黃支剛, 梁權宇

(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線開始往西到掘進掌子面,水頭越來越高,中段運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,當鑿巖臺車在700水平剛過4200線的中段運輸巷掘進掌子面施工時,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炮孔的涌水量也突然增大(>600 m3/d)。鑒于礦山發(fā)生過坑內鉆探鉆進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驗,出于安全考慮當即停止了該掘進工作面的施工,并用木塞把最后施工的2個炮孔堵住。

坑道涌(突)水一直都是困擾礦山生產和安全運營的難題,尤其在地下礦山中的涌(突)水問題更是突出、復雜[3]。由于生產任務緊張,而這次涌(突)水事件嚴重威脅著生產安全,需要盡早準確評價涌(突)水的安全性,提出相應防治水措施,確保生產的安全和生產任務的按時完成。解決礦山的涌(突)水問題,首先就是要查清楚補、徑、排條件,然后才能進行科學的安全性評價。而快速準確地識別涌(突)水的來源是解決涌(突)水問題的核心[3-4]。因此,要求盡快識別出700中段運輸巷掘進掌子面涌(突)水的來源。

1 礦區(qū)水文地質概況

1.1 含隔水層段劃分

礦區(qū)內出露的地層有基底花崗巖、下羅恩組、上羅恩組及第四系。根據礦區(qū)內地下水的形成、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?；鶐r裂隙水含水層主要發(fā)育在下羅恩組所在的泥質石英巖、變質砂巖、砂質板巖中,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、泥質板巖、泥質石英巖、石英巖和基底花崗巖中。根據礦區(qū)地層的巖性組合、結構構造特征、巖溶及裂隙的發(fā)育程度,參考水文鉆孔分層抽水試驗的單位涌水量(表1)和滲透系數(表2)對地層富水性和滲透性的劃分,把礦體內地層劃分為6個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)計及富水性劃分

表2 含隔水層段鉆孔分層抽水試驗滲透性劃分

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、通風井及主斜坡道。

(2)相對隔水層段/“砂層”含水層段(Ⅱ段)

相對隔水層段/“砂層”含水層段(Ⅱ段)包含2個地層巖性段,即下部的長石石英巖(LFQ)巖性段和上部的泥質石英巖(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。中段運輸巷、部分斜坡道布置在該層。泥質石英巖(LAQ)成分復雜,夾有含小塊白云石結核的灰色砂礫質片狀泥板巖和白云質泥板巖,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致層[7],但粗礫巖從3900勘探線向西逐漸尖滅。相對隔水層段在主礦體和西礦體大部分區(qū)域作為相對隔水層,在西礦體往西逐漸轉為含水層。

在西礦體600中段及以下,從3900勘探線往西,泥質石英巖(LAQ)的規(guī)模逐漸增大,其夾的白云質泥板巖及白云巖結核越來越多,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坑道揭露情況來看,溶蝕“砂化”現象明顯,當鉆孔鉆遇白云質成分較高的泥板巖,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”狀的白云質泥板巖的巖性段被稱之為“砂層”含水層。由此認為,泥質石英巖(LAQ)的富水性取決于內部“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成分含量的聯合控制較為明顯,主要分布于謙比希盆地西北緣的轉折部位。對于主、西礦體來說,Ⅱ段在大部分區(qū)域作為相對隔水層,往西逐漸轉為含水層。

“砂層”含水層段(Ⅱ段)的水化學類型為 SO4·HCO3-Ca 型水,pH值為6.2～6.6,總溶解固體(TDS)為200～300 mg/L,平均值為250 mg/L。在主、西礦體范圍內,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4.28 L/(s·m),屬強富水;滲透系數可達7652 cm/d以上,屬強透水。

(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巖層單元,厚度為15～25 m。其中底板片巖、頂板泥板巖為相對隔水層,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隔水層(弱含水層)夾含水層的地層結構特征,可以與砂巖型鈾礦類比,可能也是成礦的關鍵因素之一。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K為6～10 m/s。據徐京苑等[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,比較松軟并可溶蝕,富水性和滲透性較強。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,其水化學類型為SO4·HCO3-Ca·Na型水,pH值約為7.2,總溶解固體(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。滲透系數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,透水性也最強,是礦區(qū)最重要也是最具威脅的強含水層,稱為“主含水層”。巖性主要為孔隙明顯的砂糖狀白云巖、堅硬的重結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10%或更高。溶蝕強烈的地段含水層往往呈現砂狀白云巖[9]。

巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的水化學類型為 SO4·HCO3-Ca 型水,pH值約為7.5,總溶解固體(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)最強含水層,也是威脅最大的含水層,抽水試驗主要在該段開展。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。滲透系數為55 643～133 977 cm/d,平均值為96 806 cm/d,透水性極強。

(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粉砂、粉砂質黏土。它不整合于上、下羅恩組及基底花崗巖之上。多數富水性較弱,但是接受大氣降雨的補給能力較強,降雨地表入滲系數約為0.15。由第四系和風化帶組成的“統(tǒng)一”含水層,雖然透水性中等,但其厚度大,可以構成礦體內主要含水層的補給水源。

1.2 風化與巖溶特征

1.2.1 風化

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,導致風化作用、巖溶作用較強。風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)育的巖溶和風化裂隙,使得各含水層在風化帶形成廣泛連續(xù)的“統(tǒng)一”含水層。在基巖風化帶中掘進的豎井,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]。

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

1.3 地質構造特征

礦體范圍內構造并不發(fā)育,以小型褶皺構造為主,以斷裂構造為輔。在主西礦體范圍內尚未發(fā)現具有一定規(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

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

從涌(突)水的水源上分析,對中段運輸巷構成涌(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)為強含水層,富水性極強,透水性也極強,靜儲量豐富。近20多年來,未對巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)進行疏干,僅對礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)進行疏干,這就大大降低了疏干放水強度,也節(jié)約了開采成本。2012年,在878 mL水平進行探礦疏水孔施工,由于未及時查看現場巖心,坑內鉆鉆進巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的燧石白云巖主含水層,引發(fā)鉆孔突水涌沙事故,淹沒鉆機和半條巷道。因此,目前最擔心涌(突)水來自主含水層,它可以源源不斷的大量補給地下水,造成涌(突)水事故。雖然礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)的富水性強,但是透水性中等,如果涌突水來源于該層段,初步認為涌水事故比突水事故更容易引發(fā)?！吧皩印焙畬佣?Ⅱ段)的靜儲量受謙比希盆地的形態(tài)控制而規(guī)模相對較小,掘進打到“砂層”含水層段(Ⅱ段)時,剛開始涌水量較大,但是隨著疏水工作的進行,“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給的水源條件。

從導水通道上分析,雖然大多數工程布置在相對隔水層段(Ⅱ段)和礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)內,這些工程離巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)垂直距離超過50 m,但如果有導水通道或導水斷裂帶溝通巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)的話,那就存在引發(fā)涌(突)水事故的可能。據資料統(tǒng)計,國內煤礦的突水淹井事故中有80%以上是由導水斷層引起的,并且大多數是原始地質條件下的非導水斷裂在采動活動影響下轉化為了導水斷裂,從而引發(fā)突水[12]。因此,涌(突)水的安全性評價必須對導水斷裂帶進行分析。從區(qū)域上來看,構造以褶皺為主,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)是有水力聯系的,它們通過劈理、斷層、剪切帶發(fā)生水力聯系。700 mL中段運輸巷掌子面位于地層轉折端附近,雖然巖溶裂隙含水層段(Ⅴ段)和礦體裂隙含水層段(Ⅲ段)沒有明顯的水力聯系,但不排除在局部地段存在一定規(guī)模導水斷層或者非導水斷裂活化為導水斷裂的可能性,具備引發(fā)涌(突)水的條件,應予以重視。

3 研究思路

涌(突)水的來源決定了掘進安全性評價。根據以往的經驗來看,推測涌(突)水的來源最可能有以下兩種情形,一是掘進掌子面的前方有一條導水構造帶,溝通了附近的含水層;二是掘進掌子面的前方為導水性非常強的“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),則突水風險就急劇加大,且其含有極其豐富地下水靜儲量,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),則突水風險就降低很多,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系。各含水層的水化學組分可能有明顯區(qū)別,就可以利用涌(突)水的化學組分特征判別其來源。

在當時,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分析法。對于施工探水孔,需要至少兩周以上的時間才能把坑內鉆機抽調過來打探放水孔,耗時較長且費用高。利用水化學組分之間差異進行來源判別的水文地球化學方法,快速、省錢、準確,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個主要含水層的水化學資料;其次,采集涌(突)水做水質簡分析;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老礦山,前人已經積累了大量各含水層的水化學組分資料。目前,僅需有涌(突)水的水化學組分就可以做來源判別。

4.1 水樣采集

為了保證化驗的精度,采集2個水樣,第2件水樣作為平行樣以驗證化驗的精確度。采取水樣的容器是2個剛倒掉水的礦泉水瓶,材質是聚乙烯塑料。掘進掌子面僅有1個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個炮孔使用木塞進行封堵后,單個炮孔涌水量約230 m3/d。本次從用木塞進行封堵的炮孔口取的水樣。

取水樣前一天,礦山化驗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。

在掘進掌子面處取涌(突)水樣時,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,用記號筆在瓶蓋上做好樣品編號標記;最后,將樣品在2 h內送到礦山化驗室進行簡分析。

4.2 水樣簡分析

表3 掌子面涌(突)水的水化學組成

從水化學組成來看,20220705S2水樣作為20220705S1水樣的平行水樣,各指標的分析精度誤差在2 mg/L以內,相對偏差小于2.2%,分析精度達到要求。

5 涌(突)水來源的判別

5.1 含水層的水化學特征

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到燧石白云巖主含水層中取的水樣。涌(突)水點的樣品選用20220705S1參與分析。各含水層的水化學組成特征見表4。

表4 主要含水層的水化學組成

5.2 基于Piper圖的含水層水化學類型及水力聯系判別

研究者提出過很多水化學組分的圖示法,可以直觀顯示出水化學組分特征,而Piper圖就是應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百分含量,右下角的三角形小圖表示陰離子的相對百分含量,上方菱形中樣品點的位置表示陰、陽離子的相對百分含量,圈的大小則表示水樣總溶解固體(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。然后從總溶解固體(TDS)來看,“砂層”含水層段(Ⅱ段)水樣和涌(突)水的總溶解固體(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)水樣的總溶解固體(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)水樣的總溶解固體量 (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)水的總溶解固體量(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)地下水的總溶解固體量(TDS)之間,即總溶解固體量(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。再進一步分析表明,其中任一一個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個主要含水層相互之間沒有明顯水力聯系。

從圖2可看出,涌(突)水與“砂層”含水層段(Ⅱ段)水樣靠的最近,且總溶解固體 (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 數據標準化

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

表5 指標數據的Z得分標準化

在做聚類分析之前,需要先將這4個指標數據標準化,即把每一個原始化驗值轉換成標準值,以防止量綱的不同導致空間拉伸距離失真,然后才能利用標準化后的數據進行分析。數據標準化的方法使用Z得分。Z得分標準化(正太標準化)是基于原始數據的平均值和標準差進行數據的標準化。Z得分標準化的公式見式(1):

(1)

5.3.2 構造距離矩陣

(2)

式中:xj和yj分別表示第x個和第y個水樣的第j個參數;d表示x水樣和y水樣之間的平方歐式距離。

由此計算出來各類(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結,即組間平均距離法。即先計算A類各個樣品與B類各個樣品之間的距離,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應兩項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個水樣還是由幾個水樣組成的小類,0表示1個水樣,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列表示本步聚類產生的新類會在下面第幾步再次參與聚類[16]。最終的聚類結果見圖4。

圖4 水樣聚類分析樹狀圖

5.3.4 聚類結果解釋

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-S2水樣和600 mL-M6采聯-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-S1水樣、600 mL -M6采聯-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 結論與建議

(1)礦區(qū)主要含水層的水質類型是重碳酸硫酸鈣型水。

(2)Piper圖表明,這3個主要含水層之間無明顯水力聯系。

(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)進行,該掌子面涌水量已經從1670 m3/d降低到2個月后的1380 m3/d。

(5)經后期探水孔驗證,在700中段越往西“砂層”含水層規(guī)模越來越大,“砂層”數量越來越多,中段運輸巷越來越靠近“砂層”含水層。700中段運輸巷掌子面前方30 m范圍內無明顯的導水斷裂帶,而是前方4 m處有一條產狀與巖層一致的極強透水的“砂層”含水層,導致掘進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圖和聚類方法聯合分析可快速、準確判別涌(突)水的來源,經探水孔驗證,判別結果與實際情況相符。

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

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