２０１０年７月 第３２卷第４期 Ｊｕ１．，２０１０ Ｖｏ１．３２ Ｎ０．４ 抽水孔风管浸没比（ ）设计及其水文地质意义 郑志忠 （福建省１２１煤田地质勘探队，福建龙岩３６４０２１） ［摘要］ 通过阐述矿区抽水试验通常需要计算的设计抽水孔风管浸没比（ＩＸ）等几种技术参数的方法，以及计 算参数的水文地质原理和参数之间的关联性，结合抽水实例分析合理设计浸没比（仅）等参数对于分析判断矿区水文 地质条件的重要意义，并指出正确设计技术参数的实际方法和途径，对矿区正确开展抽水试验，保障抽水试验资料 的可靠性有指导作用。 ［关键词］ 水文地质意义；技术参数设计；抽水试验 ［中图分类号］ ｘｌ４３ ［文献标识码］ Ｂ ［文章编号］ １００４—１１８４（２０１０）０４一ｏｌ２４—０２ ｄ＝Ｈ／（Ｈ＋ｈ） （１） 矿区水文地质条件是矿区重要的开采技术条件。通过矿 区水文地质孑Ｌ开展钻孔抽水试验，利用试验数据计算获取目的 含水层相关水文地质参数，计算含水层最大涌水量和单位涌水 量，以评价矿区相应含水层含水性、富水性，进而可以分析评价 矿 水文地质条件和判断矿区水文地质类型，预测矿坑涌水 式中：ｄ为风管浸没比，Ｈ为从动水位（据单井稳定流抽 水试验要求按降深５～１０ ｍ设计）至风管头混合器的风管浸 没深度（Ｉｌ１）；并结合试抽风管浸没深度，ｈ为从动水位（据单 井稳定流抽水试验要求按降深５～１０ ｍ设计）至离开风管头 混合器的水气混合体上升顶界面（Ｈ；水口）之间的高度（ｍ）。 １．２ 空气单位消耗量的计算 空气单位消耗量指抽水Ｔ作状态下每抽１ ｍ 水所需的 压缩空气体积量（ｍ ）。空气单位消耗量南下列公式给出： Ｖ＝Ｋ ｈ／２３１ｇ［（Ｈ＋１０）／１０］ 其中Ｋ ＝２．１７＋０．０１６４ ｈ； 上两式中Ｈ、ｈ所代表意义与前述相同。 １．３抽水风压的计算 量、确定矿坑疏干排水方案，确定矿坑疏水影响半径及降落漏 斗扩展情形，了解不同含水体之间的水力联系情况。 通常对于水位埋藏深度在６Ｏ～７０ ｍ的小口径水文地质 孑Ｌ，不管水量大小，均可利用空气压缩机进行抽水。设计施工 空气压缩机抽水试验孑Ｌ，根据国标ＧＢ１２７１９－－１９９１，抽水试验 前应获得白然流场水位、流量变化趋势和速率的资料，需要相 （２） 应的设备、仪器及材料，并需进行一些必要的设计技术参考数 据计算。 １ 抽水设计技术参数计算 抽水试验设计技术参数除了抽水孑Ｌ风管浸没比（ ）外， 还有抽水孑Ｌ空气单位消耗量、抽水风压、出水管直径、发动机 功率等。 １．１风管浸没比（ＩＸ）的计算 风管浸没比（ＩＸ）指抽水工作进行状态下动水位以下风管 抽水开始时所需的风压称为启动风压（Ｐ。）。 启动风压Ｐ。（大气压）＝０．１（Ｈ＋ｈ—ｈ。－Ｉ－２）（大气压） （３—１） 抽水工作状态下的风压称为Ｔ作风压（Ｐ ），此时抽水孔 内的静止水位已转化成动水位，故 工作风压Ｐ （大气压）＝０．１（Ｈ＋Ｌｐ）（大气压）（３—２） 两式中，Ｈ、ｈ所代表意义与前述相同。ｈ。为开始抽水时 头混合器浸没深度与离开风管头混合器的水气混合体上升高 度的比值。由此可知风管浸没比（ ）可由下式计算（见图１） 抽水孔静止水位至水气混合体上升顶界面（出水口）之间的 距离（ｍ）；Ｌｐ为空气运送过程中压力损失值（表示为水柱高 度ｍ，经验上一般不大于５ ｍ，通常取２～３ ｍ）； １．４ 出水管直径的计算 出水管直径指出水管与风管并列独立安装下的出水管直 径（ｄ）。 出水管直径ｄ（ｍ）：［４－（Ｑ＋Ｑ。）／（ ·ｖ）］ 上式中， （４） Ｑ为出水管设计出水量（ｍ ／ｓ），由矿区调查和搜集邻区 历史资料给出；Ｑ。为空压机送出的空气容量（ｍ ／ｓ）；ｖ为出 水管中水气混合体上升速度（ｍ／ｓ），按资料ｖ：８—９ ｍ／ｓ。 １．５发动机功率的计算 发动机为空气压缩机提供动力来源，动力设备工作必须 具有一定的功率要求。发动机功率计算由下式给出： 图１ 空气压缩机抽水并列式安装示意图 Ｎ（马力）＝Ｑｈ／（７５ ） （５） 上式巾，ｈ所代表意义与前述相同， ［收稿日期］ ２０１０—０５—１７ ［作者简介］ 郑志忠（１９６９一），福建仙游人，高级工程师，主要从事煤田水文地质工作。 １２４ 第３２卷 第４期 地下水 ２０１０年７月 Ｑ为“；水管设计¨；水量（１／ｓ），由矿Ⅸ调查和搜集邻区历史 资料给出； 为空气压缩机有效功率系数，一般－ｑ＝１５％～２０％； 比（仅）越大，从空气压缩机的额定风压考虑，随着抽水开始， 动水位下降，浸没深度小，浸没比（ ）值变小，即随着抽水继 续，水位降深加大，风管浸没比（仅）逐渐由大变小，又从上述 （２）、（３—１）、（３—２）式可以看出，风管浸没越深，浸没比 ２抽水设计技术参数分析 从Ｉ 述包括风管浸没比（ ）、空气单位消耗量（Ｖ）、启动 （ ）值大，空气单位消耗量越小，相同…水管，则…水量卡Ｈ对 增加，但所需风压增大，相反，风管浸没越浅，浸没比（ｄ）值 小，所需风压小，但空气单位消耗最大（见表１），相同出水 管，则出水量相对减少，故过小的风管浸没比将使抽水Ⅲ水 ｆ“现不连续甚至抽不上水，通常风管浸没比（ ）值不应小丁 ０．５～０．６，按照风管浸没深度与水柱上升高度之比（Ｈ／ｈ）， 风压（ＰＯ）、１：作风压（Ｐｎ）、…水管直径（ｄ）、发动机功率（Ｎ） 六种技术参数的计算方法巾可以看｝｝｛，这些技术参数计算需 要预先给定一组流量与降深值，即设计动水位和设计出水 量。设计出水量应由矿区调查昶ｌ搜集邻区历史资料给出技 术设计参考值，设计动水位应根据单井稳定流抽水试验要求 按降深５～１０ １１１没计参考值。 由（１）式可以看Ⅲ，给定设计动水位后，给ｆ｛｛一个风管浸 没深度，南（１）式可以计算…一个设计风管浸没比。 般一应小于０．８～１．２，最好能达到１．５，则风管浸没比 （ ）值为０．６，故一般要求实际风管混合器浸没位置至水柱 上升顶界面（ｆｌＩ水口）之间的高差为设计动水位至 水口之 间高差的１．８～２．５倍。由于风管浸没越深，所需风压增大， 由设计“｛水量参考值从（２）式可以计算Ⅲ设计空气单位消 耗量（Ｖ），水气混合体中空气容量Ｑ 为设计ｆｊ｛水量的Ｖ倍。 受空气压缩机的额定风压限制，抽水启动风压不超过空气压 缩机的额定风压，当启动风压为空气压缩机的额定风压时， 从（３—１）式可以看出，风管混合器地下埋深不大于（１０Ｐ 一 ２）ｍ。 则：单位时间水气混合体Ｑ＋Ｑ ＝ｖｄ ＩＴ／４ 从而南（４）式可得ｊＩ｛设计 水管直径（ｄ）； 同样由设计动水位从（３一１）、（３—２）式可以给出卒压机 启动风乐（Ｐ。）及工作风 （Ｐ ），抽水风压以大气压为计算单 位，１个标准大气压相当于１０．３３３３ ｍ水柱所产生的乐力，即 约为１０ ｉｎ水柱压力。 通过以上分析，正确设计包括抽水风管浸没比（仅）在内 的抽水技术参数对抽水试验工作具有重要的意义。通过抽 水试验能够获取的直接试验数据是流量与降深的对应数据 对，只有设置了合适的流量和降深值，才能计算出合适的抽 水设计技术参数，按照合适的抽水技术参数安装风管等技术 没备，才有可能做到节省时间、降低成本、保障并提高水文地 质孔抽水试验资料成果质量。所以做好抽水试验Ｔ作，既要 做好前期地质一水文地质Ｔ作，了解矿区自然流场水位、流 由给定的设计动水位参考值可以给…水柱上升高度ｈ， 从而由（５）式计算ｍ所需要的发动机功率（Ｎ）。 Ｎ（马力）＝Ｑｈ／（７５ ）＝Ｖ·ｖ／（７５１１）， 上式中符号代表意义与前述相同，所得数值表示发动机完成 给出速度为８～９ ｎｖ／ｓ的１流量体积（１）的水最少所需要做的功。 ３ 抽水风管浸没比（Ｏ／．）设计技术参数 水文地质意义 从 述（１）式可以看出，风管的浸没深度越大，风管浸没 量变化趋势，还必须配置合适的抽水设备，保障抽水试验Ｔ 作顺利、可行、可靠。 表１ 风管浸没比 、扬程ｈ、空气单位消耗量Ｖ之间的对应关系表 ｄ Ｏ．４ Ｏ ５ ０．６ ｈ Ｖ ５ ３．９２ ｌ０ ４．５７ ２０ ５．９０ ３０ ７．２８ ４０ ８．７１ ５ ２．７８ １０ ３．３７ ２０ ４．５５ ３０ ５．７７ ４０ ７．Ｏ３ ５ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ２．０ｌ ２．５５ ３．６ｌ ４．６９ ５．８２ ４ 应用实例 福建永定东中田地石灰石矿区在２００７年补充勘探时为 了了解矿区露天开采下二叠柄霞组石灰岩矿床时其自身直 接含水层的富水性及其渗透性，在矿区西部施工了６０号水 文地质孑Ｌ，该水文孑Ｌ开始使用深井泵抽水，水位降深及水位、 流量稳定状态远达不到要求，抽水试验工作不成功。后改用 从实际技术参数和设计技术参数中可以看 ，随着各次 抽水风管浸没比的降低，工作风压及动力设备功率逐渐降 低，过高的风管浸没比造成了设计抽水风压小于实际抽水风 还造成了实际空气单位消耗量远远大于实际扬程所对应 需要消耗的空气量，增加设备负荷及浪费耗能，造成了各次 抽水水位降深变小，在影响半径和流量趋于稳定的情况下， 影响了目的含水层计算水文地质参数的可靠程度，永定东中 空气压缩机进行抽水。通过抽水试验获得了矿区下二叠栖 霞组石灰岩矿床自身直接含水层的渗透系数、单位涌水量等 水文地质参数。下表抽水试验技术参数表是抽水试验后形 成的实际技术参数（见表２）。 田地石灰石矿区Ｂ矿段东侧２号矿层硐采灰岩水侧向补给 流量达６ １００ ｍ ／ｈ，实际上造成了各水平预测矿坑涌水量偏 大 表２ 永定东中田地石灰石矿区６０号水文孔抽水试验技术参数表 （下转第１５２页） ｌ２５ 第３２卷 第４期 表４ 水文比拟法径流量计算成果表 地下水 ２０１０年７月 经分析，运城地区水文计算手册采用的降水、径流资料 系列至１９７２年，建立的降雨径流关系代表七十年代以前产 汇流水平，而从板涧河流域乃至全省普遍情况看，上世纪五 十年代至１９６５年以前正是丰水系列，所以采用地区水文计 算手册计算成果偏大。 王家河泗交水文站流域和设计流域在地理位置、气候条 件以及流域下垫面条件等方面非常相似，多年平均面雨量与 设计流域基本一致，属于同一水文地理分区，借用泗交水文 站实测年降水和年径流关系推求本次设计流域河』Ｉｌ径流量 表５ 设计流域年径流量计算成果表（径流深等值线法） 的方法符合《水利水电工程水文计算规范》（ＳＬ２７８—２００２） 规定，采用的资料系列为１９７７年～２００５年２９年的平、枯水 系列，更符合现状产汇流条件，推求的设计年径流成果对供 水工程是偏于安全的，成果合理可靠，为文推荐成果。 年径流深等值线图和年径流系数等值线图受资料及人为 冈素影响较大，采用这两种方法计算的设计年径流量成果， 般仅作对比分析。 ４ 结论 ３．１．４径流系数等值线计算 运城市第二次水资源评价成果中，绘制了多年年径流系 数等值线图，从该图查出设计流域的年径流系数为０．１０，乘 以本流域多年平均降水量７４０ ｍｉ｜１，则多年平均径流深为７４． ０ ｍｍ，由此计算得石门河设计流域多年平均径流量为２８８．６ 万ｍ ，横榆河设计流域多年平均径流量为５７７．２万ｍ 。 ３．２ 设计年径流计算成果合理性分析 １）石门河工程以上控制流域面积３９．０ ｋｍ ，流域主沟 道长度１０．５ ｋｍ，流域平均坡降２３．３％０；横榆河工程以上控 制流域面积７８．０ ｋｍ ，流域主沟道长度１ １．５ ｋｍ，流域平均 坡降２５．８％ 。 ２）本次设计工程所在流域为少资料地区，借用相似流域 王家河流域泗交水文站实测年降水和年径流关系推求其河 上述不同方法计算两Ｔ程的设计年径流深对比见表６。 表６ 两工程设计年径流深计算成果对比表 ｍｉｌｌ 川径流量的方法符合《水利水电＿Ｔ程水文计算规范》（ＳＬ２７８ ２００２）中３．５．７条之规定。采用的资料系列为１９７７年～ ２００５年２９年的平、枯水系列，更符合现状产汇流条件，由此 工程 计算方法 水文比拟法 釜 ５５８ ５０％７５％ ９０％９５％ ３８８ ２７３ ２４４ ２３９ ４７２ ３３６ ２８０ ２６５ 推求的设计年径流量成果对供水工程而言是偏于安全的，故 推荐该成果。 运城地区水文计算手册法８４２．８ ７８６．６ ５２２．８ ３６４．４２８５．８ 多年平均年径流深等值线法５８５ ３）采用一Ｉｃ述推荐成果，石门河工程多年平均径流量５５８ 万Ｉｌｌ ，５０％年份入库径流量３８８万ｍ ，７５％年份入库径流 量２７３万ｎｌ ，９０％年份入库径流量２４４万ｍ ，９５％年份入 库径流量２３９万ｍ ；横榆河＿］ 程多年平均径流量１ １２０万 ｍ ，５０％年份入库径流量７７８万ｍ ，７５％年份入库径流量 多年平均径年流系数等值线 ８８．６ 运城地区水文计算手册法 １６８６ １５７３ １０４６ ７２８．７５７１．５ 水文比拟法 １１２ｏ ７７８ ５４９ ４８９ ４７９ … 多年平均年径流深等值线法１ １ ７０ ９４４ ６７２ ５６０ ５３０ 多年平均径年流系数等值线 ７７ ２ ５４９万ｍ ，９０％年份入库径流量４８９万ｍ ，９５％年份入库 径流量４７９万ｍ 。 从上表对比看ｍ，采用运城地区水文计算手册计算的年 径流深最大，多年平均年径流深等值线法计算结果次之，多 年平均年径流系数等值线法计算结果最小。 （上接第１２５页） 保障。 参考文献 ５ 结语 目前许多矿区为了缩短勘探工期以及勘探成本，常常把 矿区详查和勘探阶段合并，布置水文地质孔进行矿区水文地 ［１］福建省１２１煤田地质勘探队．福建省永定东中一田地石灰石矿 区详查地质报告．龙岩，２００７． 质勘探工作，往往缺少矿 在预查和普查阶段必要的自然流 场水位、流量变化趋势和速率的资料，忽视水文孔抽水试验 应该设计合适的抽水孔风管浸没比等抽水设计技术参数，给 抽水设备、仪器的安装带来盲目性，造成抽水试验结果失真， 对于正确分析评价矿区含水层水文地质特征和预测矿坑涌 水量工作造成欲速而不达的后果。相反，调查搜集丰富的矿 区水文地质资料以设置相对合适的抽水试验风管浸没比等 ［２］福建省１２１煤田地质勘探队．福建省永定东中田地石灰石矿 区６０水文孔抽水试验观测记录．龙岩，２００７． ［３］北京地质学院地质教研室．水文地质学．北京：地质出版社， ｌ９７８． ［４］地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队．水文地质手 册．北京：地质出版礼，１９８３． ［５］中华人民共和国国家标准（ＧＢ１２７１９—１９９１）．矿区水文地质工 程地质勘探规范． 技术参数，才能获得更加接近实际的矿区抽水试验资料，为 分析预测矿区水文地质特征变化规律提供可靠的基础资料 １５２
