基于GIS技术的毛坪铅锌矿含水层富水性多元化归一分区研究.pdf

基于G I S技术的毛坪铅锌矿含水层富水性多元化归一分区研究李东立1,李晓雄1,章爱卫2,3(1.彝良驰宏矿业有限公司,云南 彝良县 6 5 7 6 0 2;2.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1;3.河北省矿山地下水安全技术创新中心,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1)摘 要:金属矿山传统的含水层富水性评价方法仅仅考虑了钻孔单位涌水量的影响,划分结果较为粗糙,无法有效地指导矿山生产。通过收集毛坪铅锌矿水文地质相关资料,选取渗透系数、水位降深、单位涌水量、含水层有效厚度、水样矿化度、断层发育密度和冲洗液消耗量7个因素,利用地理信息系统(G I S)的层次分析多元信息融合法,进行了含水层富水性分区,划分结果更加详细、准确,更加有利于矿山地下水的防治管理工作。关键词:铅锌矿;G I S;层次分析法;富水性评价;多源信息0 引言矿产资源是人类生存和社会发展的重要物质基础,是现代化国家经济发展和战略安全的重要保障12。据统计,世界范围内约8 0%的工业原料、7 0%的农业生产资料都取自各类金属矿产资源,如金、银、铜、铁、铅、锌等。我国是世界上最大的铅和锌生产国之一,分别占全球铅和锌供应量的5 3.3%和3 6.5%。我国最大的铅锌矿床位于云南 四川 贵州的铅锌成矿三角洲,包含4 0 0多个不同规模的矿床34。这些矿床主要分布在岩溶含水层中,如石炭系岩溶含水层和泥盆系岩溶含水层;并且各类地质构造十分发育,给矿山的安全高效开采带来了极大的突水威胁,极易造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失56。诱发矿山突水的因素很多,如地质结构、开采条件、含水层特征等。但是,突水的程度是由含水层的富水性决定的,地下开采过程中,如果含水层的水量丰富,一旦揭露会造成严重的突水事故甚至淹井。然而,金属矿山含水层的富水性又是极不均一的,因此对含水层富水性进行客观、全面、准确的评价对于矿体的安全高效开采至关重要。近几年,众多学者采用多种方法对富水性评价进行研究,其中主要包含层次分析法、距离函数法、集对分析法、现场勘测法和单位涌水量法79。滇东北毛坪铅锌矿是扬子地块西南缘之川 滇 黔铅锌多金属成矿区域的重要组成部分之一,处于小江深断裂东侧滇东北坳陷盆地东北部,展布于S N向小江深断裂带、NW向紫云 垭都深断裂带及N E向弥勒 师宗深断裂带所围成的“三角区”内,因多期次构造叠加复合强烈、地质环境多变,矿床水文地质条件复杂,地下含水系统空间分布、含水层富水性具不均一性特点。若采用传统的单位涌水量法进行富水性评价,评价效果可能与实际不符,增加防治水措施的经济成本。因此,本文采用层次分析法结合矿山实际地质资料以及工程资料构建富水性评价指标体系,建立富水性评价模型并对富水性进行分区。该方法考虑了金属矿山复杂地质条件,融合了多源评价指标后进行含水层富水性分区,划分结果更加准确、高效,可以指导类似矿山的安全生产。1 矿区概况矿区位于长江上游高山峡谷区,北部、西北部为二迭系峨嵋山组玄武岩隔水边界、南部及东部为地表分水岭,地势南高北低,地表自南往北流经整个矿区。矿区出露的地层由老到新有泥盆系上统宰格组(D3z g),石炭系丰宁统(C1f)、威宁统(C2w),二叠系下 统 梁 山 组(P1l)、二 叠 系 下 统 栖 霞 茅 口 组(P1q+m)、二叠系上统峨眉山组(P2)。铅锌矿赋存于石门坎背斜转折端西翼泥盆系和石炭系灰岩、白云岩层间裂隙带中。受石门坎倒转背斜的影响,北西翼地层近乎直立或倒转,南东翼地层则相对平缓。伴随发育的约有4 6条断层,不同期次的断层相互交叉,相互影响,和石门坎背斜共同控制了整个毛坪铅锌矿岩溶地下I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3水系统。石门坎背斜倾末端的二叠系栖霞茅口组灰岩(P1q+m)岩溶裂隙水透水性、富水性极强,是补给矿坑水的重要充水水源。二叠系梁山组相对隔水层(P1l),受构造影响,多处缺失,成为了外围水源补给矿坑水的重要导水通道。受构造作用控制,不同地段、不同深度含水层透水性、富水性空间分布极不均一。近年来,随着开采中段延伸,围岩水头压力、矿坑涌水量明显增大,2 0 1 0年以来水患问题逐渐凸显。2 0 1 2年发生5.7级地震,矿山断电淹井、排水量增大,使矿区水文地质条件更加复杂。因此,如何正确认识矿山不同区段地层的富水性,并及时采取相应的防治水措施,是矿山安全生产的重要工作,本文利用地理信息系统(G I S)的层次分析多元信息融合法,通过收集毛坪铅锌矿水文地质相关资料,选取多种因素进行含水层科学合理的富水性分区评价。2 富水性分区评价2.1 评价方法首先利用地理信息系统(G I S)空间符合叠加功能对空间各项因素的转换及计算建立基本数据库,然后利用层次分析法(AH P)对渗透系数、水位降深、单位涌水量、含水层有效厚度、水样矿化度、断层发育密度和冲洗液消耗量7个主控因素进行权重分析并建立起地理信息系统(G I S)中可以识别的富水性权重函数公式,最后对各项因素进行归一化叠加处理并在地理信息系统(G I S)中成图评价,技术路线如图1所示。图1 技术路线2.2 确定各主控因素指标权重2.2.1 建立层次结构分析模型富水性评价是模型的目标层(A层次);渗流场特征、含水层特征、构造发育特征等反映了含水层的富水性的程度为模型的准则层(B层次);各个具体的主控因素为本模型的决策层(C层次),模型如图2所示。图2 层次分析结构模型2.2.2 判断矩阵构建含水层富水性评价、渗流场特征、含水层特征、构造发育特征判断矩阵分别见表1、表2、表3、表4。表1 含水层富水性评价(A)判断矩阵AB 1B 2B 3B 1145B 21/415B 31/51/21 单 层 次 排 序 权 重 向 量 为 0.6 8 3 3,0.1 9 9 9,0.1 1 6 8,一致性检验比值C R=0.0 2 1 0.1,符合一致性检验。表2 渗流场特征(B 1)判断矩阵B 1C 1C 2C 3C 1131/2C 21/311/4C 3241 单 层 次 排 序 权 重 向 量 为 0.3 1 9 6,0.1 2 2 0,0.5 5 8 4,一致性检验比值C R=0.0 1 5 0.1,符合一致性检验。表3 含水层特征(B 2)判断矩阵B 2C 4C 5C 413C 51/31881采矿技术2 0 2 3,2 3(3)单层次排序权重向量为0.7 5,0.2 5,一致性检验比值C R=0,符合一致性检验。表4 构造发育特征(B 3)判断矩阵B 3C 6C 7C 612C 71/21 单层次排序权重向量为0.6 7,0.3 3,一致性检验比值C R=0,符合一致性检验。2.2.3 层次总排序权重值各层次指标权重相对于目标层指标的总排序权重值,总排序一致性检验C R=0.0 1 20.1,符合一致性检验。各层次指标权重见表5。表5 各层次指标权重目标层准则层权重决策层权重AB 10.6 8 3 3B 20.1 9 9 9B 30.1 1 6 8C 10.2 1 8 4C 20.0 8 3 3C 30.3 8 1 6C 40.1 4 9 9C 50.0 5 0 0C 60.0 7 7 9C 70.0 3 8 92.3 数据归一化处理选取了矿区范围内施工的2 7个水文地质钻孔的数据进行评价,见表6。7个主控因素单位及物理含义各不相同,并且数值范围相差较大,为消除各主控因素之间因不同物理量纲对评价结果带来的影响,采用归一化方法,把各主控因素映射到01范围内进行处理。处理公式见式(1)。A=Xi-Xm i nXm a x-Xm i n(1)式中,A为归一化处理后的数据;Xi为归一化处理前的原始数据;Xm a x、Xm i n分别为归一化处理前原始数据的最大值与最小值。2.4 确定富水性评价模型引入富水性指数C I的初始模型来对充水含水层富水性进行评价。富水性指数的定义为某一地区某一地段某一位置上的各种信息对其产生的叠加影响总和,用式(2)模型公式表示。C I=nk=1Wkfk(x,y)(2)表6 决策层(C)各指标原始数据钻孔渗透系数/(m/d)水位降深/m单位涌水量/(L/(sm)含水层有效厚度/m水样矿化度/(m g/L)断层发育程度钻孔冲洗液消耗量/(m3/h)B K 0 1 0.1 4 3.7 81.6 81 8 1.6 2 8 2 2.7 2 0.6 5 5.4 0B K 0 2 0.3 6 1 1.9 00.5 01 5 4.2 5 5 5 4.4 7 5.7 2 5.2 8B K 0 3 0.2 6 1 0.3 20.4 61 9 8.8 3 5 7 5.3 5 5.7 2 5.6 3B K 0 4 0.0 7 9.8 80.0 91 6 0.4 0 4 0 4.1 5 5.7 2 3.1 3B K 0 5 0.1 8 6.3 00.4 31 5 8.2 0 4 5 8.9 5 5.7 2 5.5 1B K 0 6 0.0 9 7.2 00.6 59 2.6 3 4 5 5.8 6 3.7 1 5.1 2B K 0 7 0.8 2 6.5 00.7 89 8.3 2 4 6 6.2 3 3.7 1 6.6 2B K 0 8 0.4 0 6.8 00.7 56 8.5 0 4 7 5.2 5 3.7 1 3.3 3B K 0 9 0.3 3 1 1.9 00.4 29 4.7 5 5 0 0.3 3 3.7 1 5.1 0B K 1 0 0.0 0 1 2.5 00.7 19 5.9 0 4 9 8.4 5 3.7 1 2.1 8B K 1 1 0.0 1 9.6 00.2 49 9.0 0 1 0 4 8.3 0 5.0 9 3.4 0B K 1 2 0.0 2 3.8 60.3 89 1.9 0 1 0 7 6.1 9 1.9 8 2.4 0B K 1 3 0.1 1 7.4 40.2 71 0 3.3 0 1 1 9 4.0 0 1.3 9 3.5 7B K 1 4 0.0 1 1 5.6 00.2 24 9.0 3 4 8 0.6 6 1.0 6 0.0 0C K 0 1 0.9 7 8.9 20.6 21 0 6.8 5 2 9 4.7 6 1.9 2 1.3 6C K 0 2 0.0 3 2 0.5 00.0 31 6 2.6 5 6 9 5.2 2 5.0 9 1.8 9C K 0 3 0.8 9 1 2.5 00.2 65 3.3 4 4 5 0.2 2 3.7 1 1.3 5C K 0 4 0.0 5 1 5.5 00.0 39 7.3 3 1 5 0.1 5 2.6 3 2.1 2C K 0 9 0.0 1 2.3 00.0 18 9.7 0 3 0 0.2 0 2.5 1 3.4 0D K 0 1 0.3 7 2.2 00.0 11 6 8.7 3 5 5 0.3 0 5.8 5 3.5 0D K 0 2 0.3 2 3.1 00.2 02 3 3.7 3 6 9 5.5 0 5.8 5 4.6 0D K 0 3 0.5 1 3.6 00.4 79 5.9 1 7 0 0.2 0 5.8 5 1.5 2D K 0 4 0.4 8 5.6 00.3 91 1 9.3 4 9 3 2.2 9 1.9 2 3.8 5D K 0 5 0.0 4 6.2 00.0 31 5 0.7 2 9 5 4.9 1 3.1 8 4.8 9D K 0 6 0.0 2 3.5 00.0 21 1 9.4 8 9 4 6.2 1 1.3 9 2.7 8D K 0 7 0.0 1 2.2 00.0 18 0.6 8 8 8 8.3 0 1.3 9 1.8 0D K 0 8 0.0 1 3.1 00.0 11 1 5.5 5 6 3 1.1 9 1.