基于Visual Basic 6.0的含水层水文地质参数求取软件的开发及应用_张海涛.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY pumping test; hydrogeolgical parameters; water abundance uation 在我国煤田水文地质勘探中，野外抽水试验是 获得水文地质参数最主要的手段[1]，但利用大量的 抽水试验数据求水文地质参数过程是一项极为复杂 而繁琐的工作。目前，通常采用 Excel 解决这一问 题，但循环迭代过程复杂且极易出错[2–4]。此外，我 国煤田水文地质勘探过程中地面抽水钻孔的孔径从 75 mm到168 mm不同， 根据 煤矿防治水规定 [5]以 下简称规定评价含水层的富水性，钻孔单位 涌水量以孔径 91 mm、抽水水位降深 10 m 为准；若 孔径、降深与上述不符时，应进行换算后再比较富水 性。因此，在对含水层进行富水性评价前，必须依据 规定将钻孔单位涌水量转换成标准孔径91 mm、 标准降深10 m的钻孔单位涌水量。但是，由于这 一过程极为繁琐，传统的人工计算工作量又大，致 使对含水层的富水性评价时，绝大多数矿井未严格 按规定要求换算钻孔单位涌水量，造成对含水 层的富水性评价失去了统一的标准。 鉴于上述问题的存在，笔者基于 Visual Basic ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 46 卷 6.0[6–7]所具有强大的编译和可视化功能，研究开发 出一套水文地质参数自动求取的软件，并在实际生 产过程中得到了良好应用。 1 水文地质参数计算的理论及公式 1.1 完整承压抽水井稳定流计算公式 完整承压抽水井稳定流求解水文地质参数公式 分别为 lglg 2.73 QRr K MS   裘布依公式 1 10RSK 吉哈尔特公式 2 1000 86 400 Q q S  3 式中 K 为渗透系数，m/d；R 为影响半径，m；S 为 水位降深，m；Q 为涌水量，m3/d；r 为孔径，m； M 为含水层厚度， m； q 为钻孔单位涌水量， L/sm。 1.2 水文地质参数及钻孔单位涌水量换算 1.2.1 3 次降深抽水试验的涌水量换算[8] 3 次降深抽水试验的涌水量主要通过 Q–S 曲线 方程法也称涌水量降深曲线方程法进行换算，根 据 Q、S 建立函数关系，进行外推来预测涌水量。 要使用 Q–S 曲线法，同一钻孔同一层段至少要有 3 次降深抽水试验数据。 Q–S 曲线方程法可归纳为 4 种基本类型直线 型、抛物线型、幂函数曲线型、对数曲线型。 ①曲度法判断 Q–S 曲线类型。 判断 Q–S 曲线类 型有伸直法与曲度法 2 种， 但是伸直法靠作图判断， 过程复杂且判断结果会因人而异，因此多选用曲度 法。曲度值的计算公式如下 21 21 lglg lglg SS e QQ    4 式中 Qi为抽水量，m3/d；Si为水位降深，m。 当 e1 时，为直线型；当 1e2 时，为对数曲 线型；如果 e1，则说明抽水试验资料有错误。 ②曲线方程求解。各类曲线方程见表 1，表 1 中各类曲线系数均按最小二乘法求解。 1.2.2 孔径换算[9] 根据经验公式，可推算出钻孔降深 S 等于 10 m 时的钻孔涌水量 Qr。将 Qr换算为孔径 r91 mm 时 的涌水量 Q91， 进而得到标准的钻孔单位涌水量 q91。 井径换算公式如下 rr 91 9191 lglg lglg r Rr QQ Rr    5 式中 Q91、R91、r91分别表示孔径为 91 mm 钻孔的 涌水量、影响半径和钻孔半径。Qr、Rr、rr分别表 示孔径为 r 的钻孔，降深为 10 m 时的涌水量、影响 半径和钻孔半径。 表 1 各类曲线系数及经验方程 Table 1 Various curve coefficients and empirical equations 曲线类型 待定系数 经验公式 直线型 2 QS a S   QaS 抛物线型 S bQ Q a N    22 S NSQ Q b NQQ       2 SaQbQ 幂函数曲线型 1 lg lg QQ b a N    22 lglglglg 1 lg lg NQSQS bNSS      1 b QaS 对数曲线型 lgQbS a N    22 lglg lg lg NQSQS b NSS       lgQabS 注Q、S、N 分别表示钻孔抽水量、水位降深和降深总次数。 在进行孔径换算时应注意以下两点 ①由于 Rr与 R91相差很小，可以近似地认为 RrR91，如果孔径相差较大，就必须进行换算。 ②在式2中有一个未知数 Rr， 根据式1和式2 进行迭代运算得出渗透系数 K 与影响半径 R。 1.2.3 钻孔单位涌水量换算 钻孔孔径 91 mm， 水位降深 10 m 时钻孔单位涌 水量 q91的计算公式为 9191 91 10 QQ S q 6 1.3 含水层富水性评价 根据规定 ，对孔径为 91 mm，水位降深为 10 m 的钻孔单位涌水量 q，L/sm。含水层富水性 划分为以下 4 个等级。 弱富水性0.1q≤ 中等富水性0.11.0q≤ ChaoXing 第 2 期 张海涛等 基于 Visual Basic 6.0 的含水层水文地质参数求取软件的开发及应用 107 强富水性1.05.0q≤ 极强富水性5.0q  2 水文地质参数计算模块的设计与实现 2.1 水文地质参数计算模块设计 水文地质参数求取程序设计主要解决 2 个问 题一是设计一种循环迭代算法，快速求取渗透系 数 K 和影响半径 R；二是快速实现各类孔径的钻孔 单位涌水量统一转换，按照规程要求进行富水 性评价。为解决上述问题，该软件设计了 3 个子模 块，分别为原始数据输入模块模块一、水文地质 参数计算模块模块二和水文地质参数换算及富水 性评价模块模块三，如图 1 所示。 K、R 迭代算法在模块二和模块三中均有应用，其 设计原理是首先假定一个 K 值为 K1，带入式2中得到 一个 R 值为 R1值， 再将 R1值带入公式1中得到一个新 的 K 值为 K2， 再将新得到的 K2带入式2中得到一个新 的 R 值为 R2， 如此反复循环直至 Kn–1Kn， Rn–1Rn为止。 图 1 软件模块设计思路 Fig.1 Design idea of software module 为实现富水性评价，模块三设计中首先根据 3 次抽水试验计算得到的曲度值 ei去求取对应 Q–S 曲 线方程， 并利用该方程计算降深 S10 m 时的涌水量 Q， 然后应用K、 R迭代算法将其转换成孔径r91 mm 的钻孔单位涌水量和换算后的水文地质参数，最后 依据换算后的结果及 Q–S 曲线方程对含水层的富水 性进行综合评价 2.2 软件计算模块实现 通过上述分析可以看出，水文地质参数求取及 换算过程极为繁琐，计算量大，仅公式就列出了 21 个，并且有些公式还需要进行反复验算，比如人工 进行迭代计算 K、R 时，不但耗费时间长，而得出 的结果也往往存在较大误差。根据上述原理，通过 Visual Basic 6.0 进行编程，实现了水文地质参数计 算及富水性评价结合于一体的软件，具有计算过程 快速、智能高效、换算结果准确无误等特点，程序 界面见图 2。 2.2.1 水文地质参数计算模块 这部分难点在于 K、R 的迭代计算，使用了不 动点迭代作为计算方法， 不动点迭代原理[10–11]如下 将 0f x 转化为等价方程 xx，其迭代格 式为 1 kk xx   7 图 2 水文地质参数计算软件界面 Fig.2 Interface of software for hydrogeolgical parameter calculation 为 x 设 一 个 初 值 如 0 x， 带 入 0 x中 ， 若 00 xx，则 0 x就是该方程的解，若二者不相等， 就令 10 xx，带入到 1 x，看 11 xx是否成 立，成立则 1 x为解，不成立就重复上面的步骤，直 到成立为止。联合式1、式2可以得到 lg10lg 2.73 QSKr K MS   8 通过反复迭代求出 K 后，进一步求出 R。以求 解抽水试验水文地质参数为例，其核心代码如下 K1 0 K2 3 ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 46 卷 Do While AbsK2 – K1 ≥ 0.00001 K1 K2 K2 0.366Qlg10SK11/2 / r / MS Loop 代码中 Q 为抽水钻孔的稳定涌水量，m3/d；M 为含水层厚度，m；r 为抽水钻孔井径，m；K1为一 个假设的渗透系数，m/d；K2为另一个假设的渗透 系数，m/d。 2.2.2 水文地质参数换算及富水性评价模块 这部分重点主要体现在 3 个方面一是曲度值 的计算，由 1.2.1 节内容可知，不同的曲度值会直接 影响 Q–S 曲线类型的选择；二是曲线类型选择直接 影响着水文地质参数及钻孔单位涌水量的换算；三 是钻孔单位涌水量的换算，其结果决定着富水性的 等级评价。 下面分别对实现这 3 个方面的主要内容进行重 点说明。 a. 曲度值计算 根据式4对 3 次抽水试验的曲度值进行计算， 其重点编程代码如下 e1 lgS2 – lgS1 / lgq2 – lgq1 e2 lgS3 – lgS1 / lgq3 – lgq1 e3 lgS3 – lgS2 / lgq3 – lgq2 代码中 e1、e2、e3，S1、S2、S3，q1、q2、q3分 别代表 3 次抽水试验的曲度值，降深和涌水量。 b. 曲线类型选择及 10 m 降深涌水量计算 根据曲度值e1、e2、e3的大小，选择曲线类型。 当 e1、e2、e31 时，为直线型；当 1e1、e2、e32 时，为对数曲线型；如果 e1、e2、 e3 0.00001 K1 K2 K2 0.0366Qlg10SK11/2 / r / M Text14.TextValatNumberStr1000Q/ 864000, 4 Text15.Text ValatNumberStrK2, 4 Text16.Text ValatNumberStrMK2, 4 Text17.Text ValatNumberStrQ, 4 Loop 其中，Q 为水位降深 S 10 m 时的涌水量，M、 r、K1、K2等参数同前。 “Text14.Text” 、 “Text15.Text” 、 “Text16.Text” 、 “Text17.Text”中的内容分别为 当抽水钻孔孔径91 mm、 水位降深 10 m 时， 钻孔涌水量 Q91、 单位涌水量 q91、 渗透系数 K91和导水系数 T91的源程序代码。 2.2.3 富水性评价 除根据规定对抽水含水层的富水性进行等 级划分外，还应当结合 Q–S 曲线类型对含水层的水 文地质条件和富水性进行深度分析和评价。大量抽 水试验的资料证明， 常见的 Q–S 曲线类型有直线型、 抛物线型、幂函数曲线型和对数曲线型，其中抛物 线型又分为上凸和下凹抛物型[8,12–13]，如图 3 所示。 每种 Q–S 曲线类型反映的抽水含水层的水文地质条 件不同。 1直线型；2上凸抛物线型；3幂函数曲线型；4对数曲线型； 5下凹抛物线型 图 3 抽水试验的 Q–S 曲线类型 Fig.3 Q–S curve type of pumping test ①直线型 当含水层接近均质、 等厚且抽水试验 时水位降深不大，水井附近地下水运动状态保持层 流时状态，呈直线关系。 ②上凸抛物线型 在富水性强的承压含水层中 进行集中抽水时，抽水井附近水流呈紊流状态，而 在离抽水井较远的地方则水流仍保持层流状态；大 裂隙中的水呈紊流状态，而小裂隙中的水仍呈层流 ChaoXing 第 2 期 张海涛等 基于 Visual Basic 6.0 的含水层水文地质参数求取软件的开发及应用 109 状态，Q–S 曲线呈抛物线型。 ③幂函数曲线型 在地下水以储存量为主， 且补 给来源差、导水性强的地区，水位降深小时，涌水 量随降深大幅度增加；当水位降深到一定深度后， 涌水量随降深增加的幅度很小，曲线有明显的下垂 现象，曲线呈幂函数型。 ④对数曲线型 在富水性弱或分布范围有限， 以 及地下水补给贫乏且储量不大的含水层抽水时， Q–S 曲线呈对数型。 ⑤下凹抛物线型 通常表明试验有错误或资料 不可靠。 3 应用实例 13211 工作面是谢桥矿 A1 煤层的首采面，位于 东二 A1 煤层二阶段，西起东二 B 组回风石门，东至 F22 断层， 北起–465 m A1 煤层底板标高， 南至–530 m A1 煤层底板标高线，上、下阶段未采掘，上覆 4 煤层 尚未采掘。太原群 C3I 组灰岩是 A1 煤层开采的直接 充水含水层，距 A1 煤层底板平均 19.5 m，断层及裂 隙发育处， 可能成为导水通道， 甚至沟通灰岩含水层， 导致底板灰岩水大量涌出，是威胁工作安全的充水因 素。因此，十分有必要对该区域 C3I 组灰岩含水层富 水性进行分析评价， 并对 C3I 组灰岩涌水量进行预测。 谢桥矿共有 15 个太原群 C3I 组灰岩抽水孔，其 中东二采区有 6 个，仅有探OⅡ –5 孔进行了 3 次降 深抽水试验。这 6 个抽水孔的孔径均为 108 mm，稳 定 抽 水 量 在 0.528136.32 m3/d ， 水 位 降 深 为 10.63111.47 m。笔者利用开发的系统软件快速、准 确地计算得出水文地质参数及孔径换算后的水文地 质参数，其结果详见表 2，表明谢桥矿东二采区 C3I 组灰岩含水层渗透系数 K 为 0.000 10.172 0 m/d， 单位涌水量 q 为 0.000 40.048 3 L/sm，Q–S 曲线 为幂函数型，反映了该区域 C3I 组灰岩含水层溶隙 发育不均、富水性弱且补给条件差。 表 2 水文地质参数计算与换算结果 Table 2 Results of calculation and conversion of hydrogeolgical parameters 抽水试验基础数据 换算前的水文地质参数 按曲线方程换算后的水文地质参数 序号 抽水孔名称 孔径 r/m 抽水段含水 层厚度M/m 稳定抽水量 Q/m3d-1 水位降 深 S/m 渗透系数 K/md-1 单位涌水量 q/Lsm -1 影响半径 R/m 曲线类型 单位涌水量 q/Lsm -1 渗透系数 K91/md-1 1 探 IO–6 0.108 31.70 3.96 111.20.000 1 0.000 4 38.1 2 探 I∈–5 0.108 14.15 3.60 53.250.005 0 0.000 8 37.6 3 探 IO–4 0.108 21.54 0.528 106.170.000 2 0.000 6 15.1 4 探 IIO–7 0.108 66.13 9.672 111.470.001 4 0.001 0 41.5 5 探 II∈–6 0.108 40.30 11.04 52.100.005 6 0.002 5 38.6 136.32 34.890.172 0 0.045 2 144.7 79.20 19.570.164 6 0.046 8 79.4 6 探 IIO–5 0.108 28.50 44.40 10.630.155 0 0.048 3 41.8 幂函数型 0.045 9 0.144 9 4 结 语 a. Visual Basic 6.0 不仅具有强大的可视化功 能， 而且其内置的 VBA 语言能将复杂的计算公式和 循环迭代过程编译成程序代码，实现快速、准确计 算的功能，在水文地质数据处理工作中具有广阔的 应用空间。 b. 水文地质参数求取软件是目前全国唯一一 款自动计算水文地质参数和进行富水性评价的专业 软件，与传统的水文地质参数求取相比，具有计算 速度快、精度高、操作方便等优点，符合煤矿防 治水规定及行业要求，值得推广应用。 参考文献 [1] 国家技术监督局. 矿区水文地质工程地质勘探规范 GB12719–1991[S]. 北京中国标准出版社，1991. [2] 韩鹏伟， 吴胤龙. Excel 软件在稳定流计算中的高效应用[J]. 四 川地质学报，2016，362289–292. HAN Pengwei，WU Yinglong. The application of Excel to the single well steady flow pumping test[J]. Acta Geolgica Sichuan， 2016，362289–292. [3] 郑燕，马亚杰，刘金国，等. 煤矿充水含水层 Q–S 曲线类型 判别与对比[J]. 矿业安全与环保，2016，43578–82. ZHENG Yan，MA Yajie，LIU Jinguo，et al. Discrimination and comparison of Q–S curve types of coal mine water-filling and water-bearing strata[J]. Mining Safety Environmental Protec- tion，2016，43578–82. [4] 张林. Excel 在稳定流抽水试验中的应用[J]. 四川地质学报， 2010，301104–107. ZHANG Lin. The application of Excel to steady pumping test[J]. Acta Geolgica Sichuan，2010，301104–107. [5] 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局. 煤矿防治 ChaoXing 110 煤田地质与勘探 第 46 卷 水规定[M]. 北京煤炭工业出版社， 2011. 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Coal Geolgy Exploration，2015，43148–51. 责任编辑 张宏 我国西部煤田开发突水致灾机理及精准防控 关键技术研讨会在京顺利召开 1 月 2 日，国家能源集团（以下简称“国能集团”）联合中煤科工集团西安研究院有限公司（以下简称“西 安研究院”）和中国中煤能源集团有限公司（以下简称“中煤集团”）在北京顺利召开了“我国西部煤田开发突 水致灾机理及精准防控关键技术”研讨会。 国能集团副总经理李东、 西安研究院董事长董书宁等领导出席会议。 武强院士等 14 名国内知名防治水专家受邀参与了此次研讨。李东副总经理致欢迎词。 在国能集团、西安研究院和中煤集团三家企业历时近十年的紧密合作和潜心研究下，西部侏罗系煤田顶 板水害防控理论和关键技术逐步形成，尤其在沉积控水、离层水害、突水溃沙的防治方面取得了显著成果。 此次研讨会主要是围绕我国西部侏罗系煤炭资源开发过程中存在的顶板水害问题展开，会上，各位专家针对 顶板水害防治所取得的成果发表了各自的看法并给出了宝贵建议，以指导下一步工作的开展与完善。 董书宁董事长作总结讲话，他表示随着我国煤炭战略转移，西部煤炭资源开发力度逐年加大，顶板水害 也随之成为威胁我国西部煤炭安全生产的重要因素，三家企业研究成果对于顶板水害形成机理、定量化预测 和评价、水害防控具有重大意义，推广应用前景广阔。 梅新 ChaoXing