Experimental and applied research on wellbore water seepage simulation based on hydrophobic depressurization method
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摘要:
随着我国煤炭资源不断向深部开发，复杂的岩层赋存条件对井筒的建设和使用带来很大挑战。深部立井经常穿越多层含水层，顶板承压水造成的井壁渗水问题尤为严重，不仅威胁到矿井安全，还给传统的注浆治理方法带来挑战，如成本高、施工难度大和渗漏重复等问题。为此基于疏水降压理论建立了一套可视化相似模拟试验平台，模拟了不同岩层、不同放水孔数条件下的井壁水压、放水孔流量变化，分析了放水孔流速与渗流规律、地下水降落漏斗形态发育规律以及渗流水压和井壁压力变化规律，并以彬长文家坡煤矿为例开展了现场疏放水试验。结果表明：出水口流速随管道通径增大而增大；双孔涌水流量相比单孔增幅较大，三孔涌水量增幅较小；距井越近水位降深越大，降落漏斗影响范围随放水孔数增加而增大，单层放水试验降落漏斗形状与降水孔保持对称状，漏斗底端呈现锥形。放水初期水压下降快，后期趋于稳定；将模拟试验结果应用于现场，通过在文家坡煤矿主副井之间打疏放水孔，进行单孔和双孔放水试验，单孔稳定涌水量为75 m3/h、双孔稳定涌水量为175 m3/h，试验显著降低了地下水位，并形成了最大降深达40 m的降落漏斗，现场实测与相似模拟试验结果较为吻合，验证了疏水降压治理方法的科学性和实际效果。研究成果有助于推动深部顶板承压含水层影响下井筒渗水防治技术的进步。
Abstract:With the continuous development of China’s coal resources to the deep end, the complex conditions of rock stratum existence bring great challenges to the construction and use of shafts. Deep vertical shafts often traverse multi-layer aquifers, and the seepage problem of the shaft wall caused by roof pressure water is particularly serious, which not only threatens the mine safety, but also brings challenges to the traditional grouting management methods, such as high cost, difficult construction and repeated seepage problems. In this regard, a set of visual similar simulation experiment platform was established based on the hydrophobic pressure reduction theory, simulated the water pressure of the well wall and the change of the flow rate of the water discharge holes under the conditions of different rock formations and different number of water discharge holes, analyzed the flow rate and seepage law of the water discharge holes, the development law of the morphology of the groundwater landing funnels, and the change law of the seepage water pressure and the pressure law of the well wall. And take Binchang Wenjiapo coal mine as an example to carry out on-site water discharge test. The results show that: the flow rate at the outlet increases with the increase of pipe diameter; the water flow rate of two holes increases more than that of a single hole, and the water flow rate of three holes increases less; the closer to the well, the deeper the water level drops, the influence range of the landing funnel increases with the increase of the number of discharge holes, the shape of the landing funnel of the single-layer water discharge experiment is kept symmetrically with the descending holes, and the bottom end of the funnel shows a conical shape. The water pressure decreases quickly in the early stage of water discharge, and tends to stabilize in the later stage; the results of the simulation experiment are applied to the field, and the single-hole and double-hole water discharge tests are carried out by drilling sparse discharge holes between the main and auxiliary wells of the Wenjiapo Mine, and the stabilized water influx in the single-hole is 75 m3/h, and the stabilized water influx in the double-hole is 175 m3/h. The test has significantly lowered the groundwater level, and formed the landing funnel with a maximum depth of 40 m. The actual measurement in the field is more in agreement with the results of the simulation experiment, which verifies the similarity with the results of the simulation experiment. Simulation test results are more consistent, verifying the scientific and practical effect of the hydrophobic bucking management method. The results of this research can help to promote the progress of wellbore water seepage control technology under the influence of deep roof pressurized aquifer.
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0. 引 言
煤炭资源在能源结构中占有主体地位，据调查我国埋深在千米以下的煤炭占已探明煤炭资源的一半以上[1-2]。随着浅部煤炭资源的消耗，千米深井的深部煤炭资源开采逐渐成为新常态[3-5]。然而，由于深部煤炭资源的赋存条件，我国90%的煤炭是通过地下开采方式生产的，即通过建造井筒、硐室、巷道等地下构筑物，为煤层开采创造条件。其中，在深井建设面临的诸多问题中井筒的安全建设尤为重要[6-8]。
在矿井建设方面主要采用立井开拓方式，立井井筒往往会穿过多层含水层[9-12]，在含水层承压水作用下井壁经常出现渗水现象，影响矿井安全[13]。近年来针对井筒渗水问题，很多学者采用壁后注浆加固、地面定向钻孔注浆、井筒外环状帷幕截水等方法[14-17]。冉海军等[18]针对竖井揭露裂隙发育不均匀性富水地层水压高、水量大的实际情况，提出采用工作面预注浆方式确保竖井的安全开挖，取得了良好的效果；周晓敏等[19]针对注浆加固体力学和渗透性能对加固体和围岩有效应力分布的影响规律进行研究，得出了增大注浆半径有利于增加井筒稳定性；高广义[20]研究了富水风化花岗岩地区竖井建井工程中的水害处理技术。谢伟华[21]在郝家河铜矿主副井水害治理过程中，结合以往多个大矿井治水经验，形成了一套针对该矿井含水岩层构造特性的综合治水策略，经过严密组织实施，使超前探水注浆堵水技术在深竖井工程施工中得以成功运用。
上述研究主要集中在注浆治理等方面，但是在无隔水层的承压含水层区段注浆，受动水压力、井筒结构、注浆材料、注浆压力等因素的影响，井筒渗漏治理效果往往不理想[22-24]。因此，需要开展相关试验，研究井筒受含水层动水压力作用下井壁渗水特征。含水层疏水降压法，采用了承压完整井放水试验的原理，即通过在井筒周边打设放水孔，通过疏缓井筒周边含水层水，达到降低井壁周边水压影响。后期还可结合注浆治理方法对井壁局部渗水区进行加固。但由于现场试验打孔周期长、费用高，且具有不确定因素，因此打孔之前的预试验很重要。相似模拟试验是以相似理论为依据的研究具体工程规律的一种试验方法，具有简便、直观、快速等优点[25-26]。许多学者利用相似模拟方法研究井筒水治理问题。例如，张怀文等[27]通过相似模拟试验模拟井筒测试堵漏工具封堵效果，并根据试验结果进行工具结构优化，为堵漏工具现场试验提供依据；王文学等[28]自主设计研发了一套扇形体疏放水砂槽模型，开展了潜水含水层底部疏放水渗流试验。比较以往的相似模拟试验发现，采用常规的监测方法难以观测水在岩层中的渗流运动和降落漏斗的发育规律，如何设计出一套便于观测的试验系统是试验成功的关键。
本文以陕西省彬长市文家坡煤矿为研究对象，采用疏水降压的理念治理井筒水害，通过相似模拟试验进行研究，并研发了一套可视化疏放水试验平台，此平台可以在实验室内模拟不同岩层、不同放水孔数作用下井壁水压、降落漏斗变化情况，具有解题和试验的双重性。并将结果用于现场试验，验证研究方法的科学性。
1. 研究背景
研究对象位于陕西省彬长市文家坡煤矿，此矿井采用立井开拓，矿山规模为4.0 Mt/a。矿井开采主水平4号煤层，煤层平均厚度8.00 m，埋深465.19～796.69 m。全矿共布置4条井筒，分别为主立井、副立井、路村进风立井、路村回风立井。文家坡井田范围以红岩河水系为主，红岩河流经井田中部，由东北向西南方向径流。河谷内有白垩系洛河组出露，形成良好的补给接触关系，地表河流入渗补给是白垩系含水层的主要补给水源。虽然洛河组含水层存在持续稳定的补给水源，但洛河组含水层厚度大（平均厚度取260 m），水源补给速率缓慢，含水层单位平均涌水量
0.02196 L/(s·m)，富水性属于弱含水层。本文以文家坡煤矿井筒渗水问题为研究对象，开展室内相似模拟试验，探讨承压水下立井井筒渗漏治理方案。文家坡煤矿立井井筒渗水区如图1所示。2. 试验系统
2.1 疏水降压法治理井筒渗水
文家坡煤矿在回风立井施工时采用边掘边注的施工方式，施工到洛河组含水层时，井筒最高涌水量达到115 m3/h，由于洛河组没有明显的隔水层，注浆难以形成有效帷幕，阶段性注浆结束后，井筒涌水量迅速增大，注浆效果维持时间很短。
疏水降压治理方法适用于弱富水性、存在补给水源但补给速率较慢的含水层。通过在井筒周边地面打设疏放水孔对目标含水层进行疏放水，形成降水漏斗将水排出。疏水降压法能有效降低井筒周边含水层水头，且具有较好的长期稳定性，可以减小井筒渗水风险，且不易出现后期的二次渗水现象，排出的水可以进一步用于生产工艺中的冷却、清洗或其他用途，提高水资源的利用效率。疏水降压治理井筒水害示意如图2所示。
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图 2 疏水降压治理井筒水害示意Figure 2. Schematic diagram of wellbore water damage management by hydrophobic depressurization2.2 试验系统设计
掌握疏放水降落漏斗发育特征、涌水量变化规律和井壁水压变化规律是合理设计疏水降压治理井筒渗水试验的前提。因此，试验系统需同时包含疏放水流量监测、井壁水压监测和热成像监测系统。且为了清楚地观察降落漏斗形态发育过程，试验箱体采用透明度高的亚克力板制作。本文设计疏水降压治理井筒渗水相似模拟试验系统如图3所示。试验供水由恒温注水系统和压力控制系统提供。在两井筒高度范围，每隔100 mm安装1个压力传感器，共计10个传感器，传感器量程为0～40 kPa（压力），精度为0.3% FS（满量程输出值），用来监测在放水过程中水流对井壁的压力。在箱体不同高度平面布置多组连通器，水流在流动过程会通过连通器形成水柱，水柱的高低可以反映管道另一端的水压力，通过对水柱的连续性监测，可以得到在放水过程中水头的变化规律。
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图 3 疏水降压治理井筒渗水相似模拟试验系统Figure 3. Similar simulation experiment system for wellbore seepage control by hydrophobic depressurization3. 相似模拟试验方法
3.1 相似参数确定
为了保证研究模型能够接近天然渗流的真实过程，试验按几何相似、运动相似和动力相似设计模型，同时保证边界补给条件一致。基于相似准则，依据该区岩层赋存条件和实验室模型尺寸参数，确定缩尺模型与原模型的3个相似条件：
1）几何相似，即模型中的渗流区与原型渗流区在长、宽、高等线性尺寸方面，应遵循一定的比例，使模型较原型缩小若干倍。
几何相似比为
$$ {C_{\text{L}}} = \frac{l}{{l'}} = \frac{b}{{b'}} = \frac{h}{{h'}} $$ (1) 面积相似比为
$$ {C_{\text{A}}} = \frac{{{A^{}}}}{{A'}} = C_{\text{L}}^2 $$ (2) 式中：${C_{\text{L}}}$为线性比例；${C_{\text{A}}}$为面积相似比；$l'、b' 、h'$为原型的长度、宽度和高度，m；l、b、h为模型的长度、宽度和高度，m；$A' $为原型面积，m2；A为模型面积，m2。
2）运动相似，即模型和原型中渗流质点的迹线保持几何相似，且渗流质点流过相应线段所需时间保持固定的比例。
时间相似比为
$$ {C_{\text{t}}} = \frac{t}{{t'}} = \sqrt {{C_{\text{L}}}} $$ (3) 速度相似比为
$$ {C_{\text{v}}} = \frac{v}{{v'}} = \frac{{l/t}}{{l'/t'}} = \frac{{{C_{\text{L}}}}}{{{C_{\text{t}}}}} = \sqrt {{C_{\text{L}}}} $$ (4) 流量相似比为
$$ {C_{\text{q}}} = \frac{{qv}}{{q'v'}} = \frac{{{l^{^3}}/t}}{{{{l'}^3}/t'}} = \frac{{C_{\text{L}}^3}}{{{C_{\text{t}}}}} = {C_{\text{L}}}^{\text{2}}{C_{\text{v}}} $$ (5) 式中：Ct为时间相似比；Cv为速度相似比；Cq为流量相似比；$v' $为原型流速，m/s；v为模型流速，m/s；$q' $为原型流量，m3/s；q为模型流量，m3/s；$t' $为原型时间，s；t为模型时间，s。
3）动力相似
在弗劳德相似准则下，确保模型与原型之间的动力相似，关注的是流体的惯性力与重力的比例关系。
动力相似比为
$$ {C_{\text{F}}} = C_{\text{L}}^3 C_{\text{v}}^2 $$ (6) 将式（4）代入上式，得：
$$ {C_{\text{F}}} = C_{\text{L}}^3 {C_{\text{L}}} = C_{\text{L}}^4 $$ (7) 式中：CF为动力相似比。
观测的模型流量，可按下面公式转换为天然渗流的流量：
$$ Q' = - K'A'\frac{{\partial h'}}{{\partial l'}} \text{；} Q = - KA\frac{{\partial h}}{{\partial l}} $$ (8) 取二式比值，按前述的相似比例，即得换算式：
$$ Q' = \frac{Q}{{{C_{\text{K}}}C_{\text{L}}^2}} $$ (9) 式中：$Q' $为原型渗流流量，m3/h；Q为模型渗流流量，m3/h；$K' $为原型渗透系数，m/d；K为模型渗透系数，m/d。
参考以往学者的此类型试验研究，本次洛河−宜君组含水层放水试验所确定的几何相似比CL=0.002，洛河组单层放水试验几何相似比CL=0.002 3，宜君组组单层放水试验几何相似比CL=0.015。根据相似准则即可确定其他参数，具体详见表1相似模型参数。
表 1 相似模型参数Table 1. Similar model parameters相似准则 洛河−宜君组 洛河组 宜君组 长度 CL 0.002 0.002 3 0.015 速度 ${C_{\text{v}}} = \sqrt {{C_{\text{L}}}} $ 0.045 0.048 0.122 时间 Ct=CL/Cv 0.045 0.048 0.122 流量 ${C_{\text{q}}} = C_{\text{L}}^2{C_{\text{v}}}$ 1.789×10−7 2.537×10−7 2.756×10−5 动力 ${C_{\text{F}}} = C_{\text{L}}^4$ 1.6×10−11 2.79×10−11 5.01×10−8 3.2 相似材料的选取
以往模拟试验多采用砂、水、石膏以及碳酸钙的混合料作为岩体的相似材料。但石膏属于气硬性胶结材料，只能在干燥条件下硬化并保持其强度[29-31]，此次试验是在完全浸水情况下开展的，所以需要选择一种水理性质好的材料。
试验发现均质细粒的石英骨料具有很好的水理性质，优点在于试验过程中骨料的渗透性基本保持不变，疏放水时得出的试验结果比较稳定。与现场实际岩层赋存情况相比虽然无法精准模拟出砂岩层局部的裂隙和孔隙结构，但可以使模型渗流保持与天然渗流相似的层流状态，且由于骨料的均匀性，试验过程利用红外热成像设备能够清楚地看到降落漏斗形态的发育过程和地下水的渗流规律。基于以上条件，为了选择与原岩岩性更加吻合的石英骨料，选择四种不同粒径骨料，进行孔隙率、比表面积、渗透系数等参数进行测试，4组不同粒径石英骨料如图4所示。
骨料的基本力学性质有孔隙率、比表面积、渗透系数等，在实验室常采用烧杯与量筒测量骨料的孔隙率，试验方法如下：称取烘干骨料300 g，称量质量为G1，在烧杯内注入水至刻度线，将烘干的骨料放入烧杯中，使其没过骨料，搅动烧杯排除气泡，称量质量为G2，体积为V。
$$ {V_0} = \left( {1 - \frac{{{G_1} - G{}_2}}{V}} \right) \times 100\% $$ (10) 式中：G1为烘干骨料的质量，g；G2为骨料与水的质量，g；V为骨料和水的体积，cm3；V0为孔隙率，%。
本次试验采用TST-70常水头渗透实验仪测量骨料的渗透系数，试验测量原理为
$$ {K_{{T}}} = \frac{{WL}}{{SH{t_{\text{a}}}}} $$ (11) 式中：KT为水温T时的试样渗透系数，cm/s；W为时间ta内的渗水量，cm3；L为渗径等于两侧压孔中心间的试样高度，cm；S为试样的断面积，cm2；ta为渗透时间，s；H为水位差，cm。
试验过程如下：
1）连接管路，检测密封性，从TST-70渗透试验仪底部供水至没过金属板，关闭止水夹。
2）取干燥的骨料3 kg（误差为1 g），并测定骨料含水率。
3）将干燥的骨料装入桶内，为控制骨料孔隙比，骨料分3次均匀装入桶内，每次装填后都应击实。
4）每次骨料装填后，打开进水管道，微开止水夹，使骨料充水饱和。当水面与骨料高度相当时，关闭止水夹，进水过程应缓慢均匀，防止冲散骨料。
5）按照以上方法装填骨料，直至骨料高度高于溢水孔3～4 cm，在骨料上铺设碎石做缓冲层。当桶内骨料完全饱和后，上升水位至溢水孔，溢水孔有水流出后关闭进水。
6）将下部进水管道拔出做出水孔，水流从桶上流入桶内，分别记录在ta时间内，流出的水量与出水孔的高度；改变出水孔的高度，分别进行3次试验，分别计算骨料的渗透系数。试验过程要保持溢水孔一直有水流出，以控制水头不变。TST-70常水头渗透试验仪如图5所示。
对骨料粒径和测得的渗透系数拟合分析发现，骨料渗透系数与骨料粒径呈正比例关系，随着骨料粒径的增大，在相同时间内的渗水量随之增大。经过对几种不同粒径的石英骨料进行筛选，并结合现场砂岩的渗透系数，确定洛河组渗透系数相似比为1/287，宜君组为1/125。渗透系数与骨料粒径关系曲线如图6所示，4种骨料试样主要参数见表2。
表 2 骨料试样主要参数Table 2. Main parameters of aggregate samples编号 粒径/mm 孔隙率/% 比表面积/(m2·g−1) 渗透系数/(m·d−1) A 0.21～0.43 10.5 154.8 6.6 B 0.43～0.85 15.6 53.5 25.6 C 0.85～2.00 25.3 18.6 56.2 D 2.00～2.36 34.6 3.5 67.1 4. 相似模拟试验
根据地质资料和现场实际情况可知，文家坡井筒渗水现象主要出现在洛河组和宜君组含水层区段，此次模拟试验分为3种情况开展，分别为：洛河组单层含水层、宜君组单层含水层、洛河−宜君双层含水层疏放水试验。通过单独测试每个含水层疏放水时的响应，可以更深入的了解单一含水层的渗流规律和水压变化，有助于优化疏水降压方案，为每个含水层设计更合理的治理方案，从而提高整体治理效果的精确度和有效性。经过前期相似材料的测试，此次试验选用0.43～0.85 mm粒径模拟洛河组含水层，0.21～0.43 mm粒径模拟宜君组含水层，洛河组顶部和宜君组底部的隔水层由模型的上下边界替代。
4.1 试验案例
基于搭建的相似模拟试验平台开展模拟试验。根据几何相似比1∶500，选用的试验模型尺寸为1 m×0.5 m×0.6 m（长×宽×厚），模拟500 m×250 m×300 m的岩层，其中洛河组砂岩层厚260 m，宜君组砂岩层厚40 m（图7）。
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图 7 疏水降压治理井筒渗水相似模拟试验平台Figure 7. Similar simulation experimental platform for wellbore seepage control by hydrophobic depressurization相似模拟试验平台，主要由箱体模拟系统、稳压系统、监测系统3部分组成。其中箱体模拟系统，全箱身由透明的亚克力板构成，进行放水试验的同时便于观察含水层渗流现象；稳压系统用来控制箱体内水压，可实现模型水压加载控制并模拟四周补水边界条件。监测系统主要由水压监测系统、热成像监测系统、流量监测系统3部分组成。水压监测系统采用连通器原理监测箱内某一剖面的水压力；热成像监测系统利用高精度热成像仪（FLIRTG165-X）来记录渗流过程中降落漏斗的形态变化；流量监测系统通过在放水孔下外接流量计（蓝宝K24）计量出水口流量。疏水降压治理井筒渗水相似模拟试验平台如图7所示。
4.2 试验步骤
试验步骤如下：
1）进行洛河组含水层放水试验，首先连接箱体两侧进水孔，进水孔的供水由稳压系统提供，放水孔集水箱及溢出口集水箱收集的水可循环至供水口集水箱；
2）从箱门口每5 cm逐层铺设一层砂子并进行密实，同时将水压传感器沿井壁高度方向埋设，从上到下每隔100 mm埋设5个传感器，编号由上到下为1～5，传感器数据线连接采集仪，每秒采集数据1次；
3）砂体铺设完毕后，向箱体内注入恒定温度和流量的水，反复饱和排水5～6次，充分固结，使其渗透系数保持稳定。根据测量，室内环境温度为25 ℃，砂子温度为29 ℃，此次试验设定恒温水控制机温度为35 ℃。设定高于环境和砂子的水温，有助于在使用热成像技术时提高试验的可视化效果，便于清楚的观察到降落漏斗形状发育规律；
4）记录箱体后测压管的初始水头高度，记录井壁压力传感器初始压力；
5）启动红外热成像仪观测在放水过程中岩层温度变化；
6）开始疏放水，打开流量计，打开1号孔阀门至1档，待流速稳定后记录数据，依次调节阀门至2、3档记录数据，关闭1号孔阀门；同时打开1、2号孔阀门依次至1、2、3档，待流速稳定后，记录数据，关闭1、2号孔阀门；同时打开所有孔阀门依次至1、2、3档，待流速稳定后，记录数据，关闭阀门。洛河组放水试验如图8所示；
7）重新填充砂料进行宜君组含水层放水试验，试验步骤同洛河组放水试验；
8）重新填充砂料进行洛河—宜君组含水层放水试验，试验步骤同洛河组放水试验。
5. 试验结果分析
5.1 放水井流速与渗流规律分析
为了准确测量放水孔流速，待模型骨料饱和后，需调整供水设备使边界水头达到设计标高，并采用微调阀与流量计对整个放水过程中的出口流速变化规律深入分析。为了更好地探寻在自然放水过程中出口流速的规律，针型阀门设计为3个挡位，阀门每旋转5 mm，管内通径增加3 mm。不同孔数流速对比如图9所示。
根据不同孔数流速对比图可以看出，在相同的条件下，出水口平均流速随着管道通径的增大而增大。单层骨料时，水流在下落过程受到的阻力变化不大，因此孔隙率越大、放水孔数量越多，出水口流速越快，总涌水量越大；双层骨料时水流受层位渗透系数变化的影响，呈现出不同于单一骨料的规律，由试验数据可知，双层骨料出水口流速大小介于2种单层骨料之间，说明水流在流动到两层位交接处，由于渗透系数的改变，经过交界面时受到的阻力不同，从而影响了流动速度。可知在设计打孔数目时需考虑水流流速受层位渗透系数变化的影响。
洛河−宜君组双层放水试验在单孔放水稳定时最大放水孔流速为20.5 mL/s，双孔放水稳定时为27 mL/s，三孔放水稳定时为31 mL/s，可见三孔进行放水试验时水流流速增幅较小。通过流量计记录放水过程中的累计流量，并根据式（9）将模型的稳定流量换算为天然渗流流量，洛河−宜君组双层骨料单孔涌水量为85 m3/h，双孔涌水量为190 m3/h，三孔涌水量为225 m3/h。对比单孔、双孔、三孔涌水量可知双孔涌水量相比单孔增幅很大，三孔涌水量增幅较小。通过分析放水孔涌水量可知在洛河−宜君组双层含水层放水试验时选用双孔放水效果较好。
5.2 降落漏斗形态发育规律分析
采用热成像仪监测放水过程中降落漏斗形成和发育情况。图10所示为洛河组含水层放水降落漏斗曲线；图11为宜君组含水层放水降落漏斗曲线；图12为洛河−宜君组含水层放水降落漏斗曲线。
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图 10 洛河组含水层放水降落漏斗曲线Figure 10. Falling funnel curves of water discharge in luhe group aquifer![]()
图 11 宜君组含水层放水降落漏斗曲线Figure 11. Falling funnel curves of water discharge in yijun group aquifer![]()
图 12 洛河−宜君组含水层放水降落漏斗曲线Figure 12. Falling funnel curves of water discharge in Luhe-Yijun combined aquifer由图10—图12可知，放水过程中水在岩体内的运动处于稳定流状态，水的流动形式是以降水孔为中心形成漏斗状，距井越近水位降深越大，距井越远水位降深越小；总体上看，渗透系数最大的洛河组放水试验降落漏斗轮廓较明显，翼缘宽度和水位降深也高于另外2组试验。分析放水试验降落漏斗翼缘宽度变化情况可知，随着放水孔数增加，降落漏斗的影响半径增加明显，其中洛河组影响半径最大达到30 cm；宜君组降落漏斗影响半径在三孔放水时达到最大，最大值为20 cm。
放水过程中，由于降落漏斗和岩层渗透特性的影响，放水孔在不同位置所受到的温度存在差异。由于洛河组砂岩渗透系数高，在放水过程中水流流速快，降落漏斗受边界供水补给也快，所以在放水过程中降落漏斗内温度最高。宜君组砂岩渗透系数低于洛河组，放水孔水流流速低，降落漏斗中下部温度高于上部温度。洛河−宜君组双层放水试验时，水流在经过不同岩性岩层时水流速度降低，降落漏斗整体温度低于周围温度，从图12中可明显看出降落漏斗在岩层交界面处形态发生变化，漏斗底部不在呈现出单层放水时的锥形。
5.3 水压变化规律分析
动态水压监测是根据在试验箱体后安装的25个测压管，通过测压管内的水位变化来反映箱内某一剖面的水压大小。测压管向箱内伸入为250 mm，向外伸出50 mm，伸入位置位于箱子的中心剖面，测压管布置如图13所示。在注水与放水的过程中，箱内的水压会处于不停地变化状态。相对传统的连通器，在箱内液体不流动时测压管内各管路的液面总是保持在同一水平面上，但当液体流动时，通过柱面高低的变化情况，可以间接地反映出渗流规律。
通过全程记录测压管水位变化，分析渗流规律得到，放水过程中压力变化主要可分为3个阶段：
1）初始阶段：放水初期，水压下降很快，这个阶段主要是因为初期出水孔水流速处于紊流状态，短时间流入井孔的水量较大。
2）稳定阶段：在初始阶段之后，当地下水压力达到一个稳定的水平时，标志着进入稳定流阶段。在这个阶段期间，降水孔流入的水量与流出水量相当，在很长的时间范围内维持着一个稳定水平，这时的压力是稳定状态下的水压力。
3）恢复阶段：当停止疏放水后，水柱高度随着降落漏斗降深和翼缘宽度的减少逐渐恢复，但最终恢复高度小于原始高度。
5.4 井壁压力监测分析
应力传感器紧贴两立井井壁埋设，从上到下每隔100 mm安设1个传感器，编号由上到下依次为一号—五号，共计10个传感器，传感器连接数据采集仪，每秒采集数据1次，压力传感系统如图14所示。试验过程中放水孔阀门依次打开，管道通径从3 mm增加至9 mm。箱内中心剖面的井壁压力变化曲线如图15所示。
观察井壁压力曲线变化可以发现，在降水过程中，随着管道通径的打开，水流对井壁的压力逐渐增大。由于对称性，两侧井壁压力在相同位置大小基本相同，其中由于底部供水，在一号、二号位置（100 mm、200 mm）水流从下到上流入花管，对井壁压力向上，压力为正，位置较高的三号、四号和五号测量点，水流从四周流入花管，水流自上而下流动，压力为负。当管径变小时，流速也随之降低，对井壁的压力也较小，随着阀门的打开，管径变大，水流湍急时，井壁的压力也随之增大。对于不同粒径的骨料，渗透系数低的骨料井壁压力较小，渗透系数高的骨料井壁压力大。
6. 疏水降压法现场实测
6.1 实测方案
本次在彬长文家坡煤矿4号煤4106工作面进风巷进行洛河−宜君组放水试验测试，共打设7个钻孔，其中ZX-1、ZX-2钻孔为放水孔，O2-16、O2-18、O2-20、O2-25、O2-27钻孔为观测孔，放水孔位于主副井之间，孔径为158 mm，钻孔布设情况详见表3。
表 3 钻孔布设参数一览表Table 3. List of borehole layout parameters放水
层位钻孔
编号钻孔倾角/
（°）钻孔方位角/
（°）孔深/
m孔口管
长度/m洛河−
宜君组ZX-1 41 129 608 120 ZX-2 45 191 626 120 测试段花管位于200～500 m洛河组与宜君组砂岩含水层处。进行了2组现场钻孔放水试验，分别为单孔放水和双孔放水试验。第1次放水为单孔放水，即仅对井下ZX-1钻孔进行放水，第2次放水为ZX-1和ZX-2钻孔进行放水，其他钻孔作为观测孔，现场钻孔施工如图16所示。
放水试验第1次为单孔放水，对ZX-1钻孔进行放水，时间为48 h。据监测ZX-1孔在放水过程中稳定水量约为75 m3/h。实测的ZX-1孔与模拟1号孔流量变化曲线如图17所示，现场单孔放水试验观测孔水位变化曲线如图18所示。
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图 17 ZX-1孔与模拟1号孔流量变化曲线Figure 17. Flow rate change curves for borehole ZX-1 vs. simulated borehole 1![]()
图 18 现场单孔放水试验观测孔水位变化曲线Figure 18. Field single-hole discharge test observation hole water level change curves第2次为双孔放水，对ZX-1和ZX-2钻孔同时进行放水，时间为48 h。据监测ZX-1和ZX-2放水孔在放水流量稳定时，总涌水量约为175 m3/h，实测的ZX-1、ZX-2孔与模拟1、2号孔流量变化曲线如图19所示，现场双孔放水试验观测孔水位变化曲线如图20所示。
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图 19 ZX-1、ZX-2孔与模拟1、2号孔流量变化曲线Figure 19. Flow rate change curves for holes ZX-1, ZX-2 and simulated holes 1 and 2![]()
图 20 现场双孔放水试验观测孔水位变化曲线Figure 20. Curves of water level change in observation holes of on-site double-hole discharge test6.2 放水试验结果分析
在彬长文家坡煤矿主副立井之间打设了2个放水孔，对井筒出现渗水层位的洛河组和宜君组砂岩含水层进行了单孔和双孔放水试验。放水试验观测周期为2个月，从放水试验开始，到放水孔涌水量稳定、孔内水位不在下降时间约为40 h。单孔放水试验水位稳定时，涌水量为75 m3/h，观测孔最大降深为10 m；双孔放水试验孔内水位稳定时，总涌水量为175 m3/h， 观测孔最大降深为40 m。实测结果验证了相似模拟试验的可靠性，在后期的监测过程中发现在洛河组与宜君组层位井筒渗水现象得到了改善。
7. 结 论
1）通过疏水降压的理念设计了可视化疏放水试验系统，并在系统中采用了红外热成像监测方法进行监测。此系统能够直观地观察到在不同岩层、不同放水孔数、不同放水流速下含水层疏放水过程中井壁水压变化、降落漏斗的发育规律和含水层水位降深变化，具有试验和解题的双重性，可为现场放水试验提供依据。
2）相似模拟试验结果表明，洛河−宜君组双孔放水涌水量相比单孔增幅较大，而三孔放水相比双孔增幅较小；洛河组放水试验时，降落漏斗降深和翼缘宽度大于宜君组；放水初期测压管水柱和水位降深下降很快，随后进入稳定状态，当停止放水后，水柱高度随着降落漏斗降深和翼缘的减少逐渐恢复，但最终低于初始水柱高度。
3）将疏水降压法运用到现场井筒渗水治理中，提出采用双放水孔进行目标层位放水。现场放水过程中单孔放水流量稳定在75 m3/h，双孔放水总流量稳定在175 m3/h，观测孔最大水位降深为40 m。观测到穿过洛河和宜君组含水层区域井筒渗水现象得到很大改善。实测结果验证了疏水降压理论治理井筒渗水的适用性及开展相似模拟试验的可靠性，对今后矿区治理井筒渗水工作的开展提供了一定的指导意义。
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图 2 疏水降压治理井筒水害示意
Figure 2. Schematic diagram of wellbore water damage management by hydrophobic depressurization
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图 3 疏水降压治理井筒渗水相似模拟试验系统
Figure 3. Similar simulation experiment system for wellbore seepage control by hydrophobic depressurization
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图 7 疏水降压治理井筒渗水相似模拟试验平台
Figure 7. Similar simulation experimental platform for wellbore seepage control by hydrophobic depressurization
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图 10 洛河组含水层放水降落漏斗曲线
Figure 10. Falling funnel curves of water discharge in luhe group aquifer
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图 11 宜君组含水层放水降落漏斗曲线
Figure 11. Falling funnel curves of water discharge in yijun group aquifer
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图 12 洛河−宜君组含水层放水降落漏斗曲线
Figure 12. Falling funnel curves of water discharge in Luhe-Yijun combined aquifer
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图 17 ZX-1孔与模拟1号孔流量变化曲线
Figure 17. Flow rate change curves for borehole ZX-1 vs. simulated borehole 1
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图 18 现场单孔放水试验观测孔水位变化曲线
Figure 18. Field single-hole discharge test observation hole water level change curves
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图 19 ZX-1、ZX-2孔与模拟1、2号孔流量变化曲线
Figure 19. Flow rate change curves for holes ZX-1, ZX-2 and simulated holes 1 and 2
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图 20 现场双孔放水试验观测孔水位变化曲线
Figure 20. Curves of water level change in observation holes of on-site double-hole discharge test
表 1 相似模型参数
Table 1 Similar model parameters
相似准则 洛河−宜君组 洛河组 宜君组 长度 CL 0.002 0.002 3 0.015 速度 ${C_{\text{v}}} = \sqrt {{C_{\text{L}}}} $ 0.045 0.048 0.122 时间 Ct=CL/Cv 0.045 0.048 0.122 流量 ${C_{\text{q}}} = C_{\text{L}}^2{C_{\text{v}}}$ 1.789×10−7 2.537×10−7 2.756×10−5 动力 ${C_{\text{F}}} = C_{\text{L}}^4$ 1.6×10−11 2.79×10−11 5.01×10−8 
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表 2 骨料试样主要参数
Table 2 Main parameters of aggregate samples
编号 粒径/mm 孔隙率/% 比表面积/(m2·g−1) 渗透系数/(m·d−1) A 0.21～0.43 10.5 154.8 6.6 B 0.43～0.85 15.6 53.5 25.6 C 0.85～2.00 25.3 18.6 56.2 D 2.00～2.36 34.6 3.5 67.1
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表 3 钻孔布设参数一览表
Table 3 List of borehole layout parameters
放水
层位钻孔
编号钻孔倾角/
（°）钻孔方位角/
（°）孔深/
m孔口管
长度/m洛河−
宜君组ZX-1 41 129 608 120 ZX-2 45 191 626 120
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