一种针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法与流程

本发明涉及矿井水文地质领域，尤其涉及一种在煤矿开采过程中工作面上大量钻孔疏放水干扰下，开展放水试验求取含水层参数的新方法。

背景技术：

含水层参数获取是水文地质工作中一项重要的内容，在矿山开采过程中常利用放水试验的方法来获取含水层参数值，进而评价含水层水文地质条件。

同时放水试验也是探查矿井水文地质条件的有效方法之一，是矿山开采重要的补充勘探手段。在我国鄂尔多斯盆地侏罗系煤田主要受顶板砂岩水的威胁，利用顶板放水试验方法来查明煤层顶板含水层水文地质条件并求取含水层参数。

在矿山放水试验过程中，常遇到其他采煤工作面疏放水背景下，但以往研究者未考虑到其他采煤工作面大量钻孔疏放水对放水试验产生干扰的影响，因此计算得出的参数值存在一定误差。

采煤工作面上放水钻孔数量比较多、且水量差别大，统计起来费人力、物力，且计算出的结果也存在较大误差。故在此情况下，本发明提供一种能够快速、简便、有效的得出含水层参数的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在群孔干扰顶板放水的情况下，利用单孔放水试验能够快速、简便、有效的得出含水层渗透系数的方法。

为此，本发明提供了一种针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法，包括以下步骤：根据矿区水文地质条件，设置顶板本次放水试验所需的放水孔、并选定观测孔；收集本次放水试验之前预定时间内，在工作面钻孔放水的条件下观测孔的观测数据，即时间-水位数据；打开本次放水试验的放水孔，以某一恒定的水量开始放水，并同步观测观测孔的水位，以获得放水过程中观测孔时间-水位数据；利用观测孔时间-水位数据来预测放水过程中工作面钻孔放水单独对观测孔造成的水位下降，利用总降深减去预测的工作面钻孔造成的降深，得出本次单孔放水试验的放水孔单独对观测孔造成的降深；以及利用本次单孔放水试验的放水孔对观测孔的降深来计算含水层渗透系数。

进一步地，在观测孔水位稳定预定时间例如1～3天后停止放水试验。

进一步地，上述预定时间为本次放水试验开始之前一年。

进一步地，上述利用本次单孔放水试验的放水孔对观测孔的降深来计算含水层渗透系数包括：利用本次单孔放水试验的放水孔对观测孔的降深，由地下水动力学中的非稳定流理论，将其概化为单孔定流量抽水的数学模型，然后根据地下水动力学中的配线法求出含水层渗透系数。

进一步地，上述数学模型为：

以及

其中，s^*为放水影响范围内，任一点任一时刻的水位降深，[m]；Q为放水孔的流量，[m3/h]；W(u)为井函数；T为导水系数，[m2/h]；K为渗透系数，[m/h]；t为自放水试验开始到计算时刻的时间，[h]；r为观测孔到放水孔的距离，[m]；M为含水层厚度，[m]；u为含水层的贮水系数，[-]。

进一步地，上述观测孔前期进行加密观测，观测频率按照开始后的第1min、2min、3min、5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min、75min、90min、105min、120min的时间进行观测，此后每个半小时观测一次。

进一步地，上述矿区水文地质条件包括：本次放水试验的含水层的埋藏条件，含水层厚度，其中，观测孔从工作面上顶板钻孔放水对本次放水试验产生干扰的观测孔中选择。

根据本发明的针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法，消除了放水试验过程中由于其他工作面疏放水干扰，利用单孔放水试验能够快速、简便、有效的得出含水层参数，提高了矿井水文地质参数值的准确性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法的流程图；

图2是根据本发明一实施例的针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法的应用场合的示意图；

图3是根据本发明一实施例中的水J8观测孔水位在本次放水试验之前近一年的数据的拟合曲线图；

图4是根据本发明一实施例中的水J8放水试验开始后的三段时间中的第217天至225天的数据的配线法拟合曲线图；

图5是根据本发明一实施例中的水J8放水试验开始后的三段时间中的226天229天的数据的配线法拟合曲线图；以及

图6是根据本发明一实施例中的水J8放水试验开始后的三段时间中的230天至235天的数据的配线法拟合曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1至图6示出了根据本发明的一些实施例。

如图1所示，本发明的针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法步骤为：

S11、根据矿区水文地质条件，设置顶板本次放水试验所需的放水孔、并选定观测孔；

S13、收集本次放水试验之前预定时间内，在工作面钻孔放水的条件下所述观测孔的观测数据，即时间-水位数据；

S15、打开本次放水试验的放水孔，以某一恒定的水量开始放水，并同步观测所述观测孔的水位，以获得放水过程中观测孔时间-水位数据；

S17、利用所述观测孔时间-水位数据来预测放水过程中工作面钻孔放水单独对观测孔造成的水位下降，利用总降深减去预测的工作面钻孔造成的降深，得出本次单孔放水试验的放水孔单独对观测孔造成的降深；以及

S19、利用本次单孔放水试验的放水孔对观测孔的降深来计算所述含水层渗透系数。

在步骤S11中，确定开展本次放水试验的含水层的埋藏条件(即含水层为潜水、承压水或上层滞水)，含水层厚度,探寻哪些工作面上顶板钻孔放水对本次放水试验产生干扰，进而选定本次顶板放水试验所需要的放水孔、以及受本次放水试验影响的具有代表性的观测孔。

在步骤S13中，收集本次放水试验开始之前近一年内，在有工作面顶板钻孔大量放水的条件下，该具有代表性的观测孔的所记录的数据(即时间-水位数据)；利用已记录数据，采用线性或非线性方程拟合时间-水位数据曲线公式：

H₁＝H(t)-----------------(1)

在步骤S15中，打开本次放水试验放水孔，设定放水孔以某一恒定的水量Q开始放水，与此同时，具有代表性的观测孔同步观测，记录下放水过程中具有代表性的观测孔的时间-水位数据H_t；

其中，观测孔前期进行加密观测，观测频率按照开始后的第1min、2min、3min、5min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min、75min、90min、105min、120min的时间进行观测，此后每个半小时观测一次，待观测孔水位稳定后停止放水试验。

在步骤S17中，利用所得到的步骤(2)中拟合曲线，代入本次放水试验所记录的时间，求出观测孔水位值，得到预测的放水过程中工作面钻孔放水单独对观测孔造成的水位下降值；根据地下水动力学中的叠加机理(不同的放水孔导致观测孔水位下降，其中观测孔的水位降深等于各放水孔单独对观测孔产生降深的叠加)，利用总降深减去预测的工作面钻孔造成的降深，得出本次单孔放水试验的放水孔单独对观测孔造成的降深s^*，其计算公式为：

s^*＝-[H_t-H(t)]-----------(2)

在步骤S19中，利用本次单孔放水试验的放水孔对观测孔的降深，由地下水动力学中的非稳定流理论，将其概化为单孔定流量抽水的数学模型。然后根据地下水动力学中的配线法求出含水层参数。

上述概化为非稳定流单孔定流量抽水数学模型，即：该放水试验过程中仅一个放水孔定流量放水，导致具有代表性的观测孔水位的下降，其数学模型公式为：

其中：s^*为放水影响范围内，任一点任一时刻的水位降深，[m]；

Q为放水孔的流量，[m³/h]；

W(u)为井函数；

T为导水系数，[m²/h]；

K为渗透系数，[m/h]；

t为自放水试验开始到计算时刻的时间，[h]；

r为观测孔到放水孔的距离，[m]；

M为含水层厚度，[m]；

u为含水层的贮水系数，[-]。

地下水动力学中的配线法原理为，对公式(3)、(4)等式两端取对数得：

从公式(6)(7)中可以看出，两式右端的第二项在放水试验中都是常数。因此在双对数坐标系内，由于实际数据资料绘制的s-t曲线与W(u)-1/u标准曲线有相同的形状，只是纵、横坐标平移了和距离而已。只要两曲线重合，任选一匹配点，记下对应的坐标值，带入公式(3)(4)(5)中，即可确定相关参数。

根据本发明的针对煤矿顶板放水试验求取渗透系数方法，消除了放水试验过程中由于其他工作面疏放水干扰，利用单孔放水试验能够快速、简便、有效的得出含水层参数的方法，提高了矿井水文地质参数值。

以鄂尔多斯盆地某矿为例，主采煤层侏罗纪中统延安组，煤层顶板侏罗纪中统承压含水层1为本次放水试验目的含水层，含水层平均厚度为170.56米。设定6-4#孔3为本次放水孔，水J8孔4为本次放水试验影响的具有代表性的观测孔，距本次放水试验的放水孔。113101工作面顶板2存在大量钻孔放水，对本次放水试验已产生干扰。如图2所示。

本实例中收集到水J8观测孔水位在本次放水试验之前近一年的数据，并在excel表格中利用线性一次函数拟合，其公式为H₁＝-0.056*t+1328.10，拟合相关系数为0.9779，表明拟合效果好，如图3所示。

本实例中放水试验的放水孔水量Q为73.7m/d，水J8观测孔同步观测，并记录相关数据。本实例中的数据处理如下表所示:

本实例中，放水试验概化为6-4#放水孔单孔定流量放水，水J8孔作为观测孔。从水J8数据可以看出，如图2所示，自放水试验开始后，曲线出现两次波动，因此将水J8放水试验开始后的数据分为三段求取参数，三段时间分别为：第217天至225天，226天229天，230天至235天。数据拟合过程采用地下水专业软件Aquifer test处理，将放水孔和观测孔的相关参数输入软件中，选择承压完整井，分别对上述数据进行配线法拟合，拟合曲线如图4、5、6所示，得出渗透系数为K1＝0.0559m/d、K2＝0.0250m/d、K3＝0.0857m/d，K平均＝0.0555m/d。

本方法求得含水层渗透系数，消除了放水试验过程中由于其他工作面疏放水干扰，使求出的含水层渗透系数更加精准，为矿山涌水量预计提供精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。