CN111767670B - 基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，选择地下水的非稳定渗流运动数学模型对煤矿井下仰斜钻孔放水过程进行动态数值反演，采用有限元三角四面体单元剖分方法，离散化含水层与放水钻孔，建立含水层与放水钻孔复合刻画的计算机模型；利用模型无限元定义方法，数值刻画含水层的外围边界，采用达西渗流溢出边界定义方法，数值刻画含水层与放水钻孔孔壁的接触面；通过对放水钻孔孔壁域内的达西流速U进行实时积分，实时计算出放水钻孔的放水量；在模型中不断校正含水层的渗透系数和弹性给水度，使钻孔放水量变化曲线与放水试验钻孔放水量变化曲线基本一致，此时模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种获取含水层水文地质参数的方法，属于水文地质和采矿工程的综合应用技术领域，尤其涉及一种基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法。
背景技术
目前主要采用解析法获取矿区含水层水文地质参数。通过在矿区施工地面或井下钻孔，开展抽(放)水试验，同步观测流量、水位变化数据，并基于这些观测数据，将含水层高度概化成各向同性、井径无限小、定流量抽水等条件的基础上，再利用解析法或图解法反演含水层的水文地质参数。
目前水文地质参数反演主要存在以下问题：
1)井下放水试验普遍将仰斜钻孔放水过程概化为地面井抽水过程，明显与实际含水层仰斜钻孔放水条件不符，即水文地质概念模型存在偏差，导致水文地质参数反演结果也存在较大误差，而且利用地面抽水试验解析法求参只能反演渗透系数，而不能反演出承压含水层的弹性给水度参数。
2)井工煤矿一般埋深较大(大于300m)，从地面施工抽水孔与多个水位观测孔，存在施工钻孔数多，无效进尺长、工程造价高、动力抽水费用大等问题，而从井下向含水层施工放水孔具有无效进尺少、工程量少的优势，并利用放水孔口标高低于含水层地下水水位标高的有利条件，让含水层地下水自由流出钻孔，无动力抽水费用等问题，通过同步观测其流量及放水孔与观测孔水位变化情况的水文地质试验方法具有明显的经济优势。
如图1A和图1B所示，放水钻孔一般是从煤矿井下巷道开孔上仰穿过煤层倾斜进入顶板含水层中(简称为:仰斜放水钻孔)，仰斜放水钻孔涌水量具有明显的衰减规律，疏水前期的钻孔涌水量一般由含水层静储量Qs和动态补给量Qd组成，随着疏水周期的延长水位降深与水量衰减速率越来越小，地下水流场达到动态平衡状态，该阶段水量以含水层动态补给为主，因此，井下放水钻孔的空间结构、钻孔涌水形式与地面垂直井抽水差异明显，普遍将井下仰斜钻孔放水过程概化为地面井抽水过程，明显与实际含水层井下仰斜钻孔放水条件不符，水文地质参数反演结果必然会存在较大误差。
因此，综合考虑经济及技术指标，利用煤矿井下仰斜钻孔放水试验科学地反演含水层水文地质参数，是本领域长期存在的技术难题。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其能克服现有技术的缺陷，通过基于地下水的非稳定渗流运动模型，对煤矿仰斜放水钻孔放水过程进行动态的数值反演。利用有限元三角四面体单元剖分方法，离散化含水层与放水钻孔，建立起含水层与放水钻孔复合刻画的计算机模型；利用无限元定义方法，数值刻画含水层的外围边界；采用达西渗流溢出边界定义方法，数值刻画含水层与放水钻孔孔壁的接触面；通过对放水钻孔孔壁域内的达西流速U进行实时积分，实时计算出放水钻孔的放水量；通过在模型中不断校正含水层的渗透系数和弹性给水度，使模拟计算出的钻孔放水量变化曲线与放水试验钻孔放水量变化曲线基本一致，此时模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：含水层地下水向放水钻孔运动的数学模型选择，采用达西非稳定渗流数学模型，描述含水层地下水向放水钻孔运动过程；
步骤二：模拟范围确定与范围边界处理；
步骤三：含水层与放水钻孔数值模型构建及离散化，根据圆柱形放水钻孔空间结构设计参数，构建放水钻孔；依据含水层实际空间展布形态以及步骤二确定的含水层模拟范围，构建含水层；
步骤四：含水层与放水钻孔壁边界处理，根据地下水动力学原理含水层任意一点总水头定义为公式(1)：
H＝z+p/r+u2/2g (1)
式中：H为某点水头值(m)；z为位置水头(m)；p为水压力(MPa)， r为地下水容重(1000N/m3)，p/r称为压力水头；u为地下水流速(m/s)， g为重力加速度(m/s2)，u2/2g为速度水头；
步骤五：含水层参数输入，在模型中给定含水层渗透系数、给水度两个水文地质参数；
步骤六：放水试验模拟与放水钻孔涌水量计算；
步骤七：含水层水文地质参数反演，模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
其中：步骤二中，建立含水层放水试验反演模型时，根据含水层平均厚度的3～5倍尺寸为准，以放水钻孔揭露含水层的空间位置为中心，确定为含水层的模拟范围。
其中：利用有限元剖分单元无限元域定义方法，将含水层确定的模拟区的外围数值处理成的无限展布的充水含水层。
其中：步骤三中，利用有限元三角四面体单元剖分方法，建立含水层与放水钻孔复合刻画的计算机模型，并放水钻孔孔径尺寸的1/3 为最小单位剖分标准，对放水钻孔孔壁进行局部精细剖分。
其中：步骤六中，进行非稳定流模拟计算，以模型自主定义的步长为计算点，通过对含水层与放水钻孔接触孔壁域内的达西流速U 进行实时积分，即Q涌＝∫∫UdΩ孔壁面积，积分得出的达西渗流量即为钻孔的涌水量。
其中：步骤七中，根据渗透系数控制钻孔稳定出水量的大小，弹性给水度控制钻孔放水量衰减速度这两个钻孔放水量衰减规律，通过在模型中不断校正含水层的渗透系数和弹性给水度，使模拟计算出的钻孔放水量变化曲线与放水试验钻孔放水量变化曲线基本一致，此时模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
通过上述内容可知，本发明的基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法具有如下效果：
1)这种基于地下水系统数值模拟，通过反演煤矿井下单孔放水试验过程的承压含水层水文地质参数反演方法，克服了解析法及其图解法须将仰斜放水钻孔概化成垂直、井径无限小、定流量放水，以及将含水层概化成各向同性、均厚的缺陷，对放水过程刻画的更符合实际情况。
2)采用达西非稳定渗流数学模型，来描述放水含水层地下水向放水钻孔运动过程方法，突破了煤矿井下仰斜钻孔疏排含水层地下水过程中钻孔涌水量的难以动态预测的瓶颈。
3)利用有限元剖分单元无限元定义方法，将充水含水层外围数值处理成“大范围”的无限展布的充水含水层，减少了“小范围”人为水头边界与流量边界对预测精度的影响，也减少了模型单元剖分。
4)将放水钻孔孔壁概化成含水层的渗流溢出边界，采用的这种基于渗流溢出边界件的模型定解条件的定义方法，其模拟结果更接近于真实的渗流场，合理的解决了钻孔流态难以数值刻画的问题。
5)这种基于煤矿井下单孔放水试验的含水层水文地质参数反演方法，较之地面抽水试验反演确定方法，仅通过反演井下一个钻孔放水试验水量变化过程，不用施工水位观测孔，不用进行钻孔动力抽水，就可以反演出含水层水文地质参数确定方法，其经济优势明显。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1A和图1B显示了仰斜放水钻孔放水过程的示意图。
图2显示了本发明中含水层模拟范围确定与边界处理的示意图。
图3显示了本发明中含水层与放水钻孔离散化的示意图。
图4显示了本发明中放水钻孔计算涌水量与实测涌水量拟合曲线的示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和或它们的组合。
其中，所述基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法包括如下步骤：
步骤一：含水层地下水向放水钻孔运动的数学模型选择，采用达西非稳定渗流数学模型，描述含水层地下水向放水钻孔运动过程。
步骤二：模拟范围确定与范围边界处理，在地下水系统模拟小尺度的数值模型上人为给定模型边界条件对含水层水文地质参数反演结果的影响极大，一般地下水系统数值模拟过程中需以相对完整水文地质单元为界来确定模拟范围。鉴于单个放水钻孔对含水层放水影响范围有限，放水钻孔尺度较之完整水文地质单位极小，受区域资料限制和尺度差异过大影响，构建包含完整水文地质单元和放水钻孔的地下水系统数值模型难度极大。因此，建立含水层放水试验反演模型时，如图2所示，根据含水层平均厚度M，以该厚度的3～5倍尺寸为准，以放水钻孔揭露含水层的空间位置为中心，确定为含水层的模拟范围。利用有限元剖分单元无限元域定义方法，将含水层确定的模拟区的外围数值处理成的无限展布的充水含水层，以减少“小范围”人为水头边界与流量边界对反演结果的影响，合理解决了模拟范围过大问题。在模拟含水层顶部和底板数值处理成“零”通量边界。
步骤三：含水层与放水钻孔数值模型构建及离散化，根据圆柱形放水钻孔空间结构设计参数(长度、仰角、方位角、孔径)，构建放水钻孔；依据含水层实际空间展布形态以及步骤二确定的含水层模拟范围，构建含水层；由于放水钻孔孔径一般较小(厘米级)，与模拟含水层空间范围(百米级)差异较大，难以进行四角六面体模型剖分，如附图3，利用有限元三角四面体单元剖分方法，建立含水层与放水钻孔复合刻画的计算机模型，并放水钻孔孔径尺寸的1/3为最小单位剖分标准，对放水钻孔孔壁进行局部精细剖分。
步骤四：含水层与放水钻孔壁边界处理，井下放水钻孔为贯通型过水通道，井下钻孔放水完全开启时，由于放水含水层地下水渗流至放水钻孔孔壁后以自由流形式排出孔外，渗流积水难以在钻孔内形成压力水头。根据在地下水动力学原理含水层任意一点总水头定义为公式(1)：
H＝z+p/r+u2/2g (1)
式中：H为某点水头值(m)；z为位置水头(m)；p为水压力(MPa)， r为地下水容重(1000N/m3)，p/r称为压力水头；u为地下水流速(m/s)， g为重力加速度(m/s2)，u2/2g为速度水头。
而放水钻孔孔壁可作为含水层渗流的溢出边界，根据上式，在该含水层渗流溢出边界上，根据流速连续原理，地下水渗流速度缓慢，因此在上式中，在渗流溢出边界上总水头计算时可以忽略u2/2g速度水头项；另外，由于放水钻孔与大气联通，交界面的孔隙水压力约等于大气压(0.1MPa)，p/r压力水头为极小定值(10-4m)。因此，在孔壁达西渗流溢出边界上地下水水头高度H近似等于孔壁各剖分结点的位置标高z与p/r定压力水头值(10-4m)之和，即H＝z+10-4。在有限元分析平台中，可将放水钻孔孔壁概化成含水层的渗流溢出边界，采用的这种基于渗流溢出条件的定解条件的定义方法，其模拟更接近于真实的渗流场，合理的解决了钻孔流态难以数值刻画的问题。
步骤五：含水层参数输入，在模型中初步给定含水层渗透系数、给水度两个水文地质参数。
步骤六：放水试验模拟与放水钻孔涌水量计算，进行非稳定流模拟计算，如附图4所示，以模型自主定义的步长为计算点，通过对含水层与放水钻孔接触孔壁域内的达西流速U进行实时积分，即Q涌＝∫∫UdΩ孔壁面积，积分得出的达西渗流量即为钻孔的涌水量。
步骤七：含水层水文地质参数反演，根据渗透系数控制钻孔稳定出水量的大小，弹性给水度控制钻孔放水量衰减速度这两个钻孔放水量衰减规律，通过在模型中不断校正含水层的渗透系数和弹性给水度，使模拟计算出的钻孔放水量变化曲线与放水试验钻孔放水量变化曲线基本一致，此时模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
下面以彬长矿区某首采工作面为例，结合附图和实施例对本发明进一步说明应用的方法：
步骤一：含水层地下水向钻孔运动数学模型选择，采用达西非稳定渗流数学模型，描述含水层地下水向放水钻孔运动过程。
步骤二：模拟范围确定与范围边界处理，实施例中含水层由上之下有细粒砂岩(厚度13m)、砂质泥岩(厚度23m)与中粗砂岩层(厚度36m)组成，总厚为72m，利用有限元软件，以含水层5倍厚度为依据，以放水钻孔揭露含水层的空间位置为中心，仅建立360*360m 范围内含水层的放水试验反演模型，如图2，将含水层外围数值处理成“大范围”的无限展布的充水含水层，将放水含水层顶部和底板数值处理成“零”通量边界。
步骤三：含水层与放水钻孔数值模型构建及离散化，实施例中放水钻孔方位角228°，倾角55°，孔径94mm，斜长85m(未穿透放水含水层)，构建放水钻孔，以采煤工作面360*360m覆盖为界，构建放水含水层；采用有限元三角四面体单元剖分方法，建立实施例的放水含水层与放水钻孔复合刻画的计算机模型，并放水钻孔孔径的1/3为最小尺寸31.3mm为剖分标准，对放水钻孔孔壁进行局部精细剖分。
步骤四：含水层与疏水钻孔壁溢出边界处理，将放水钻孔孔壁定义为充水含水层渗流的溢出边界，在孔壁达西渗流溢出边界上地下水水头高度H定义为孔壁各结点的位置标高z与p/r定压力水头值 (10-4m)之和，即H＝z+10-4。
步骤五：放水含水层与放水钻孔参数输入，在模型中分别试给定放水含水层渗透系数、给水度两个水文地质参数初值0.3(m/d)、1e-5。
步骤六：放水钻孔涌水量计算，进行非稳定流模拟计算，模型以 0.1h为时间步长，对放水钻孔孔壁域内的达西流速U进行实时积分，模拟计算的达西渗流量即为钻孔的涌水量，参见图4。
步骤七：含水层水文地质参数反演，通过在模型中不断校正含水层的渗透系数和弹性给水度，使模拟计算出的钻孔放水量变化曲线与放水试验钻孔放水量变化曲线基本一致。实施例利用origin软件拟合分析0-100h模拟计算的钻孔涌水量变化过程与实测涌水量变化曲线，其衰减规律符合一阶单指数衰变过程：
Q＝42.82+14.02*exp(-2.03*t)
其中拟合的稳定水量Qe＝42.82m3/h，稳定周期约为41h，钻孔涌水量衰减系数a＝2.03，拟合决定系数达到R2＝0.93。如表1，显示了此时模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
表1含水层水文地质参数反演结果
本方法模拟计算与实测的钻孔放水量变化曲线拟合程度高，均符合一阶单指数衰变规律，拟合决定系数达到R2＝0.93；反演的含水层渗透系数与该矿井通过地面放水试验的稳定流解析法计算的混合岩层的渗透系数差距较小，说明井下疏水钻孔涌水数值模型构建方法可靠合理，解决了解析法及其图解法无法确定井下放水孔以及斜孔条件下水文地质参数的难题。
另外，本方法同时实现了含水层弹性给水度的反演确定，解决了解析法及其图解法无法确定含水层弹性给水度的难题。
通过上述实施例，说明这种反演煤矿井下单孔放水试验过程的含水层水文地质参数确定方法科学实用。
由此，本发明的有益效果是：
1)这种基于地下水系统数值模拟，通过反演煤矿井下单孔放水试验过程的承压含水层水文地质参数反演方法，克服了解析法及其图解法须将仰斜放水钻孔概化成垂直、井径无限小、定流量放水，以及将含水层概化成各向同性、均厚的缺陷，对放水过程刻画的更符合实际情况。
2)采用达西非稳定渗流数学模型，来描述放水含水层地下水向放水钻孔运动过程方法，突破了煤矿井下仰斜钻孔疏排含水层地下水过程中钻孔涌水量的难以动态预测的瓶颈。
3)利用有限元剖分单元无限元定义方法，将充水含水层外围数值处理成“大范围”的无限展布的充水含水层，减少了“小范围”人为水头边界与流量边界对预测精度的影响，也减少了模型单元剖分。
4)将放水钻孔孔壁概化成含水层的渗流溢出边界，采用的这种基于渗流溢出边界件的模型定解条件的定义方法，其模拟结果更接近于真实的渗流场，合理的解决了钻孔流态难以数值刻画的问题。
5)这种基于煤矿井下单孔放水试验的含水层水文地质参数反演方法，较之地面抽水试验反演确定方法，仅通过反演井下一个钻孔放水试验水量变化过程，不用施工水位观测孔，不用进行钻孔动力抽水，就可以反演出含水层水文地质参数确定方法，其经济优势明显。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (5)
1.一种基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：含水层地下水向放水钻孔运动的数学模型选择，采用达西非稳定渗流数学模型，描述含水层地下水向放水钻孔运动过程；
步骤二：模拟范围确定与范围边界处理；
步骤三：含水层与放水钻孔数值模型构建及离散化，根据圆柱形放水钻孔空间结构设计参数，构建放水钻孔；依据含水层实际空间展布形态以及步骤二确定的含水层模拟范围，构建含水层；
步骤四：含水层与放水钻孔壁边界处理，根据地下水动力学原理含水层任意一点总水头定义为公式(1)：
H＝z+p/r+u2/2g (1)
式中：H为某点水头值(m)；z为位置水头(m)；p为水压力(MPa)，r为地下水容重(1000N/m3)，p/r称为压力水头；u为地下水流速(m/s)，g为重力加速度(m/s2)，u2/2g为速度水头；
步骤五：含水层参数输入，在模型中给定含水层渗透系数、给水度两个水文地质参数；
步骤六：放水试验模拟与放水钻孔涌水量计算；
步骤七：含水层水文地质参数反演，模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数，其中根据渗透系数控制钻孔稳定出水量的大小，弹性给水度控制钻孔放水量衰减速度这两个钻孔放水量衰减规律，通过在模型中不断校正含水层的渗透系数和弹性给水度，使模拟计算出的钻孔放水量变化曲线与放水试验钻孔放水量变化曲线基本一致，此时模型中给定的含水层水文地质参数即为实际含水层的水文地质参数。
2.如权利要求1所述的基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其特征在于：步骤二中，建立含水层放水试验反演模型时，根据含水层平均厚度的3～5倍尺寸为准，以放水钻孔揭露含水层的空间位置为中心，确定为含水层的模拟范围。
3.如权利要求2所述的基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其特征在于：利用有限元剖分单元无限元域定义方法，将含水层确定的模拟区的外围数值处理成的无限展布的充水含水层。
4.如权利要求1所述的基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其特征在于：步骤三中，利用有限元三角四面体单元剖分方法，建立含水层与放水钻孔复合刻画的计算机模型，并放水钻孔孔径尺寸的1/3为最小单位剖分标准，对放水钻孔孔壁进行局部精细剖分。
5.如权利要求1所述的基于井下仰斜单孔放水试验的含水层地质参数反演方法，其特征在于：步骤六中，进行非稳定流模拟计算，以模型自主定义的步长为计算点，通过对含水层与放水钻孔接触孔壁域内的达西流速U进行实时积分，即Q涌＝∫∫UdΩ孔壁面积，积分得出的达西渗流量即为钻孔的涌水量。
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