礦山水文地質(zhì)勘探中群孔抽水試驗(yàn)的應(yīng)用研究

張 勇，王成楠

在礦山水文地質(zhì)探測(cè)中，抽水實(shí)驗(yàn)的目的主要是測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)，一般采用單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，但是不同礦區(qū)水文地質(zhì)條件不同，如果環(huán)境復(fù)雜，在計(jì)算動(dòng)流量和靜儲(chǔ)量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí)，工作難度較大。因此為了提升抽水水量對(duì)勘探數(shù)據(jù)的擾動(dòng)性，提高其數(shù)據(jù)變化幅度，可以利用群孔抽水方法，利用作圖法和動(dòng)靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換原理，在地下水滲流運(yùn)動(dòng)方程基礎(chǔ)上，測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)（比如給水度、影響半徑、滲透系數(shù)、降落漏斗體積等），從而計(jì)算出穩(wěn)定動(dòng)流量。

1 礦山水文地質(zhì)概況

為了測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)，筆者選擇江漢平原北部地區(qū)做群孔抽水試驗(yàn)，該地區(qū)東西高中間低，整體地勢(shì)北高南低，并且在東北部露出少量青白口系武當(dāng)群變質(zhì)巖，也存在部分砂巖和砂礫巖，具體組成如下顯示。

圖1中QbW 為武當(dāng)系變質(zhì)巖，Ey 為砂巖和砂礫巖，Z 表示震旦系硅質(zhì)巖，在測(cè)定水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)后，研究人員分析該地區(qū)地下水情況，水層情況如圖2 所示。

圖1 江漢平原北部地區(qū)群孔抽水試驗(yàn)地水文地質(zhì)圖

從圖2 中我們可以發(fā)現(xiàn)該試驗(yàn)區(qū)地下水文分布情況具有明顯的二元結(jié)構(gòu)特征，在地上部分多為黏土和亞黏土、砂粉黏土，地下部分多為沙礫、砂巖，含有少部分黏土，砂礫巖分布較為廣泛，可以說(shuō)明這一地段多為孔隙潛水含水層。

圖2 試驗(yàn)區(qū)地下水情況

2 礦山水文地質(zhì)勘探中群孔抽水試驗(yàn)方法

本次群孔抽水實(shí)驗(yàn)共布設(shè)水文地質(zhì)鉆孔3 處，抽水井和觀測(cè)井之間的距離分別為r1=44.55m，r2=3.62m，根據(jù)水文地質(zhì)鉆探結(jié)果，技術(shù)人員可以分析出地層巖性和層厚，做好含水層劃分，該地區(qū)含水層結(jié)構(gòu)垂直向上可以分為：粘土粉質(zhì)+粘土層、中細(xì)砂+卵石層、紫紅色砂巖層。

并且得出地層巖性在層厚1.8m 時(shí)，主要以黃褐色耕田土為主，層厚4.2m 時(shí)，主要以黃褐色粘土為主，層厚2.0m 時(shí)，主要以灰褐色粉質(zhì)粘土為主，層厚在7.8m 時(shí)，主要以中細(xì)砂+卵石為主，層厚大于等于9.0m 時(shí)，主要以紫紅色砂巖為主。并且在本次多孔抽水實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)井和抽水井都分布在砂礫石孔隙承壓含水層中，抽水時(shí)間在2020 年5 月3 號(hào)上午10:08 ～下午17:09，地下水承壓高度為2.72m，在抽水實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)自動(dòng)水位，并且抽水流量為7.70m3/h，在抽水試驗(yàn)結(jié)束后，觀測(cè)地下水水位降幅和抽水時(shí)間之間的關(guān)系。

圖3 含水層水文地質(zhì)鉆孔平面圖

3 礦山水文地質(zhì)勘探中群孔抽水試驗(yàn)分析

在觀察抽水井和觀測(cè)井之間的關(guān)系時(shí)，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)：兩臺(tái)觀測(cè)井地下水水位最大降幅為1.14m 和0.72m，而抽水井的最大降深為5.57m，并且在抽水進(jìn)行不到一分鐘時(shí)，水量就可以降低至隔水板以下，50s 左右就可以轉(zhuǎn)化為無(wú)壓狀態(tài)（此時(shí)s=3.06m），兩臺(tái)觀測(cè)井地下水水位高度均在隔水頂板之上，且始終保持在承壓狀態(tài)中，該種試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)于承壓含水層，出現(xiàn)了多次承壓、無(wú)壓并存現(xiàn)象，對(duì)整體降落漏斗的影響范圍較小。

之后利用泰斯承壓井流模型，對(duì)承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)直線圖解法得出水文地質(zhì)參數(shù)，首先計(jì)算地下水水位降深。利用公式：s（t）=Q/4 ∏T×W（u）。其中Q 為抽水流量（單位：L3/T），t 為水位降深的時(shí)間，W（u）主要表示u 的井函數(shù)，T 為含水層導(dǎo)水系數(shù)。如果可以滿足μer2/4Tt ≤0.05，s（t） ≈0.183Q/Tlgt+0.183Q/Tlg（2.25T/μer2）。通過(guò)以上公式，可以計(jì)算出兩臺(tái)觀測(cè)井的實(shí)測(cè)s-lgt 曲線，比如在本次實(shí)驗(yàn)中，第二臺(tái)觀測(cè)井在t 等于1000～20000s 時(shí)，根據(jù)直線段斜率公式可以計(jì)算出承壓含水層導(dǎo)水系數(shù)為一個(gè)定量常數(shù)，曲線變化較為明顯的“直線”，導(dǎo)水系數(shù)T 等于87.98m2/d，并且在s-lgt 曲線中，可以得出彈性貯水系數(shù)μe=3.17×10-4；之后利用相同的測(cè)量方式，確定第一臺(tái)觀測(cè)井的水文地質(zhì)技參數(shù)，依據(jù)承壓井流模型直線圖解法，測(cè)定抽水井和此臺(tái)觀測(cè)井之間的距離r1=3.73m，最終得出承壓含水層T 值為77.28m2/d，并且在s-lgt 曲線中，可以得出彈性貯水系數(shù)μe=1.33×10-4。

除了計(jì)算承壓含水層導(dǎo)水系數(shù)，相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)該對(duì)動(dòng)靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)動(dòng)靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換規(guī)律：抽水量=消耗的凈儲(chǔ)量+地下水徑流量。也可以用公式:Qc=Qj+Qd 來(lái)表示。在整個(gè)群孔抽水實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在剛開始抽水時(shí)，主要消耗凈儲(chǔ)量，承壓含水層瞬時(shí)釋水，因此，地下水位下降，在這一抽水階段，動(dòng)流量為零，抽水量主要為靜儲(chǔ)量，即：Qc=Qj；之后隨著群孔抽水實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，地下水水位下降速度加快，抽水量逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)流量，之后趨于平緩，此時(shí)如果地下水水位下降，速度為勻速，即：凈儲(chǔ)量和動(dòng)流量之間處于相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，可以視為Qc=Qj+Qd，并且動(dòng)流量小于抽水量；在試驗(yàn)后期，如果突然減少抽水量，那么多余的動(dòng)流量將會(huì)轉(zhuǎn)成凈儲(chǔ)量，此時(shí)動(dòng)流量大于抽水量，水位抬升，在動(dòng)流量越來(lái)越少時(shí)，地下水水位勻速上升，此時(shí)可以視為Qc=Qd-Qj；當(dāng)實(shí)驗(yàn)完全結(jié)束后，抽水量為零，抽水停止，水位將繼續(xù)抬升，動(dòng)流量繼續(xù)轉(zhuǎn)化為靜儲(chǔ)量，最終完成整個(gè)群孔抽水實(shí)驗(yàn)的“凈儲(chǔ)量和動(dòng)流量”之間的變化和轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)換關(guān)系圖示為。

根據(jù)圖4 所示，試驗(yàn)人員可以得出群孔抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)間和流量之間的關(guān)系，最終得出各降深階段的平均抽水量，在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下，可以求出穩(wěn)定動(dòng)流量，根據(jù)動(dòng)靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換原理，依照兩項(xiàng)關(guān)系表達(dá)式，測(cè)定動(dòng)流量總量，得出時(shí)間和Qd 坐標(biāo)軸之間的面積。比如在本次抽水試驗(yàn)中，當(dāng)最大降深為64m 時(shí)，動(dòng)補(bǔ)給量為-143700m3，抽水總量為-258369m3，凈儲(chǔ)量變化量為-114669m3，降落漏斗凈儲(chǔ)量為114669m3，平均降深為21.3m，最終測(cè)定出穩(wěn)定動(dòng)流量為10550m3/d。當(dāng)二次降深為46m 時(shí)，動(dòng)補(bǔ)給量為-116439m3，抽水總量為-85484m3，凈儲(chǔ)量變化量為30956m3，降落漏斗凈儲(chǔ)量為83710m3，平均降深為15.3m，最終測(cè)定出穩(wěn)定動(dòng)流量為7834m3/d。當(dāng)三次降深為31m 時(shí)，動(dòng)補(bǔ)給量為-67586m3，抽水總量為-41209m3，凈儲(chǔ)量變化量為26377m3，降落漏斗凈儲(chǔ)量為57336m3，平均降深為10.3m，最終測(cè)定出穩(wěn)定動(dòng)流量為4677m3/d。

圖4 凈儲(chǔ)量和動(dòng)流量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

4 礦山水文地質(zhì)勘探中群孔抽水試驗(yàn)應(yīng)用

利用以上計(jì)算公式和相關(guān)動(dòng)靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換原理，可以將該種水文地質(zhì)抽水參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用到大型多孔抽水試驗(yàn)中，比如筆者以四孔抽水實(shí)驗(yàn)為例（CK01、CK02、CK03、CK04），其中在CK01 群孔抽水試驗(yàn)應(yīng)用中，可以在礦區(qū)斷裂影響帶上設(shè)置多個(gè)觀測(cè)孔（數(shù)量在15 個(gè)-20 個(gè)之間），抽水時(shí)間維持在72h 以上，之后觀測(cè)到靜水位降深在5.0m 以下，主井出水量靜水位降深在23.6m 左右，其他多孔降深基本維持在0.22m ～2.06m 之間。在CK02 群孔抽水試驗(yàn)應(yīng)用中，共設(shè)置13 個(gè)觀測(cè)孔，與CK01 的實(shí)驗(yàn)方法類似，抽水時(shí)間維持在72h 以上，之后觀測(cè)到靜水位降深在4.8m 左右，主井出水量靜水位降深在23m 左右，其他多孔降深基本維持在0.24m ～2.06m 左右。在CK03 群孔抽水試驗(yàn)應(yīng)用中，共設(shè)置14 個(gè)觀測(cè)孔，主井出水量為230m3/h，旁管外孔靜水位降深在7.8m 左右，其他多孔降深基本維持在0.23m ～2.08m左右。在CK04 群孔抽水試驗(yàn)應(yīng)用中，共設(shè)置16 個(gè)觀測(cè)口，主井出水量為94m3/h，主井旁管外孔靜水位降低3.02m，抽水試驗(yàn)持續(xù)了96 個(gè)小時(shí)，其他多孔降深基本維持在0.27m ～2.69m 之間。

之后技術(shù)人員對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果主井在東部，那 么 可 以 得 出CK01～CK04 的 開 采 水 平 在240m ～340m 之間，來(lái)源邊界流量為西部8741m3/d-1，北部39510m3/d-1，南部42132m3/d-1，總涌水量在96839m3/d-1左右。并且通過(guò)本次群孔抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：該地區(qū)大氣降水為主要地巖融水補(bǔ)給來(lái)源，同時(shí)也是地表水和農(nóng)業(yè)灌溉水源的主要補(bǔ)給，徑流方向基本為從東北向西南徑流，在群孔抽水實(shí)驗(yàn)的中期和后期階段，依據(jù)動(dòng)靜轉(zhuǎn)換原理，當(dāng)承壓含水層瞬時(shí)釋水時(shí)，動(dòng)流量一直小于儲(chǔ)水量，水位迅速下降，基本可以說(shuō)明，當(dāng)?shù)叵滤惶幱谧畲蠼瞪顣r(shí)，動(dòng)補(bǔ)給量不足，降落漏斗已經(jīng)形成，并且相對(duì)穩(wěn)定，抽水試驗(yàn)過(guò)程從“小降深”一直向“大降深”過(guò)渡，只有抽水量大于動(dòng)流量時(shí)，水量才會(huì)出現(xiàn)持續(xù)性下降，在預(yù)測(cè)礦坑涌水量時(shí)，可以利用作圖法提升水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的精準(zhǔn)性，提高降落漏斗面積計(jì)算的真實(shí)性，最終進(jìn)一步得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

并且技術(shù)人員在本次試驗(yàn)中，也應(yīng)該注意到利用多孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)和承壓無(wú)壓井流模型，可以確定承壓含水層的滲透系數(shù)、重力給水度和彈性釋水系數(shù)，通過(guò)觀測(cè)地下水水位降深數(shù)據(jù)。根據(jù)承壓含水層試水機(jī)理，得出可靠的承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)值。也可以在施工過(guò)程中利用線性回歸分析方程，預(yù)測(cè)涌水位置，分析位置誤差，判斷其誤差范圍是否在注漿沿帽厚度范圍內(nèi)，以此來(lái)考慮流水位置測(cè)試是否成功。比如在本次實(shí)驗(yàn)中，地下水相互導(dǎo)通，抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)較高，可以揭露破碎帶位置，方程擬合度較好，因此，在涌水位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)試中，可以取得良好工作成效，并且分析觀測(cè)井地下水位變化特征，如果在整個(gè)圖示中沒有出現(xiàn)下凹段，就說(shuō)明承壓含水層抽水井實(shí)際水位變化影響較小，在承壓含水層水位地質(zhì)參數(shù)測(cè)量和求解中，準(zhǔn)確性較高，可靠性更強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用作圖法和動(dòng)靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換原理，可以測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)地水文地質(zhì)圖、水文地質(zhì)鉆孔平面圖、凈儲(chǔ)量與動(dòng)流量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以提升水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的精準(zhǔn)性，提高降落漏斗面積計(jì)算的真實(shí)性，最終確定承壓含水層的滲透系數(shù)、重力給水度和彈性釋水系數(shù)，從而得出可靠的承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)值，預(yù)測(cè)涌水位置誤差,提高降落漏斗面積計(jì)算的真實(shí)性。