塔尔地区煤层下部含水层回灌试验分析

塔尔地区煤层下部含水层回灌试验分析

杨孝刚

中国机械设备工程股份有限公司北京100055

摘要：为研究巴基斯坦塔尔地区煤层下部含水层回灌可行性，选择了相距400m的两口井进行抽、注试验，回灌方式采用无压自然回灌。以抽水试验和水位恢复实验数据为基础求取了该含水层的水文地质参数。根据回灌试验结果分析了回灌时程曲线的特征，并采用指数函数对回灌时程曲线进行了拟合；结合回灌试验和设计要求，认为将来单井回灌量不应大于79.31m3/h；分析了回灌渗透系数，得到了渗透系数随时间的变化规律。

关键词：回灌；抽水试验；水位恢复试验；渗透系数

AnalysisoftheImpactofRailTransportConstructiontoJinanSpring

YangXiaogang，

Abstract:CoolingwatergeneratedfromPowerplantinThararea,Pakistanisplannedtorechargetothethebaseaquiferbeneaththecoal.Inpreparationoffuturereinfiltration,Aseriesofhydro-geologicaltestsareperformedontwowellsatadistanceof400m.Naturalrechargeisadopted.Permeabilitycoefficientandtransmissivitycoefficientaredefinedbytheresultofunsteadyflowpumpingtestandthewaterlevelrecoverytest.Basedonthereinjectiontestresults,thecharacteristicoftimehistorycurveofwaterlevelriseareanalyzedandfittingbyexponentialfunctions.Accordingtothereinjectiontestanddesignrequirements,thepropersingle-wellrechargevolumeis79.31m3/h.Thepermeabilitycoefficientduringthereinjectiontestiscalculated,andthegeneralregulationisobtained.

Keywords:reinjection;pumpingtest;waterlevelrecoverytest;permeability

深层回灌法，又称地下灌注法，是将工业废水、生活污水、雨水等满足回灌水质要求的水源通过钻孔、大口径井或者坑道等直接注入含水层的一种方不足，涵养水环境的一种重要途径[1]，也是解决海水入侵、控制地面沉降，缓解过度开采地下水引发的地下水降落漏斗有效方法[2-5]。

国外对地下水回灌的应用研究始于18世纪末19世纪初[6]，技术较成熟，我国对地下水回灌的研究已有50余年的历史，起因于地下水超采引起的地面沉降，并取得了显著的研究成果[7-8]。但我国地下水回灌工作因起步较晚，目前尚处于试验研究阶段，实际运用工程不多。

本文基于巴基斯坦塔尔某电厂项目，该电站每年产生的冷却水计划回灌至煤层下部承压含水层，为了确保回灌的可行性，开展了回灌试验，通过对试验结果分析讨论，为回灌井设计提供了理论基础和技术依据。

1试验概况

试验场地位于巴基斯坦信德省塔尔沙漠地区，场地开阔。根据以往地质资料，该地区内自上而下分布三个含水层，沙丘砂含水层、煤层上部含水层、煤层下部含水层。煤层下部含水层分布于整个塔尔沙漠地区，为承压含水层，厚度在30～50m之间，主要由中粒砂和粗砂组成，部分地方有淤泥，带有或多或少的小粘土碎块基底，是区域内的主要含水层。

为了进一步了解煤层下部含水层的情况，明确含水层的厚度、位置等条件，现场开展了自然γ测孔工作，煤层下部含水层的解译结果见图1。其中，孔（OB）距离回灌井（W1）800m，距离抽水井（W2）1200m。由图1可知，煤层下部含水层在纵向分布上并不连续，按厚度2～20m间断分布，总厚度40～50m，解译结果为滤管的布置提供了依据。

为了确定煤层下部承压含水层水文地质参数，试验现场对完整井（W1）开展了一系列抽、注水试验。抽水试验采用定流量非稳定流抽水，流量为107.03m3/h，抽水持续时间为1890min，水位恢复时间750min。另外，对W1分别开展了流量为51.48m3/h、67.32m3/h、79.31m3/h的回灌试验，回灌持续时间为1500min。

2参数计算

2.1Jacob直线图解法

Jacob直线图解法是基于承压完整井定流量非稳定流的Theis公式而得[9]。

当u≤0.05时，Theis公式近似表示为：

式中：s为水位降深；Q为稳定流量；T为导水系数；a为压力传导系数；r为计算点至到抽水井的距离；t为抽水历时。

对于直线图解法，抽水井本身的数据可以用来计算T值[10]，将实测数据绘制为单对数曲线见图2，由图可知10分钟后的实测数据呈现为直线。根据直线斜率，可得承压含水层导水系数T=696.40m2/d，含水层厚度为45m，可得渗透系数K=15.48m/d。

利用水位恢复数据，绘制单对数曲线见图3，根据直线斜率，可得承压含水层导水系数T=886.93m2/d，渗透系数K=19.71m/d。

图2s-lgt直线图解法确定含水层参数

由计算可知，Jacob直线图解法与水位恢复法的计算结果相近，相差约20%，可采用二者的算数平均值来表征含水层的水文地质参数，因此，承压含水层导水系数T=791.67m2/d，渗透系数K=17.60m/d。

3回灌试验

3.1回灌时程曲线

对井W1开展了三次回灌试验，回灌方式为自然回灌，回灌流量分别为51.48m3/h、67.32m3/h、79.31m3/h，每个周期为3天。由试验结果可知，在回灌周期内，水位抬升达到了基本稳定，在单井回灌量不变的情况下，井位水位抬升值随着时间的增长而增长，在1500min左右增长趋势变缓。单井回灌速率为51.48m3/h、67.32m3/h、79.31m3/h在1500min时水位抬升值分别为试验结束后的95.01%、91.69%、96.79%。1500分钟内回灌试验结果如图3所示。

图3回灌时程曲线

由图3可知，回灌时称曲线基本上可以分为两阶段：（1）水位快速抬升阶段，该阶段回灌井补给量大于回灌量，水位快速抬升，该阶段一般很短约15-20min；（2）水位缓慢抬升阶段，该阶段井内水柱高度和管井阻力以及渗流阻力基本相抵，回灌量基本稳定，但水位仍具有缓慢上升的趋势。根据回灌时称曲线形态特征，对其进行了拟合分析，水位抬升（S）与时间（t）关系见表1。

表1回灌时称曲线拟合结果

由拟合结果可知，S可用t的指数方程表示，且拟合度高。因此，可以根据拟合方程推测未来某一时刻的水位，为回灌井的设计提供依据。另外，由图3可知在单井回灌速率为51.48m3/h、67.32m3/h、79.31m3/h时，试验结束后，井内水面距地面分别为32.84m，22.4m，15.22m，根据设计要求，工程正常运营时，井内水面距地面不应小于10m，考虑到水位尚具有增长趋势，因此将来的单井回灌量不应大于79.31m3/h。

3.2单井回灌量与水位抬升

基于回灌试验数据绘制单井回灌量-水位抬升曲线，并进行直线拟合，见图4。由拟合结果可知，单井回灌量与井内水位抬升呈正比例关系，类似于稳定流抽水试验中Q-s曲线，由拟合曲线形态可知含水层为稳定分布的承压含水层，为回灌的进行奠定了基础。对比非稳定抽水试验可知，回灌试验水位抬升值要比降深值大得多，这是因为在回灌过程中井内水柱高度要克服管井阻力及渗流阻力，才能保证回灌的进行。而抽水试验中，在抽水量小于涌水量的情况下是不存在以上阻力的。

图4单井回灌量-水位抬升关系曲线

3.3回灌渗透系数

注水渗透系数是表征岩土注水性能的重要指标，可为回灌工程提供重要的参考依据。理论上，地下水回灌时抽水的逆过程，因此适用于抽水的理论公式，对于回灌同样适用[12-13]。理论公式如下：

式中：K为回灌渗透系数；Q为单井回灌量；M为含水层厚度，S为水位抬升值，R为影响半径；rw为井径。

根据（3）式和（4）式，将回灌试验数据进行迭代求解，可得回灌过程中不同时间的渗透系数值见图5，再将得到的渗透的渗透系数进行拟合分析见表2，得到渗透系数随时间变化的方程。

图5回灌渗透系数

由图5可知，15天后长期回灌试验曲线的斜率，阻塞效应并不明显。将来回灌工程中，是否产生阻塞效应，应针对回灌水质，做进一步讨论。

表2渗透系数拟合方程

由图5可知，不同单井回灌量下的渗透系数变化情况基本一致，回灌渗透系数随着时间而衰减，最后基本稳定在1.1m/d左右。表5中的渗透系数方程，也称为渗透系数衰减方程，所研究含水层的回灌渗透系数一般衰减方程为K=Aeλt+C，其中λ称为渗透系数衰减系数。

4讨论及建议

根据渗透系数拟合方程，当t=0时，求得的K为初始渗透系数，因此可得在单井回灌速率为51.48m3/h、67.32m3/h、79.31m3/h时，初始渗透系数分别为11.7m/d、10.97m/d、12.78m/d，相较非稳定流抽水试验及水位恢复试验所求的渗透系数约小35%左右。分析认为，回灌水中带有细颗粒、悬浮物等，在回灌过程中可能沉淀在含水层中从而造成含水层渗透性能的降低。另外，回灌水中由于压力降低析出的微小气泡可能残留在含水层中的孔隙中，也会降低含水层的渗透性能。当回灌周期较长时，水中的溶解性物质，可能与围岩或者井壁管等发生化学反应，从而增加回灌阻力，影响回灌质量。

由于以上阻塞效应的存在，随着回灌时间的延长，最终会在回灌井周围某处形成一个低渗透系数带，导致回灌效率降低。当阻塞效应明显影响回灌时可采取回扬措施，疏通回灌通道，提升含水层渗透性能，提高回灌效率。

在本次回灌试验周期内，由于回灌水质好且回灌周期较短，试验后期回灌系数趋于稳定，后期阻塞效应并不明显。建议开展长期回灌试验，并对未来回灌工程中的水质进行分析，为工程将设提供可靠的依据。

参考文献：

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