广西黔江水位抬升影响下盘龙铅锌矿涌突水风险评估

2023-12-02卢丹美杨鹏飞覃佳肖

地下水 2023年6期

刘权,邓忠,卢丹美,夏源,3,杨鹏飞,覃佳肖

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院/岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,广西桂林 541004;2.广西壮族自治区水文地质工程地质队,广西柳州 545006;3.自然资源部南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心,广西南宁 530031)

矿坑涌水是岩溶大水矿山开采过程中常见的安全隐患,当涌水量过大时可能会引发突水事故[1],影响生产,增加采矿成本。随着开采深度增大,矿坑涌水防治难度也在增加。我国有色金属大水矿床大部分属于岩溶充水矿床,地下含水系统富水性和导水性较强[2-3],补给水源主要有大气降水入渗、河流侧向补给和地下水补给等。当含水层与地表水之间构成密切的水力联系时,地表水可以通过溶洞、溶蚀裂隙带等通道灌入矿坑[4-5],导致矿坑突水,严重威胁矿山的安全开采。特别是在洪水季节或水利工程蓄水后,地表水体水位抬高能够对地下水排泄造成阻碍,甚至形成反向补给[6-7],矿坑突水风险也会随之升高。

广西盘龙铅锌矿位于珠江流域黔江河段西侧,是现状生产规模达3 000 t/d、规划规模达6 000 t/d的大型矿山,主要矿段为大岭矿段,距离黔江仅500 m左右。大气降水和黔江河水成为矿区地下水补给的主要水源。2019-2020年,大藤峡水库蓄水运行导致黔江水位显著抬升,幅度达20～30 m。为防治黔江河水对矿区地下水的补给,矿区东侧已建帷幕,下限标高-125 m。然而,近两年矿坑浅部(-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。黔江水位抬升将改变矿区原有的水文地质条件,影响矿山的安全开采[8]。

为探究黔江水位抬升对盘龙铅锌矿大岭矿段矿坑涌水产生的影响,本文利用时间序列分析和层次分析法,分析了黔江水位-降水量-涌水量的变化特征及其相关关系,综合评估了黔江水位抬升前后矿坑突水风险变化,为矿区突水防治提供参考依据。

图1 盘龙铅锌矿区水文地质简图

1 矿山水文地质条件概况

盘龙铅锌矿区属亚热带季风气候区,气候温暖,雨水丰沛。年平均气温19℃～27℃,多年平均降雨量1 462.75 mm。位于矿区东侧的黔江,多年平均流量4 337.38 m3/s,2019年水库蓄水以来,一般河水位47～53 m,预计2022年水库二期蓄水后,水位可达到61 m。

矿区属岩溶峰丛谷地、峰林平原和侵蚀山地地貌,地势西高东低。主要出露地层由老到新为寒武系、泥盆系、石炭系和第四系,其中下泥盆统上伦组上段(D1sl2)白云岩为赋矿地层,总厚度约900 m,也是矿坑顶底板直接充水的含水层[9-10]。矿区属单斜构造,多组断层发育,其中北东向的F2平移断层对于矿区充水有较大影响。矿区水文地质简图如图1所示。

大岭矿段的水文地质边界为:北侧下泥盆统二塘组(D1e)、南侧下泥盆统郁江组(D1y)等泥页岩构成了相对隔水边界;黔江河段和F2断层分别构成了大岭矿段东西方向的透水边界,是矿坑涌水来源的主要方向。

由于开采过程疏干地下水,矿区形成了地下水位降落漏斗(图2),中心水位标高约-150 m(降深200 m),影响范围由西侧F2断层至东侧黔江河段(A-A’),这为矿坑涌水提供了多种充水水源路径:(1)大气降水入渗后沿岩层裂缝带补给矿坑;(2)西侧岩溶含水层地下水通过F2弱透水断层补给矿坑;(3)东侧黔江河水通过溶洞和溶蚀裂隙等通道反补给矿坑。随着矿坑开采深度的加大,矿坑集中涌水深度从-70～-120 m向-320～-440 m转移,分别占全坑涌水量的52.13%和40.03%,而中段-120～-320 m由于层间网状裂隙发育,仅占全坑涌水量的7.84%。

图2 盘龙铅锌矿区大岭矿段降落漏斗A-A’剖面图

为降低黔江水位抬升对矿坑涌水的影响,2018年10-11月在大岭矿段东侧实施灌浆帷幕工程(图1),据2018年后帷幕孔水位,水质和矿坑涌水量监测数据,表明:

(1)2019年水库蓄水以来,黔江水位短期显著抬升后,持续保持52 m高水位(图3);同时帷幕线北段东侧G22水位与河水位变化一致,而西侧G21水位呈缓慢下降趋势;对于帷幕中段(G18、G19)到南段(G14、G15)东西侧水位目前未显示出明显差异性。总体表明,帷幕北段具有一定的防治河水补给矿区的效果,而中段及南段止水效果整体不显著。

图3 G14-G22孔地下水位动态图

(2)2018-2019年东帷幕施工后,矿坑涌水量呈显著增加迹象,帷幕效果尚未突显;2020年东帷幕补强后,矿坑涌水量增长缓慢,同年7-8月,对联道涌水段侧壁、顶板实施灌浆止水试验后,本段涌水量由300 m3/h减少至75 m3/h,表明东侧帷幕灌浆具有一定的堵水效果;2021年矿坑涌水量总体增长明显,其中-70 m中段涌水量占全坑63%,同时矿区西侧-70 m中段也发生了溶洞突水,初期最大涌水量为1 000 m3/h,这表明西侧仍有较大的充水水源。

(3)东帷幕孔G14-G22(除G21外)水质组成和黔江河水较为相似(图4),与上述水位分析结果一致,表明东帷幕北段相比中段及南段的止水效果更显著;同理矿区西侧G06-G10和官桥组G24-G26、G30孔地下水也可能受到黔江河水补给,结合实际调查,黔江至矿区西侧可能存在地下水强径流带,岩层岩溶裂隙发育,以及近年来官桥组中不断出现的降落漏斗和塌陷坑,成为黔江河水倒灌补给矿坑的新路径。

图4 水质分析热点图

2 矿坑涌水量时间变化特征

2.1 年际及年内变化

根据大岭矿段2012-2021年降水量、矿坑涌水量和东侧黔江水位监测数据,分别绘制其历时曲线(图5)。近10 a平均涌水量为808.6 m3/h,最低为2013年3月的614.1 m3/h,最高为2021年9月的1 270.4 m3/h。多年黔江水位峰值基本与降水量峰值同步,而涌水量峰值存在明显的滞后性;雨季及汛期多集中在6-8月份,而涌水量峰值在9月份,滞后时间约2～3个月;并且汛期降水量占全年降水量的59.3%,而同期涌水量仅占全年34.4%,这表明黔江河水对矿坑地下水补给程度可能大于降水。

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进行相关性分析,得到涌水量-降水量和涌水量-黔江水位的线性回归方程分别为:y=-0.319x+1044.64和y=26.798x+257.836,相关系数分别为0.253和0.833。这也表明矿坑涌水量与黔江水位的关系更密切,受黔江水位的影响明显大于降水量的影响。

2.2 涌水量突变分析

在时间序列分析中,突变分析多用于确定数据系列的突变特征。采用Mann-Kendall检验法[11],结合黔江水位历时变化,对2012-2021年月均涌水量序列进行突变分析,其原理如下:

假设涌水量序列X,(包括n个数据),构造一个秩序列:

(1)

(2)

式中:秩序列Sk表示不同时刻数值x的比较后,系数ri的总和。

假设数据系列完全随机,计算统计量UFk和UBk:

(3)

(4)

(5)

式中:E(Sk)和Var(Sk)分别是Sk的均值和方差;UFk为时间序列X的顺序统计量。

基于上述公式,再按时间序列X的逆序计算统计量UBk,令k=n,n-1,…,1,UBk=-UFk,最终得到统计序列UFk和UBk曲线。给定显著性水平α=0.002 6,通过正态分布表确定对应的Uα=±3。若UFk>Uα,则表明序列变化趋势显著[12],当UFk大于0时,序列呈上升趋势,否则呈下降趋势。当置信区间|U|≤3出现交点时,该点为当前置信度下的突变点[13]。

图6 多年矿坑涌水量突变分析图

根据矿坑涌水量Mann-Kendall检验可得涌水量突变分析图(图6),表明:

(1)2012-2019年UF曲线在置信区间内上下波动,统计量UFk总体在2016年7月后大于0,涌水量表现为不规则周期变化但总体在缓慢增长,其原因与开采深度加大有关,而2020年后UF曲线超出了99.87%的置信水平(U0.0026=±3),涌水量呈显著增加趋势。

(2)UFk和UBk曲线在置信区间内存在交点,出现在2019年6月,表明涌水量在交叉点时间发生突变,该时间点后涌水量随黔江水位呈显著增长的趋势,丰枯季节性变化相较突变前不显著。

(3)结合黔江水位历时变化与突水资料可知,2019年6月矿坑-320 m中段突水,水量突增,并且同期已经进入汛期,黔江水位受降水影响明显上升,次月达到2019年前月均水位最大值45.78 m;2020年大藤峡水库蓄水后,随着黔江水位继续抬升,矿区地下水位将逐步升高,岩层间水压力将会增大,矿山开采过程中突水风险也会相应增加。

因此,2019年6月涌水量突变与汛期黔江水位抬升密切相关,后者可能增强了河水对矿坑的反补给能力,且水库蓄水延续了涌水量突变后的上升趋势。

3 矿坑突水风险评估

根据上述分析,黔江水位抬升会增强矿坑涌水能力,并存在矿坑突水的风险。矿坑突水的原因较多,不仅与降水量、黔江水位有关,而且与矿区地质-水文地质条件有关。因此,可基于层次分析法[14-15]开展矿坑突水风险评估,为盘龙铅锌矿突水防治工作提供参考。

3.1 突水风险指标及评分规则

针对矿区水文地质条件、充水条件和采掘涌水现状,选取水文地质条件复杂程度、矿坑涌水量标准分数、开挖面涌水情况等评估指标,建立矿坑突水风险评估指标体系(表1)。

对于矿坑涌水量和黔江水位定量评估指标以及探水结果等定性评估指标需要分别确定其评分规则:针对连续变化的涌水量和黔江水位,为体现其动态变化趋势,对数据进行Zscore标准化[16]后转化为相应的标准分数,并对指标标准分数划分区间,提供每个区间边界所对应的评分;本文标准分数区间均为(-3,3),评分区间为(10,90)[17];再基于线性插值法[18]计算各区间内标准分数对应的评分,计算公式见式(6):

(6)

式中:ai、j为标准分数区间内任意值,ci、j为各标准分数下对应的评分。

对于定性评估指标,可结合实际在一定范围内取值并确定相应评分。参考相关文献并结合矿区开采现状[19],确定各指标评分区间和相应评分(表1)。

表1 突水风险评估指标评分

3.2 层次模型赋权与检验

结合对矿坑充水条件和突水机理的认识,基于1～9标度法[27]对各评估指标按影响程度进行两两对比:探水结果>矿坑涌水量和黔江水位标准分数>开挖面涌水和围岩破碎情况>矿区水文地质条件,具体如表2所示。

通过构建层次分析判断矩阵,计算各指标权重,并进行一致性检验,方法如下:

假设n阶判断矩阵A:

(7)

式中:w为各指标权重值;M为矩阵A各行元素乘积的n次方根。

(8)

(9)

式中:λmax为矩阵A最大特征值;CI为一致性指标;RI为平均随机一致性指标;CR为一致性比例。

计算结果见表3,判断矩阵最大特征值λmax为10.565,一致性指标CI为0.062 8,平均随机一致性指标RI取1.486,一致性比例CR=0.042 3<0.1,表明判断矩阵通过一致性检验。

3.3 突水风险动态评估

根据2012-2020年矿坑涌水量数据,按照定量评估指标评分规则确定涌水量标准分数评分(图7),当涌水量标准分数评分低于中性值50分时,矿坑突水风险可能增加。可以看出,黔江水位与涌水量标准分数评分表现为负相关,并且2012年8月、2019年8月、2020年4、7和11月的评分与中性值50分差距较大,表明上述时间点涌水量出现异常增大的情况,存在突水风险。

结合矿坑历年突涌水资料,2012年8月出现持续强降雨,降水量达286.8 mm,期间涌水量在970.9～1 052.3 m3/h,降雨补给深度以-20～-70 m为主;2019年8月矿坑-320 m发生突水,水量达300 m3/h,同时期黔江水位为2019年前月均最高水位,岩层中泥岩等夹层可能被高压水破坏后导水,构成矿坑进水通道;2020年3月,大藤峡水库正式蓄水,黔江水位上升至48～52 m,矿山开采面临黔江水位逐步上升的高水压影响,涌水量也随之增加;同年6-8月在强降雨和水库蓄水影响下,黔江水位最高为55.32 m,涌水量达到全年最大1 052.13 m3/h,并且矿区中心和北侧均出现岩溶塌陷,伴随着地表积水下灌可能造成矿坑突水;同年11月降雨补给矿坑影响程度减弱,黔江水位受水库蓄水影响保持52 m左右标高的高水位,河水至矿区充水断面增高,加上东侧低洼地带存在导水裂隙带等通道,与地表水贯通而导致突水。

表3 突水风险评估判断矩阵及各指标权重

图7 2012-2020年黔江水位和矿坑涌水量标准分数评分统计

基于层次分析法求得各指标权重后,将指标权重与评分加权求和确定矿坑突水风险总得分(图8)。2012-2020年矿坑突水风险总得分在52.33～73.77分之间,呈逐年下降趋势,但大于中性值50分,总体较为安全。2019年前评分曲线为丰枯季节性变化,但同年7月表现为异常下降趋势,次年7月达到历年最低52.33分;结合涌水量突变与趋势分析,黔江水位大幅抬升是其主要成因,补给断面的增大以及多种导水通道的形成与扩大均可能导致矿坑突水。该评估结果与实际突水情况基本一致,总体适用性较高。

综上所述,由于大藤峡水库蓄水和汛期强降雨影响,矿区突水风险总得分随黔江水位升高而持续降低,并且2019年后涌水量标准分数评分多次低于中性值50分,表明黔江水位抬升会在一定程度上增加盘龙铅锌矿区发生突水的风险,可能加大黔江河水到矿坑的补给程度而导致突水。但目前矿坑突水风险总得分仍在中性值以上,总体突水风险在可控范围内。