仰斜鉆孔傾角對頂板含水層疏放水影響的數值模擬研究

馬亞杰，劉 莉，李 悅，郭世達，翟俊杰

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063010)

施工鉆孔疏放含水層是頂板水害防治的最常用手段，特定含水層條件下，疏放水鉆孔涌水量與鉆孔結構有關，包括鉆孔孔徑、深度、傾向、傾角等因素[1-3]。為提高疏放水效果，研究者們開展了系列研究。馬亞杰[4]、趙寶鋒[5]等利用統計學方法找出了影響鉆孔疏放水效果的重要參數，認為鉆孔疏放水量與含水層厚度、方位角、仰角、孔深均有關系。為進一步探究鉆孔疏放水規律，研究者們多采用數值模擬的方法，鉆孔常被概化為從地面垂直進入含水層的垂直井[6-7]。井下疏放水鉆孔開孔位置通常布置在煤礦工作面運輸巷和回風巷道所處的煤層或煤層頂底板中，鉆孔穿過煤層頂板傾斜進入含水層。因此，將疏水孔概化為直立井會導致鉆孔涌水量預測誤差較大。趙春虎等[8]、劉基等[9]、陳實等[10]將疏水鉆孔概化為傾斜井，探究不同傾角的疏水鉆孔的涌水規律，認為鉆孔與含水層夾角為疏放水量的重要影響因素，隨著鉆孔揭露含水層斜長(與仰角相關)的增加，鉆孔穩定涌水量增加。

上述研究表明，頂板疏放水鉆孔從井下穿過煤層傾斜進入頂板含水層中，其傾斜角度是影響鉆孔疏水量的重要參數，但不同仰角對鉆孔疏水量及疏水效率的影響程度仍缺乏定量研究[11-13]。本研究建立了均質各向同性水平含水層疏水模型，研究鉆孔傾角分別為10°、20°、30°、40°及90°時對疏放水量與降壓效果的影響，對定流量疏水情況下的疏水降壓特征與定水頭疏水情況下的鉆孔疏水量特點進行對比研究。

1 傾斜鉆孔的數值模擬

1.1 頂板疏水鉆孔傾角統計

對開灤礦區47個頂板含水層仰斜疏放水鉆孔傾角進行統計，鉆孔傾角介于2°～36°，平均為19°。鉆孔傾角統計的累積概率曲線如圖1所示。鉆孔傾角在10°～40°分布較均勻。因此，選擇傾角分別為10°、20°、30°、40°及90°時進行模型對比研究。

圖1 頂板含水層疏放水鉆孔傾角累積概率曲線

1.2 厚含水層中仰斜鉆孔的概化設置

在Modflow數值模型中，鉆孔一般被概化為直立井[6-7]。當傾角小于40°的仰斜鉆孔穿過厚含水層時，在水平方向上均跨越相當長的距離，不再適宜將其概化為一口忽略井徑的直立井。若將含水層分為若干薄層，傾斜鉆孔則沿鉆孔傾向上穿過不同薄層，穿過薄層的鉆孔段類似于完整井，整個鉆孔等同于沿鉆孔傾向的一串完整直立井。以穿過50 m厚度頂板含水層的20°傾斜鉆孔為例，含水層被劃分為層厚為3.7 m的15個薄層，該鉆孔被概化為15個位于每一薄層的直立井，沿鉆孔傾向排列。

仰斜疏水鉆孔涌水量自終孔以后隨時間變化而變化，通常呈現階梯狀衰減的特征，即在一段時間內涌水量穩定，為穩定流量邊界，持續一段時間后涌水量減小并繼續持續一段時間，繼而進一步衰減。仰斜鉆孔邊界為自由邊界，孔中無地下水駐留，鉆孔邊界的水壓不低于其位置水頭。依據上述特征，將仰斜疏水鉆孔邊界設置為定流量邊界與定水頭邊界兩種情況。定流量疏水條件下，不同傾角鉆孔的涌水量相等，將總涌水量1 440 m3/d平均分配給各分層直立井，觀測各抽水井疏水降壓特征。定水頭疏水條件下，將各分層直立井的定水頭設置為濾水管頂板高度，觀測各抽水井疏水量變化特點。以穿過50 m厚度頂板含水層的傾角20°鉆孔為例，將其概化為J1～J15共15個直立井，模型中各直立井參數與邊界條件如表1所示。

表1 傾角20°鉆孔概化為分段直立抽水井幾何參數與邊界一覽表

2 仰斜鉆孔疏放頂板含水層數值模型構建

應用Visual Modflow軟件建立承壓含水層模型。模型自上而下分為3層，頂板與底板均為10 m厚的隔水層，中間為50 m厚的含水層。模型平面范圍為910 m×910 m的正方形，以10 m×10 m網格剖分模擬區，X、Y方向各劃分91個網格?；贛odflow軟件，建立傾角分別為10°、20°、30°、40°、90°的疏水鉆孔模型，如圖2所示(圖中黃色段即為鉆孔抽水段)。

圖2 傾斜鉆孔概化示意圖

將承壓含水層概化為各向同性均質滲流場，含水層四周邊界接受地下水補給，設置模型四周為補給流量邊界。含、隔水層的水文地質參數如表2所示。

表2 含、隔水層水文地質參數分布表

模擬承壓含水層頂板承壓高度40 m、底板承壓高度90 m，全區水位初始標高30 m。模型區內，遵循對稱原則，在X、Y方向上每隔50 m布置水位觀測井，定流量模擬觀察地下水數值模型的水位變化，觀測井布置位置如圖3所示。

圖3 觀測井布置示意圖

3 傾角對鉆孔疏放頂板承壓含水層影響模擬結果分析

3.1 定流量抽水模擬結果分析

模擬結果顯示，鉆孔的傾向為X負方向時，各觀測點的水位以X、Y為對稱軸的對稱型，模型區的水位動態可以用對稱型的一角來反映，即通過GJ11、GJ13、GJ66、GJ31、GJ17、GJ35、GJ69動態顯示。

觀測孔水位隨模擬時間推移經歷下降至穩定的過程。如圖4所示，中心單元觀測孔GJ11 水位穩定最快、下降幅度最大，在抽水2～3天后即達到穩定。隨著鉆孔傾斜角度的增加，水位下降幅度增加，穩定后傾角10°、20°、30°、40°、90°的鉆孔中心點水位下降至17.2、13.7、11.1、9.8及-0.2 m。在距離鉆孔中心點較近的位置，傾角10°鉆孔與傾角40°鉆孔、豎直鉆孔動態具有顯著差別，在觀測井GJ31中鉆孔傾斜角度越緩穩定水位越低，在兩觀測井GJ13和GJ66中鉆孔傾斜角度越緩穩定水位越高，傾角10°鉆孔在GJ31和GJ13兩觀測點具有最大的水位差值，達到3.2 m。在距離鉆孔中心點較遠的GJ17、GJ35與GJ69孔在抽水5天后均達到穩定水位，不同傾角鉆孔的穩定水位十分接近。這表明傾角越小鉆孔中心點水位降深越小，但在鉆孔延伸方向與垂直鉆孔方向或斜交鉆孔方向上的水位的降深差值最大。

圖4 定流量抽水模型觀測井水頭變化圖

直立孔在水平含水層中抽水時形成以井為中心點的圓形水位等值線，傾斜鉆孔為橢圓形的水位等值線，如圖5所示。鉆孔緩傾斜時，穩定后的地下水降落漏斗中心區水位較高，中心區等值線稀疏，形成較大面積內相對較小的水位降低；鉆孔陡傾時，穩定后的地下水降落漏斗中心區水位低，中心區等值線密集，形成相對較小面積內較大的水位降低。當鉆孔中心區水位強烈下降時，在中心區形成干枯單元，該單元內的直立井流量邊界失效，鉆孔總流量下降。因此，陡傾斜鉆孔不具有長期穩定流量，緩傾斜鉆孔更適宜長期疏放水。

圖5 定流量抽水條件下第10天含水層水位等值線與水位漏斗圖

3.2 定水頭抽水模擬結果分析

定水頭鉆孔邊界條件下，采用水均衡法，求解各傾角鉆孔各抽水段的水量及鉆孔總水量。以傾角20°鉆孔為例，分析各抽水段水量與總水量隨時間的變化，如表3所示。抽水段由含水層底向頂的順序依次是J15、J14、J13 、J12、J11、J10、J9、J8、J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7，其中J8為含水層最中間抽水段。各抽水段水量隨時間推移涌水量減少，鉆孔總水量減小。在初始抽水時從底板到頂板各段涌水量先增大后減小，其中J11涌水量最大，這是因為各段涌水量的大小受到承壓高度與頂底板的影響。隨著抽水影響，承壓高度的影響成為主導。J7為最靠近頂板的抽水段，承壓高度最小，但該段只單側受抽水孔影響，與J6段相比，其涌水量更大。隨著抽水時間的延長，靠近頂板的抽水段將率先被疏干，水量趨于零。到第20天，各段水量趨于穩定。

表3 傾角20°鉆孔各抽水段水量變化數據表

對比不同傾角鉆孔涌水量，如圖6所示。鉆孔傾角對涌水量具有顯著的影響，傾角10°鉆孔涌水量顯著高于傾角90°鉆孔涌水量。這表明傾角越緩鉆孔涌水量越大，傾角越陡涌水量越小。

圖6 定水頭抽水條件下不同傾角鉆孔涌水量動態曲線

4 結論

1) 當限定抽水量相同時，緩傾斜鉆孔疏水形成底部中心區平坦、面積大的寬緩降落漏斗，隨傾角增大，鉆孔疏水形成中心區底部尖銳、面積小的陡立降落漏斗。鉆孔越陡，中心區越容易形成疏干區，鉆孔水量銳減，不易長期疏水。

2) 當以定水頭抽水時，受到承壓高度與隔水頂底板的影響，同一傾角的各鉆孔段涌水量的大小與動態均有差異。初始抽水時中間段水量最大，隨著抽水時間的延長，越靠近頂板的抽水段水量下降越快，甚至被疏干。傾角越緩鉆孔涌水量越大，傾角越陡涌水量越小。

3) 均質各向同性水平含水層條件下，傾角對鉆孔涌水量具有顯著的影響，傾角緩的鉆孔出水量大，適宜長期疏放水。