劉 權(quán),鄧 忠,盧丹美,夏 源,3,楊鵬飛,覃佳肖

(1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004;2.廣西壯族自治區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊,廣西 柳州 545006;3.自然資源部南方石山地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,廣西 南寧 530031)

礦坑涌水是巖溶大水礦山開采過程中常見的安全隱患,當涌水量過大時可能會引發(fā)突水事故[1],影響生產(chǎn),增加采礦成本。隨著開采深度增大,礦坑涌水防治難度也在增加。我國有色金屬大水礦床大部分屬于巖溶充水礦床,地下含水系統(tǒng)富水性和導(dǎo)水性較強[2-3],補給水源主要有大氣降水入滲、河流側(cè)向補給和地下水補給等。當含水層與地表水之間構(gòu)成密切的水力聯(lián)系時,地表水可以通過溶洞、溶蝕裂隙帶等通道灌入礦坑[4-5],導(dǎo)致礦坑突水,嚴重威脅礦山的安全開采。特別是在洪水季節(jié)或水利工程蓄水后,地表水體水位抬高能夠?qū)Φ叵滤判乖斐勺璧K,甚至形成反向補給[6-7],礦坑突水風險也會隨之升高。

廣西盤龍鉛鋅礦位于珠江流域黔江河段西側(cè),是現(xiàn)狀生產(chǎn)規(guī)模達3 000 t/d、規(guī)劃規(guī)模達6 000 t/d的大型礦山,主要礦段為大嶺礦段,距離黔江僅500 m左右。大氣降水和黔江河水成為礦區(qū)地下水補給的主要水源。2019-2020年,大藤峽水庫蓄水運行導(dǎo)致黔江水位顯著抬升,幅度達20～30 m。為防治黔江河水對礦區(qū)地下水的補給,礦區(qū)東側(cè)已建帷幕,下限標高-125 m。然而,近兩年礦坑淺部(-70～-120 m)及深部(-320～-440 m)涌水量均有所增加,帷幕止水效果尚不明朗。黔江水位抬升將改變礦區(qū)原有的水文地質(zhì)條件,影響礦山的安全開采[8]。

為探究黔江水位抬升對盤龍鉛鋅礦大嶺礦段礦坑涌水產(chǎn)生的影響,本文利用時間序列分析和層次分析法,分析了黔江水位-降水量-涌水量的變化特征及其相關(guān)關(guān)系,綜合評估了黔江水位抬升前后礦坑突水風險變化,為礦區(qū)突水防治提供參考依據(jù)。

圖1 盤龍鉛鋅礦區(qū)水文地質(zhì)簡圖

1 礦山水文地質(zhì)條件概況

盤龍鉛鋅礦區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū),氣候溫暖,雨水豐沛。年平均氣溫19℃～27℃,多年平均降雨量1 462.75 mm。位于礦區(qū)東側(cè)的黔江,多年平均流量4 337.38 m3/s,2019年水庫蓄水以來,一般河水位47～53 m,預(yù)計2022年水庫二期蓄水后,水位可達到61 m。

礦區(qū)屬巖溶峰叢谷地、峰林平原和侵蝕山地地貌,地勢西高東低。主要出露地層由老到新為寒武系、泥盆系、石炭系和第四系,其中下泥盆統(tǒng)上倫組上段(D1sl2)白云巖為賦礦地層,總厚度約900 m,也是礦坑頂?shù)装逯苯映渌暮畬覽9-10]。礦區(qū)屬單斜構(gòu)造,多組斷層發(fā)育,其中北東向的F2平移斷層對于礦區(qū)充水有較大影響。礦區(qū)水文地質(zhì)簡圖如圖1所示。

大嶺礦段的水文地質(zhì)邊界為:北側(cè)下泥盆統(tǒng)二塘組(D1e)、南側(cè)下泥盆統(tǒng)郁江組(D1y)等泥頁巖構(gòu)成了相對隔水邊界;黔江河段和F2斷層分別構(gòu)成了大嶺礦段東西方向的透水邊界,是礦坑涌水來源的主要方向。

由于開采過程疏干地下水,礦區(qū)形成了地下水位降落漏斗(圖2),中心水位標高約-150 m(降深200 m),影響范圍由西側(cè)F2斷層至東側(cè)黔江河段(A-A’),這為礦坑涌水提供了多種充水水源路徑:(1)大氣降水入滲后沿巖層裂縫帶補給礦坑;(2)西側(cè)巖溶含水層地下水通過F2弱透水斷層補給礦坑;(3)東側(cè)黔江河水通過溶洞和溶蝕裂隙等通道反補給礦坑。隨著礦坑開采深度的加大,礦坑集中涌水深度從-70～-120 m向-320～-440 m轉(zhuǎn)移,分別占全坑涌水量的52.13%和40.03%,而中段-120～-320 m由于層間網(wǎng)狀裂隙發(fā)育,僅占全坑涌水量的7.84%。

圖2 盤龍鉛鋅礦區(qū)大嶺礦段降落漏斗A-A’剖面圖

為降低黔江水位抬升對礦坑涌水的影響,2018年10-11月在大嶺礦段東側(cè)實施灌漿帷幕工程(圖1),據(jù)2018年后帷幕孔水位,水質(zhì)和礦坑涌水量監(jiān)測數(shù)據(jù),表明:

(1)2019年水庫蓄水以來,黔江水位短期顯著抬升后,持續(xù)保持52 m高水位(圖3);同時帷幕線北段東側(cè)G22水位與河水位變化一致,而西側(cè)G21水位呈緩慢下降趨勢;對于帷幕中段(G18、G19)到南段(G14、G15)東西側(cè)水位目前未顯示出明顯差異性?？傮w表明,帷幕北段具有一定的防治河水補給礦區(qū)的效果,而中段及南段止水效果整體不顯著。

圖3 G14-G22孔地下水位動態(tài)圖

(2)2018-2019年東帷幕施工后,礦坑涌水量呈顯著增加跡象,帷幕效果尚未突顯;2020年東帷幕補強后,礦坑涌水量增長緩慢,同年7-8月,對聯(lián)道涌水段側(cè)壁、頂板實施灌漿止水試驗后,本段涌水量由300 m3/h減少至75 m3/h,表明東側(cè)帷幕灌漿具有一定的堵水效果;2021年礦坑涌水量總體增長明顯,其中-70 m中段涌水量占全坑63%,同時礦區(qū)西側(cè)-70 m中段也發(fā)生了溶洞突水,初期最大涌水量為1 000 m3/h,這表明西側(cè)仍有較大的充水水源。

(3)東帷幕孔G14-G22(除G21外)水質(zhì)組成和黔江河水較為相似(圖4),與上述水位分析結(jié)果一致,表明東帷幕北段相比中段及南段的止水效果更顯著;同理礦區(qū)西側(cè)G06-G10和官橋組G24-G26、G30孔地下水也可能受到黔江河水補給,結(jié)合實際調(diào)查,黔江至礦區(qū)西側(cè)可能存在地下水強徑流帶,巖層巖溶裂隙發(fā)育,以及近年來官橋組中不斷出現(xiàn)的降落漏斗和塌陷坑,成為黔江河水倒灌補給礦坑的新路徑。

圖4 水質(zhì)分析熱點圖

2 礦坑涌水量時間變化特征

2.1 年際及年內(nèi)變化

根據(jù)大嶺礦段2012-2021年降水量、礦坑涌水量和東側(cè)黔江水位監(jiān)測數(shù)據(jù),分別繪制其歷時曲線(圖5)。近10 a平均涌水量為808.6 m3/h,最低為2013年3月的614.1 m3/h,最高為2021年9月的1 270.4 m3/h。多年黔江水位峰值基本與降水量峰值同步,而涌水量峰值存在明顯的滯后性;雨季及汛期多集中在6-8月份,而涌水量峰值在9月份,滯后時間約2～3個月;并且汛期降水量占全年降水量的59.3%,而同期涌水量僅占全年34.4%,這表明黔江河水對礦坑地下水補給程度可能大于降水。

基于2012-2021年各年月均涌水量最大值、月降水量最大值和黔江月均水位最高值進行相關(guān)性分析,得到涌水量-降水量和涌水量-黔江水位的線性回歸方程分別為:y=-0.319x+1044.64和y=26.798x+257.836,相關(guān)系數(shù)分別為0.253和0.833。這也表明礦坑涌水量與黔江水位的關(guān)系更密切,受黔江水位的影響明顯大于降水量的影響。

2.2 涌水量突變分析

在時間序列分析中,突變分析多用于確定數(shù)據(jù)系列的突變特征。采用Mann-Kendall檢驗法[11],結(jié)合黔江水位歷時變化,對2012-2021年月均涌水量序列進行突變分析,其原理如下:

假設(shè)涌水量序列X,(包括n個數(shù)據(jù)),構(gòu)造一個秩序列:

(1)

(2)

式中:秩序列Sk表示不同時刻數(shù)值x的比較后,系數(shù)ri的總和。

假設(shè)數(shù)據(jù)系列完全隨機,計算統(tǒng)計量UFk和UBk:

(3)

(4)

(5)

式中:E(Sk)和Var(Sk)分別是Sk的均值和方差;UFk為時間序列X的順序統(tǒng)計量。

基于上述公式,再按時間序列X的逆序計算統(tǒng)計量UBk,令k=n,n-1,…,1,UBk=-UFk,最終得到統(tǒng)計序列UFk和UBk曲線。給定顯著性水平α=0.002 6,通過正態(tài)分布表確定對應(yīng)的Uα=±3。若UFk>Uα,則表明序列變化趨勢顯著[12],當UFk大于0時,序列呈上升趨勢,否則呈下降趨勢。當置信區(qū)間|U|≤3出現(xiàn)交點時,該點為當前置信度下的突變點[13]。

圖6 多年礦坑涌水量突變分析圖

根據(jù)礦坑涌水量Mann-Kendall檢驗可得涌水量突變分析圖(圖6),表明:

(1)2012-2019年UF曲線在置信區(qū)間內(nèi)上下波動,統(tǒng)計量UFk總體在2016年7月后大于0,涌水量表現(xiàn)為不規(guī)則周期變化但總體在緩慢增長,其原因與開采深度加大有關(guān),而2020年后UF曲線超出了99.87%的置信水平(U0.0026=±3),涌水量呈顯著增加趨勢。

(2)UFk和UBk曲線在置信區(qū)間內(nèi)存在交點,出現(xiàn)在2019年6月,表明涌水量在交叉點時間發(fā)生突變,該時間點后涌水量隨黔江水位呈顯著增長的趨勢,豐枯季節(jié)性變化相較突變前不顯著。

(3)結(jié)合黔江水位歷時變化與突水資料可知,2019年6月礦坑-320 m中段突水,水量突增,并且同期已經(jīng)進入汛期,黔江水位受降水影響明顯上升,次月達到2019年前月均水位最大值45.78 m;2020年大藤峽水庫蓄水后,隨著黔江水位繼續(xù)抬升,礦區(qū)地下水位將逐步升高,巖層間水壓力將會增大,礦山開采過程中突水風險也會相應(yīng)增加。

因此,2019年6月涌水量突變與汛期黔江水位抬升密切相關(guān),后者可能增強了河水對礦坑的反補給能力,且水庫蓄水延續(xù)了涌水量突變后的上升趨勢。

3 礦坑突水風險評估

根據(jù)上述分析,黔江水位抬升會增強礦坑涌水能力,并存在礦坑突水的風險。礦坑突水的原因較多,不僅與降水量、黔江水位有關(guān),而且與礦區(qū)地質(zhì)-水文地質(zhì)條件有關(guān)。因此,可基于層次分析法[14-15]開展礦坑突水風險評估,為盤龍鉛鋅礦突水防治工作提供參考。

3.1 突水風險指標及評分規(guī)則

針對礦區(qū)水文地質(zhì)條件、充水條件和采掘涌水現(xiàn)狀,選取水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度、礦坑涌水量標準分數(shù)、開挖面涌水情況等評估指標,建立礦坑突水風險評估指標體系(表1)。

對于礦坑涌水量和黔江水位定量評估指標以及探水結(jié)果等定性評估指標需要分別確定其評分規(guī)則:針對連續(xù)變化的涌水量和黔江水位,為體現(xiàn)其動態(tài)變化趨勢,對數(shù)據(jù)進行Zscore標準化[16]后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的標準分數(shù),并對指標標準分數(shù)劃分區(qū)間,提供每個區(qū)間邊界所對應(yīng)的評分;本文標準分數(shù)區(qū)間均為(-3,3),評分區(qū)間為(10,90)[17];再基于線性插值法[18]計算各區(qū)間內(nèi)標準分數(shù)對應(yīng)的評分,計算公式見式(6):

(6)

式中:ai、j為標準分數(shù)區(qū)間內(nèi)任意值,ci、j為各標準分數(shù)下對應(yīng)的評分。

對于定性評估指標,可結(jié)合實際在一定范圍內(nèi)取值并確定相應(yīng)評分。參考相關(guān)文獻并結(jié)合礦區(qū)開采現(xiàn)狀[19],確定各指標評分區(qū)間和相應(yīng)評分(表1)。

表1 突水風險評估指標評分

3.2 層次模型賦權(quán)與檢驗

結(jié)合對礦坑充水條件和突水機理的認識,基于1～9標度法[27]對各評估指標按影響程度進行兩兩對比:探水結(jié)果>礦坑涌水量和黔江水位標準分數(shù)>開挖面涌水和圍巖破碎情況>礦區(qū)水文地質(zhì)條件,具體如表2所示。

通過構(gòu)建層次分析判斷矩陣,計算各指標權(quán)重,并進行一致性檢驗,方法如下:

假設(shè)n階判斷矩陣A:

(7)

式中:w為各指標權(quán)重值;M為矩陣A各行元素乘積的n次方根。

(8)

(9)

式中:λmax為矩陣A最大特征值;CI為一致性指標;RI為平均隨機一致性指標;CR為一致性比例。

計算結(jié)果見表3,判斷矩陣最大特征值λmax為10.565,一致性指標CI為0.062 8,平均隨機一致性指標RI取1.486,一致性比例CR=0.042 3<0.1,表明判斷矩陣通過一致性檢驗。

3.3 突水風險動態(tài)評估

根據(jù)2012-2020年礦坑涌水量數(shù)據(jù),按照定量評估指標評分規(guī)則確定涌水量標準分數(shù)評分(圖7),當涌水量標準分數(shù)評分低于中性值50分時,礦坑突水風險可能增加?？梢钥闯?黔江水位與涌水量標準分數(shù)評分表現(xiàn)為負相關(guān),并且2012年8月、2019年8月、2020年4、7和11月的評分與中性值50分差距較大,表明上述時間點涌水量出現(xiàn)異常增大的情況,存在突水風險。

結(jié)合礦坑歷年突涌水資料,2012年8月出現(xiàn)持續(xù)強降雨,降水量達286.8 mm,期間涌水量在970.9～1 052.3 m3/h,降雨補給深度以-20～-70 m為主;2019年8月礦坑-320 m發(fā)生突水,水量達300 m3/h,同時期黔江水位為2019年前月均最高水位,巖層中泥巖等夾層可能被高壓水破壞后導(dǎo)水,構(gòu)成礦坑進水通道;2020年3月,大藤峽水庫正式蓄水,黔江水位上升至48～52 m,礦山開采面臨黔江水位逐步上升的高水壓影響,涌水量也隨之增加;同年6-8月在強降雨和水庫蓄水影響下,黔江水位最高為55.32 m,涌水量達到全年最大1 052.13 m3/h,并且礦區(qū)中心和北側(cè)均出現(xiàn)巖溶塌陷,伴隨著地表積水下灌可能造成礦坑突水;同年11月降雨補給礦坑影響程度減弱,黔江水位受水庫蓄水影響保持52 m左右標高的高水位,河水至礦區(qū)充水斷面增高,加上東側(cè)低洼地帶存在導(dǎo)水裂隙帶等通道,與地表水貫通而導(dǎo)致突水。

表3 突水風險評估判斷矩陣及各指標權(quán)重

圖7 2012-2020年黔江水位和礦坑涌水量標準分數(shù)評分統(tǒng)計

基于層次分析法求得各指標權(quán)重后,將指標權(quán)重與評分加權(quán)求和確定礦坑突水風險總得分(圖8)。2012-2020年礦坑突水風險總得分在52.33～73.77分之間,呈逐年下降趨勢,但大于中性值50分,總體較為安全。2019年前評分曲線為豐枯季節(jié)性變化,但同年7月表現(xiàn)為異常下降趨勢,次年7月達到歷年最低52.33分;結(jié)合涌水量突變與趨勢分析,黔江水位大幅抬升是其主要成因,補給斷面的增大以及多種導(dǎo)水通道的形成與擴大均可能導(dǎo)致礦坑突水。該評估結(jié)果與實際突水情況基本一致,總體適用性較高。

綜上所述,由于大藤峽水庫蓄水和汛期強降雨影響,礦區(qū)突水風險總得分隨黔江水位升高而持續(xù)降低,并且2019年后涌水量標準分數(shù)評分多次低于中性值50分,表明黔江水位抬升會在一定程度上增加盤龍鉛鋅礦區(qū)發(fā)生突水的風險,可能加大黔江河水到礦坑的補給程度而導(dǎo)致突水。但目前礦坑突水風險總得分仍在中性值以上,總體突水風險在可控范圍內(nèi)。

圖8 2012-2020年礦坑突水風險總得分統(tǒng)計

4 結(jié)語

(1)多年涌水量呈顯著增長趨勢,年內(nèi)變化受黔江水位和降水量影響較大,存在1～2個月的滯后期;2019年后礦床開采深度的加大與水庫蓄水延續(xù)了涌水量增加的趨勢,礦坑集中涌水深度也從-70～-120 m向-320～-440 m轉(zhuǎn)移。

(2)通過層次分析法定性和定量指標相結(jié)合的突水風險評估,表明黔江水位抬升在一定程度上增大礦坑突水風險,但突水災(zāi)害威脅總體較小。

(3)基于線性插值法和中性參照值的層次分析法能夠直觀反映突水災(zāi)害量化的風險程度,結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件、實際開采情況和歷史突水資料,總體上具有較高的適用性和可靠性。

(4)目前東帷幕北段具有一定的止水效果,而中段及南段效果不顯著,并且由官橋組至礦區(qū)西側(cè)仍有較大的充水水源,后續(xù)開采過程中建議加強涌水量、降水量和黔江水位動態(tài)監(jiān)測,一方面要定期評估帷幕的淺部堵水效果,另一方面應(yīng)防范黔江水位抬高對深部涌水量的影響。