CN104533519B - 立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法 - Google Patents

Abstract

一种立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，包括：（1）对立井井筒所要穿过的强富水厚岩层进行可疏性分析，为建立强富水厚岩层渗流场数值模型提供参数；（2）依据步骤（1）提供的参数，建立水文地质概念模型，对研究区内三维含水层系统进行离散处理及对水文地质条件进行概化，完成强富水厚岩层渗流场数值模型的构建；（3）依据强富水厚岩层渗流场数值模型，考量疏排水效果与排水井数量等之间的关系，确定施工方案；（4）根据所述施工方案，进行排水井施工等操作。藉由本发明方法可以治理在特殊地层中采用普通凿井法施工通过强含水岩层时的涌水水害，且具有技术要求低、施工工艺简单、占用设备少、成本低、工期短等优点。

Description

立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法

技术领域

本发明涉及一种应用于基建、矿业(例如煤矿建井领域)等领域的降低水位法，特别涉及一种对于立井井筒遇到强富含水厚岩层涌水时进行治理的方法。

背景技术

降低水位法又称降水法、井点法、疏降水法、疏干降压法，其理论基础为地下水动力学中的达西渗流定律，后期又经过了多位学者的发展和完善。降低水位法初期主要应用于土木工程领域，如地铁工程、基坑工程中井塔基础、高层建筑深基基础，其应用范围一般是小于30m降深的浅层地层施工。

后来引用到煤矿建井领域，主要应用于松散表土层的普通凿井法施工当中。该方法应用范围存在局限性，从以往的施工统计来看主要有：①在斜井井筒施工中应用较为广泛，在立井井筒施工中虽有应用，但效果不甚明显；②应用深度一般也不超过100m；③适用的地层仅为表土层中的松散强含水厚岩层。

我国煤炭储量主要分布在华北、西北地区。由于华北、东北赋煤区新建矿井增加缓慢，我国的煤炭能源战略已向西部转移，西北赋煤区建井数量在迅速增加。该区域内普遍发育中生界多层砂岩地层，由于砂岩孔隙率大，一般都发育成富水强含水厚岩层，例如洛河组是含水砂岩最发育的一套地层，厚200～500m，有优越的地下水赋存条件。立井开凿揭露此类强含水厚岩层时往往水害严重，若采用冻结法、注浆法治理水害不但大幅增加工程成本，而且也会严重延误工期、影响生产。

发明内容

本发明的目的在于针对提供一种立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其具有技术要求低、施工工艺简单、占用设备少、成本低、工期短等优点。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，包括：

对立井井筒所要穿过的强含水厚岩层进行可疏性分析，并建立强含水厚岩层渗流场数值模型；以及，依据所获强含水厚岩层渗流场数值模型，选择性的设置与立井井筒配合的疏排水井。

进一步的，所述治理方法具体包括：

(1)对立井井筒所要穿过的强含水厚岩层进行可疏性分析，为建立强含水厚岩层渗流场数值模型提供参数；

(2)依据步骤(1)提供的参数，建立水文地质概念模型，该模型包括立井井筒所要穿过的地下含水系统实际边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄条件，并基于水文地质概念模型，对研究区内三维强含水厚岩层系统进行离散处理及对水文地质条件进行概化，完成强含水厚岩层渗流场数值模型的构建，

(3)依据步骤(2)所获强含水厚岩层渗流场数值模型，考量疏排水效果与疏排水井数量、布置圈径、初始水头及抽水时间之间的关系，确定施工方案。

(4)根据步骤(3)所获施工方案，进行疏排水井施工、抽水设备系统安装、降水设备运行与维护，进行抽排水试验，以满足立井井筒的施工进度。

更进一步的，步骤(1)中可疏性分析的内容包括：

①强含水厚岩层特征研究，包括：地下水埋藏深度与赋存条件、强含水厚岩层的岩性、厚度、岩石成因类型、岩层组合形式及结构、含水空间形态、导水性和富水性；

②强含水厚岩层的边界条件分析，包括在垂向和水平方向的补给与排泄边界；

③补给、径流、排泄条件分析，包括：强含水厚岩层的补给与排泄条件受地形、地貌、地质、水文地质条件、季节的影响分析，以及补给强度，径流路径；

④基于强含水厚岩层的抽水试验，以及区域、井田水文勘探资料，得出强含水厚岩层的水文地质参数、孔隙度、均质特征、地下水流态。

更进一步的，步骤(2)包括：

依据渗流的连续性方程和达西定律，结合井筒所处区域地下含水系统水文地质条件，给出与水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型为：

式中：K_xx、K_yy、K_zz分别是渗透系数在x、y和z方向上的分量(m/d)；

h为点(x，y，z)在t时刻水头值，其计量单位为m；

W为汇源项即单位体积流进或流出的水量，其计量单位为L/d，

S_s为孔隙介质的单位储水系数，其计量单位为1/m，

t为时间，其计量单位为天；

Ω为立体计算域；

S₂为第二类边界；

q为侧向补给量(m³/d)；

n_x为边界S₂的外法线沿x轴方向上的单位矢量；

n_y为边界S₂的外法线沿y轴方向上的单位矢量；

n_z为边界S₂的外法线沿z轴方向上的单位矢量，

其中，式1即为即强含水厚岩层渗流场数值模型。

更进一步的，步骤(2)包括：若立井井筒所处区域地下含水系统为非稳定流，其定解条件包括：边界条件和初始条件；

其中，在研究的渗流区，边界条件概化为第一类、第二类或第三类边界条件，初始条件为强含水厚岩层初始时刻水头值。

进一步的，所述治理方法还包括：基于强含水厚岩层的岩层组合形式及结构、含水空间形态、富水性、垂向和水平方向上补给与排泄条件、补给强度、径流路径、水文地质参数(渗透系数、单位涌水量)、空隙度、均匀特征、地下水流态，确定是否采用井群强排疏水法，其中所述水文地质参数包括渗透系数和单位涌水量。

进一步的，所述治理方法还包括：利用地下水渗流模拟软件VMOD来构建疏排方案优化平台，以实现疏排水井的优化布置。

进一步的，所述治理方法还包括：

①模型建立：根据建立的水文地质概念模型，运用地下水渗流模拟软件VMOD，首先输入模拟区域地图，将立井井筒周边区域平面图的*.dxf格式的底图导入VMOD，然后根据研究区的实际水文地质条件及几何形状，确定研究区的范围和剖分的行、列、层的个数，将研究范围内地下含水系统，在垂向上剖分为若干层，分别设置每一层的属性，包括承压强含水厚岩层或潜水强含水厚岩层、厚度h，然后根据研究区实际大小，计算时在两个方向上等距分为n×m个网格，总网格数为n×m×h，n、m均为正整数；

②水文地质参数输入：根据强含水厚岩层的岩性、导水性、埋深条件、厚度以及水位动态对研究区进行分区，设置不同的渗透系数和储水系数，将抽水试验所得到的参数赋值输入渗流场数值模型中；

③边界条件输入：根据研究区的实际特点，计算区上下边界是隔水边界，四周边界取为第二类边界，边界的初始水位由初始流场获得，调用地下水渗流模拟软件VMOD中的通用水头边界子程序包，包括常水头边界，定水头边界，边墙边界，将边界条件输入到渗流场数值模型中；

④算法选择：根据模拟目的选择运行模式、算法，设置强含水厚岩层各向异性、时间步数、步长因子；

⑤疏排方案平台建立：设置不同数量和位置的疏排水井，然后进行运行即可。

进一步的，所述治理方法还包括：在以立井井筒为中心的圈径上布置合理的疏排水井。

更进一步的，所述疏排水井的布置方案具体包括：

①首先考虑在强含水厚岩层流场径流路径方向上布置多个疏排水井；

②其次在以立井井筒为中心的圈径上其他方向布置较少疏排水井；

③初步设置完成后，依据渗流场数值模型在地下水渗流模拟软件VMOD上运行；

④根据运行的疏排效果，包括井筒位置疏降水位值，增加或减小各自方向上的疏排水井的数量。

与现有技术相比，本发明的优点包括：对于强含水岩层处于深部，其上覆表土层松散强含水厚岩层，但强含水厚岩层具有潜水性质，提出了采用井群强排疏水法治理立井普通凿井法施工时的水害，该方法合理，经济成本低，且施工工艺简单，工期短、治理涌水水害效果明显，管理成本较低，为在特殊地层中采用普通凿井法施工提供了技术保障。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中一种井群强排疏水法中疏排水井的布置示意图。

具体实施方式

本案发明人经长期研究和实践，针对现场工况，提出采用井群强排疏水法治理立井井筒通过强含水厚岩层(特别是大于100m)时涌水水害的方法。

如下结合一典型实施案例对本发明的技术方案作更为具体的说明。

本实施例的实施过程如下：

(1)对立井井筒所要穿过的强含水厚岩层进行可疏性分析，具体有：

①强含水厚岩层特征研究，包括：地下水埋藏深度与赋存条件、强含水厚岩层的岩性、厚度、岩石成因类型、岩层组合形式及结构、含水空间形态、导水性和富水性等。

②强含水厚岩层的边界条件分析，包括在垂向和水平方向的补给与排泄边界。

③补给、径流、排泄条件分析。包括：强含水厚岩层的补给与排泄条件受地形、地貌、地质、水文地质条件、季节的影响分析；补给强度，径流路径等。

④基于强含水厚岩层的抽水试验，以及区域、井田水文勘探资料，得出强含水厚岩层的 水文地质参数、孔隙度、均质特征、地下水流态等。为步骤(2)强含水厚岩层渗流场数值模型建立提供参数。

(2)基于地下水渗流模拟软件来构建强含水厚岩层渗流场数值模型即疏排方案优化平台：

①对强含水厚岩层边界条件、地下水流态、渗透系数等水文地质参数、水力特征、补给和排泄条件等进行分析，建立水文地质概念模型。

即：依据渗流的连续性方程和达西定律，结合井筒所处区域地下含水系统水文地质条件地下含水系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型如下：

式中：K_xx、K_yy、K_zz——分别是渗透系数在x、y和z方向上的分量(m/d)；

h——为点(x，y，z)在t时刻水头值(m)；

W——为汇源项即单位体积流进或流出的水量(L/d)；

S_s——为孔隙介质的单位储水系数(1/m)；

t——为时间(d)；

Ω——为立体计算域；

S₂——为第二类边界；

q——为侧向补给量(m³/d)；

n_x——为边界S₂的外法线沿x轴方向上的单位矢量；

n_y——为边界S₂的外法线沿y轴方向上的单位矢量；

n_z——为边界S₂的外法线沿z轴方向上的单位矢量。

方程(公式1)为地下水流动系统的数学模型。采用向后有限差分法，对上述数学模型进行离散，可得计算单元(i，j，k)地下水渗流计算的有限差分公式。立井井筒所处区域地下含水系统一般常见为非稳定流，其定解条件包括：边界条件和初始条件。在研究的渗流区，边界条件概化为第二类边界条件，初始条件为强含水厚岩层初始时刻水头值。

②基于水文地质概念模型，对研究区内三维强含水厚岩层系统进行离散处理，水文地质条件进行概化。

具体为：整个强含水厚岩层被剖分为若干层，每一层又剖分为若干行和列。强含水厚岩层被剖分小长方体称为计算单元，每个单元的中心称为格点。格点所在的行号用i表示，列号用j表示，层厚用k表示。行和列的方向即为x、y的方向，规定模型的最顶层为第一层(即k＝1)，随高程的降低k值增加。

采用等间距有限差分的离散方法，进行自动剖分。其中j列中的一个计算单元沿行方向上的宽度由Δr_j表示，i行中的一个计算单元沿列方向上的宽度由Δc_i表示。k层中的计算单元的厚度则由Δv_k表示，其计算单元的体积为Δr_jΔc_iΔv_k。离散点的确定采用将离散点置于网格中心处，每个网格都相当于一个均衡域。

③把参数和初始条件代入地下水渗流模拟程序即地下水渗流模拟软件VMOD，最终完成数值模型构建。此步骤选择地下水渗流模拟软件VMOD，该程序包括：①模型建立：根据上述建立的水文地质概念模型，运用地下水渗流模拟软件VMOD，首先输入模拟区域地图，将立井井筒周边区域平面图的*.dxf格式的底图导入VMOD。然后根据研究区的实际水文地质条件及几何形状，确定研究区的范围和剖分的行、列、层的个数。将研究范围内地下含水系统，在垂向上剖分为若干层，分别设置每一层的属性(承压强含水厚岩层或潜水强含水厚岩层、厚度h)。然后根据研究区实际大小，计算时在两个方向上等距分为n×m个网格，总网格数为n×m×h。

②水文地质参数输入：根据强含水厚岩层的岩性、导水性、埋深条件、厚度以及水位动态对研究区进行分区，设置不同的渗透系数和储水系数，将抽水试验所得到的参数赋值输入模型中。

③边界条件输入：根据研究区的实际特点，计算区上下边界是隔水边界，四周边界取为第二类边界，边界的初始水位由初始流场获得，调用VMOD中的通用水头边界子程序包包括 (常水头边界，定水头边界，边墙边界)，将边界条件输入到模型中。

④算法选择：根据模拟目的选择运行模式、算法，设置强含水厚岩层各向异性、时间步数、步长因子等。

⑤疏排方案平台建立：设置不同数量和位置的疏排水井，然后进行运行即可。

(3)基于疏排方案优化平台进行疏排方案的优化设计：在强含水厚岩层渗流场数值模型中设计多种方案，利用正交试验，考量疏排水效果与疏排水井数量、布置圈径、初始水头及抽水时间之间的关系，理论上关系如下：①疏排水井数量越多，疏排效果越佳，②抽水时间越长，排水效果越佳，③圈径越小，排水效果越佳。但是要考虑排水费用、时间成本、疏排水井中疏干后井筒水位等，所以要确定出最优化方案，例如可参阅图1。具体有：①首先考虑在强含水厚岩层流场径流路径方向上布置5个疏排水井，流进方向上3个，分别是1号、2号、3号，流出方向上2个，分别是5号、6号，圈径上其他方向2个，分别是4号、7号。

(4)根据最优化方案，进行排水井施工、抽水设备系统安装、降水设备运行与维护，进行抽排水试验，以满足立井井筒的施工进度。

需要指出的是，本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (8)

1.一种立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于包括：

(1)对立井井筒所要穿过的强含水厚岩层进行可疏性分析，为建立强含水厚岩层渗流场数值模型提供参数；

(2)依据步骤(1)提供的参数，建立水文地质概念模型，该模型包括立井井筒所要穿过的地下含水系统实际边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄条件，并基于水文地质概念模型，对研究区内三维强含水厚岩层系统进行离散处理及对水文地质条件进行概化，完成强含水厚岩层渗流场数值模型的构建；

该强含水厚岩层渗流场数值模型为与水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型，该三维非稳定流数学模型是依据渗流的连续性方程和达西定律，并结合井筒所处区域地下含水系统水文地质条件而给出，并且该三维非稳定流数学模型如下式1所示：

式中：K_xx、K_yy、K_zz分别是渗透系数在x、y和z方向上的分量(m/d)；

h为点(x，y，z)在t时刻水头值，其计量单位为m；

W为汇源项即单位体积流进或流出的水量，其计量单位为L/d，

S_s为孔隙介质的单位储水系数，其计量单位为1/m，

t为时间，其计量单位为天；

Ω为立体计算域；

S₂为第二类边界；

q为侧向补给量(m³/d)；

n_x为边界S₂的外法线沿x轴方向上的单位矢量；

n_y为边界S₂的外法线沿y轴方向上的单位矢量；

n_z为边界S₂的外法线沿z轴方向上的单位矢量；

(3)依据步骤(2)所获强含水厚岩层渗流场数值模型，考量疏排水效果与疏排水井数量、布置圈径、初始水头及抽水时间之间的关系，确定施工方案；

(4)根据步骤(3)所获施工方案，进行疏排水井施工、抽水设备系统安装、降水设备运行与维护，进行抽排水试验，以满足立井井筒的施工进度。

2.根据权利要求1所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于，步骤(1)中可疏性分析的内容包括：

①强含水厚岩层特征研究，包括：地下水埋藏深度与赋存条件、强含水厚岩层的岩性、厚度、岩石成因类型、岩层组合形式及结构、含水空间形态、导水性和富水性；

②强含水厚岩层的边界条件分析，包括在垂向和水平方向的补给与排泄边界；

③补给、径流、排泄条件分析，包括：强含水厚岩层的补给与排泄条件受地形、地貌、地质、水文地质条件、季节的影响分析，以及补给强度，径流路径；

④基于强含水厚岩层的抽水试验，以及区域、井田水文勘探资料，得出强含水厚岩层的水文地质参数、孔隙度、均质特征、地下水流态。

3.根据权利要求1所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于，步骤(2)包括：若立井井筒所处区域地下含水系统为非稳定流，其定解条件包括：边界条件和初始条件；

其中，在研究的渗流区，边界条件概化为第一类、第二类或第三类边界条件，初始条件为强含水厚岩层初始时刻水头值。

4.根据权利要求1所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于所述治理方法还包括：

基于强含水厚岩层的岩层组合形式及结构、含水空间形态、富水性、垂向和水平方向上补给与排泄条件、补给强度、径流路径、水文地质参数、空隙度、均匀特征、地下水流态，确定是否采用井群强排疏水法，其中所述水文地质参数包括渗透系数和单位涌水量。

5.根据权利要求1所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于所述治理方法还包括：利用地下水渗流模拟软件VMOD来构建疏排方案优化平台，以实现疏排水井的优化布置。

6.根据权利要求5所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于所述治理方法还包括：

①模型建立：根据建立的水文地质概念模型，运用地下水渗流模拟软件VMOD，首先输入模拟区域地图，将立井井筒周边区域平面图的*.dxf格式的底图导入VMOD，然后根据研究区的实际水文地质条件及几何形状，确定研究区的范围和剖分的行、列、层的个数，将研究范围内地下含水系统，在垂向上剖分为若干层，分别设置每一层的属性，包括承压强含水厚岩层或潜水强含水厚岩层、厚度h，然后根据研究区实际大小，计算时在两个方向上等距分为n×m个网格，总网格数为n×m×h，n、m均为正整数；

②水文地质参数输入：根据强含水厚岩层的岩性、导水性、埋深条件、厚度以及水位动态对研究区进行分区，设置不同的渗透系数和储水系数，将抽水试验所得到的参数赋值输入渗流场数值模型中；

③边界条件输入：根据研究区的实际特点，计算区上下边界是隔水边界，四周边界取为第二类边界，边界的初始水位由初始流场获得，调用地下水渗流模拟软件VMOD中的通用水头边界子程序包，包括常水头边界，定水头边界，边墙边界，将边界条件输入到渗流场数值模型中；

④算法选择：根据模拟目的选择运行模式、算法，设置强含水厚岩层各向异性、时间步数、步长因子；

⑤疏排方案平台建立：设置不同数量和位置的疏排水井，然后进行运行即可。

7.根据权利要求1所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于所述治理方法还包括：在以立井井筒为中心的圈径上布置合理的疏排水井。

8.根据权利要求7所述立井井筒通过强含水厚岩层时涌水水害的治理方法，其特征在于所述疏排水井的布置方案具体包括：

①首先考虑在强含水厚岩层流场径流路径方向上布置多个疏排水井；

②其次在以立井井筒为中心的圈径上其他方向布置较少疏排水井；

③初步设置完成后，依据渗流场数值模型在地下水渗流模拟软件VMOD上运行；

④根据运行的疏排效果，包括井筒位置疏降水位值，增加或减小各自方向上的疏排水井的数量。