疏干过程中释放出的气体及其对双层水位流的影响

生产实践中时常会遇到这样一种现象，在深度很大的坑道所遇到的地下水流，往往不像想象中那样，具有相应静水水头高度的高压喷射现象，而多呈慢慢流淌和滴漏的形式。比如巷道在水位以下200m深处，静水压力应为2MPa，按理论计算的水流喷出压力应该是很大，速度很快，喷射距离也应很长，但实际见到的却并不都是这种状况，有时呈沿巷道壁慢慢流淌的形式流出，速度既不快，喷射距离也不远，压力也不大，实际看到的情况与理论推算的相差较大。

地下水处于静水状态时，能量并没有任何消耗，静水压力自然很大。此时的静水压力应该为2MPa。但若地下水在流动过程中，必然会产生能量消耗，特别在产生双层水位后的非连续流过程中，地下水产生的能量消耗更大(否则，不能形成双层水位流)，其静水压力的大部分已在运动中消耗掉，当到达巷道时，所剩能量(水头)很小。因而，我们看不到高压地下水喷射的壮观景象。这从另一个方面也证明了，产生双层水位的非连续流是一种常见的水文地质现象。

长期从事井下疏干作业的人员都有这样的经验：深层疏干钻孔出水基本常有“喘气”的现象，实际上这种“喘气”正是溶解于地下水中气体释放出来的结果。

事实上，在矿山开采活动中，疏干地下水是必要的，当对含水层进行深层局部疏干时，如果深层的高压水在某个局部被疏干，此时的外界环境压力，应该相当于1个大气压(约105Pa)。这时，被疏干出的地下水压力会在极短的时间内突然大幅下降(疏干前为几十甚至几百米水柱高，疏干后水柱高为零)，因此，这时原来在高压状态下溶解于水中的气体，便会因压力突然解除而被释放和游离出来，开始沿自由空间逃逸。其中，一部分气体会随地下水进入坑道，如果条件适宜(比如裂隙或溶洞，溶孔斜向上方)，另一部分气体则会沿着这些适宜的空间向上运移而进入含水层裂隙中。如果进入含水层中的气体所占的空间是一个密闭环境，那么，这些气体便会聚集滞留在含水层中，形成一个由水、气两相组成的特殊区域。这样，由于这个水、气两相区域的产生，反过来又会对地下水运动产生新的作用：一方面，由于气相区的存在对其上、下水流会起到一个缓冲的作用；另一方面，对地下水流本身又会起到新的阻碍作用。

所谓缓冲作用，主要指气相区以上的含水层对其下部含水层的缓冲作用。比如，如果气相区上部含水层抽水时，由于气相区的存在，下部含水层的水位一般不会受到大的干扰，水位反映也不会灵敏，气相区会起到良好的缓冲作用。这就是为什么对上层抽水时，下层水位有时受不到明显影响的重要原因之一。

所谓阻碍作用，主要指在下层疏干放水时，上层水在气相区的阻碍作用下，两者的水位差会越来越大。由于气相区的存在，两者的水力联系会因此而间断，上层水减少了或没有了对下层水的补给，从而加剧了双层水位流的过程，拉大了上、下部含水层的水位差，双层水位的差值更加明显。

那么，地下水中释放出的气体能起到多大的作用呢?气体的数量有多少?中国地质大学北京研究生院在水流槽中做过模拟试验，胡伏生博士在《岩溶充水矿床涌水量垂向变化规律》一文中指出：观察试验发现：“试验开始时，以较大的流量向模拟巷道排泄，一定时间后，首先在模拟巷道中形成气泡，在模拟巷道上部裂缝水流地冲击下，气泡不断晃动。”

“放水一天后，气泡增大，占据模拟巷道空间的三分之一左右，在模拟巷道的上部形成气相区，模拟巷道上部裂缝的水流发生偏转，沿气体和洞壁之间流动，流量明显减少。

“放水两天后，气体基本上占据了整个模拟巷道，模拟巷道上部裂隙的水流已很小。”

“大约放水四天后，气体开始向模拟巷道上部裂隙中扩展……模拟巷道中气体不再增长。”

“试验过程中，最大导水空间的模拟巷道首先生成气体，一个星期后少量大裂隙中出现气体，小裂隙中观察不到气体。”

“试验过程中，随着气体的增多，放水流量减少，渗流槽内水位略有上升。”

这个试验有力地证明，在下层放水，由于压力大幅降低，地下水中释放出的气体对地下水流有着明显的影响：下层放出的水量减少，上层的水位升高。

因此，地下水疏干时释放出气体的多少以及在含水层中能够滞留多少，与双层水位差值的大小有着一定的关系。

地下水中溶解气体的含量是温度和压力的函数。在矿坑排水条件下，地下水温度基本为常温(约20℃)。

R=CP

R为气体在液体中的溶解度(m3/m3)；P为溶解时的绝对压力(×105Pa)；C为溶解系数(m3/m3)。

上式表示温度一定时，每增加一个大气压，溶解在单位体积中气体的体积量。

例如，已知在一个大气压条件下，20℃水温的水对空气的吸收体积为0.019m3，如果在100m水头的压力下每天排出1000m3的水量，那么，从水中释放出的气体总量M(20℃)为：

M=0.019×10×1000=190m3

很显然，这样一个数量的气体充填在含水层裂隙中，对双层水位产生的影响是不能被忽略的。

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