基于Aquifertest 和大井法對安太堡露天礦涌水量的估算

薩日娜，孫穎娜，陳 實

（1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱150080；2.黑龍江大學 中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

從礦山開發到重復開采的過程中一個單位時間內流進礦坑系統的水量叫做礦井涌水量。涌水量不僅確定了研究區礦井水文地質類型，還評價了礦區的水文地質條件，同時礦井涌水量估算是否精確也對后續井田開采以及礦井排水系統方案的制定有一定的影響。在露天礦聯合開采區內，水害問題主要是由礦井涌水量預測錯誤引起的，如果對最大涌水量不能進行正確預測，會造成礦井的生產功能失效、洪水來臨時會把礦井淹沒、工作人員傷亡等危險事故和重大經濟損失[1]。因此正確預測礦井涌水量具有深遠的開發意義和科學價值。礦井涌水量計算過程中最重要的環節就是獲取礦區的水文地質參數，目前通過抽水試驗來獲取此參數。

抽水試驗是一種野外水文地質試驗，以地下水井流理論為基礎，通過在井孔中進行抽水和觀測，來測定含水層水文地質參數，評價含水層富水性和判斷某些水文地質條件[2]。在從前的大多數研究中，尤其是資料數據比較完全的研究礦區，常常利用水文比擬法進行計算，水文地質比擬法是利用新礦井的資料與待測礦井的資料相對比，來估算待測礦井涌水量的方法。這種方法要求新礦井的水文地質條件、開發條件等與待測礦井的必須相似，才可以進行比較。但對于資料不足的礦區，用傳統的比擬計算方法會導致較大的誤差。本文以山西平朔安太堡露天煤礦為例，探討資料不足地區礦井涌水量估算方法。依據礦區潛水含水層的抽水資料，進行抽水試驗，根據AquiferTest 軟件中的Boulto 模型、Neuman 模型進行配線并對比，確定了此礦坑的水文地質參數，并利用大井法計算礦坑涌水量，為后續開采提供合理的數據。

1 研究區概況

1.1 井田基本情況

安太堡露天礦位于寧武煤田北端，面積為27.71 km2。礦區鐵路公路交通方便，被一條鐵路橫穿，四周環繞有多條公路，非常暢通便捷，方便了煤炭向外運輸。

安太堡露天礦所在區區域內河流屬于桑干河水系，礦井被多條河流環繞，馬營河、馬關河、七里河為其主流，除此之外，還有蒼頭河，另山河等河流的支流。具體水系分布如圖1 所示。

圖1 安太堡露天礦水流分布圖Fig.1 Flowdistribution of Antaibao open pit mine

1.2 水文地質條件

安太保露天礦位于寧武煤田西北部，寧武向斜西翼，屬神頭泉域水文地質單元。該礦地貌為黃土丘陵，地表多為黃土覆蓋，基巖出露較少，在山谷中有零星出露。礦井所在地區地勢北高南低。七里河橫穿本礦的西南邊，馬關河斜穿本礦的東緣。七里河的發源地是平朔礦區西緣的西施山，西施山長37 km，山谷地面的受雨面積達到181 km2。河流洪水最長持續時間為134 h，洪峰最長持續時間為4.2 h。一次洪水流量過程中最大的瞬時流量為361.3 m3/s。安太堡一號露天礦開工建設后，大壩停在七里河上游的西水村，經井坪向東導流。在洪水期間，排水量已經大大減少，平時只供應少量礦井水。馬關河發源于木瓜街和石井溝一帶，全長約31 km，山谷地面的受雨面積達到15 km2。馬關河主要由泉水組成，徑流常年不斷，一般徑流量為0.08~0.15 m3/s。七里河、馬關河支流河谷有泉水出露，泉水流量一般為0.01~1.0l/s，由于該礦的開采和排水，區域地下水位普遍下降，泉水流量大幅度減少甚至干涸。

大氣降水為安太堡露天礦的區域地下水的補給的主要來源，其次是地表水和相鄰含水系統的補給。該露天礦的區域水系共有松散層孔隙水、碎屑巖裂隙水、和巖溶裂隙水3 種。松散層孔隙水的主要補給來源是大氣降水、地表水和巖溶水，徑流條件為由北向南徑流，由平原向河谷匯集，主要的排泄方式是通過地表向外蒸發和人為開采。碎屑巖裂隙水由大氣降水和地表水補給，它先由西向東，再由北向南匯集，由向斜往平原匯集，排泄條件是點狀排泄和礦坑排泄。巖溶裂隙水由大氣降水補給，由東西兩側向寧武向斜匯集，自南向北徑流,排泄方式為點狀排泄和人工開采。

根據資料，安太堡露天礦在采掘初期的涌水量約為5 000 m3/d，90 年代中期為800 m3/d，之后逐漸下降到60 m3/d，2010—2013 年約為2.5 m3/d。2010—2013 年，除大氣降水外，開采期間煤系間基本無涌水量，礦井水無外排。由于該地區缺乏地下水補給源，礦井排水主要消耗靜態儲量，礦井排水有逐年減少的趨勢。從2015 年開始，礦井排水量逐漸增加，目前排水量約為1 980 m3/d，礦井水的主要來源是大氣降水的匯集。由于蒸發量一般為2 066.7 mm，約為降水量的5 倍，礦區土壤和巖石處于饑渴狀態，大部分降雨被地表巖石吸收，基本不形成大的地表徑流。總之，安太堡露天煤礦在降水量較小的時候，不會形成涌水；降水量比較大時，會聚集形成涌水。

2 含水層參數的確定

2.1 Aquifer test 軟件的應用

不管是露天礦還是井工礦，水文地質參數的分析是開采礦井準備和防治水工作的基礎理論依據，也是礦井涌水量估算的重要參數。導水系數（T）和滲透系數（K） 等含水層參數是進行地下水資源計算和評價、地下水數值模擬與預報的重要水文地質參數[5]。目前來看，抽水試驗法是確定含水層參數的主要方法[6]。

抽水試驗是獲取眾多水文地質參數的水文試驗方法之一，是基于地下水動力學理論的水文地質現場試驗[7]。通過井內抽水觀測，研究了井涌水量與抽水量（降深） 的關系以及抽水持續時間的關系，并根據其關系算出礦井的水文地質參數。目前，常用的計算機抽水試驗參數計算軟件是Aquifertest，由加拿大滑鐵盧水文地質公司開發研制，專門用于抽水試驗資料分析數據處理及水文地質參數求解的圖形化分析研究[8-9]。可以在配線分析圖上顯示各種類型的曲線，用來加強對可改變的水泵抽水率、含水層隔水層存儲狀況和一些邊界效應引起的復雜含水層條件的曲線匹配。為了解決傳統水文地質參數計算方法有不方便等缺陷，在這里利用此軟件獲得相關觀測數。

在Aquifertest 軟件的抽水試驗界面設置好時間、導水系數、含水層厚度，注意需要看好單位，然后新建一口觀測井，把觀測孔與抽水孔距離的數值填入進去；在water levels 也就是水位線界面選中新建的觀測井，將所給的時間—降深數據填進去；在Analysis 窗口中選擇Neuman 和Boulton 進行配線，接著在數據分析界面可以看到軟件根據數據分析出來的圖像，點擊擬合按鈕，使圖像多次擬合更貼近于準確值，點擊圖像右鍵統計按鈕，可以導出數據及圖像。

2.2 水文參數計算結果

涌水量計算是防治水的基礎，此次報告中采用“大井法”對安太堡露天礦未來3 a 未回采部分的涌水量進行了計算。需要指出的是，因為抽水試驗、水文地質參數數量不足，目前所有的涌水量數據需要與實際觀測資料進行對比分析，最后確定相對可靠的涌水量，觀測井中累計時間與實測降深如圖2 所示。

圖2 觀測井時間- 降深曲線Fig.2 Observation well curve of time and drawdown

此次采用Boulton 法和Neumann 法進行配線，求解該礦區的潛水含水層水文地質參數。配線法是通過實測試驗曲線與理論曲線對比確定含水層水文地質參數的方法，也稱為標準曲線對比法，配線法在軟件中通過專業分析調整來達到最優擬合效果[9]。Aquifertest 軟件求得的參數見表1，實測降深和計算降深擬合曲線如圖3~圖4 所示。因Neumann 法的擬合系數較低，擬合程度較好，所以計算涌水量的時候采用Neumann 模型。

圖3 Boult on 法抽水試驗數據模擬圖Fig.3 Simulation diagram of pumping test data by Boulton method

圖4 Neumann 法抽水試驗數據模擬數據圖Fig.4 Simulation data diagram of pumping test data by Neumann method

表1 水文地質參數計算結果Table 1 Calculation results of hydrogeological parameters

3 涌水量計算

在礦井涌水量估算的過程中，礦井水位降深在水量穩定的時候，可以認為是以礦坑為中心，由于礦坑內部十分復雜，可以把它理想化為一個大井在工作，大井的面積和涌水量就相當于整個礦坑的涌水量。根據礦方提供的2016 年生產規劃資料，并幫區域采用基坑并準備以新水平形式延深，年底計劃延深至1120 水平，處于二疊系砂巖裂隙水無水區。因此，僅對9 號、11 號煤層的砂巖裂隙水位降到11 號煤層底板時礦坑涌水量進行預測。根據解析法，利用地下水動力學的原理，可以近似利用裘布衣穩定井流的基本方程來計算涌水量。地下水動力學“大井法”的公式為：

影響半徑公式為：

引用影響半徑公式：

式中：M 為含水層厚度，m；S 為降深；m；H 為初始水位，在數值上H=S，m；h0為含水層底板以上的高度，m；R 為影響半徑，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m；K 為滲透系數，m/d。

滲透系數取11 號煤各鉆孔所得滲透系數的平均值；含水層厚度取11 號煤的含水層累計厚度的平均值；引用半徑由式（2），取η=1.18；引用影響半徑由式（2）、式（3） 求出；利用式（1），計算得到安太堡露天礦正常涌水量Q正常為64.59 m3/h，最大涌水量應該為正常涌水量的1.3 倍，即Q最大為83.97 m3/h。

通過大井法計算了礦坑最大涌水量為83.97 m3/h，依據礦方的實測資料，實際觀測涌水量為82.5 m3/h，計算涌水量與實測涌水量的誤差為1.78%，相對誤差較小，證明此方法計算精度較為準確，因此大井法可以考慮在安太堡露天煤礦礦井涌水量估算研究中應用，為后續的開采問題提供備用的數據支持。但由于計算降深與觀測降深之間還是有誤差的存在，涌水量的估算是否精確又決定了礦井的后續開采安全，所以鑒于安全第一原則，僅適合資料不足的礦區涌水量的計算。

4 結 論

（1） 本文通過現場抽水試驗，利用Aquifertest軟件，計算了安太堡露天煤礦的滲透系數和導水系數等水文地質參數。由Aquifertest 擬合圖與相關資料對比可以看出，紐曼法配線較博爾頓法更適宜于該試驗點潛水含水層水文地質參數。用此軟件計算不僅提高了計算結果的精度和可靠性，還避免了人工主觀影響。

（2） Aquifertest 紐曼配線法與解析法大井法的結合計算，相較于以往的研究方法更精確簡便，更適用作為平朔區礦區后續開采的備用數據，但由于計算降深與觀測降深還是有誤差的存在，僅適合資料不足礦區涌水量的計算。