謙比希銅礦西礦體700中段運(yùn)輸巷掘進(jìn)掌子面涌(突)水的來源判別

黃支剛, 梁權(quán)宇

(中色非洲礦業(yè)有限公司,贊比亞 基特韋市 22592)

0 引言

謙比希銅礦是中國企業(yè)在海外開發(fā)最早、最成功的一座大型礦山,行政區(qū)劃屬于贊比亞共和國銅帶省基特韋市謙比希鎮(zhèn)[1]。位于著名的加丹加—贊比亞銅鈷成礦帶上,發(fā)育在盧富里安褶皺帶東南段,卡富埃背斜西翼的謙比?！骺{盆地北緣[1-2]。謙比希銅礦由3個(gè)礦體組成,分別為主礦體、西礦體和東南礦體。

2022年上半年,西礦體的開拓工程主要部署在700中段施工。從4020線開始往西到掘進(jìn)掌子面,水頭越來越高,中段運(yùn)輸巷的頂板及兩幫逐漸從滴水發(fā)展到淋水狀態(tài)。2022年6月25日,當(dāng)鑿巖臺(tái)車在700水平剛過4200線的中段運(yùn)輸巷掘進(jìn)掌子面施工時(shí),正在施工的炮孔涌水量突然增大(>800 m3/d),接著在掌子面下方施工另外兩個(gè)炮孔的涌水量也突然增大(>600 m3/d)。鑒于礦山發(fā)生過坑內(nèi)鉆探鉆進(jìn)到燧石白云巖主含水層,大量水夾著沙沿著鉆孔涌入礦坑造成半條坑道被淹的經(jīng)驗(yàn),出于安全考慮當(dāng)即停止了該掘進(jìn)工作面的施工,并用木塞把最后施工的2個(gè)炮孔堵住。

坑道涌(突)水一直都是困擾礦山生產(chǎn)和安全運(yùn)營的難題,尤其在地下礦山中的涌(突)水問題更是突出、復(fù)雜[3]。由于生產(chǎn)任務(wù)緊張,而這次涌(突)水事件嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)安全,需要盡早準(zhǔn)確評(píng)價(jià)涌(突)水的安全性,提出相應(yīng)防治水措施,確保生產(chǎn)的安全和生產(chǎn)任務(wù)的按時(shí)完成。解決礦山的涌(突)水問題,首先就是要查清楚補(bǔ)、徑、排條件,然后才能進(jìn)行科學(xué)的安全性評(píng)價(jià)。而快速準(zhǔn)確地識(shí)別涌(突)水的來源是解決涌(突)水問題的核心[3-4]。因此,要求盡快識(shí)別出700中段運(yùn)輸巷掘進(jìn)掌子面涌(突)水的來源。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

1.1 含隔水層段劃分

礦區(qū)內(nèi)出露的地層有基底花崗巖、下羅恩組、上羅恩組及第四系。根據(jù)礦區(qū)內(nèi)地下水的形成、賦存條件、水力特征將地下水分為三大類型:基巖裂隙水、巖溶水和松散孔隙水。基巖裂隙水含水層主要發(fā)育在下羅恩組所在的泥質(zhì)石英巖、變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖中,巖溶水含水層主要發(fā)育在上羅恩組的碳酸鹽巖中。隔水層主要分布在下羅恩組的片巖、泥質(zhì)板巖、泥質(zhì)石英巖、石英巖和基底花崗巖中。根據(jù)礦區(qū)地層的巖性組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、巖溶及裂隙的發(fā)育程度,參考水文鉆孔分層抽水試驗(yàn)的單位涌水量(表1)和滲透系數(shù)(表2)對(duì)地層富水性和滲透性的劃分,把礦體內(nèi)地層劃分為6個(gè)含水性能不同的含隔水層段(圖1),由下向上分別為基底花崗巖隔水層段(Ⅰ段)、相對(duì)隔水層段/“砂層”含水層段(Ⅱ段)、礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)、上部石英巖主隔水層段(Ⅳ段)、巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)、孔隙含水層段(Ⅵ段)。

表1 含隔水層的鉆孔單位涌水量統(tǒng)計(jì)及富水性劃分

表2 含隔水層段鉆孔分層抽水試驗(yàn)滲透性劃分

含隔水層段由下至上的巖性及富水性等特征:

(1)基底花崗巖隔水層段(Ⅰ段)

基底花崗巖(BSG)的巖體穩(wěn)定性好,裂隙少,為廣泛、連續(xù)的隔水層。鉆孔單位涌水量一般≤0.13 L/(s·m),富水性弱(表1)。滲透系數(shù)為0.8～3.0 cm/d,平均值為1.7 cm/d,弱透水(表2)。重要的開拓工程部署在此層位,如主井、副井、通風(fēng)井及主斜坡道。

(2)相對(duì)隔水層段/“砂層”含水層段(Ⅱ段)

相對(duì)隔水層段/“砂層”含水層段(Ⅱ段)包含2個(gè)地層巖性段,即下部的長石石英巖(LFQ)巖性段和上部的泥質(zhì)石英巖(LAQ)巖性段。長石石英巖(LFQ)較致密完整,為隔水層。底部有一層厚約8 m的底礫巖,通常發(fā)育有剪切帶,裂隙率比長石石英巖高些,為弱含水層。中段運(yùn)輸巷、部分斜坡道布置在該層。泥質(zhì)石英巖(LAQ)成分復(fù)雜,夾有含小塊白云石結(jié)核的灰色砂礫質(zhì)片狀泥板巖和白云質(zhì)泥板巖,底部有一層厚約2 m的粗礫巖作為與下部長石石英巖的分界標(biāo)致層[7],但粗礫巖從3900勘探線向西逐漸尖滅。相對(duì)隔水層段在主礦體和西礦體大部分區(qū)域作為相對(duì)隔水層,在西礦體往西逐漸轉(zhuǎn)為含水層。

在西礦體600中段及以下,從3900勘探線往西,泥質(zhì)石英巖(LAQ)的規(guī)模逐漸增大,其夾的白云質(zhì)泥板巖及白云巖結(jié)核越來越多,且越來越破碎松軟,可溶蝕。從600中段和700中段西端的鉆孔及采聯(lián)坑道揭露情況來看,溶蝕“砂化”現(xiàn)象明顯,當(dāng)鉆孔鉆遇白云質(zhì)成分較高的泥板巖,受鉆壓碾磨后呈“砂土”狀,自穩(wěn)能力極差,孔隙度及滲透性較高,鉆孔涌水量突然增大。在700中段水頭高度約200 m的4140線施工的NQ孔徑鉆孔,剛穿完Ⅱ段的鉆孔涌水量可達(dá)700 m3/d以上。含有溶蝕“砂化”明顯、自穩(wěn)能力差、受壓呈“砂土”狀的白云質(zhì)泥板巖的巖性段被稱之為“砂層”含水層。由此認(rèn)為,泥質(zhì)石英巖(LAQ)的富水性取決于內(nèi)部“砂層”的發(fā)育程度,“砂層”受層間剪切帶、層間破碎帶和白云質(zhì)成分含量的聯(lián)合控制較為明顯,主要分布于謙比希盆地西北緣的轉(zhuǎn)折部位。對(duì)于主、西礦體來說,Ⅱ段在大部分區(qū)域作為相對(duì)隔水層,往西逐漸轉(zhuǎn)為含水層。

“砂層”含水層段(Ⅱ段)的水化學(xué)類型為 SO4·HCO3-Ca 型水,pH值為6.2～6.6,總?cè)芙夤腆w(TDS)為200～300 mg/L,平均值為250 mg/L。在主、西礦體范圍內(nèi),鉆孔單位涌水量一般為0.08～0.9 L/(s·m),平均值為0.5 L/(s·m),富水性中等;滲透系數(shù)一般為3.5～9.7 cm/d,平均值為7.2 cm/d,透水性弱。但在西礦體西端,鉆孔單位涌水量高達(dá)4.28 L/(s·m),屬強(qiáng)富水;滲透系數(shù)可達(dá)7652 cm/d以上,屬強(qiáng)透水。

(3)礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)

礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)包含兩個(gè)巖性段,即下部的含礦(礦化)砂板巖(LOS)巖性段和上部的石英巖與泥板巖互層(LHI)巖性段。① 含礦(礦化)砂板巖(LOS)按巖性從底至頂可分為底板片巖、礦體砂板巖和頂板泥板巖三個(gè)巖層單元,厚度為15～25 m。其中底板片巖、頂板泥板巖為相對(duì)隔水層,而礦體砂板巖是含水層[7]。謙比希砂頁巖型銅礦這種具有兩個(gè)隔水層(弱含水層)夾含水層的地層結(jié)構(gòu)特征,可以與砂巖型鈾礦類比,可能也是成礦的關(guān)鍵因素之一。礦體砂板巖是礦區(qū)的主要含水層之一,富水性中等,裂隙率為3%,滲透系數(shù)K為6～10 m/s。據(jù)徐京苑等[8]于1999年估算僅礦體砂板巖(LOS)中的出水量占全礦的30%～50%。② 石英巖與泥板巖互層(LHI)分布,厚約35 m,下部的泥板巖含有白云質(zhì),比較松軟并可溶蝕,富水性和滲透性較強(qiáng)。目前粗略估算礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)出水量約占全礦出水量的70%以上。

礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)因富含黃銅礦、黃鐵礦、石膏和白云質(zhì),其水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca·Na型水,pH值約為7.2,總?cè)芙夤腆w(TDS)為550～800 mg/L,平均值為700 mg/L。鉆孔單位涌水量1.3～3.8 L/(s·m),平均值為2.1 L/(s·m),富水性強(qiáng)。滲透系數(shù)29.7～264.3 cm/d,平均值為187.9 cm/d,透水性中等。

(4)上部石英巖主隔水層段(Ⅳ段)

上部石英巖主隔水層段(Ⅳ段)的巖性為石英巖(LUQ),厚度一般為10～15 m,巖層裂隙率低且較完整。LUQ作為隔水層,其穩(wěn)定性和隔水性都較好,是其上部上羅恩組白云巖巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)和下部的礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)的隔水核心[8]。目前探礦疏水孔打到該層即終孔。

(5)巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)

巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)按巖性可分為下部的石英巖與白云質(zhì)砂板巖互層(UISQ)巖性段、中部的燧石白云巖 (UCD)巖性段和上部的白云巖(UIU)巖性段。其中燧石白云巖(UCD)巖性段的富水性最強(qiáng),透水性也最強(qiáng),是礦區(qū)最重要也是最具威脅的強(qiáng)含水層,稱為“主含水層”。巖性主要為孔隙明顯的砂糖狀白云巖、堅(jiān)硬的重結(jié)晶白云巖夾燧石巨礫,下部普遍含有石膏。由于石膏的易溶性使得巖層孔隙發(fā)育,孔隙率可達(dá)10%或更高。溶蝕強(qiáng)烈的地段含水層往往呈現(xiàn)砂狀白云巖[9]。

巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的水化學(xué)類型為 SO4·HCO3-Ca 型水,pH值約為7.5,總?cè)芙夤腆w(TDS)為1000～1400 mg/L,平均值約為1200 mg/L。由于燧石白云巖是礦區(qū)最強(qiáng)含水層,也是威脅最大的含水層,抽水試驗(yàn)主要在該段開展。鉆孔單位涌水量為4.8～13.7 L/(s·m),平均值為9.3 L/(s·m),富水性極強(qiáng)。滲透系數(shù)為55 643～133 977 cm/d,平均值為96 806 cm/d,透水性極強(qiáng)。

(6)孔隙含水層段(Ⅵ段)

孔隙含水層段(Ⅵ段)主要發(fā)育在第四系,第四系的厚度一般為15～70 m,平均厚約40 m。第四系由殘積物和沖積物組成,上部的沖積物巖性為亞黏土夾砂礫石,下部的殘積物巖性為灰褐色的泥質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土。它不整合于上、下羅恩組及基底花崗巖之上。多數(shù)富水性較弱,但是接受大氣降雨的補(bǔ)給能力較強(qiáng),降雨地表入滲系數(shù)約為0.15。由第四系和風(fēng)化帶組成的“統(tǒng)一”含水層,雖然透水性中等,但其厚度大,可以構(gòu)成礦體內(nèi)主要含水層的補(bǔ)給水源。

1.2 風(fēng)化與巖溶特征

1.2.1 風(fēng)化

礦區(qū)雨季濕熱多雨,雨季月平均降雨量約300 mm。平緩的地形和茂盛的植被有利于大氣降水的入滲,導(dǎo)致風(fēng)化作用、巖溶作用較強(qiáng)。風(fēng)化帶含水層的厚度一般為20～60 m,最厚處可超過100 m。這些近地表發(fā)育的巖溶和風(fēng)化裂隙,使得各含水層在風(fēng)化帶形成廣泛連續(xù)的“統(tǒng)一”含水層。在基巖風(fēng)化帶中掘進(jìn)的豎井,涌水量一般小于10 m3/h。

1.2.2 巖溶

巖溶從巖性上看,主要在上羅恩組發(fā)育;從深度上看,主要發(fā)育在淺部。隨著深度的增加,地下水中二氧化碳減少,巖溶作用越來越小。如在主、西礦體作為強(qiáng)含水層的燧石白云巖,在東南礦體深部就成了隔水層[10]。

由此認(rèn)為:一是在礦區(qū)淺部主要是通過風(fēng)化裂隙來溝通各含水層之間的水力聯(lián)系;二是上羅恩組白云巖在淺部作為強(qiáng)含水層,向深部逐漸轉(zhuǎn)為隔水層。在主、西礦體878中段以上仍為強(qiáng)含水層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

礦體范圍內(nèi)構(gòu)造并不發(fā)育,以小型褶皺構(gòu)造為主,以斷裂構(gòu)造為輔。在主西礦體范圍內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)具有一定規(guī)模的斷層。如露天坑出露的上部石英巖雖然發(fā)生了褶皺但沒有被錯(cuò)斷,并沒有破壞作為隔水層的完整性[11]。

2 涌(突)水條件分析

中段運(yùn)輸巷掌子面發(fā)生涌(突)水事故,涌(突)水的水源和導(dǎo)水通道這兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足。

從涌(突)水的水源上分析,對(duì)中段運(yùn)輸巷構(gòu)成涌(突)水威脅的含水層首先是巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段),其次為礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和“砂層”含水層段(Ⅱ段)。其中巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的燧石白云巖層(UIU)為強(qiáng)含水層,富水性極強(qiáng),透水性也極強(qiáng),靜儲(chǔ)量豐富。近20多年來,未對(duì)巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)進(jìn)行疏干,僅對(duì)礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)進(jìn)行疏干,這就大大降低了疏干放水強(qiáng)度,也節(jié)約了開采成本。2012年,在878 mL水平進(jìn)行探礦疏水孔施工,由于未及時(shí)查看現(xiàn)場巖心,坑內(nèi)鉆鉆進(jìn)巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的燧石白云巖主含水層,引發(fā)鉆孔突水涌沙事故,淹沒鉆機(jī)和半條巷道。因此,目前最擔(dān)心涌(突)水來自主含水層,它可以源源不斷的大量補(bǔ)給地下水,造成涌(突)水事故。雖然礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)的富水性強(qiáng),但是透水性中等,如果涌突水來源于該層段,初步認(rèn)為涌水事故比突水事故更容易引發(fā)。“砂層”含水層段(Ⅱ段)的靜儲(chǔ)量受謙比希盆地的形態(tài)控制而規(guī)模相對(duì)較小,掘進(jìn)打到“砂層”含水層段(Ⅱ段)時(shí),剛開始涌水量較大,但是隨著疏水工作的進(jìn)行,“砂層”含水層段(Ⅱ段)的靜水量被慢慢排盡,涌水量越來越小,越來越安全。由上分析可知,礦山具備發(fā)生涌(突)水事故的水源條件,特別是巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)具備給涌(突)水提供源源不斷地下水補(bǔ)給的水源條件。

從導(dǎo)水通道上分析,雖然大多數(shù)工程布置在相對(duì)隔水層段(Ⅱ段)和礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)內(nèi),這些工程離巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)垂直距離超過50 m,但如果有導(dǎo)水通道或?qū)當(dāng)嗔褞贤◣r溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的話,那就存在引發(fā)涌(突)水事故的可能。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),國內(nèi)煤礦的突水淹井事故中有80%以上是由導(dǎo)水?dāng)鄬右鸬?并且大多數(shù)是原始地質(zhì)條件下的非導(dǎo)水?dāng)嗔言诓蓜?dòng)活動(dòng)影響下轉(zhuǎn)化為了導(dǎo)水?dāng)嗔?從而引發(fā)突水[12]。因此,涌(突)水的安全性評(píng)價(jià)必須對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)行分析。從區(qū)域上來看,構(gòu)造以褶皺為主,沒有較大的斷裂存在,區(qū)域上巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)與礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)沒有明顯的水力聯(lián)系,降低了發(fā)生涌(突)水的可能性。但徐寧[13]的研究表明,在褶皺和小型斷裂發(fā)育的局部地段,巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)和礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)是有水力聯(lián)系的,它們通過劈理、斷層、剪切帶發(fā)生水力聯(lián)系。700 mL中段運(yùn)輸巷掌子面位于地層轉(zhuǎn)折端附近,雖然巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)和礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)沒有明顯的水力聯(lián)系,但不排除在局部地段存在一定規(guī)模導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛘叻菍?dǎo)水?dāng)嗔鸦罨癁閷?dǎo)水?dāng)嗔训目赡苄?具備引發(fā)涌(突)水的條件,應(yīng)予以重視。

3 研究思路

涌(突)水的來源決定了掘進(jìn)安全性評(píng)價(jià)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來看,推測涌(突)水的來源最可能有以下兩種情形,一是掘進(jìn)掌子面的前方有一條導(dǎo)水構(gòu)造帶,溝通了附近的含水層;二是掘進(jìn)掌子面的前方為導(dǎo)水性非常強(qiáng)的“砂層”含水層段(Ⅱ段)。如果涌(突)水大量來自巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段),則突水風(fēng)險(xiǎn)就急劇加大,且其含有極其豐富地下水靜儲(chǔ)量,疏干難度非常大,則不能通過疏干的方式開展防治水工作。如果涌(突)水來自礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)或“砂層”含水層段(Ⅱ段),則突水風(fēng)險(xiǎn)就降低很多,可以通過疏干等方式開展防治水工作。礦體范圍內(nèi)主要的含水層有巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)、礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)以及“砂層”含水層段(Ⅱ段)。區(qū)域上各含水層之間沒有明顯的水力聯(lián)系。各含水層的水化學(xué)組分可能有明顯區(qū)別,就可以利用涌(突)水的化學(xué)組分特征判別其來源。

在當(dāng)時(shí),可迅速查明涌(突)水來源的方法有兩種,一種是施工探水孔方法,一種是水文地球化學(xué)分析法。對(duì)于施工探水孔,需要至少兩周以上的時(shí)間才能把坑內(nèi)鉆機(jī)抽調(diào)過來打探放水孔,耗時(shí)較長且費(fèi)用高。利用水化學(xué)組分之間差異進(jìn)行來源判別的水文地球化學(xué)方法,快速、省錢、準(zhǔn)確,是本次首選的來源判別方法。

筆者分三步開展涌(突)水的來源判別。首先,收集3個(gè)主要含水層的水化學(xué)資料;其次,采集涌(突)水做水質(zhì)簡分析;最后,利用Piper圖和聚類分析,判別其來源。

4 水樣采集與樣品簡分析

謙比希銅礦是一座在產(chǎn)老礦山,前人已經(jīng)積累了大量各含水層的水化學(xué)組分資料。目前,僅需有涌(突)水的水化學(xué)組分就可以做來源判別。

4.1 水樣采集

為了保證化驗(yàn)的精度,采集2個(gè)水樣,第2件水樣作為平行樣以驗(yàn)證化驗(yàn)的精確度。采取水樣的容器是2個(gè)剛倒掉水的礦泉水瓶,材質(zhì)是聚乙烯塑料。掘進(jìn)掌子面僅有1個(gè)鉆孔的涌水量較大而無法封堵,地下水直接從炮孔口噴射而出。其余2個(gè)炮孔使用木塞進(jìn)行封堵后,單個(gè)炮孔涌水量約230 m3/d。本次從用木塞進(jìn)行封堵的炮孔口取的水樣。

取水樣前一天,礦山化驗(yàn)室用碳酸鈉溶液洗滌取水樣容器,然后用自來水沖洗,最后用蒸餾水沖洗,倒置半天滴干水分,次日早上再下井取水樣。

在掘進(jìn)掌子面處取涌(突)水樣時(shí),首先在掌子面用桶裝滿水,清洗取水樣的炮孔口及周邊的污泥和粉塵;其次,用該炮孔口涌出的水把取水容器涮洗2次;然后,在炮孔口取滿水樣,擰緊瓶蓋,用記號(hào)筆在瓶蓋上做好樣品編號(hào)標(biāo)記;最后,將樣品在2 h內(nèi)送到礦山化驗(yàn)室進(jìn)行簡分析。

4.2 水樣簡分析

表3 掌子面涌(突)水的水化學(xué)組成

從水化學(xué)組成來看,20220705S2水樣作為20220705S1水樣的平行水樣,各指標(biāo)的分析精度誤差在2 mg/L以內(nèi),相對(duì)偏差小于2.2%,分析精度達(dá)到要求。

5 涌(突)水來源的判別

5.1 含水層的水化學(xué)特征

主要的含水層有“砂層”含水層段(Ⅱ段)、礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)。參與來源識(shí)別的含水層水樣并不是越多越好,而是水樣要有代表性。這3個(gè)主要含水層各選取2件最具代表性水樣作為參與來源判別的樣品。600 mL分段M5和M6采場的采聯(lián)工程兼具有加快疏水的功能,“砂層”含水層段(Ⅱ段)和礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)的水樣是600 mL分段M5和M6采聯(lián)工程穿完礦體后采集的。巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的水樣取自鉆孔,為了避免礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和“砂層”含水層段(Ⅱ段)的地下水混入而不具有代表性,這兩個(gè)鉆孔均是在礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和“砂層”含水層段(Ⅱ段)的水位線以上的條件下鉆進(jìn)到燧石白云巖主含水層中取的水樣。涌(突)水點(diǎn)的樣品選用20220705S1參與分析。各含水層的水化學(xué)組成特征見表4。

表4 主要含水層的水化學(xué)組成

5.2 基于Piper圖的含水層水化學(xué)類型及水力聯(lián)系判別

研究者提出過很多水化學(xué)組分的圖示法,可以直觀顯示出水化學(xué)組分特征,而Piper圖就是應(yīng)用最廣泛的一種圖示法。Piper圖由3幅小圖組成,左下角的三角形小圖表示陽離子的相對(duì)百分含量,右下角的三角形小圖表示陰離子的相對(duì)百分含量,上方菱形中樣品點(diǎn)的位置表示陰、陽離子的相對(duì)百分含量,圈的大小則表示水樣總?cè)芙夤腆w(TDS)的大小。Piper圖示法可以粗略判斷一種水是不是由另外兩種水的簡單混合。如果是另外兩種水的簡單混合,那么混合水將落在另外兩種水的連線上[14-15]。筆者提出分兩步進(jìn)行混合水的判斷,第一步是確定混合水在Piper圖上是否落在兩種水的連線上;第二步是確定混合水的TDS是否介于兩種水的TDS之間,且混合水在Piper圖上越靠近那種水,混合水的TDS跟那種水的TDS越接近,即在Piper圖上混合水的TDS大小與到哪種水的距離近似呈反比關(guān)系。

將表4中7件水樣投到Piper圖上(圖2),表明礦區(qū)含礦巖系附近含水層的地下水水質(zhì)類型均為重碳酸硫酸鈣型水。首先從水樣在Piper圖上位置來看,“砂層”含水層段(Ⅱ段)的水樣和涌(突)水在Piper圖上位置落于礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的水樣之間,似乎“砂層”含水層段(Ⅱ段)的地下水和涌(突)水是由礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的地下水簡單混合而成的。然后從總?cè)芙夤腆w(TDS)來看,“砂層”含水層段(Ⅱ段)水樣和涌(突)水的總?cè)芙夤腆w(TDS)明顯不介于礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)水樣的總?cè)芙夤腆w(TDS)之間,而是小于礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)水樣的總?cè)芙夤腆w量 (TDS)。如果“砂層”含水層段(Ⅱ段)地下水和涌(突)水是礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)地下水的混合,那么“砂層”含水層段(Ⅱ段)地下水和涌(突)水的總?cè)芙夤腆w量(TDS)必然落在礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)地下水的總?cè)芙夤腆w量(TDS)之間,即總?cè)芙夤腆w量(TDS)介于500～1200 mg/L區(qū)間。因此可以判斷,“砂層”含水層段(Ⅱ段)地下水、涌(突)水不可能由礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)和巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)地下水混合而成。再進(jìn)一步分析表明,其中任一一個(gè)含水層的地下水不可能由其他兩種含水層的地下水混合而成,這3個(gè)主要含水層相互之間沒有明顯水力聯(lián)系。

從圖2可看出,涌(突)水與“砂層”含水層段(Ⅱ段)水樣靠的最近,且總?cè)芙夤腆w (TDS)也最接近,表明涌(突)水可能來源于“砂層”含水層段(Ⅱ段)。

5.3 基于聚類分析的水源判別

含水層水樣進(jìn)行Q型聚類的流程見圖3。

圖3 水樣的Q型聚類過程圖

5.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

每個(gè)樣品構(gòu)造成1類,最初共有7件水樣就構(gòu)造7個(gè)類,按順序分別編為1#～7#類(表5)。

表5 指標(biāo)數(shù)據(jù)的Z得分標(biāo)準(zhǔn)化

在做聚類分析之前,需要先將這4個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,即把每一個(gè)原始化驗(yàn)值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值,以防止量綱的不同導(dǎo)致空間拉伸距離失真,然后才能利用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法使用Z得分。Z得分標(biāo)準(zhǔn)化(正太標(biāo)準(zhǔn)化)是基于原始數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。Z得分標(biāo)準(zhǔn)化的公式見式(1):

(1)

5.3.2 構(gòu)造距離矩陣

(2)

式中:xj和yj分別表示第x個(gè)和第y個(gè)水樣的第j個(gè)參數(shù);d表示x水樣和y水樣之間的平方歐式距離。

由此計(jì)算出來各類(樣品)之間的平方歐式距離見表6。

表6 各類水樣間的平方歐式距離

5.3.3 類與類間距度量

類與類之間的距離度量選用組間聯(lián)結(jié),即組間平均距離法。即先計(jì)算A類各個(gè)樣品與B類各個(gè)樣品之間的距離,然后取這些樣品間的距離的平方和均值作為兩類之間的距離。合并兩類后使所有對(duì)應(yīng)兩項(xiàng)之間的平均距離最小。

類與類之間逐步聚類的過程見表7。

表7 Q型聚類分析的凝聚狀態(tài)

在表7中,第1列的“階”表示聚類分析的第幾步;第2列和第3列的“集群”表示本步聚類有哪兩個(gè)小類聚成一類;第4列“距離”表示小類之間的距離;第5列和第6列表示本步聚類參與的是1個(gè)水樣還是由幾個(gè)水樣組成的小類,0表示1個(gè)水樣,非0表示由前面第幾步聚類生成的小類參與本步聚類;第7列表示本步聚類產(chǎn)生的新類會(huì)在下面第幾步再次參與聚類[16]。最終的聚類結(jié)果見圖4。

圖4 水樣聚類分析樹狀圖

5.3.4 聚類結(jié)果解釋

在聚類分析樹狀圖(圖4)上以λ= 3作為截集,可以把水樣聚為3類,第1類是ZK378023水樣和ZK426023水樣,反映它們屬于巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段);第2類是600 mL -M5采聯(lián)-S2水樣和600 mL-M6采聯(lián)-S2水樣,反映它們是屬于礦體裂隙含水層段(Ⅲ段);第3類是600 mL -M5采聯(lián)-S1水樣、600 mL -M6采聯(lián)-S1水樣和涌(突)水樣20220705S1,反映涌(突)水很來源于“砂層”含水層段(Ⅱ段)。

6 結(jié)論與建議

(1)礦區(qū)主要含水層的水質(zhì)類型是重碳酸硫酸鈣型水。

(2)Piper圖表明,這3個(gè)主要含水層之間無明顯水力聯(lián)系。

(3)聚類分析表明,涌(突)水來源于“砂層”含水層段(Ⅱ段)。

(4)中段運(yùn)輸巷掌子面處發(fā)生突水事故的可能性比發(fā)生涌水事故的可能性低。隨著礦山疏水工作的持續(xù)進(jìn)行,該掌子面涌水量已經(jīng)從1670 m3/d降低到2個(gè)月后的1380 m3/d。

(5)經(jīng)后期探水孔驗(yàn)證,在700中段越往西“砂層”含水層規(guī)模越來越大,“砂層”數(shù)量越來越多,中段運(yùn)輸巷越來越靠近“砂層”含水層。700中段運(yùn)輸巷掌子面前方30 m范圍內(nèi)無明顯的導(dǎo)水?dāng)嗔褞?而是前方4 m處有一條產(chǎn)狀與巖層一致的極強(qiáng)透水的“砂層”含水層,導(dǎo)致掘進(jìn)掌子面上部分炮孔涌(突)水量突然增大。

(6)收集各含水層的水化學(xué)組分資料,采集涌(突)水的水樣做簡分析,利用Piper圖和聚類方法聯(lián)合分析可快速、準(zhǔn)確判別涌(突)水的來源,經(jīng)探水孔驗(yàn)證,判別結(jié)果與實(shí)際情況相符。

(7)隨著西礦體開采深度的增加,開拓工程向西逐漸推進(jìn),中段運(yùn)輸巷掘進(jìn)掌子面附近的水頭越來越高,Ⅱ段由相對(duì)隔水層逐漸轉(zhuǎn)為含水層,面臨的水害越來越嚴(yán)重。涌(突)水防治已成為工作重點(diǎn)之一。

綜上所述,建議700中段運(yùn)輸巷往下盤改道,盡量避開“砂層”含水層段施工,加快開拓工程施工進(jìn)度。