CN103163056B - 一种矿井水文地质条件的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井水文地质条件的探测方法，包括：1）按照要求进行放水孔施工；2）得到钻孔中原始水压力P₀、最大放水量Q₀；3）保持放水量Q₁幅度；4）停止放水，得钻孔柱压力稳定值P₁；5）计算水头总损失h，进而求得水压力下降值△P；6）求出水位降深为S；7）求出渗透系数K；8）重复步骤2）～6），分别选取不同的放水量Q₁、Q₂、Q₃…Q_n对应求得不同的含水层降深S₁、S₂、S₃…S_n，绘制Q～S曲线；求得放水量Q，并换算钻孔内径91mm的放水量Q₉₁，进而求得钻孔单位涌水量q：9）根据钻孔单位涌水量q，按照既定的含水层富水性等级划分标准，确定含水层的水文地质条件，采取相应的承压水害治理。本发明简单易实施；试验时间短，费用低；求取参数多，误差小；可针对一个点试验，实用价值高。

Description

一种矿井水文地质条件的探测方法

技术领域

本发明属于矿井水文地质领域，涉及一种基于水力学和地下水动力学，利用定流量放水过程获得的基础数据求取含水层水文参数的矿井水文地质条件的探测方法，进而指导矿井水害防治工作，特别适用于井下独孔放水试验求取承压水含水层渗透系数和单位涌水量参数。

背景技术

放水试验是矿井水文地质工作中查明承压含水层渗透性和富水性的一种试验方法，但目前放水试验方法存在以下几个问题：1）放水量有变化，参数求取误差大；2）放水过程中，放水孔中含水层水位降深参数无法求得；3）放水过程中，可获得放水量和水压力参数，但无法求得渗透系数和单位涌水量参数；4）群孔放水试验无法获得单一工作面、单一位置的水文参数；5)使用放水试验恢复过程求参数时，试验时间长。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井水文地质条件的探测方法，该方法参数求取误差小，可方便求得放水孔中含水层水位降深参数、渗透系数和单位涌水量参数以及单一工作面、单一位置的水文参数，进而指导矿井水害防治工作。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种矿井水文地质条件的探测方法，包括下述步骤：

步骤一：按照求取单位涌水量参数q的孔内径要求进行放水孔施工，依据钻孔柱状图获取放水目标含水层厚度M；

步骤二：依据现场放水孔施工获得钻孔中原始水压力P₀、最大放水量Q₀；

步骤三：保持放水量Q₁波动幅度小于3%，其中Q₀/3≤Q₁≤Q₀/2；

步骤四：保持放水量Q₁一定时间后停止放水试验，得钻孔中压力稳定值P₁；

步骤五：依据水力学中伯努利方程，计算出放水量保持在Q₁的情况下，水压力下降值△P则转换成放水量Q₁及过程中的水头总损失h，进而求得任意时刻放水孔中含水层的水压力，其中，稳定后放水孔中含水层的水压力为P₁+△P；水压力下降值△P按照下式计算：

$\mathrm{\ΔP}=0.75{\left(\frac{Q_1}{A}\right)}^2\mathrm{\ρ};---\left(2\right)$

式中，ρ为水的密度，A为放水孔内截面积；

步骤六：由放水孔中含水层的水压力和原始水压力，求出放水过程中含水层任意时刻的水位降深，其中放水稳定后的放水孔中含水层水位降深为S：

$S=\frac{P_0-(P_1+\mathrm{\ΔP})}{\mathrm{\ρg}}---\left(3\right)$

式中，g为重力加速度；

步骤七：依据地下水动力学中裘布依公式求出渗透系数K：

$K=\frac{Q_1}{2\mathrm{\πSM}}\ln \frac{R}{r}---\left(4\right)$

式中，K为含水层渗透系数，，为放水试验影响半径，r为放水孔内半径；

步骤八：重复步骤二～步骤六3次以上，分别选取不同的放水量Q₁、Q₂、Q₃…Q_n对应求得不同的含水层降深S₁、S₂、S₃…S_n，绘制Q～S曲线；依据曲线求得降深10m对应的放水量Q，并换算钻孔内径91mm的放水量Q₉₁，进而求得钻孔单位涌水量q：

$q=\frac{Q_{91}}{10};$

步骤九：根据钻孔单位涌水量q，按照既定的含水层富水性等级划分标准，确定含水层的水文地质条件，并依此采取相应的承压水害治理。

进一步地，所述单位涌水量参数q时的孔内径要求为91～108mm。

进一步地，所述步骤五中，水力学中伯努利方程为

$H+\frac{P}{\mathrm{\ρg}}+\frac{V^2}{2g}=H^{\′}+\frac{P^{\′}}{\mathrm{\ρg}}+\frac{V^{\′2}}{2g}+h---\left(1\right)$

式中，H为一组水头高度，P为水压力，V为水流速，H’、P’、V’分别是另一组水头高度、水压力、水流速，h为转换过程水头的总损失。

进一步地，所述含水层富水性划分等级为：q≤0.1L/（s·m）为含水层富水性弱；0.1L/（s·m）＜q≤1L/（s·m）为含水层富水性中等；1L/（s·m）＜q≤5L/（s·m）为含水层富水性强；5L/（s·m）＜q为含水层富水性极强。

本发明的优点在于：1）简单易实施；2）试验时间短，费用低；3）求取参数多，误差小；4）可针对一个点试验，实用价值高。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明放水试验系统示意图。

图中：1、安全阀；2、压力表；3、流量控制阀；4、流量表；5、放水管；6、流量粗调阀；7、流量细调阀。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，该矿井水文地质条件的探测方法，包括下述步骤：

步骤一：按照求取单位涌水量参数q的孔内径要求进行放水孔施工，依据钻孔柱状图获取放水目标含水层厚度M；单位涌水量参数q时的孔内径要求为91～108mm。

步骤二：依据现场放水孔施工获得钻孔中原始水压力P₀、最大放水量Q₀；

步骤三：保持放水量Q₁波动幅度小于3%，其中Q₀/3≤Q₁≤Q₀/2；

步骤四：保持放水量Q₁一定时间后停止放水试验，得钻孔中压力稳定值P₁；

步骤五：依据水力学中伯努利方程，

$H+\frac{P}{\mathrm{\ρg}}+\frac{V^2}{2g}=H^{\′}+\frac{P^{\′}}{\mathrm{\ρg}}+\frac{V^{\′2}}{2g}+h---\left(1\right)$

式中，H为一组水头高度，P为水压力，V为水流速，H’、P’、V’分别是另一组水头高度、水压力、水流速，h为转换过程水头的总损失；

计算出放水量保持在Q₁的情况下，水压力下降值△P则转换成放水量Q₁及过程中的水头总损失h，进而求得任意时刻钻孔柱放水孔中含水层的水压力，其中，稳定后放水孔中含水层的水压力为P₁+△P；水压力下降值△P按照下式计算：

$\mathrm{\ΔP}=0.75{\left(\frac{Q_1}{A}\right)}^2\mathrm{\ρ};---\left(2\right)$

式中，ρ为水的密度，A为放水孔内截面积；

步骤六：由放水孔中含水层的水压力和原始水压力，求出放水过程中含水层任意时刻的水位降深，其中放水稳定后的放水孔中含水层水位降深为S：

$S=\frac{P_0-(P_1+\mathrm{\ΔP})}{\mathrm{\ρg}}---\left(3\right)$

式中，g为重力加速度；

步骤七：依据地下水动力学中裘布依公式求出渗透系数K：

$K=\frac{Q_1}{2\mathrm{\πSM}}\ln \frac{R}{r}---\left(4\right)$

式中，K为含水层渗透系数，，为放水试验影响半径，r为放水孔内半径；

步骤八：重复步骤二～步骤六3次以上，分别选取不同的放水量Q₁、Q₂、Q₃…Q_n对应求得不同的含水层降深S₁、S₂、S₃…S_n，绘制Q～S曲线；依据曲线求得降深10m对应的放水量Q，并换算钻孔内径91mm的放水量Q₉₁，进而求得钻孔单位涌水量q：

$q=\frac{Q_{91}}{10};$

步骤九：根据钻孔单位涌水量q，按照既定的含水层富水性等级划分标准，确定含水层的水文地质条件：q≤0.1L/（s·m）为含水层富水性弱；0.1L/（s·m）＜q≤1L/（s·m）为含水层富水性中等；1L/（s·m）＜q≤5L/（s·m）为含水层富水性强；5L/（s·m）＜q为含水层富水性极强，采取相应的承压水害治理。

下面通过一个实施例来进一步说明本发明。

如图2所示，用于求取水文参数的放水试验系统由近90度弯曲、内径91mm的放水管5构成，放水管5上游设置一个安全阀门1，放水管5水平部分依次设置压力表2、流量控制阀3和流量表4，其中流量控制阀3由流量粗调阀6和流量细调阀7组成。

放水试验求取水文参数的具体步骤如下：

步骤一：内径91mm放水孔施工完成后，依据钻孔柱状图获取放水目标含水层厚度M。

步骤二：打开安全阀1，关闭流量控制阀3，读取压力表2的稳定数值P₀。

步骤三：打开安全阀1和流量控制阀3，读取流量表4最大放水量Q₀。

步骤四：打开安全阀，关闭流量控制阀3，待压力表2显示的水压恢复至P₀。

步骤五：完全打开安全阀1，使用流量控制阀3的粗调阀6和细调阀7使流量表4的流量保持在Q₁不变，波动幅度小于3%，其中Q₀/3≤Q₁≤Q₀/2。

步骤六：保持放水量Q₁不变，每隔30min观测一次压力表2，初期观测需加大密度，至压力表显示的压力趋于平稳一定时间后停止放水试验，读取此时压力表2数值P₁。

步骤七：依据水力学中伯努利方程（用于表示水流速度、压强和水头三者之间转换关系，式中H、P、V分别为一组水头高度、水压力、水流速，H’、P’、V’是另一组水头高度、水压力、水流速，h为转换过程水头的总损失，ρ为水的密度，g为重力加速度），可计算出在水头基本不变的情况下，△P的水压力下降可转换成放水量Q₁及过程中的水头总损失h，即其中A为放水孔内截面积。

进而可以求得任意时刻放水孔中含水层的水压力，其中稳定后放水孔中含水层的水压力为P₁+△P。

步骤八：由放水孔中含水层的水压力和原始水压力，可以求出放水过程中含水层任意时刻的水位降深，其中放水稳定后的放水孔中含水层水位降深为S。

$S=\frac{P_0-(P_1+\mathrm{\ΔP})}{\mathrm{\ρg}}$

步骤九：依据地下水动力学中裘布依公式求出渗透系数K，（用于表示放水量Q₁、水位降深S和渗透系数K三者之间关系），其中，r为放水孔内半径45.5mm。

步骤十：重复步骤二～步骤八3次以上，分别选取不同的放水量Q₁、Q₂、Q₃…Q_n对应求得不同的含水层降深S₁、S₂、S₃…S_n，绘制Q～S曲线。依据曲线求得降深10m对应的放水量Q₉₁，进而求得钻孔单位涌水量q。

$q=\frac{Q_{91}}{10}$

步骤十一：上述参数的求取可查明矿井水文地质条件，为矿井防治水工作提供依据。其中，求取的含水层渗透系数K，进而可预测煤炭开采矿井涌水量，针对不同的涌水量选取相应的排水设备，保障工作面防水能力；求取的单位涌水量q参数，进而可用于划分含水层富水性等级，针对不同的富水性等级采取相应的承压水害治理办法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种矿井水文地质条件的探测方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：按照求取单位涌水量参数q的孔内径要求进行放水孔施工，依据钻孔柱状图获取放水目标含水层厚度M；

步骤二：依据现场放水孔施工获得钻孔中原始水压力P₀、最大放水量Q₀；

步骤三：保持放水量Q₁波动幅度小于3％，其中Q₀/3≤Q₁≤Q₀/2；

步骤四：保持放水量Q₁一定时间后停止放水试验，得钻孔中压力稳定值P₁；

步骤五：依据水力学中伯努利方程，计算出放水量保持在Q₁的情况下，水压力下降值△P则转换成放水量Q₁及过程中的水头总损失h，进而求得任意时刻放水钻孔中含水层的水压力，其中，稳定后放水孔中含水层的水压力为P₁+△P；水压力下降值△P按照下式计算：

$\mathrm{\ΔP}=0.75{\left(\frac{Q_1}{A}\right)}^2\mathrm{\ρ};---\left(2\right)$

式中，ρ为水的密度，A为放水孔内截面积；

步骤六：由放水孔中含水层的水压力和原始水压力，求出放水过程中含水层任意时刻的水位降深，其中放水稳定后的放水孔中含水层水位降深为S：

$S=\frac{P_0-(P_1+\mathrm{\ΔP})}{\mathrm{\ρg}}---\left(3\right)$

式中，g为重力加速度；

步骤七：依据地下水动力学中裘布依公式求出渗透系数K：

$K=\frac{Q_1}{2\mathrm{\πSM}}\ln \frac{R}{r}---\left(4\right)$

式中，K为含水层渗透系数，为放水试验影响半径，r为放水孔内半径；

步骤八：重复步骤二～步骤六3次以上，分别选取不同的放水量Q₁、Q₂、Q₃…Q_n对应求得不同的含水层水位降深S₁、S₂、S₃…S_n，绘制Q～S曲线；依据曲线求得降深10m对应的放水量Q，并换算钻孔内径91mm的放水量Q₉₁，进而求得钻孔单位涌水量q：

$q=\frac{Q_{91}}{10};$

步骤九：根据钻孔单位涌水量q，按照既定的含水层富水性等级划分标准，确定含水层的水文地质条件，并依此采取相应的承压水害治理。

2.根据权利要求1所述的矿井水文地质条件的探测方法，其特征在于，所述步骤五中，水力学中伯努利方程为

$H+\frac{P}{\mathrm{\ρg}}+\frac{V^2}{2g}=H^{\′}+\frac{P^{\′}}{\mathrm{\ρg}}+\frac{V^{\′2}}{2g}+h---\left(1\right)$

式中，H为一组水头高度，P为水压力，V为水流速，H’、P’、V’分别是另一组水头高度、水压力、水流速，h为转换过程水头的总损失。

3.根据权利要求1所述的矿井水文地质条件的探测方法，其特征在于，所述含水层富水性划分等级为：q≤0.1L/(s·m)为含水层富水性弱；0.1L/(s·m)＜q≤1L/(s·m)为含水层富水性中等；1L/(s·m)＜q≤5L/(s·m)为含水层富水性强；5L/(s·m)＜q为含水层富水性极强。