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黄金科学技术 ›› 2019, Vol. 27 ›› Issue (3): 406-416.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.406

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    

滨海矿山矿坑涌水源识别与混合比研究

段学良1,2,3(),马凤山1,2(),赵海军1,2,郭捷1,2,顾鸿宇1,2,3,刘帅奇1,2,3   

  1. 1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029
    2. 中国科学院地球科学研究院，北京 100029
    3. 中国科学院大学，北京 100049
  • 收稿日期:2018-07-31 修回日期:2018-09-15 出版日期:2019-06-30 发布日期:2019-07-09
  • 通讯作者: 马凤山 E-mail:13051876966@163.com;fsma@mail.iggcas.ac.cn
  • 作者简介:段学良（1994-），男，河北泊头人，博士研究生，从事矿山水文地质与工程地质研究工作。13051876966@163.com
  • 基金资助:
    国家重点研发计划专题“黄渤海不同类型海岸带海水入侵发生机理研究”（编号：2016YFC0402802）和国家自然科学基金重点项目“海底采矿对地质环境的胁迫影响与致灾机理”(41831293)

Study on Water Sources Identification and Mixing Ratios of Mine Water

Xueliang DUAN1,2,3(),Fengshan MA1,2(),Haijun ZHAO1,2,Jie GUO1,2,Hongyu GU1,2,3,Shuaiqi LIU1,2,3   

  1. 1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
    2. Institutions of Earth Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
    3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
  • Received:2018-07-31 Revised:2018-09-15 Online:2019-06-30 Published:2019-07-09
  • Contact: Fengshan MA E-mail:13051876966@163.com;fsma@mail.iggcas.ac.cn

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444

摘要：

通过水化学和同位素分析，并利用主成分分析法（PCA）确定了三山岛金矿西山矿区井下巷道的涌水来源为海水、375-20（Mg）、淡水和320-7（Ca），其中375-20和320-7均为基岩水，但其水化学特征明显不同，前者是富Mg型基岩水，而后者是富Ca型基岩水。据此建立了巷道涌水的混合模型，在此基础上结合极大似然法计算得到巷道涌水混合比，分析其演化规律。研究表明：该方法能够有效识别涌水来源，并计算水样混合比；海水在各端元中占比最大，是混合水的主要成分，各期水样海水比例在50%左右波动；海水比例较高的中段为-510 m中段，在此中段处于1660和2230勘探线之间的水点，各期海水比例大于50%，尤其是510-2水样点，海水比例最高达到77%；淡水主要影响范围是-465 m及以上中段；F3断裂带受采动影响较大，其周围的水样点海水比例波动大，需加强对该断裂带的监测。

关键词: 水化学同位素分析, 主成分分析（PCA）, 涌水源, 混合比, 三山岛金矿

Abstract:

Sanshandao gold mine is located in the Laizhou Bay， eastern China.Its north and west sides are bordering the Bohai sea， only the southeast side is connected to the land.The mining operations are below the sea level， so the sea water is the potential threat to the mine.In order to predict and prevent water inrush disaster， it is important to identify the mine water source and determine the mixing ratios.In view of the identification of water source in mine tunnel， domestic and foreign scholars have done a lot of research.At present， the methods of mine water source identification are neuron network method， based on entropy weight-fuzzy variable set theory， clustering analysis， distance discriminant analysis and Fisher discriminant method.These methods can make a good distinction for water with simple composition， and are only qualitative identification for the composition of the complex water source， and there is no quantitative determination of mixing ratios of the mine water.Based on hydrogeochemical and isotopic analysis， the method of principal component analysis （PCA） was used to identify the mine water sources （seawater， 375-20 Mg， freshwater and 320-7 Ca） of Sanshandao gold mine and established the mixing model of mine water.The 375-20 （Mg） and 320-7 （Ca） are both brine but have different hydrochemical characteristics.The 375-20 is rich in Mg and the 320-7 is rich in Ca.The first， the second and the third components of the PCA method explained 88% of the information of the water samples， so the water sample can be represented by these three principal components.The end-members mixing ratios were calculated by the maximum likelihood method and the evolution rules of mine water were analyzed according to the calculation results.Unlike the traditional method， the maximum likelihood method holds that the end-member concentration is not a fixed value， but a change in time and space， and the influence of mining on the end-member can be effectively reflected by this method.The research shows that the method can effectively identify the water sources and calculated the mixing ratios.The seawater is the main component of mixed water and for the entire mine the proportion of the seawater fluctuated around 50% every year， the proportion of 375-20（Mg） and freshwater fluctuated around 20% and the 320-7（Ca） flucated around 10%. At -510 m sublevel， the mine water has a high proportion of seawater. At most of the water sites which are located between the prospecting lines 1660 and 2230，the proportion of seawater are more than 50%， especially at 510-2， the highest proportion is 77%. The main range affected by fresh water is 465 m sublevel and above. F3 fault is greatly affected by the mining， and the proportion of seawater of sites around which fluctuate greatly， so the monitoring of F3 fault needs to be strengthened.

Key words: hydro-chemical and isotope analysis, principal component analysis （PCA）, mine water source, mixing ratios, Sanshandao gold mine

中图分类号: 

  • TD742

图1

研究区及断层、裂隙位置分布图"

图2

采样点位置分布图"

表1

水样各离子及同位素等指标浓度分析结果"

分析项目 样品数/个 最大值 最小值 平均值 标准差
δ 18O 166 -1.05 -5.60 -2.17 0.84
δD 166 -2.83 -43.25 -17.87 7.47
K+ 166 370.00 35.50 234.02 58.48
Na+ 166 20 000.00 6 225.00 10 642.68 2 001.47
Ca2+ 166 5 090.20 424.80 1 208.63 674.82
Mg2+ 166 3 030.20 194.40 1 195.90 372.70
Cl- 166 40 196.80 12 028.20 20 427.46 4 325.73
SO4 2- 166 3 842.40 1 306.40 2 435.44 387.91
pH 166 7.81 4.57 7.24 0.41
EC 166 64 700.00 28 700.00 43 052.41 6 400.57
TH 166 17 764.20 4 833.90 7 913.88 2 240.06
TDS 166 69 666.10 22 020.10 36 333.21 7 176.00

图3

水样δ 18O 和δD关系图"

表2

主成分分析主要计算结果"

项目 第一主成分 第二主成分 第三主成分
特征值 6.030 2.440 1.165
贡献率/% 54.82 22.18 10.59
累计贡献率/% 54.82 77.00 87.59
δ 18O 0.041 0.923 0.185
δD -0.029 0.790 0.259
K+ 0.061 0.777 -0.501
Na+ 0.888 0.165 0.354
Ca2+ 0.827 -0.367 -0.315
Mg2+ 0.420 0.134 0.813
Cl- 0.940 0.049 0.312
SO4 2- 0.503 0.249 0.623
EC 0.910 0.171 0.130
TH 0.890 -0.177 0.334
TDS 0.933 0.071 0.334

图4

所有水样的主成分相关关系图"

表3

目标函数值计算结果"

年份 目标函数值 年份 目标函数值
2009 -0.00081 2013 -0.00024
2011 -0.00009 2014 -0.00019
2012 -0.00028 2015 -0.01955

表4

所有水样的混合比计算结果"

点号 海水 375-20 Mg 淡水 320-7 Ca 点号 海水 375-20 Mg 淡水 320-7 Ca
105-1a 0.46 0.18 0.26 0.11 510-4b 0.64 0.16 0.21 0.00
105-1b 0.51 0.12 0.34 0.03 510-5a 0.58 0.18 0.20 0.04
150-1a 0.28 0.14 0.49 0.09 510-6a 0.59 0.15 0.21 0.05
150-1b 0.35 0.14 0.51 0.00 510-6b 0.67 0.13 0.19 0.01
150-1c 0.32 0.12 0.52 0.04 510-7a 0.32 0.44 0.13 0.11
150-1d 0.29 0.06 0.10 0.55 510-8c 0.68 0.07 0.19 0.07
195-1a 0.53 0.00 0.24 0.23 510-9d 0.59 0.19 0.22 0.00
195-1b 0.52 0.11 0.27 0.10 510-10d 0.59 0.16 0.25 0.01
195-1c 0.45 0.10 0.30 0.16 510-11f 0.14 0.70 0.14 0.02
195-1d 0.50 0.11 0.29 0.11 510-12f 0.31 0.44 0.26 0.00
240-1a 0.48 0.32 0.14 0.05 510-13f 0.38 0.40 0.22 0.00
240-2a 0.54 0.26 0.17 0.03 510-15f 0.39 0.39 0.22 0.00
240-3a 0.29 0.50 0.07 0.15 510-16f 0.31 0.47 0.22 0.01
240-4a 0.55 0.26 0.19 0.00 510-16kf 0.43 0.36 0.21 0.00
240-5a 0.60 0.00 0.34 0.06 555-1a 0.65 0.06 0.17 0.13
285-1a 0.24 0.37 0.25 0.14 555-1c 0.64 0.14 0.17 0.05
285-1b 0.39 0.21 0.22 0.18 555-1d 0.16 0.11 0.28 0.45
285-1c 0.40 0.16 0.20 0.23 555-2a 0.37 0.42 0.00 0.21
285-1d 0.28 0.20 0.30 0.23 555-3a 0.56 0.16 0.21 0.08
285-2a 0.56 0.15 0.20 0.09 555-3b 0.56 0.19 0.21 0.04
285-2b 0.65 0.13 0.19 0.04 555-3c 0.34 0.24 0.20 0.22
285-2d 0.38 0.07 0.22 0.34 555-3d 0.37 0.09 0.22 0.32
285-3a 0.00 0.30 0.45 0.25 555-4a 0.54 0.23 0.18 0.04
285-3b 0.02 0.25 0.48 0.25 555-4b 0.66 0.16 0.18 0.00
285-3c 0.06 0.17 0.44 0.34 555-4c 0.63 0.16 0.20 0.02
285-3d 0.07 0.32 0.37 0.24 555-4d 0.62 0.15 0.23 0.00
320-8e 0.15 0.67 0.02 0.15 555-5a 0.53 0.23 0.19 0.05
320-9e 0.26 0.58 0.06 0.11 555-5b 0.41 0.39 0.13 0.06
330-1a 0.44 0.13 0.14 0.29 555-5c 0.50 0.18 0.14 0.18
330-1b 0.43 0.11 0.14 0.31 555-6a 0.37 0.39 0.12 0.12
330-2a 0.60 0.07 0.18 0.15 555-6b 0.45 0.40 0.12 0.04
375-1a 0.52 0.28 0.18 0.03 555-7b 0.73 0.07 0.16 0.04
375-1b 0.54 0.23 0.22 0.01 600-1a 0.35 0.39 0.13 0.12
375-1c 0.52 0.24 0.20 0.03 600-1b 0.42 0.36 0.18 0.04
375-1e 0.57 0.23 0.20 0.00 600-1c 0.49 0.34 0.15 0.03
375-2a 0.57 0.24 0.14 0.05 600-1d 0.52 0.20 0.22 0.07
375-3a 0.64 0.15 0.16 0.05 600-1e 0.28 0.24 0.20 0.28
375-3b 0.69 0.07 0.21 0.03 600-2a 0.39 0.38 0.13 0.10
375-3d 0.60 0.13 0.21 0.06 600-2b 0.48 0.38 0.14 0.00
375-4a 0.63 0.12 0.16 0.10 600-2c 0.46 0.39 0.15 0.01
375-4b 0.61 0.09 0.20 0.10 600-2d 0.58 0.17 0.21 0.05
375-4c 0.60 0.10 0.15 0.14 600-3a 0.30 0.49 0.09 0.12
375-4d 0.55 0.09 0.19 0.17 600-3b 0.38 0.45 0.12 0.05
375-4e 0.60 0.08 0.15 0.17 600-3c 0.43 0.39 0.13 0.05
375-5a 0.35 0.26 0.20 0.19 600-4b 0.48 0.36 0.14 0.03
375-5b 0.40 0.23 0.22 0.16 600-4c 0.45 0.40 0.10 0.06
375-5c 0.33 0.25 0.25 0.17 600-5b 0.33 0.45 0.14 0.08
375-5d 0.30 0.23 0.26 0.22 600-5c 0.41 0.35 0.17 0.06
375-5e 0.42 0.07 0.17 0.33 600-5d 0.31 0.43 0.21 0.05
375-6a 0.42 0.11 0.12 0.36 600-6c 0.56 0.23 0.15 0.06
375-6b 0.37 0.13 0.17 0.34 600-6d 0.12 0.46 0.24 0.18
375-6f 0.55 0.20 0.24 0.00 600-6e 0.60 0.17 0.20 0.04
375-7a 0.40 0.16 0.17 0.27 600-7c 0.47 0.37 0.15 0.02
375-7e 0.66 0.14 0.17 0.03 600-8c 0.42 0.43 0.12 0.04
375-7f 0.57 0.23 0.19 0.01 600-8d 0.45 0.33 0.22 0.00
375-8a 0.52 0.13 0.18 0.17 600-9c 0.43 0.42 0.12 0.03
375-8b 0.46 0.03 0.13 0.37 600-9d 0.35 0.47 0.18 0.00
375-8e 0.57 0.32 0.10 0.01 600-10d 0.71 0.09 0.18 0.02
375-8f 0.57 0.39 0.00 0.04 600-11e 0.00 0.37 0.12 0.52
375-9e 0.62 0.23 0.15 0.00 600-12e 0.22 0.38 0.16 0.24
375-9f 0.59 0.19 0.22 0.00 600-13e 0.46 0.28 0.17 0.10
375-10f 0.53 0.25 0.20 0.02 600-14e 0.54 0.19 0.20 0.07
375-11f 0.33 0.57 0.10 0.00 600-15e 0.65 0.15 0.19 0.01
375-12f 0.31 0.55 0.13 0.01 600-16e 0.64 0.12 0.21 0.03
375-13f 0.20 0.68 0.11 0.02 600-17e 0.65 0.08 0.21 0.06
420-1a 0.44 0.18 0.24 0.13 600-17f 0.42 0.15 0.25 0.18
420-1c 0.49 0.20 0.20 0.10 600-18e 0.69 0.08 0.20 0.04
420-2a 0.41 0.26 0.16 0.17 600-18f 0.55 0.19 0.25 0.01
465-1a 0.47 0.26 0.12 0.15 600-19e 0.70 0.08 0.20 0.03
465-1b 0.38 0.18 0.19 0.25 600-20f 0.53 0.24 0.19 0.04
465-1c 0.45 0.00 0.33 0.22 600-21f 0.38 0.15 0.22 0.24
465-2a 0.34 0.13 0.17 0.36 600-22f 0.58 0.18 0.24 0.01
465-2c 0.30 0.12 0.23 0.35 600-23f 0.59 0.17 0.24 0.01
510-1a 0.65 0.15 0.10 0.10 645-1f 0.31 0.46 0.23 0.01
510-1b 0.71 0.08 0.18 0.04 645-2f 0.25 0.41 0.29 0.06
510-1c 0.59 0.24 0.17 0.00 645-3f 0.32 0.44 0.23 0.01
510-2a 0.70 0.09 0.11 0.10 645-4f 0.32 0.47 0.19 0.03
510-2b 0.77 0.07 0.15 0.02 690-1f 0.23 0.54 0.22 0.01
510-2c 0.64 0.09 0.21 0.06 690-1kf 0.29 0.37 0.34 0.00
510-3a 0.62 0.15 0.15 0.09 690-2c 0.48 0.42 0.11 0.00
510-3b 0.63 0.15 0.19 0.04 690-2f 0.31 0.43 0.26 0.00
510-4a 0.60 0.15 0.14 0.11 690-2kf 0.32 0.44 0.23 0.01

图5

每期水样所有水点混合比平均值"

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