直線圖解法與恢復水位法在大淑村井田水文地質參數計算中的對比應用

王曉軍

（河北省煤田地質局水文地質隊，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巖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劃》，為了查明礦井西部進水邊界水文地質條件，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水文地質參數。同時進行對比分析，選擇最佳的計算結果，進行推廣應用。

1 放水試驗系統

大淑村礦西翼奧陶系石灰巖含水層放水試驗系統是充分利用本礦和薛村礦已有的水文地質鉆孔，由井下鉆孔和地面鉆孔兩部分組成。通過調查分析最近礦井和當前課利用的水文地質鉆孔和相應鉆孔的空間分布情況以及涌水量等數據，優選O2 孔為代表來研究本次放水工作的試驗孔位，并將研究調查區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W18 的特殊位置和井的形態構成等情況，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西部，可以控制下覆奧陶地層灰巖水力關系觀測系統。

2 水文地質參數計算

2.1 地下水數學模型建立

根據地層巖性特征、地下水所處層位和頂底板巖性分析結果，大淑村礦區的地下水屬于承壓含水；位于礦區北部的胡峪斷層為壓扭性斷層，作為側向上的阻水斷層，并且距離試驗孔較遠，所以對研究區內水頭變化的影響較小。因此，該研究區的含水層及奧陶紀峰峰組石灰巖為一個無限延伸的含水層[3]。

參考區內已有靜止水位觀測數據，峰峰組含水層天然狀態下水力坡度介于0.008 6%～0.618 0%，水力坡度較小，可以認為呈水平平衡狀態；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，峰峰組石灰巖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，滲流區域內任何一點的水頭均為常數，其降深為零。在遠離降落漏斗中心的區域，降深亦為零，根據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模型：

利用上述參數公式建立的模擬模型可用作計算水文地質參數。

2.2 水文地質參數計算

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定流進行動態觀測，即流量、水位加密觀測。其取得觀測資料較系統、精度高，足以滿足非穩定流試驗要求，可以求解出準確的水文地質參數。

2.2.1 直線圖解法求水文地質參數

本研究的試驗解析法主要根據雅柯布（Jacob）近似公式來求解，公式為：

其具體求解水文地質參數的做法是，用累計觀測時間和相應的水位降深值在單對數紙上作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的對數坐標軸上截取一個對數周期，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，同一觀測孔中不同時間連續觀測的水位降深值，滿足非穩定流直線圖解法求水文地質參數的要求。

根據放水試驗觀測資料，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參數示意圖

采用上述方法和計算公式即可求得導水系數T及儲水系數S。

2.2.2 水位恢復法求水文地質參數

水位恢復法求水文地質參數，是根據放水試驗停止以后，用不同時刻的剩余降深值來計算水文地質參數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則，所求得的水文地質參數比較接近實際情況。故選擇水位恢復法求水文地質參數。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S。

3 結論

求解的水文地質參數正確與否，直接影響到奧陶系中統峰峰組石灰巖含水層的評價和礦井涌水量的預算。本次求解水文地質參數用非穩定流直線圖解法（Jacob 直線圖解法）和水位恢復法求解水文地質參數T和S。兩種求解法所求得的水文地質參數如表1所示。

表1 水文地質參數求解成果對比

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（T）數值相近，并且二者數據最大差值僅為0.146 4，根據數據分析和地質特征方面綜合考慮，所求的導水系數（T）能夠真實、準確地反映含水層水文地質特征。造成試驗結果中儲水系數（S）相差較大的原因是，本次放水試驗不滿足“放水持續時間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（S）僅供參考。綜上所述，以直線圖解法求得的導水系數（T）和儲水系數（S）作為評價含水層的依據是適宜的。