CN109490499B - 一种充填体水质动态监测与预测方法 - Google Patents

一种充填体水质动态监测与预测方法 Download PDF

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Abstract

一种充填体水质动态监测与预测方法，其步骤包括：开凿监测巷道；在巷道中钻取不同角度的钻孔；制作并安装渗流水收集装置；每过一段时间对各个钻孔中的渗流水取样检测其有毒有害物质含量Px和渗流水pH值，与国家标准规定值进行对比，判断水质是否达到环保要求，实现水质的动态监测；检测一定次数如未出现不符合标准要求则停止检测，对已取得的渗流水中Px和渗流水pH值与渗流高度h和渗流时间t的数据进行回归分析，得出Px和pH值与h、t之间的关系式，利用该关系式预测一定时间后渗流水水质是否符合标准要求。该方法检测范围大，充填体渗流水与岩体渗流水隔开，检测结果准确可靠；通过预测可节省监测时间和人工费用。

Description

一种充填体水质动态监测与预测方法
技术领域
本发明涉及地下水水质安全监测，特别是一种地下水在充填体中渗流后水质动态监测与预测方法。
背景技术
随着可持续发展理念的提出和国家对安全环保的重视，利用充填采矿法实现安全开采已经越来越成为矿山解决环保问题的重要手段。使用充填采矿法开采矿石能够最大程度的利用矿山尾废材料、控制地压和减轻尾矿库压力，很好的保护环境。但充填采矿时所采用的充填体尾砂中含有浮选药剂、重金属等污染物，将其充填至井下，地下水在充填体中渗流后其水质会发生变化，导致地下水中有毒有害物质有时会超标，对整个矿区的地下水系造成污染。
地下水在充填体中渗流后的水质受充填体所处位置、充填体尺寸形态、充填体受力状态、充填体附近地下水环境、充填体物理性质等多种因素的影响，导致无法从理论层面对渗流后的地下水水质进行分析。
为了对地下水在充填体中渗流后的水质进行检测，国内外学者开展了大量的有关地下水在充填体中渗流后水质监测与分析的研究。
CN201510208552.6专利文献公开了一种金属矿山尾砂胶结充填对地下水重金属含量影响评价方法。该方法采集金属矿山尾砂性质、不同来源地下水重金属含量及全年平均水流速度数据，采用滴灌浸泡分析法进行试验，得到不同来源地下水浸泡充填体试块90～365天后对地下水重金属含量的影响参数，对滴灌浸泡分析法的试验结果进行地下水单项污染指数及综合污染指数评价，依据该评价结果划分出五个地下水质量级别，为实际充填生产提供一定的技术指导。该方法虽提出了一套完整的充填体对地下水质影响评价方法，但采用静态浸出法获得地下水水样，未充分考虑充填体所处位置、地下水环境、受力等因素，检测结果与实际情况相符程度不够，用于指导生产误差较大。
CN200910029614.1专利文献公开了一种充填开采多信息动态监测方法。该方法是在监测断面的采空空间范围内布置水文综合测试仪、垂直位移计、水平位移计等，通过检测垂直位移、水平位移、水质等信息，实现充填开采多信息动态监测。该方法只能检测巷道断面处的水质信息，受巷道与充填体位置的影响，不能保证巷道断面处的水质为充填体渗水，不能确定水质受充填体渗流影响程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可动态监测、监测结果准确、并能根据有限的监测数据提前预测充填体中渗流水水质的充填体水质动态监测与预测方法。
为实现上述目的，本发明提供的充填体水质动态监测与预测方法，包括以下步骤：
步骤1、开凿监测巷道
根据充填体在矿体中的位置，在充填体底部距充填体距离a为5-10m的位置开凿一条平行于充填体走向、高度d为2.5-3.5m的监测巷道，其中充填体的高度为b、宽度为c，倾角为β；
步骤2、钻取倾斜钻孔
在开凿的监测巷道中沿平行于充填体走向钻取相互间隔、穿过并直达充填体边界的一组倾斜钻孔，每个倾斜钻孔与充填体底面的角度α自15°开始按5°-10°递增，最大角度的倾斜钻孔以不能超出充填体上表面为止，倾斜钻孔数量应不少于5个；
步骤3、制作渗流水收集装置
所述渗流水收集装置包括渗流水收集管、渗流水隔离管、膨胀锁紧装置连接软管和渗流水储存装置；
所述渗流水储存装置由能够储存7～10天渗流水并带有计量刻度的水桶构成，用于收集和储存渗流水，并具有计量渗流水量的功能；所述连接软管由一定长度的塑料软管构成，用于连接渗流水储存装置和渗流水隔离管，将由渗流水隔离管中流出的水导入渗流水储存装置中；所述渗流水隔离管由直径与倾斜钻孔直径相配合的塑料软管构成，其长度等于倾斜钻孔在充填体外的长度(当监测巷道位于充填体下盘时长度为atanβ/(tanα+tanβ)cosα，当监测巷道位于充填体上盘时长度为atanβ/(tanβ-tanα)cosα)，渗流水隔离管置于倾斜钻孔中，前端贴靠充填体，后端伸出倾斜钻孔，用于收集地下水在充填体中渗流后所产生的渗流水；所述膨胀锁紧装置由膨胀止水条或延时膨胀材料构成，位于渗流水隔离管的前端内部，将渗流水收集管下部置于其轴向中心，通过其膨胀将充填体渗流水与岩体渗流水相隔离；渗流水收集管将地下水在充填体中渗流后产生的渗流水导入渗流水隔离管中；
步骤4、在倾斜钻孔中安装渗流水收集装置
将所述渗流水收集装置中的渗流水隔离管、膨胀锁紧装置和渗流水收集管置于倾斜钻孔中，膨胀锁紧装置在与水接触后开始膨胀，并产生一定的膨胀压力，将渗流水隔离管与渗流水收集管固定在倾斜钻孔中，通过膨胀锁紧装置和渗流水隔离管将充填体渗流水与矿体渗流水隔离，保证所收集的渗流水均为地下水在充填体中渗流后的渗流水，渗流水不受周围岩体的地下水影响；地下水在充填体中渗流后产生渗流水，渗流水进入倾斜钻孔中后沿着倾斜钻孔、渗流水收集管、渗流水隔离管、装置连接软管进入渗流水储存装置中；
步骤5、自渗流水储存装置中收集的渗流水水量达到取样要求时开始，每过一段时间T(根据渗流水的流量确定)将各个渗流水储存装置中的渗流水取样至地表，送至水质检测中心，检测渗流水中的有毒有害物质(包括浮选药剂、重金属等)含量Px(x为有毒有害物质Cd、Ni、Pb、Cr、As、Mn、Zn等)和渗流水pH值，将其与《地下水质量标准》(GB/T14848－93)Ⅲ类标准规定的限值进行对比，判断水质是否符合标准要求，只要出现有不符合标准要求者，则停止继续检测，针对渗流水污染源及时采取避免地下水被充填体渗流水污染的技术措施，实现对充填体水质的动态监测；
步骤6、如按步骤5检测次数n(根据渗流时间t＝nT确定)达到一定数量仍未出现不符合《地下水质量标准》Ⅲ类标准要求时，停止检测，分别对已经检测的各个倾斜钻孔所收集的渗流水中的有毒有害物质的含量Px、渗流水pH值与渗流高度h(渗流高度为倾斜钻孔在充填体中部分的中心点距充填体顶部的垂直距离)和渗流时间t(t＝nT)的数据进行回归分析，通过理论计算或者利用统计分析软件分析Px和pH值与h、t之间的关系，得出关系式
Px＝f2(h，t)和pH＝f3(h，t)，
其中当监测巷道位于充填体上盘时：
Figure BDA0001866425310000041
当监测巷道位于充填体下盘时：
Figure BDA0001866425310000051
通过得出的关系式预测达到环保要求的检测时间(如一年或一年以上)时渗流水中的有毒有害物质的含量Px、渗流水pH值的最大值，将最大值与《地下水质量标准》(GB/T14848－93)Ⅲ类标准规定的含量限值进行对比，预测地下水在充填体中渗流后的渗流水水质是否符合标准要求，若不符合要求，应及时采取避免地下水被充填体渗流水污染的相应技术措施；若符合要求，则说明地下水在充填体中渗流后可以达到环保要求，可继续按已有方式进行充填，实现对充填体水质的预测。
与现有充填体水质监测方法相比较，本发明的优点是：
1、本发明在充填体中自下而上钻取多个倾斜钻孔，对每个钻孔中的渗流水分别进行检测，将检测范围扩大到了整个充填体；同时利用特有的渗流水收集装置将每个钻孔中的充填体渗流水与岩体渗流水相隔离，有效避免岩体渗流水混入充填体渗流水中，保证收集的渗流水不受周围岩体地下水影响，由此可大大提高了检测结果的准确可靠性。
2、本发明可预测达到一定时间后充填体中渗流水的水质是否达到国家标准要求，不必在要求的检测时间内不停地进行检测，从而可大大节省监测时间和人工费用。
附图说明
图1为本发明地下水在充填体中渗流后水质监测方法的示意图；
图2为图1中渗流水收集装置的示意图；
图3为图2中A处局部放大图。
图中符号说明：1-充填体，2-监测巷道，3-倾斜钻孔，4-渗流水收集装置，41-渗流水储存装置，42-连接软管，43-渗流水隔离管，44-膨胀锁紧装置，45-渗流水收集管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本施例为某重金属矿山嗣后充填法开采矿体。
结合图1，其充填体1沿走向长20m，高度b为40m，矿体倾角β为80°，宽度c为10m。
针对该矿山的嗣后充填开采，应对地下水经充填体渗流后的水质进行监测，以便发生污染时及时采取措施进行补救。
结合图1至图3，本实施例对地下水经该充填体渗流后的水质进行动态监测和预测的方法如下：
根据充填体1的位置，在充填体上盘与充填体距离a为10m处开凿一条沿充填体走向布置的监测巷道2，监测巷道的底板与充填体的底板为同一水平，监测巷道的高度d为3.5m。
在监测巷道顶板沿监测巷道走向相互间隔0.4m开凿十个直径为50mm、倾角α自下而上分别为15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°的倾斜钻孔3，并控制倾斜钻孔的孔深直达充填体的边界。经过计算，自下而上十个倾斜钻孔在充填体中部分的中心点距充填体顶部的垂直高度h分别为：32.28m，，30.67m，28.88m，26.86m，24.52m，21.73m，18.29m，13.87m，8.71m，5.78m。
根据十个倾斜钻孔在充填体外侧的不同长度制作十九个渗流水收集装置4，每个渗流水收集装置除渗流水隔离管43长度不同外其余均相同；如图2和图3所示，根据巷道涌水量估算，选用100L容量的塑料桶作为渗流水储存装置41；将2～3m长的塑料软管作为连接软管42用于连接渗流水储存装置41和渗流水隔离管43，并用胶水将接口处密封；将十条直径48mm、长度分别为10.87m、11.37m、12.02m、12.86m、13.93m、15.32m、17.17m、19.70、23.3m、28.79m的塑料软管制成渗流水隔离管43；取8～10cm长、10～13cm宽的膨胀止水条或延时膨胀材料制成膨胀锁紧装置44；取20cm长、直径20mm的钢管作为渗流水收集管45；将膨胀锁紧装置置入渗流水隔离管贴靠充填体的一端的内部，将渗流水收集管插在膨胀锁紧装置中间，并适当固定，避免在放置渗流水隔离管时脱落；随后将带有膨胀锁紧装置和渗流水收集管的渗流水隔离管全部放入倾斜钻孔中，待膨胀锁紧装置遇水膨胀(或延时膨胀)后，渗流水收集装置整体被固定在倾斜钻孔中，充填体渗流水与岩体渗流水被隔离，保证所收集的水均为充填体渗流水。
每2天对十个渗流水收集装置收集的十个钻孔的渗流水分别进行取样，将十个取样带至地表进行水质检测，将其有毒有害物质的含量Px和渗流水pH值分别进行记录，前后共检测五次(共10天时间)，检测结果如下表所示：
渗流水中有毒有害物质含量记录表
Figure BDA0001866425310000071
Figure BDA0001866425310000081
将表中记录的有毒有害物质的含量Px和渗流水pH值数据与表中注明的《地下水质量标准》(GB/T14848－93)Ⅲ类标准规定的含量限值进行对比，未有不符合标准要求的；
然后将表中所得数据与渗流高度h、渗流时间t进行回归分析，利用spss数据处理软件对数据进行处理，针对多种回归关系(线性回归、二元非线性回归、指数回归、对数回归等)进行回归分析，将多种回归关系的方差进行比较，选取方差最大的回归关系作为该组数据的回归关系。以渗流水中的有毒有害物质Cd含量为例(其余有毒有害物质类同)建立回归关系，将时间t、渗流高度h及有毒有害物质的含量PCd三组数据导入spss软件中，进行回归分析呢，建立线性回归、二元非线性回归和指数回归三种回归模型，得到三种回归模型的方差分别为0.820、0.379、0.879，通过比较可知指数回归方差最大，利用指数回归能够较好的反映三组数据的关系，得到的指数回归关系式为：PCd＝0.000994lnt+0.000056h+0.000779。通过回归方程建立渗流水中的有毒有害物质的含量Pcd、渗流水pH值与渗流高度h、渗流时间t之间的预测模型。通过模型计算渗流水中的Cd含量将在14天后超过《地下水质量标准》(GB/T14848－93)Ⅲ类标准规定的含量限值，应针对Cd超标提前做好防范措施(如在充填前对充填料浆中的Cd进行处理)，减小充填体对地下水的污染。

Claims (1)

1.一种充填体水质动态监测与预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、开凿监测巷道(2)
根据充填体(1)在矿体中的位置，在充填体底部距充填体距离a为5-10m的位置开凿一条平行于充填体走向、高度d为2.5-3.5m的监测巷道(2)，其中充填体(1)的高度为b、宽度为c，倾角为β；
步骤2、钻取倾斜钻孔(3)
在开凿的监测巷道(2)中沿平行于充填体走向钻取相互间隔、穿过并直达充填体(1)边界的一组倾斜钻孔(3)，每个倾斜钻孔与充填体底面的角度α自15°开始按5°-10°递增，最大角度的倾斜钻孔以不能超出充填体上表面为止，倾斜钻孔数量应不少于5个；
步骤3、制作渗流水收集装置(4)
所述渗流水收集装置(4)包括渗流水收集管(45)、渗流水隔离管(43)、膨胀锁紧装置(44)、连接软管(42)和渗流水储存装置(41)；
所述渗流水储存装置(41)由能够储存7～10天渗流水并带有计量刻度的水桶构成，用于收集和储存渗流水，并具有计量渗流水量的功能；所述连接软管(42)由一定长度的塑料软管构成，用于连接渗流水储存装置(41)和渗流水隔离管(43)，将由渗流水隔离管(43)中流出的水导入渗流水储存装置(41)中；所述渗流水隔离管(43)由直径与倾斜钻孔(3)直径相配合的塑料软管构成，其长度等于倾斜钻孔(3)在充填体(1)外的长度，渗流水隔离管置于倾斜钻孔中，前端贴靠充填体(1)，后端伸出倾斜钻孔，用于收集地下水在充填体中渗流后所产生的渗流水；所述膨胀锁紧装置(44)由膨胀止水条或延时膨胀材料构成，位于渗流水隔离管(43)的前端内部，将渗流水收集管(45)下部置于其轴向中心，通过其膨胀将充填体渗流水与岩体渗流水相隔离；渗流水收集管(45)将地下水在充填体中渗流后产生的渗流水导入渗流水隔离管(43)中；
步骤4、在倾斜钻孔中安装渗流水收集装置
将所述渗流水收集装置(4)中的渗流水隔离管(43)、膨胀锁紧装置(44)和渗流水收集管(45)置于倾斜钻孔(3)中，膨胀锁紧装置(44)在与水接触后开始膨胀，并产生一定的膨胀压力，将渗流水隔离管(43)与渗流水收集管固定在倾斜钻孔中，通过膨胀锁紧装置(44)和渗流水隔离管(43)将充填体(1)渗流水与矿体渗流水隔离，保证所收集的渗流水均为地下水在充填体(1)中渗流后的渗流水，渗流水不受周围岩体的地下水影响；地下水在充填体(1)中渗流后产生渗流水，渗流水进入倾斜钻孔(3)中后沿着倾斜钻孔(3)、渗流水收集管(45)、渗流水隔离管(43)、装置连接软管(42)进入渗流水储存装置(41)中；
步骤5、自渗流水储存装置中收集的渗流水水量达到取样要求时开始，每过一段时间T将各个渗流水储存装置中的渗流水取样至地表，送至水质检测中心，检测渗流水中的有毒有害物质含量Px和渗流水pH值，将其与《地下水质量标准》(GB/T14848－93)Ⅲ类标准规定的限值进行对比，判断水质是否符合标准要求，只要出现有不符合标准要求者，则停止继续检测，针对渗流水污染源及时采取避免地下水被充填体渗流水污染的技术措施，实现对充填体水质的动态监测；
步骤6、如按步骤5检测次数n达到一定数量仍未出现不符合《地下水质量标准》Ⅲ类标准要求时，停止检测，分别对已经检测的各个倾斜钻孔所收集的渗流水中的有毒有害物质的含量Px、渗流水pH值与渗流高度h和渗流时间t的数据进行回归分析，通过理论计算或者利用统计分析软件分析Px和pH值与h、t之间的关系，得出关系式
Px＝f2(h，t)和pH＝f3(h，t)，
其中当监测巷道位于充填体上盘时：
Figure FDA0002830308380000031
当监测巷道位于充填体下盘时：
Figure FDA0002830308380000032
通过得出的关系式预测达到环保要求的检测时间时渗流水中的有毒有害物质的含量Px、渗流水pH值的最大值，将最大值与《地下水质量标准》(GB/T14848－93)Ⅲ类标准规定的含量限值进行对比，预测地下水在充填体中渗流后的渗流水水质是否符合标准要求，若不符合要求，应及时采取避免地下水被充填体渗流水污染的相应技术措施；若符合要求，则说明地下水在充填体中渗流后可以达到环保要求，可继续按已有方式进行充填，实现对充填体水质的预测。
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