李國慶，汪新慶，尹改梅

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 資源學院，湖北武漢 430074;2.中煤科工集團武漢設(shè)計研究院，湖北武漢 430064)

0 引言

三山島金礦新立分礦主要可采礦體賦存在海底巖體中，存在海水大量透入的風險，因此，做好防治水工作尤為關(guān)鍵。前人對新立分礦進行了礦區(qū)地應(yīng)力測試、物理模擬、數(shù)值模擬、礦井水水質(zhì)測試等［1-5］工作，為確定安全隔離層、優(yōu)化開采方案以及評價對周邊建筑的影響提供了科學依據(jù)，其中Liu［2］認為頂部留40m的安全巖柱即可保證安全生產(chǎn)，在-560m水平開采可不留礦柱。

水是地殼中元素遷移、分散、富集的載體，記錄了豐富的各類信息，水化學方法通常用于水文地質(zhì)條件評價、煤礦突水后水源和通道的判定、環(huán)境污染、咸水入侵等問題的研究［5-7］。根據(jù)礦井涌水化學成分可進行礦井水聚類分析［5］，但聚類分析從統(tǒng)計學的角度分類，不能反映海水滲入的物理化學過程。Seki［8］應(yīng)用水化學方法進行了海底隧道施工中海水滲漏問題的研究，提出K+可以反映水巖(陽離子交換吸附)反應(yīng)，Cl-穩(wěn)定，用K與Cl離子濃度的乘積作為判定海水滲入的指標，取得了較好的應(yīng)用效果。Kurchikov(2009)［9］、Güler(2012)［10］、Belkhiri(2012)［11］分別用主成分分析法考察了水化學參數(shù)，并研究了其主成分的物理意義。

本文擬從礦坑涌水常量離子數(shù)據(jù)出發(fā)，應(yīng)用主成分分析法對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行降維處理，以綜合性變量代替常量離子指標，并分析主成分的物理意義，為礦井防治水提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于山東省萊州市以北的三山島鎮(zhèn)，因不合理的地下水開發(fā)以及區(qū)域降水量減少等原因，該區(qū)是我國主要的海(咸)水入侵區(qū)之一。新立分礦的西北部被海水覆蓋，東南部沿海岸布置有工業(yè)廣場，礦區(qū)地面地勢平坦。勘探成果表明主要可采礦體位于海水下部基巖中，受北東向延伸的三山島-倉上斷裂帶控制。礦區(qū)范圍內(nèi)第四系厚度為10～40m，第四系水以咸水為主，第四系底部有一層淤泥質(zhì)厚度0.8～10m的淤泥層，控礦斷裂帶有一層5～10cm厚的斷層泥，起到一定的隔水作用。從鄰近的三山島直屬礦的開發(fā)經(jīng)驗看，北西向的斷裂F3導(dǎo)水性相對較好，而勘探結(jié)果表明新立分礦可能也分布一條北西向斷裂F2(圖1)［5］。水質(zhì)測試結(jié)果表明該礦坑涌水的水源可能有現(xiàn)代海水、基巖裂隙古鹵(咸)水、第四系孔隙水、大氣降水、礦區(qū)養(yǎng)殖魚池水或者它們的混合物。

2 方法

2.1 水文地質(zhì)調(diào)查與測試

圖1 三山島-新立斷裂與勘探線示意圖Fig.1 Sketch map of Sanshandao-Xinli fault and exploration lines

新立礦區(qū)滲流通道以裂隙為主，為查明礦坑充水條件，我們對-105m、-135m水平開拓巷道進行了詳細的裂隙測量和涌水點調(diào)查取樣。裂隙量測采用窗口法，即在每條開拓巷道內(nèi)間隔10m用1m邊長的方框進行裂縫產(chǎn)狀量測，對每一處涌水點進行了位置記錄、照相，選取具有代表性的、流量相對較大的涌水點進行溫度、流量的測量以及水樣采集。同時在礦區(qū)范圍內(nèi)海水、養(yǎng)殖場水池、居民飲用水井和王河水進行了取樣。養(yǎng)殖場水池水源為海水、并混有魚類食物、排泄物等，居民飲用水主要是第四系孔隙淡水，需要指出的是，部分第四系孔隙水由于受海水、鹵水侵襲而變咸。采集的水樣在中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學國家重點實驗室進行了室內(nèi)常量離子測試，測試指標包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和 pH，測定方法如下:

Ca2+、Mg2+:絡(luò)合滴定法;

K+、Na+:火焰光度計法;

Cl-:莫爾法;

pH:酸度計法。

地下水全鹽量由離子相加得到。

2.2 主成分分析

多變量問題往往較復(fù)雜，分析難度大，而且多變量之間往往具有一定的相關(guān)性。主成分分析(Principal Component Analysis)是一種多元統(tǒng)計分析方法，可以對多變量數(shù)據(jù)集進行降維處理，得到少量的綜合性指標，將多變量問題簡化，以主成分反映主控因素，在自然科學、社會科學研究中得到廣泛的應(yīng)用。

主成分分析法的步驟有［12］:

(1)原始數(shù)據(jù)標準化處理;(2)計算變量的相關(guān)系數(shù)矩陣;(3)計算相關(guān)矩陣特征值與特征向量;(4)計算主成分貢獻率與累計貢獻率;(5)計算主成分載荷;(6)計算各主成分得分。

主成分分析之前需要對數(shù)據(jù)進行檢驗，即對數(shù)據(jù)集進行變量的相關(guān)性和樣品抽樣數(shù)據(jù)適當性檢驗，通常采用KMO檢驗與Bartlett球形檢驗，只有變量具有相關(guān)性但不正交，數(shù)據(jù)適當性檢驗合格的數(shù)據(jù)集才適合進行主成分分析［13］。

3 結(jié)果

3.1 現(xiàn)場調(diào)查與水質(zhì)測試結(jié)果

對-105m、-135m水平的開拓巷道進行了詳細水文地質(zhì)調(diào)查，-105m水平調(diào)查巷道總長1 135.1 m，滲水點數(shù)196個，取水樣19個;-135水平調(diào)查巷道總長1 336.0 m，滲水點220個，取水樣13個;地表取樣13個(圖2)，其中包含2個海水樣。其中W135-01為勘探鉆孔涌水，沒有做測試。具體水質(zhì)測試數(shù)據(jù)見文獻［5］。

現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面量測結(jié)果表明，礦坑圍巖節(jié)理面平直光滑，以剪節(jié)理為主，傾角較陡，大小為45°～75°。節(jié)理走向以NE向為主，但F1下盤礦體節(jié)理與圍巖節(jié)理的產(chǎn)狀具有明顯差異，礦體節(jié)理走向優(yōu)勢方位為345°，而圍巖節(jié)理走向優(yōu)勢為 33°、75°。

3.2 主成分分析結(jié)果

選取了7個變量，進行了主成分分析。首先應(yīng)用Bartlett球形測試進行了原始變量數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，結(jié)果表明Bartlett卡方值等于728.011(自由度為21)，達到顯著水平(p=0.000＜0.001)，即原始變量不是相互正交而是具有相關(guān)性的;然后應(yīng)用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)方法進行了抽樣適當性檢驗(measure of sampling adequacy，MSA)，檢驗值MSA 值為0.802，大于0.5;說明該數(shù)據(jù)適合進行主成分分析。各步驟的結(jié)果見表1～表4。

由兩個主成分載荷看，Cl-，Mg2+，Na+和四個變量在第一主成分上具有類似的、較高的載荷值，其中以Na+的載荷值最高，它們之間的相關(guān)系數(shù)也較高，表明第一主成分主要反映海水的濃縮效應(yīng)。K+在第二主成分上顯示較高的載荷，同時測試結(jié)果也表明礦坑水的K+均小于海水值，表明第二主成分主要反映陽離子的交換、吸附效應(yīng)。

圖2 －105m和－135m水平水文地質(zhì)調(diào)查圖［5］Fig.2 Sketch map of hydrogeological survey in －105 m and －135 m levels

表1 變量相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Correlation matrix of hydrochemical variables of water samples

表2 各變量的主成分載荷Table 2 Loadings of 7 chemical variables on principal components(PC)

每一個樣品的主成分得分等于變量的標準化值與該主成分的載荷的乘積，為了對樣品進行分類，我們定義了一個綜合主成分指標(composite principal component，CPC)，綜合主成分指標值等于各主成分分值與該主成分解釋方差百分比的乘積之和。

根據(jù)綜合主成分指標值(-4.332～3.037)，將樣品分為五類，淡水綜合主成分指標值-4.332～1，002，劃分一類，咸水按指標值(-1.002～3.037)平均分為四類，分別按其接近海水、鹵水程度來描述。

第四系孔隙地下水以及-105m水平的01，08，05，09，03，04，02號水樣、-135m 水平的07，06，08，05號水樣在水化學性質(zhì)上接近海水。

表3 主成分得分Table 3 Scores of principal component of each sample

續(xù)表

在空間分布上，-105m水平與海水性質(zhì)接近的樣品分布在F1下盤東北沿脈巷道，-135m水平與海水性質(zhì)接近的樣品主要分布F1下盤東北的6～9穿脈巷道之間。在F1下盤東北，-105m水平12穿脈的07號水樣以及-135m水平14穿脈的09號水樣與海水的化學性質(zhì)差別很大。礦坑西南部涌水點化學性質(zhì)與鹵水較接近。

表4 基于主成分綜合得分的樣品分類Table 4 Classification of samples based on composite principal component score

續(xù)表

4 討論

Seki［8］應(yīng)用水化學方法進行日本Seikan海底隧道透水風險分析，發(fā)現(xiàn)K+是水巖反應(yīng)中較活躍敏感的離子。從地質(zhì)力學特點看，F(xiàn)1為壓扭性斷裂，導(dǎo)水性弱，而F2為張性斷裂，導(dǎo)水性強。本文研究的結(jié)果顯示，與海水性質(zhì)接近的水樣點主要分布在F1下盤靠近F2的巷道，與聚類分析的結(jié)果［5］以及地質(zhì)力學分析結(jié)果較為吻合［2-4］。由此表明本文的結(jié)果有一定的可信度。水化學分析預(yù)測突水是一種間接技術(shù)手段，適于本案例這種特殊的工程條件。隨開采的進行，新立礦坑涌水會動態(tài)變化，因此，長期監(jiān)測也是必不可少的。

5 結(jié)論

(1)對新立礦進行了詳細水文地質(zhì)調(diào)查與取樣，裂隙量測結(jié)果表明礦體中節(jié)理的優(yōu)勢方位為NW向，而其圍巖中節(jié)理的優(yōu)勢方位為NE向，表明礦體中的節(jié)理發(fā)育模式與圍巖中的節(jié)理發(fā)育模式不同。

(2)應(yīng)用主成分分析法將水質(zhì)測試的7個指標綜合為2個主成分。Cl-，Mg2+，Na+和四個變量在第一主成分上具有較高的載荷值，其中以Na+的載荷值最高，第一主成分主要反映海水的濃縮效應(yīng)。K+在第二主成分上顯示較高的載荷，主要反映陽離子的交換、吸附效應(yīng)。Na+、K+等離子濃度變化可以反映海水滲入的物理化學特征。

(3)應(yīng)用綜合主成分指標，將礦坑涌水分為4類，其中與海水性質(zhì)較接近的水樣分布在F1下盤靠近F2處，表明該處裂隙與上覆海水連通性較好。

(4)新立礦區(qū)目前整體上礦坑涌水量不大，以消耗基巖鹵水靜儲量為主。該礦采用充填法開采，因此不會突發(fā)性透水，但充填體的彈性模量遠小于原地硬巖，礦區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)力場、裂隙系統(tǒng)會隨著開采的進行發(fā)生顯著改變，可能導(dǎo)致生產(chǎn)中涌水量顯著增大的問題。應(yīng)用本文的方法進行水文地質(zhì)監(jiān)測、分析，由Na+、K+等主要離子濃度指示海水的滲入動態(tài)，有助于礦區(qū)防治水工程的決策。

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