基于三元混合模型的濱海金礦礦井涌水水源分析

劉 震，張少鵬，侯奎奎，王 璽，尹延天

(1.山東黃金集團有限公司 深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，濟南 250000；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；4.山東黃金集團有限公司 三山島金礦，山東 萊州 261400)

通過對礦井坑道涌水取樣進行化學分析，得到各個涌水點的化學常量元素含量，進一步分析得到礦井涌水源，針對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分析方法應用的實例有很多，比如灰色關聯分析法[4-6]、模糊綜合評判法及其改進法[7-10]、聚類分析法[11-12]、神經網絡法[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及優(yōu)勢，同時也有一定的局限性，實際應用過程中需根據具體情況選用最合適的方法。

三山島金礦是國內最大的濱海金礦[18]，前人已經對礦井涌水風險和水量預測等內容做了比較多的研究[18-19]，但對于涌水源的探討較少。目前擬在礦區(qū)內建設一深豎井，井位距離海邊僅200 m。建井過程中以及深豎井投入使用后，礦井地下水會對機械設備產生一定的腐蝕作用。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水樣，通過三元混合模型分析法對水樣化學元素含量進行分析，并計算得到礦井涌水源混合比例，指導后期施工中機械設備選擇合適的防腐措施。

1 三元混合模型的選擇與構建

1.1 水化學分析法選擇

在比較常用的礦山涌水水化學分析方法中，灰色關聯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據進行分析，應用于多種來源的水源判別分析，計算過于復雜。本文使用的基礎數據有限，無法提供大量的數據參與上述兩種分析法的計算，所以上述兩種方法不適用。研究三山島地區(qū)的水文地質條件及主要含水層補給方式可知，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產生任何化學沉淀反應。在這一前提下，本文適合采用三元混合模型分析法對井下不同位置涌水點中所含海水、基巖鹵水和第四系水的比例進行分析計算。

1.2 三元混合模型構建

完成變量的選取后，列出三元混合模型應用到礦坑涌水點水源分析中的數學表達式：

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；Mi和Ki分別為礦坑涌水采樣點水樣的礦化度和上述離子的質量體積濃度；PS、PB和PQ分別為所求的涌水采樣點的海水、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 三元混合模型應用

2.1 礦區(qū)水樣采集與測試

從礦床勘探至整個礦山開拓施工采礦期間，對礦區(qū)西側渤海的水質分析結果進行記錄，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92.75 g/L；第四系水由于可以接受降水補給，故比海水淡，礦化度低，同時水質變化范圍大，礦化度為0.21～25.95 g/L，pH值為7.32～9.40[20]。取礦山水文地質報告里的水源水質檢驗結果作為已知量進行計算，如表1所示。

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

表2 水樣水質檢測結果Table 2 Water quality test results of water samples

2.2 礦區(qū)涌水三元混合計算

(2)

2)以礦化度和Mg2+濃度為參數進行計算

(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，結果如表3所示。

表3 各涌水源混合比計算結果Table 3 Calculation results of mixing ratio of each inflow source /%

2.3 結果分析

礦區(qū)-253 m分段南巷60 m涌水點，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，海水越流補給較多，第四系水的補給也相對較多。-360 m中段北巷130 m涌水礦化度為37.4 g/L的涌水點，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，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%?；鶐r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系圖Fig.1 Relationship between salinity，proportion of water from various sources and depth

3 結論

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

3)三山島金礦井下涌水的各種來源隨深度呈現明顯的相關性變化。礦區(qū)井下涌水在淺部時主要受海水越流補給，其次是基巖鹵水，也受第四系水影響。當到達深部時，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。