時間中占比較大，計算玄武巖潛水含水層K值時，不能忽視彈性釋水影響，利用Neuman井流公式配線法求參是合理的。

4 對比分析

通過上述計算結果并結合求取滲透系數井流公式的適用條件，對Neuman井流公式相比于穩定井流公式確定玄武巖含水層的優越性做以下對比分析：

(1)穩定流求潛水含水層參數計算方法多以裘布衣模型為基礎，該方法對含水層條件進行了概化處理，可直接用公式或方程組解出相關水文地質參數，求參方法單一，容易操作，但對較復雜水文地質條件目標區域適用程度受限或不適用[4]，且抽水時間長、花費大[5]。

非穩定流求潛水含水層參數方法主要包括THeis配線法、Jacob直線圖解法、水位恢復法、全程圖解法，包括博爾頓、neuman井流公式等，所求水文地質參數較多，能夠適用于較復雜多變量的抽水過程，且所需抽水時間短[6]。通過大量的實踐證明非穩定井流公式與穩定井流所求結果基本一致[7]，因此，目前非穩定井流公式為確定潛水含水層參數的主要方法。

(2)玄武巖潛水含水層地下水賦存空間為成巖孔洞、柱狀節理及構造裂隙。研究區玄武巖含水層由多期噴發形成，在垂向和水平上富水性差異較大，如果簡單的講其概化為各向同性的含水層，并利用THeis,Jacob公式計算滲透系數，顯然是不合適的。Neuman井流公式考慮了彈性釋水和地下水垂向流動這兩個因素，能夠反映地下水在含水層中的發展變化，并且其適用條件與研究區水文地質條件擬合性最好。通過計算結果可以看出Neuman井流公式較穩定流公式所求結果要大[7]，是因其考慮了垂向釋水的緣故，在實際應用中還是可靠的[8]。

(3)利用Neuman井流公式求參，傳統的方式為人工配線，需在雙對數紙上繪制標準曲線，然后在另一張模數相同的透明紙上繪制實測曲線將實測曲線置于標準曲線之上，保持對應坐標軸平行的條件下相對平移，直至兩曲線重合。該方法耗時耗力，而且人為性大。

Aquifer Test軟件專門為水文地質學者和其他水利專家設計，其中自帶的Neuman井流公式模型，實現了求參的自動化，具有操作簡便、實用性強、可視化、對比分析速度快等特點[9-10]，并在實踐中得到改進和推廣利用[11]。

5 結論

通過求取研究區玄武巖潛水含水層滲透系數的2種方法，得出以下結果：

(1)與穩定井流公式相比，非穩定井流公式應用范圍更廣，能夠更真實的反映潛水水位不斷變化的運動狀態，且省時省力。

(2)考慮地下水垂向流動和彈性釋水的Neuman井流公式所規定的適用條件與研究區玄武巖含水層地下水的賦存特征擬合的最好，利用此方式求取的滲透系數能反映地下水流動的實際過程，且大量實踐證明所求參數是可靠的。

(3)Aquifer Test軟件自帶的Neuman井流公式實現了求參的自動化，避免了人工配線隨意性大的缺點，具有操作簡單，過程可視，結果輸出規范等優點，值得在生產實踐中推廣。

(4)在利用抽水試驗數據求取含水層滲透系數選擇井流公式時，應使公式的適用條件與含水層地下水賦存特征擬合的最好，只有這樣所求參數才能準確、可靠。

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Application of Determing Permeability Coefficient of Basalt Phreatic Aquifer Based on Neuman Well Flow Model——Setting Jingyu Coal Mine in Jilin Province as an Example

DUAN Naijin1, CHEN Gang1, HOU Haidian2, XU Jian2

(1.Shandong Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Shandong Jinan 250013, China; 2. Pingyin Bureau of Land and Resources, Shandong Pingyin 250400, China)

On the basis of analyzing hydrogeological conditions of basalt phreatic aquifer in studying area, comparing the advantages and disadvantages of steady flow and unsteady flow pumping test, it is regarded that it is reasonable to determine permeability coefficient of basalt phreatic aquifer by using unsteady well flow formula. Based on Neuman well flow model, Aquifer Test software can calculate hydrogeological conductivity and avoid manual parameter by computer. According to unsteady flow pumping test of basalt phreatic aquifer in Jingyu coal mine, hydrogeological conductivity has been calculated by using Aquifer Test software and steady well flow formula respectively. Through comparision and analysis, it is regarded that basalt phreatic aquifer release water time is long by own compression deformation. So it is reasonable to calculate hydrogeological conductivity of basalt Phreatic aquifer by using Neuman well flow model. The parameters gained by Aquifer Test software are normative and have good comparability.

Basalt phreatic aquifer; conductivity; Neuman fitting curve method; Aquifer Test software; Jingyu coal mine; Jilin province

2016-02-15；

2016-03-10；編輯：陶衛衛

段乃金(1983—)，男,山東濟南人，工程師，主要從事水文地質、環境地質工作;E-mail：1019065529@qq.com

P641.4;S273.4

B

段乃金，陳剛，候海巔，等.基于Neuman井流理論確定玄武巖潛水含水層滲透系數的應用——以吉林靖宇煤礦為例[J].山東國土資源，2016,32(10)：57-60.DUAN Naijin, CHEN Gang, HOU Haidian, etc. Application of Determing Permeability Coefficient of Basalt Phreatic Aquifer Based on Neuman Well Flow Model——Setting Jingyu Coal Mine in Jilin Province as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：57-60.