劉 震，張少鵬，侯奎奎，王 璽，尹延天

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司 深井開采實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250000；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；4.山東黃金集團(tuán)有限公司 三山島金礦，山東 萊州 261400)

通過對(duì)礦井坑道涌水取樣進(jìn)行化學(xué)分析，得到各個(gè)涌水點(diǎn)的化學(xué)常量元素含量，進(jìn)一步分析得到礦井涌水源，針對(duì)不同來源選取合理的治理方法[1-3]。近些年的礦山涌水水化學(xué)分析方法應(yīng)用的實(shí)例有很多，比如灰色關(guān)聯(lián)分析法[4-6]、模糊綜合評(píng)判法及其改進(jìn)法[7-10]、聚類分析法[11-12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13-15]和三元混合模型分析法[16-17]等。不同的分析方法都有其各自特點(diǎn)及優(yōu)勢，同時(shí)也有一定的局限性，實(shí)際應(yīng)用過程中需根據(jù)具體情況選用最合適的方法。

三山島金礦是國內(nèi)最大的濱海金礦[18]，前人已經(jīng)對(duì)礦井涌水風(fēng)險(xiǎn)和水量預(yù)測等內(nèi)容做了比較多的研究[18-19]，但對(duì)于涌水源的探討較少。目前擬在礦區(qū)內(nèi)建設(shè)一深豎井，井位距離海邊僅200 m。建井過程中以及深豎井投入使用后，礦井地下水會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生一定的腐蝕作用。本文選取三山島西山礦區(qū)井下部分涌水水樣和深豎井工勘孔抽水試驗(yàn)水樣，通過三元混合模型分析法對(duì)水樣化學(xué)元素含量進(jìn)行分析，并計(jì)算得到礦井涌水源混合比例，指導(dǎo)后期施工中機(jī)械設(shè)備選擇合適的防腐措施。

1 三元混合模型的選擇與構(gòu)建

1.1 水化學(xué)分析法選擇

在比較常用的礦山涌水水化學(xué)分析方法中，灰色關(guān)聯(lián)分析法和聚類分析法都能勝任水樣來源判別分析工作，但是兩種模型本身比較繁瑣，需要大量的水樣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用于多種來源的水源判別分析，計(jì)算過于復(fù)雜。本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有限，無法提供大量的數(shù)據(jù)參與上述兩種分析法的計(jì)算，所以上述兩種方法不適用。研究三山島地區(qū)的水文地質(zhì)條件及主要含水層補(bǔ)給方式可知，礦區(qū)井下涌水主要來源有基巖鹵水、海水和第四系水。地下水水質(zhì)幾乎全為Cl-Na型，其中基巖鹵水多是高礦化度的古海水，而第四系水孔隙水主要是Cl-Na-Ca、Cl-HCO3-Na-Ca和Cl-HCO3-Na-Mg型，礦化度較低，地下水在與海水混合過程中不會(huì)產(chǎn)生任何化學(xué)沉淀反應(yīng)。在這一前提下，本文適合采用三元混合模型分析法對(duì)井下不同位置涌水點(diǎn)中所含海水、基巖鹵水和第四系水的比例進(jìn)行分析計(jì)算。

1.2 三元混合模型構(gòu)建

完成變量的選取后，列出三元混合模型應(yīng)用到礦坑涌水點(diǎn)水源分析中的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中，MS、MB、MQ分別為礦區(qū)所取的海水、基巖鹵水和第四系水的礦化度(g/L)；KS、KB、KQ分別為這三種水源中某種離子的濃度(mg/L)，與礦化度M線性相關(guān)；Mi和Ki分別為礦坑涌水采樣點(diǎn)水樣的礦化度和上述離子的質(zhì)量體積濃度；PS、PB和PQ分別為所求的涌水采樣點(diǎn)的海水、基巖鹵水和第四系水的混合體積比。

將此三元一次方程組求解，得出PS、PB和PQ的值即為所取涌水水樣來源中海水、基巖鹵水和第四系水所占的比例。

2 三元混合模型應(yīng)用

2.1 礦區(qū)水樣采集與測試

從礦床勘探至整個(gè)礦山開拓施工采礦期間，對(duì)礦區(qū)西側(cè)渤海的水質(zhì)分析結(jié)果進(jìn)行記錄，其礦化度為26.14～32.60 g/L，pH值為7.84～8.30；基巖鹵水包括賦存在含水帶中的地下水和含水巖體(帶)，含水帶在天然狀態(tài)下賦存著高鹽度鹵水，礦化度為56.32～61.06 g/L，pH值為6.5～7.2，最高礦化度能達(dá)92.75 g/L；第四系水由于可以接受降水補(bǔ)給，故比海水淡，礦化度低，同時(shí)水質(zhì)變化范圍大，礦化度為0.21～25.95 g/L，pH值為7.32～9.40[20]。取礦山水文地質(zhì)報(bào)告里的水源水質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果作為已知量進(jìn)行計(jì)算，如表1所示。

表1 涌水水源參數(shù)Table 1 Parameters of water inflow source

表2 水樣水質(zhì)檢測結(jié)果Table 2 Water quality test results of water samples

2.2 礦區(qū)涌水三元混合計(jì)算

(2)

2)以礦化度和Mg2+濃度為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算

(3)

將表2中5組Mi、Mg2+濃度值Qi(mg/L)值分別代入式(3)，求解三元一次方程組，結(jié)果如表3所示。

表3 各涌水源混合比計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of mixing ratio of each inflow source /%

2.3 結(jié)果分析

礦區(qū)-253 m分段南巷60 m涌水點(diǎn)，礦化度為30.27 g/L，涌水水源中海水組成占72.5%，基巖鹵水占15.5%，第四系水占比12%。說明淺部涌水受海水影響最大，海水越流補(bǔ)給較多，第四系水的補(bǔ)給也相對(duì)較多。-360 m中段北巷130 m涌水礦化度為37.4 g/L的涌水點(diǎn)，海水約占58%，基巖鹵水占35%左右，第四系水7%。海水和第四系水的占比開始明顯下降。-400 m中段北巷90 m涌水點(diǎn)，礦化度為43.41 g/L，涌水水源中基巖鹵水組成占52.5%以上，海水組成占43%，第四系水4.5%。基巖鹵水占比開始超過海水，表明地下水的主要來源變成基巖鹵水，海水越流補(bǔ)給能力下降。-580 m位置的水樣礦化度45.20 g/L，涌水水源中基巖鹵水組成占57.2%，海水組成占39.2%，第四系水含量較少。-980 m位置的水樣礦化度46.55 g/L，涌水水源中基巖鹵水組成占59%，海水組成占37.5%，少量第四系水。

從圖1中不難看出，隨著深度的不斷增加，地下水礦化度逐漸增加，在圖1中呈明顯的正相關(guān)性。并且，隨著深度增加，礦化度的變化速率降低，越往深部變化越不明顯，變化曲線趨近水平?；鶐r鹵水的占比變化規(guī)律和礦化度的變化規(guī)律基本一致。但海水和第四系水占比隨深度的變化規(guī)律和礦化度的變化規(guī)律正好相反，呈逐步降低的趨勢。

圖1 礦化度、各種來源水占比與深度關(guān)系圖Fig.1 Relationship between salinity，proportion of water from various sources and depth

3 結(jié)論

1)三元混合模型分析法能夠通過較少的數(shù)據(jù)，比較直觀地得到礦山涌水主要來源情況，計(jì)算出各類來源的占比。在分析三山島金礦井下涌水源方面，相比灰色關(guān)聯(lián)分析法、聚類分析法等方法更加實(shí)用。

3)三山島金礦井下涌水的各種來源隨深度呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性變化。礦區(qū)井下涌水在淺部時(shí)主要受海水越流補(bǔ)給，其次是基巖鹵水，也受第四系水影響。當(dāng)?shù)竭_(dá)深部時(shí)，涌水主要來于高礦化度的基巖鹵水，其次才是海水，第四系水的影響明顯變小。