钻孔单位涌水量换算的理论与实践

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1、钻孔单位涌水量换算的理论与实践奚砚涛;冯春莉;郭英海;郑世书 【摘 要】单位涌水量是评价煤矿区含水层富水性强弱和划分矿井水文地质类型的 重要指标之一。分析了单位涌水量换算的意义及煤矿钻孔实际抽水资料，研究了具 有三次降深、二次降深及一次降深资料单位涌水量换算的方法，结合某煤矿的实际 抽水资料进行了验证，计算结果符合该煤矿区含水层富水性的实际情况。The specific capacity can evaluate the water rich property of aquifer and divide the hydrogeological type of mine water, we an

2、alyze the significance of conversion about specific capacity. Besides, we explain the method of using the Q-S curve equation to converse the pumping test data of three times, and how to deal with the data of one or two times drawdown. At last, the method was verified by use of the actual data of a c

3、oal mine, and the results are in accordance with the actual situation of the water rich property of aquifer.【期刊名称】煤田地质与勘探年(卷),期】2015(000)001【总页数】4页(P48-51)【关键词】单位涌水量;含水层富水性;Q-S曲线方程作 者】 奚砚涛;冯春莉;郭英海;郑世书【作者单位】中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116;徐州市铜山 区交通运输管理所，江苏 徐州 221116;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116;中国矿业大学资源与地

4、球科学学院，江苏 徐州221116【正文语种】中文【中分类】P641.4GB127191991矿区水文地质工程地质勘探规范（以下简称规范）和 煤矿防治水规定（2009年）（以下简称规定）都要求按照钻孔单位涌水 量q将含水层分为弱、中等、强和极强4级，并强调“评价含水层的富水性，钻 孔单位涌水量以孔径91 mm，抽水降深10 m为准，若口径、降深与上述不符时， 应进行换算后再比较富水性1-2。在国家煤矿安全监察局组织编写的煤矿防 治水规定释义中对按Q-S曲线进行q值换算的，在规定中介绍了井径换算 的方法。可见在煤矿防治水工作中，按统一权重换算q值是十分重要的，是水文 地质勘探中一项非常重要的基础

5、工作。因此，本文着重从理论和实践上讨论钻孔单 位涌水量换算的必要性和换算方法。单位涌水量换算实质上是将权重的概念引入到水文地质学研究，也是建立数字矿山 时数据标准化和规范化的需要。因为只有按权重相同的分类标准来进行分类才能体 现出分类公平合理的科学性。在很多矿区也进行了相关换算，有基于Excel进行 Q-S曲线的确定3,利用最小二乘法4或者Matlab进行Q-S曲线的拟合 5。水文地质工作中衡量含水层的富水性规定用孔径91 mm和降深10 m的钻孔单位 涌水量也是这个道理。孑L径91 mm和降深10 m就是标准的权重，所以，不符合 时一定要换算。 在煤田地质基础中，要求正式抽水时，抽水的水位降

6、深，应尽设备能力做最大降深。 降深次数一般不少于3次，每次降深距离不小于3 m，抽水点应做到合理分布。但在实际工作中，往往未按照抽水试验规程对抽水试验进行设计和施工，即使 按照抽水试验规程对抽水试验进行设计和施工，但未对抽水成果按规范和 规定要求进行符合标准权重的钻孔单位涌水量换算，很难公平、合理、科学地 表征含水层富水性6-7，甚至会造成误导。2.1 抽水资料简介本文选用晋中某矿区 50 个 O2f 的抽水孔。为了深入研究奥灰含水层的富水规律， 我们对O2f抽水孔的钻孔单位涌水量按规范和规定的要求进行了换算。 该矿区50个O2f抽水孔孔径变化很大，最小的为89 mm，最大的达394 mm，

7、其中以108 mm、127 mm和146 mm居多，约占总数的一半，有2个孔没有孔 径数据。50个O2f抽水孔中进行过三次降深抽水的钻孔只有16个，而且其中的416孔第 三次降深抽水较1、2次降深抽水时间相隔近40 a，数据无法利用。其余抽水孔除 2 个孔没有降深值外，都为两次降深抽水（8 个孔）和 1 次降深抽水（30 个孔）。 在这38个抽水孔中，降深值都不等于10 m,其中10 m的有9个，15 m的 有15个（包括一次降深抽水的降深值和两次降深抽水的较大降深值），Sv1 m 的有9个孔，最小降深值只有0.12 m （详细抽水数据从略）。由于研究区抽水孔 数量较多，又有各种各样的孔径及各

8、不同的降深次数，有必要利用现有大量抽水资 料进行钻孔单位涌水量换算，以便科学合理地评价研究区含水层的富水性，进行涌 水量预测8，指导煤矿安全生产。2.2 钻孔单位涌水量的换算2.2.1 三次降深抽水资料的换算 对10个有3次降深抽水资料中的9个按规范和规定的要求进行了换算， 换算步骤较规定稍作修改，基本步骤如下。a. 步骤一判定Q=f(S )曲线类型，由于承压井抽水的Q-S曲线基本都是近似抛 物线形态，只是抛物线、幕曲线和对数曲线偏离S的距离不同，本文省略了 Q-S 曲线的绘制，直接按下式计算的曲度值来判别9。曲度值计算结果，当n = 1时，Q-S曲线为直线；当1vnv2时，为幕曲线；当 n=

9、2时为抛物线；当n2时，为对数曲线。如n明显小于1,反映抽水数据有误。 根据三次降深数据，计算出 3个曲度值，3个曲度值进行大小比较。如果有任意两 个相等或者3个相同，则按照曲度值的大小进行曲线类型的判断，如果3个均不 相同，则选取S接近10 m的两次降深的计算结果来决定曲线的类型。b. 步骤二计算Q-S曲线中的待定系数a和b。本文采用最小二乘法计算。c. 步骤三将计算的待定系数值代入对应的Q=f(S )方程后，就能得到预测S为10 m 时钻孔涌水量的经验公式。应该注意的是经验公式只适用已知范围内的数据， 不得随意外推。根据前人的研究，不同类型经验公式的允许推断范围如下：上列式中，maxS为三

10、次降深抽水中最大的一次降深值，并且由于要换算的是S 为10 m时的钻孔涌水量，所以S允=10 m。d. 步骤四换算孔径为91 mm (半径r=0.045 5 )的钻孔涌水量Q91 :式中91Q、91R、91r为口径91 mm (半径为0.045 5 m)的钻孔涌水量、影 响半径和钻孔半径。Qw、Rw、rw为抽水孔口径为r的钻孔涌水量、影响半径和 钻孔半径。在进行孔径换算时应注意: 由于Rw与R91相差很小，可以认为Rw = R91,如果孔径相差较大，就必须 进行井径换算。 影响半径的因素计算时需借助经验公式和裘布依公式求得K和R，式中R为影响半径，K为渗透系数；根据规程取S=10,采用迭代法求

11、得R和K。e. 步骤五Q91除以10即为换算后的钻孔单位涌水量。2.2.2 一次降深抽水资料选取换算 由于大量抽水孔并没有严格按照规程进行三次降深的实验，如本矿区进行一次降深 抽水试验的钻孔占该层段全部抽水孔的64%。如果能从这些抽水成果中挖掘出一 些q值，对于评价本区的富水性研究都是极其有益的。在对三次降深抽水资料计算的Q-S曲线类型基本上都是幕函数型和对数函数型。构成幂曲线的主要原因：含水层渗透性能较好，其厚度相对较小，补给来源相对较 差，而对数型则常是一些相对隔离的含水岩体或含水构造，地下水补给条件还不如 幕函数型。本区O2f抽水成果没有一个是反映补给条件好，含水层厚，水量较大 的抛物线

12、型。由此可以推断出，由于O2f的补给条件相对较差，只进行过一次降 深抽水成果如果也进行三次降深抽水，其抽水成果得到的Q-S曲线类型也主要是 幂函数型，少数为对数型。如果将三次降深抽水试验中每次降深抽水按Qw/Sw直接计算的qw与由三次以上 降深按Q-S曲线经验方程推算的Q10/S10求得的q10作对比，就可以了解到一 次降深值不同时，qw与q10的差值即相对误差大小。然后按照其相对误差的大 小进行统计，就可以进一步了解到在允许误差范围内的降深值的大小，从而可以判 断允许降深值的有效范围。即根据有效降深值范围内的一次降深值，用Qw/Sw作 为q10,再进行孔径换算求得S=10 m、r=0.045

13、 5 m时的钻孔单位涌水量。 具体步骤是：a. 对有三次降深抽水的钻孔，对每次降深抽水直接计算的qw与按Q-S经验方程 换算求得的q10作比较，并计算其相对误差；b. 对相对误差进行统计，确定允许误差范围，进一步确定允许降深值；c. 根据允许降深值选择允许的一次降深数据，进行井径换算，求r=0.045 5 m时 Q91 ;按计算 S=10 m，r=0.045 5 m 时的 q91。根据计算结果可以看出（表 1），当同一钻孔（只有降深变化没有井径变化）抽水， 次降深值小于10 m时,qw与q10之误差基本为“正”值，而当一次降深值大 于10 m时，qw与q10之误差基本为“负”值，并且小的愈多或

14、大的愈多误差值 会愈大，根据选取的误差范围选取出可以利用的抽水试验数据。2.2.3 两次降深抽水资料选取换算 选取出合适的一次降深抽水数据后，同样可以挑选出两次降深的抽水数据，从而更 好的对该地区的富水性进行评价。在对一次降深抽水的数据进行计算发现，只要一次降深抽水的降深值在530 m 内，就可以将直接计算的qw近似地视为q10,直接通过井径换算求得S=10 m、 r=0.045 5 m的钻孔单位涌水量。两次降深抽水有两个降深值，本文分三种情况 来进行考虑：a. 如果其中一个降深值在530 m,就可以用来计算qw或直接利用Qw通过井 径换算后求得q10或Q10 ；b. 如果两个降深值均在530

15、 m的允许范围以外，对该钻孔的抽水数据则弃之不 用；c. 如果两次抽水的降深值都在530 m,采用均衡误差法，根据两次的抽水数据建 立计算曲度值的方程，根据计算的结果判断曲线类型，之后按照三次降深法的换算 步骤依次进行。2.3某矿区q值换算前后富水性之对比 根据前文提到的方法,将研究区收集到的相关抽水试验资料进行分析、计算,得到 研究区各抽水孔换算后的单位涌水量,限于篇幅,表2为部分三次降深的单位涌 水量换算结果。根据换算前后的结果,进行含水层富水性分区,图 1、图2分别为单位涌水量换算 前后的研究区含水层富水性分区图。图中I区q0.1为弱富水性，口区0.1v q1.0为中等富水性，皿区1.0

16、 q5.0为极强富水性。比较图1和图2可知，按换算后的q值编制的富水性分区图，研究区不存在极强富水区，强富水区的范围缩小了很多，中等富水区也减少了，全区基本为弱等富水 区。换算后的结果是根据权重来进行计算，同时舍弃一些误差较大的抽水资料，换 算后的含水层富水性情况与研究区的实际情况比较吻合。通过对钻孔单位涌水量换算的理论意义和实践意义的分析，不难得出在水文地质勘 探和矿井防治水工作中应该重视这一工作的共识。本文通过对抽水资料进行分析， 按照规程进行三次降深抽水资料的换算；同时为了更好的利用该地区的抽水试验资 料，分别从一次、两次降深抽水资料中选取出可以作为评价该地区富水性的数据， 研究了不同抽

17、水试验条件下的单位涌水量的换算方法。结合某矿区抽水试验资料， 对比分析了按照规程进行单位涌水量换算前后的含水层富水性分区图，研究结果表 明，按照抽水试验规程换算后的含水层富水性分区情况更符合研究区的实际情况， 取得了较好的效果，表明根据抽水试验规程对抽水试验数据进行单位涌水量换算具 有必要性、科学性和实践性。【相关文献】1国家技术监督局.GB127191991矿区水文地质工程地质勘探规范S 北京：中国标准出版社，1991. 2 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定 M .北京：煤炭工业出版社，2009.3 李云峰基于Excel的Q=f(S )及q=f(S )曲线判别J

18、中国煤炭地质，2012,24 ( 5 ):42-43. 4 韩政兴.最小二乘法在矿井涌水量计算中的应用 J .江西煤炭科技，2008 ( 2 ) ： 51-52.5 刘埔，孙亚军，黄鑫磊，等.Q-S曲线的MATLAB拟合单位涌水量换算方法J 煤矿安全，2011，42(8)：11-14.6魏新，张玉东快速确定涌水量Q与降深S曲线类型的方法J.山东煤炭科技，2011 (2): 210-211.7 薛建坤，许进鹏，宋淑光钻孔单位涌水量换算的探讨J 煤炭技术，2011,30 ( 8 ):261-262.8 褚程程，杨滨滨灰色理论在矿井涌水量预测中的应用J 煤田地质与勘探，2012,40 （2）：55-58.9 吴吉春，薛禹群地下水动力学M 北京：中国水利水电出版社，2009.