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】
[0001] 本发明设及一种应用于基建、矿业（例如煤矿建井领域）等领域的降低水位法，特 别设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】
[0002] 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±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。
[0003] 后来引用到煤矿建井领域，主要应用于松散表±层的普通凿井法施工当中。该方 法应用范围存在局限性，从W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 ;⑨适用 的地层仅为表±层中的松散含水层。
[0004] 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，一般都发育成富水含水层，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。立井开凿揭露此类含水 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】
[0005] 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。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
[0007] 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：
[000引对立井井筒所要穿过的强富水厚岩层进行可疏性分析，并建立强富水厚岩层渗流 场数值模型；W及，依据所获强富水厚岩层渗流场数值模型，选择性的设置与立井配合的疏 排水井。
[0009] 进一步的，所述治理方法具体包括：
[0010] (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；
[0011] (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=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，
[0012] (3)依据步骤（2)所获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、布置圈径、初始水头及抽水时间之间的关系，确定施工方案。
[001引 （4)根据步骤做所获施工方案，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，W满足立井井筒的施工进度。
[0014] 更进一步的，步骤（1)中可疏性分析的内容包括：
[0015] ①目标强含水层特征研究，包括；地下水埋藏深度与赋存条件、含水层的岩性、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；
[0016] ②目标强含水层的边界条件分析，包括在垂向和水平方向的补给与排泄边界；
[0017] ⑨补给、径流、排泄条件分析，包括：含水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，W及补给强度，径流路径；
[001引④基于目标强含水层的抽水试验，W及区域、井田水文勘探资料，得出目标含水层 的水文地质参数、孔隙度、均质特征、地下水流态。
[0019] 更进一步的，步骤（2)包括：
[0020] 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水系统水文地质条 件，给出与水文地质概念模型相对应的=维非稳定流数学模型为：
【主权项】
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： 对立井井筒所要穿过的强富水厚岩层进行可疏性分析，并建立强富水厚岩层渗流场数 值模型；以及，依据所获强富水厚岩层渗流场数值模型，选择性的设置与立井配合的疏排水 井。
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，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，对研宄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) 依据步骤（2)所获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、 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。
3. 根据权利要求2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 目标强含水层特征研宄，包括：地下水埋藏深度与赋存条件、含水层的岩性、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 目标强含水层的边界条件分析，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：含水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 基于目标强含水层的抽水试验，以及区域、井田水文勘探资料，得出目标含水层的水 文地质参数、孔隙度、均质特征、地下水流态。
4. 根据权利要求2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⑵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：Kxx、Kyy、Kzz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， Ss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； &为第二类边界； q为侧向补给量（m3/d); nx为边界S 2的外法线沿X轴方向上的单位矢量； ny为边界S 2的外法线沿y轴方向上的单位矢量； nz为边界S 2的外法线沿z轴方向上的单位矢量， 其中，式1即为即强富水厚岩层渗流场数值模型。
5. 根据权利要求2或4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：若目标井筒所处区域地下水系统为非稳定流，其定解条件包括：边 界条件和初始条件； 其中，在研宄的渗流区，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 为强含水层初始时刻水头值。
6. 根据权利要求1或2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： 基于强富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。
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：在地下水渗流模拟软件来构建疏排方案优化平台，以实现疏排水 井的优化布置。
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VMOD软件，首先输入模拟区域地图， 将立井周边区域平面图的*.dxf格式的底图导入VM0D，然后根据研宄区的实际水文地质 结构条件及几何形状，确定研宄区的范围和剖分的行、列、层的个数，将研宄范围内地下水 系统，在垂向上剖分为若干层，分布设置每一层的属性，包括承压含水层或潜水含水层、厚 度h，然后根据研宄区实际大小，计算时在两个方向上等距分为nXm个网格，总网格数为 nXmXh，n、m均为正整数； ② 水文地质参数输入：根据目标含水层的岩性、导水性、埋深条件、厚度以及水位动态 对研宄区进行分区，设置不同的渗透系数和储水系数，将水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：根据研宄区的实际特点，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，设置含水层各向异性、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。
9. 根据权利要求1或2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。
10. 根据权利要求9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 首先考虑在目标强含水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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】E21F16-00
【公开号】CN104533519
【申请号】CN201410767679
【发明人】张诗坤, 陈志文, 庞广峰, 张家乐, 张伟国, 徐德金, 邵德盛, 李金斗
【申请人】中煤第三建设（集团）有限责任公司三十六工程处
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月12日