矿山水文地质勘探中群孔抽水试验的应用研究

张 勇，王成楠

在矿山水文地质探测中，抽水实验的目的主要是测定水文地质参数，一般采用单孔稳定流抽水试验，但是不同矿区水文地质条件不同，如果环境复杂，在计算动流量和静储量之间的转化关系时，工作难度较大。因此为了提升抽水水量对勘探数据的扰动性，提高其数据变化幅度，可以利用群孔抽水方法，利用作图法和动静储量转换原理，在地下水渗流运动方程基础上，测定水文地质参数（比如给水度、影响半径、渗透系数、降落漏斗体积等），从而计算出稳定动流量。

1 矿山水文地质概况

为了测定水文地质参数，笔者选择江汉平原北部地区做群孔抽水试验，该地区东西高中间低，整体地势北高南低，并且在东北部露出少量青白口系武当群变质岩，也存在部分砂岩和砂砾岩，具体组成如下显示。

图1中QbW 为武当系变质岩，Ey 为砂岩和砂砾岩，Z 表示震旦系硅质岩，在测定水文地质结构后，研究人员分析该地区地下水情况，水层情况如图2 所示。

图1 江汉平原北部地区群孔抽水试验地水文地质图

从图2 中我们可以发现该试验区地下水文分布情况具有明显的二元结构特征，在地上部分多为黏土和亚黏土、砂粉黏土，地下部分多为沙砾、砂岩，含有少部分黏土，砂砾岩分布较为广泛，可以说明这一地段多为孔隙潜水含水层。

图2 试验区地下水情况

2 矿山水文地质勘探中群孔抽水试验方法

本次群孔抽水实验共布设水文地质钻孔3 处，抽水井和观测井之间的距离分别为r1=44.55m，r2=3.62m，根据水文地质钻探结果，技术人员可以分析出地层岩性和层厚，做好含水层划分，该地区含水层结构垂直向上可以分为：粘土粉质+粘土层、中细砂+卵石层、紫红色砂岩层。

并且得出地层岩性在层厚1.8m 时，主要以黄褐色耕田土为主，层厚4.2m 时，主要以黄褐色粘土为主，层厚2.0m 时，主要以灰褐色粉质粘土为主，层厚在7.8m 时，主要以中细砂+卵石为主，层厚大于等于9.0m 时，主要以紫红色砂岩为主。并且在本次多孔抽水实验中，观测井和抽水井都分布在砂砾石孔隙承压含水层中，抽水时间在2020 年5 月3 号上午10:08 ～下午17:09，地下水承压高度为2.72m，在抽水实验过程中，监测自动水位，并且抽水流量为7.70m3/h，在抽水试验结束后，观测地下水水位降幅和抽水时间之间的关系。

图3 含水层水文地质钻孔平面图

3 矿山水文地质勘探中群孔抽水试验分析

在观察抽水井和观测井之间的关系时，技术人员发现：两台观测井地下水水位最大降幅为1.14m 和0.72m，而抽水井的最大降深为5.57m，并且在抽水进行不到一分钟时，水量就可以降低至隔水板以下，50s 左右就可以转化为无压状态（此时s=3.06m），两台观测井地下水水位高度均在隔水顶板之上，且始终保持在承压状态中，该种试验过程相对于承压含水层，出现了多次承压、无压并存现象，对整体降落漏斗的影响范围较小。

之后利用泰斯承压井流模型，对承压含水层水文地质参数进行分析，通过直线图解法得出水文地质参数，首先计算地下水水位降深。利用公式：s（t）=Q/4 ∏T×W（u）。其中Q 为抽水流量（单位：L3/T），t 为水位降深的时间，W（u）主要表示u 的井函数，T 为含水层导水系数。如果可以满足μer2/4Tt ≤0.05，s（t） ≈0.183Q/Tlgt+0.183Q/Tlg（2.25T/μer2）。通过以上公式，可以计算出两台观测井的实测s-lgt 曲线，比如在本次实验中，第二台观测井在t 等于1000～20000s 时，根据直线段斜率公式可以计算出承压含水层导水系数为一个定量常数，曲线变化较为明显的“直线”，导水系数T 等于87.98m2/d，并且在s-lgt 曲线中，可以得出弹性贮水系数μe=3.17×10-4；之后利用相同的测量方式，确定第一台观测井的水文地质技参数，依据承压井流模型直线图解法，测定抽水井和此台观测井之间的距离r1=3.73m，最终得出承压含水层T 值为77.28m2/d，并且在s-lgt 曲线中，可以得出弹性贮水系数μe=1.33×10-4。

除了计算承压含水层导水系数，相关技术人员还应该对动静储量转换进行测定，根据动静储量转换规律：抽水量=消耗的净储量+地下水径流量。也可以用公式:Qc=Qj+Qd 来表示。在整个群孔抽水实验过程中，在刚开始抽水时，主要消耗净储量，承压含水层瞬时释水，因此，地下水位下降，在这一抽水阶段，动流量为零，抽水量主要为静储量，即：Qc=Qj；之后随着群孔抽水实验的继续进行，地下水水位下降速度加快，抽水量逐渐转变为动流量，之后趋于平缓，此时如果地下水水位下降，速度为匀速，即：净储量和动流量之间处于相对稳定的平衡状态，可以视为Qc=Qj+Qd，并且动流量小于抽水量；在试验后期，如果突然减少抽水量，那么多余的动流量将会转成净储量，此时动流量大于抽水量，水位抬升，在动流量越来越少时，地下水水位匀速上升，此时可以视为Qc=Qd-Qj；当实验完全结束后，抽水量为零，抽水停止，水位将继续抬升，动流量继续转化为静储量，最终完成整个群孔抽水实验的“净储量和动流量”之间的变化和转化，其转换关系图示为。

根据图4 所示，试验人员可以得出群孔抽水实验时间和流量之间的关系，最终得出各降深阶段的平均抽水量，在相对稳定状态下，可以求出稳定动流量，根据动静储量转换原理，依照两项关系表达式，测定动流量总量，得出时间和Qd 坐标轴之间的面积。比如在本次抽水试验中，当最大降深为64m 时，动补给量为-143700m3，抽水总量为-258369m3，净储量变化量为-114669m3，降落漏斗净储量为114669m3，平均降深为21.3m，最终测定出稳定动流量为10550m3/d。当二次降深为46m 时，动补给量为-116439m3，抽水总量为-85484m3，净储量变化量为30956m3，降落漏斗净储量为83710m3，平均降深为15.3m，最终测定出稳定动流量为7834m3/d。当三次降深为31m 时，动补给量为-67586m3，抽水总量为-41209m3，净储量变化量为26377m3，降落漏斗净储量为57336m3，平均降深为10.3m，最终测定出稳定动流量为4677m3/d。

图4 净储量和动流量之间的转换关系

4 矿山水文地质勘探中群孔抽水试验应用

利用以上计算公式和相关动静储量转换原理，可以将该种水文地质抽水参数设计应用到大型多孔抽水试验中，比如笔者以四孔抽水实验为例（CK01、CK02、CK03、CK04），其中在CK01 群孔抽水试验应用中，可以在矿区断裂影响带上设置多个观测孔（数量在15 个-20 个之间），抽水时间维持在72h 以上，之后观测到静水位降深在5.0m 以下，主井出水量静水位降深在23.6m 左右，其他多孔降深基本维持在0.22m ～2.06m 之间。在CK02 群孔抽水试验应用中，共设置13 个观测孔，与CK01 的实验方法类似，抽水时间维持在72h 以上，之后观测到静水位降深在4.8m 左右，主井出水量静水位降深在23m 左右，其他多孔降深基本维持在0.24m ～2.06m 左右。在CK03 群孔抽水试验应用中，共设置14 个观测孔，主井出水量为230m3/h，旁管外孔静水位降深在7.8m 左右，其他多孔降深基本维持在0.23m ～2.08m左右。在CK04 群孔抽水试验应用中，共设置16 个观测口，主井出水量为94m3/h，主井旁管外孔静水位降低3.02m，抽水试验持续了96 个小时，其他多孔降深基本维持在0.27m ～2.69m 之间。

之后技术人员对矿坑涌水量进行预测。如果主井在东部，那 么 可 以 得 出CK01～CK04 的 开 采 水 平 在240m ～340m 之间，来源边界流量为西部8741m3/d-1，北部39510m3/d-1，南部42132m3/d-1，总涌水量在96839m3/d-1左右。并且通过本次群孔抽水实验结果可以得出：该地区大气降水为主要地岩融水补给来源，同时也是地表水和农业灌溉水源的主要补给，径流方向基本为从东北向西南径流，在群孔抽水实验的中期和后期阶段，依据动静转换原理，当承压含水层瞬时释水时，动流量一直小于储水量，水位迅速下降，基本可以说明，当地下水水位处于最大降深时，动补给量不足，降落漏斗已经形成，并且相对稳定，抽水试验过程从“小降深”一直向“大降深”过渡，只有抽水量大于动流量时，水量才会出现持续性下降，在预测矿坑涌水量时，可以利用作图法提升水文地质参数计算的精准性，提高降落漏斗面积计算的真实性，最终进一步得出实验结论。

并且技术人员在本次试验中，也应该注意到利用多孔抽水试验数据和承压无压井流模型，可以确定承压含水层的渗透系数、重力给水度和弹性释水系数，通过观测地下水水位降深数据。根据承压含水层试水机理，得出可靠的承压含水层水文地质参数值。也可以在施工过程中利用线性回归分析方程，预测涌水位置，分析位置误差，判断其误差范围是否在注浆沿帽厚度范围内，以此来考虑流水位置测试是否成功。比如在本次实验中，地下水相互导通，抽水试验和放水试验动态观测数据相关参数较高，可以揭露破碎带位置，方程拟合度较好，因此，在涌水位置统计数据测试中，可以取得良好工作成效，并且分析观测井地下水位变化特征，如果在整个图示中没有出现下凹段，就说明承压含水层抽水井实际水位变化影响较小，在承压含水层水位地质参数测量和求解中，准确性较高，可靠性更强。

5 结语

综上所述，利用作图法和动静储量转换原理，可以测定水文地质参数，通过地水文地质图、水文地质钻孔平面图、净储量与动流量之间的转换关系，可以提升水文地质参数计算的精准性，提高降落漏斗面积计算的真实性，最终确定承压含水层的渗透系数、重力给水度和弹性释水系数，从而得出可靠的承压含水层水文地质参数值，预测涌水位置误差,提高降落漏斗面积计算的真实性。