基于Aquifertest 和大井法对安太堡露天矿涌水量的估算

萨日娜，孙颖娜，陈 实

（1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨150080；2.黑龙江大学 中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

从矿山开发到重复开采的过程中一个单位时间内流进矿坑系统的水量叫做矿井涌水量。涌水量不仅确定了研究区矿井水文地质类型，还评价了矿区的水文地质条件，同时矿井涌水量估算是否精确也对后续井田开采以及矿井排水系统方案的制定有一定的影响。在露天矿联合开采区内，水害问题主要是由矿井涌水量预测错误引起的，如果对最大涌水量不能进行正确预测，会造成矿井的生产功能失效、洪水来临时会把矿井淹没、工作人员伤亡等危险事故和重大经济损失[1]。因此正确预测矿井涌水量具有深远的开发意义和科学价值。矿井涌水量计算过程中最重要的环节就是获取矿区的水文地质参数，目前通过抽水试验来获取此参数。

抽水试验是一种野外水文地质试验，以地下水井流理论为基础，通过在井孔中进行抽水和观测，来测定含水层水文地质参数，评价含水层富水性和判断某些水文地质条件[2]。在从前的大多数研究中，尤其是资料数据比较完全的研究矿区，常常利用水文比拟法进行计算，水文地质比拟法是利用新矿井的资料与待测矿井的资料相对比，来估算待测矿井涌水量的方法。这种方法要求新矿井的水文地质条件、开发条件等与待测矿井的必须相似，才可以进行比较。但对于资料不足的矿区，用传统的比拟计算方法会导致较大的误差。本文以山西平朔安太堡露天煤矿为例，探讨资料不足地区矿井涌水量估算方法。依据矿区潜水含水层的抽水资料，进行抽水试验，根据AquiferTest 软件中的Boulto 模型、Neuman 模型进行配线并对比，确定了此矿坑的水文地质参数，并利用大井法计算矿坑涌水量，为后续开采提供合理的数据。

1 研究区概况

1.1 井田基本情况

安太堡露天矿位于宁武煤田北端，面积为27.71 km2。矿区铁路公路交通方便，被一条铁路横穿，四周环绕有多条公路，非常畅通便捷，方便了煤炭向外运输。

安太堡露天矿所在区区域内河流属于桑干河水系，矿井被多条河流环绕，马营河、马关河、七里河为其主流，除此之外，还有苍头河，另山河等河流的支流。具体水系分布如图1 所示。

图1 安太堡露天矿水流分布图Fig.1 Flowdistribution of Antaibao open pit mine

1.2 水文地质条件

安太保露天矿位于宁武煤田西北部，宁武向斜西翼，属神头泉域水文地质单元。该矿地貌为黄土丘陵，地表多为黄土覆盖，基岩出露较少，在山谷中有零星出露。矿井所在地区地势北高南低。七里河横穿本矿的西南边，马关河斜穿本矿的东缘。七里河的发源地是平朔矿区西缘的西施山，西施山长37 km，山谷地面的受雨面积达到181 km2。河流洪水最长持续时间为134 h，洪峰最长持续时间为4.2 h。一次洪水流量过程中最大的瞬时流量为361.3 m3/s。安太堡一号露天矿开工建设后，大坝停在七里河上游的西水村，经井坪向东导流。在洪水期间，排水量已经大大减少，平时只供应少量矿井水。马关河发源于木瓜街和石井沟一带，全长约31 km，山谷地面的受雨面积达到15 km2。马关河主要由泉水组成，径流常年不断，一般径流量为0.08~0.15 m3/s。七里河、马关河支流河谷有泉水出露，泉水流量一般为0.01~1.0l/s，由于该矿的开采和排水，区域地下水位普遍下降，泉水流量大幅度减少甚至干涸。

大气降水为安太堡露天矿的区域地下水的补给的主要来源，其次是地表水和相邻含水系统的补给。该露天矿的区域水系共有松散层孔隙水、碎屑岩裂隙水、和岩溶裂隙水3 种。松散层孔隙水的主要补给来源是大气降水、地表水和岩溶水，径流条件为由北向南径流，由平原向河谷汇集，主要的排泄方式是通过地表向外蒸发和人为开采。碎屑岩裂隙水由大气降水和地表水补给，它先由西向东，再由北向南汇集，由向斜往平原汇集，排泄条件是点状排泄和矿坑排泄。岩溶裂隙水由大气降水补给，由东西两侧向宁武向斜汇集，自南向北径流,排泄方式为点状排泄和人工开采。

根据资料，安太堡露天矿在采掘初期的涌水量约为5 000 m3/d，90 年代中期为800 m3/d，之后逐渐下降到60 m3/d，2010—2013 年约为2.5 m3/d。2010—2013 年，除大气降水外，开采期间煤系间基本无涌水量，矿井水无外排。由于该地区缺乏地下水补给源，矿井排水主要消耗静态储量，矿井排水有逐年减少的趋势。从2015 年开始，矿井排水量逐渐增加，目前排水量约为1 980 m3/d，矿井水的主要来源是大气降水的汇集。由于蒸发量一般为2 066.7 mm，约为降水量的5 倍，矿区土壤和岩石处于饥渴状态，大部分降雨被地表岩石吸收，基本不形成大的地表径流。总之，安太堡露天煤矿在降水量较小的时候，不会形成涌水；降水量比较大时，会聚集形成涌水。

2 含水层参数的确定

2.1 Aquifer test 软件的应用

不管是露天矿还是井工矿，水文地质参数的分析是开采矿井准备和防治水工作的基础理论依据，也是矿井涌水量估算的重要参数。导水系数（T）和渗透系数（K） 等含水层参数是进行地下水资源计算和评价、地下水数值模拟与预报的重要水文地质参数[5]。目前来看，抽水试验法是确定含水层参数的主要方法[6]。

抽水试验是获取众多水文地质参数的水文试验方法之一，是基于地下水动力学理论的水文地质现场试验[7]。通过井内抽水观测，研究了井涌水量与抽水量（降深） 的关系以及抽水持续时间的关系，并根据其关系算出矿井的水文地质参数。目前，常用的计算机抽水试验参数计算软件是Aquifertest，由加拿大滑铁卢水文地质公司开发研制，专门用于抽水试验资料分析数据处理及水文地质参数求解的图形化分析研究[8-9]。可以在配线分析图上显示各种类型的曲线，用来加强对可改变的水泵抽水率、含水层隔水层存储状况和一些边界效应引起的复杂含水层条件的曲线匹配。为了解决传统水文地质参数计算方法有不方便等缺陷，在这里利用此软件获得相关观测数。

在Aquifertest 软件的抽水试验界面设置好时间、导水系数、含水层厚度，注意需要看好单位，然后新建一口观测井，把观测孔与抽水孔距离的数值填入进去；在water levels 也就是水位线界面选中新建的观测井，将所给的时间—降深数据填进去；在Analysis 窗口中选择Neuman 和Boulton 进行配线，接着在数据分析界面可以看到软件根据数据分析出来的图像，点击拟合按钮，使图像多次拟合更贴近于准确值，点击图像右键统计按钮，可以导出数据及图像。

2.2 水文参数计算结果

涌水量计算是防治水的基础，此次报告中采用“大井法”对安太堡露天矿未来3 a 未回采部分的涌水量进行了计算。需要指出的是，因为抽水试验、水文地质参数数量不足，目前所有的涌水量数据需要与实际观测资料进行对比分析，最后确定相对可靠的涌水量，观测井中累计时间与实测降深如图2 所示。

图2 观测井时间- 降深曲线Fig.2 Observation well curve of time and drawdown

此次采用Boulton 法和Neumann 法进行配线，求解该矿区的潜水含水层水文地质参数。配线法是通过实测试验曲线与理论曲线对比确定含水层水文地质参数的方法，也称为标准曲线对比法，配线法在软件中通过专业分析调整来达到最优拟合效果[9]。Aquifertest 软件求得的参数见表1，实测降深和计算降深拟合曲线如图3~图4 所示。因Neumann 法的拟合系数较低，拟合程度较好，所以计算涌水量的时候采用Neumann 模型。

图3 Boult on 法抽水试验数据模拟图Fig.3 Simulation diagram of pumping test data by Boulton method

图4 Neumann 法抽水试验数据模拟数据图Fig.4 Simulation data diagram of pumping test data by Neumann method

表1 水文地质参数计算结果Table 1 Calculation results of hydrogeological parameters

3 涌水量计算

在矿井涌水量估算的过程中，矿井水位降深在水量稳定的时候，可以认为是以矿坑为中心，由于矿坑内部十分复杂，可以把它理想化为一个大井在工作，大井的面积和涌水量就相当于整个矿坑的涌水量。根据矿方提供的2016 年生产规划资料，并帮区域采用基坑并准备以新水平形式延深，年底计划延深至1120 水平，处于二叠系砂岩裂隙水无水区。因此，仅对9 号、11 号煤层的砂岩裂隙水位降到11 号煤层底板时矿坑涌水量进行预测。根据解析法，利用地下水动力学的原理，可以近似利用裘布衣稳定井流的基本方程来计算涌水量。地下水动力学“大井法”的公式为：

影响半径公式为：

引用影响半径公式：

式中：M 为含水层厚度，m；S 为降深；m；H 为初始水位，在数值上H=S，m；h0为含水层底板以上的高度，m；R 为影响半径，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m；K 为渗透系数，m/d。

渗透系数取11 号煤各钻孔所得渗透系数的平均值；含水层厚度取11 号煤的含水层累计厚度的平均值；引用半径由式（2），取η=1.18；引用影响半径由式（2）、式（3） 求出；利用式（1），计算得到安太堡露天矿正常涌水量Q正常为64.59 m3/h，最大涌水量应该为正常涌水量的1.3 倍，即Q最大为83.97 m3/h。

通过大井法计算了矿坑最大涌水量为83.97 m3/h，依据矿方的实测资料，实际观测涌水量为82.5 m3/h，计算涌水量与实测涌水量的误差为1.78%，相对误差较小，证明此方法计算精度较为准确，因此大井法可以考虑在安太堡露天煤矿矿井涌水量估算研究中应用，为后续的开采问题提供备用的数据支持。但由于计算降深与观测降深之间还是有误差的存在，涌水量的估算是否精确又决定了矿井的后续开采安全，所以鉴于安全第一原则，仅适合资料不足的矿区涌水量的计算。

4 结 论

（1） 本文通过现场抽水试验，利用Aquifertest软件，计算了安太堡露天煤矿的渗透系数和导水系数等水文地质参数。由Aquifertest 拟合图与相关资料对比可以看出，纽曼法配线较博尔顿法更适宜于该试验点潜水含水层水文地质参数。用此软件计算不仅提高了计算结果的精度和可靠性，还避免了人工主观影响。

（2） Aquifertest 纽曼配线法与解析法大井法的结合计算，相较于以往的研究方法更精确简便，更适用作为平朔区矿区后续开采的备用数据，但由于计算降深与观测降深还是有误差的存在，仅适合资料不足矿区涌水量的计算。