馮建超，連會(huì)青，韓 永，陳建東

(1.新鄭煤電股份有限公司趙家寨煤礦，河南新鄭 451150;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

礦井突水災(zāi)害往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，嚴(yán)重阻礙著我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展。一旦發(fā)生突水，及時(shí)準(zhǔn)確地查明突水水源是解決突水災(zāi)害的前提，也是進(jìn)一步預(yù)防突水災(zāi)害的重要途徑。水化學(xué)的方法查明充水水源是一種快速且有效的方法，其中，選擇合適的水化學(xué)充水判別方法，是快速高效判別充水水源的關(guān)鍵。

水化學(xué)法判別礦井充水水源的方法、理論日趨成熟，從以往的簡(jiǎn)單水質(zhì)類型對(duì)比分析［1］、特征組分判別［2］、同位素分析法等［3］，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法(聚類分析［4］、判別分析［5］)和非線性分析方法(灰色系統(tǒng)理論［6］、模糊數(shù)學(xué)［7］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［8］、GIS［9］法等)等多種方法。各種方法有其各自的適用性，本文在分析該礦井水化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)趙家寨礦井，選擇灰色關(guān)聯(lián)度分析、判別分析以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3種判別方法，對(duì)比分析3種方法的有效性，建立充水水源判別模型，為礦井防治水工作提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)概況

趙家寨礦井位于新密煤田(圖1)，該煤田位于華北地層區(qū)嵩箕地層小區(qū)東部，其從老到新發(fā)育有太古界～元古界，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界第三、四系。區(qū)域范圍內(nèi)僅西部及其外圍的許崗－三岔口一帶有二疊系上統(tǒng)平頂山砂巖和三疊系下統(tǒng)金斗山砂巖出露，其余絕大部分為新生界掩蓋。太古界～元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系等基巖在煤田的西部、南部有出露。

區(qū)內(nèi)巖溶水主要接受大氣降水補(bǔ)給，在補(bǔ)給徑流區(qū)，大氣降水通過(guò)裸露碳酸鹽巖類的巖溶裂隙入滲補(bǔ)給巖溶水;在間接補(bǔ)給區(qū)，大氣降水主要通過(guò)變質(zhì)巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙入滲補(bǔ)給形成裂隙水并沿其地下徑流轉(zhuǎn)化補(bǔ)給巖溶水。巖溶水徑流基本上順地層層面，從北西、西通過(guò)煤系灰?guī)r向南東方向運(yùn)動(dòng)(圖1)。

趙家寨礦井處于排泄區(qū)(圖1)，主要含水層有第四系孔隙潛水含水層、第三系孔隙潛水含水層、平頂山砂巖(P2sh1)孔隙裂隙含水層、石千峰組下段砂巖含水組、上石盒子組砂巖含水層、下石盒子組砂巖含水層、山西組砂巖裂隙含水層、太原組上段灰?guī)r含水層(C3tL7－8)、太原組下段灰?guī)r含水層(C3tL1－4)、奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層(O2m)、上寒武系含水層、古老巖系裂隙含水巖組。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)圖

影響主采山西組二1煤開采的主要含水層有3個(gè)，分別為太原組上段灰?guī)r含水層(L7－8)、太原組下段灰?guī)r含水層(L1－4)、奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層(O2m)。

簡(jiǎn)稱L1－4灰水，該層由1～4層灰?guī)r組成，間夾薄層泥巖，砂質(zhì)泥巖及薄煤，厚13.9～43.0 m，含水層埋深在賈梁斷層以東450～1250 m。其中灰?guī)r厚度7.4 ～34.91 m;平均18.79 m，L1、L2常合為一層，二者一般厚10～13 m。該套灰?guī)r厚層呈塊狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，含黃鐵礦結(jié)核與燧石結(jié)核。

2)太原組上段(C3tL7－8)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層

簡(jiǎn)稱 L7－8灰水，該層主要由 L7、L8兩層厚層狀、隱晶結(jié)構(gòu)灰?guī)r組成，該含水層埋藏深度一般250～850 m，含水層厚度0～18 m，一般厚10 m左右，含黃鐵礦結(jié)核和燧石結(jié)核。

3)馬家溝組(O2m)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層

簡(jiǎn)稱奧灰水，厚度25.33～79.95m，平均厚度54.70 m。該層上段為厚層狀灰?guī)r，下段泥質(zhì)成分增高。

這三個(gè)含水層與二1煤層的關(guān)系見圖2。

圖2 主要含水層與煤層的關(guān)系圖

2 主要含水層水化學(xué)類型

本研究從出水點(diǎn)、井下和地面鉆孔總共采集42個(gè)水樣，并送華北有色地勘局燕郊中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水化學(xué)簡(jiǎn)分析。42個(gè)水樣中，奧灰?guī)r水樣7個(gè)，L1－4灰?guī)r水樣 6 個(gè)，L7－8灰?guī)r水樣 25 個(gè)，砂巖水樣2個(gè)，第三系水樣1個(gè)，第四系地下水樣1個(gè)，老空水樣1個(gè)。

〔設(shè)計(jì)意圖：謀篇出發(fā)，抓住關(guān)鍵，擬題小結(jié)，本節(jié)作文課訓(xùn)練重點(diǎn)突出，兼顧整體，在具體實(shí)踐中讓學(xué)生明白“好作文不但是改出來(lái)的，改作文還有一定的方法”〕

水化學(xué)類型是綜合反映水質(zhì)特征的參數(shù)，能夠清楚地反映不同含水層水質(zhì)類型的差異。使用AquiferChem繪制了趙家寨礦含水層地下水Piper圖(圖3)。

圖3 趙家寨礦地下水Piper圖

1)奧灰?guī)r水水樣點(diǎn)在Piper圖(圖3)中分布比較分散，分別為2個(gè) Ca－Na－Mg－SO4－HCO3、1個(gè)Ca－Mg－Na－SO4－HCO3、1個(gè)Na－Ca－HCO3－SO4、1個(gè)Na－Cl－HCO3－SO4、1個(gè)Mg－Na－Ca－HCO3－Cl、1個(gè)Ca－Na－Mg－HCO3－SO4，這說(shuō)明趙家寨礦區(qū)奧灰?guī)r水水動(dòng)力和水化學(xué)環(huán)境較為復(fù)雜。

2)6個(gè)L1－4灰?guī)r水水樣明顯分為兩組，分別相對(duì)集中到Piper圖的左上方和右上方。左上方的水樣點(diǎn)與部分奧灰?guī)r水、L7－8灰?guī)r水相近，主要水化學(xué)類型為 Ca－Mg－HCO3－SO4，Ca－Mg－Na－HCO3－SO4。右上方水樣點(diǎn)與其它含水層地下水水樣點(diǎn)沒(méi)有重合，主要水化學(xué)類型為Na－SO4、Na － Ca － SO4。

3)24個(gè)L7－8灰?guī)r水水樣在Piper圖上比較集中，絕大部分水樣點(diǎn)(23個(gè))位于菱形左上側(cè)，與部分L1－4灰?guī)r水重合，說(shuō)明 L7－8灰?guī)r水與部分L1－4灰?guī)r水水化學(xué)類型相似，主要水化學(xué)類型為:Ca－Mg－HCO3－SO4、Ca－Mg－Na－HCO3－SO4、Ca－Na－Mg－HCO3－SO4。

總體上，趙家寨不同含水層地下水水化學(xué)類型有一定差異，有利于后續(xù)水源判別。

3 礦井充水水源判別

根據(jù)不同方法的適用條件以及該礦井的水化學(xué)特征，此次選擇灰色關(guān)聯(lián)度分析、判別分析以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3種判別方法來(lái)綜合對(duì)比分析，擬選取一種比較好的方法來(lái)分析該礦充水水源。以趙家寨地區(qū)的六大離子作為判別因子，從42個(gè)水樣中隨機(jī)選擇16個(gè)待測(cè)樣本(表1)，其余水樣作為標(biāo)準(zhǔn)樣本。

表1 趙家寨以六大離子作為判別因子的灰色關(guān)聯(lián)判別結(jié)果(離子濃度:mg/L)

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析法，是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分，基本原理是根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似程度來(lái)衡量因素間的密切程度，相似程度越大，因素間關(guān)系就越密切，關(guān)聯(lián)度就越大。其基本過(guò)程是通過(guò)把研究的對(duì)象的數(shù)據(jù)序列(比較序列和參考序列)，在同一評(píng)價(jià)指標(biāo)下的差值作為基本依據(jù)，分別計(jì)算出能反映研究主要對(duì)象與其各影響因素之間密切程度的關(guān)聯(lián)系數(shù)，通過(guò)運(yùn)算將各項(xiàng)聯(lián)系數(shù)整合為關(guān)聯(lián)度，然后通過(guò)比較關(guān)聯(lián)度的大小，來(lái)判斷各影響因素對(duì)研究主要對(duì)象的影響程度它描述系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中因素間相對(duì)變化的情況，也就是變化大小、方向及速度等指標(biāo)的相對(duì)性。如果兩者在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中相對(duì)變化基本一致，則認(rèn)為兩者關(guān)聯(lián)度大;反之，兩者關(guān)聯(lián)度就小。

以趙家寨的六大離子作為判別因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)判別分析，判別結(jié)果見表1。結(jié)果分析顯示，以趙家寨地區(qū)的六大離子作為判別因子時(shí)，待測(cè)樣本共16個(gè)，其中判錯(cuò)5個(gè)樣本其余均正確，正確率為68.8%。

3.2 判別分析計(jì)算

判別分析的基本原理是將所研究對(duì)象進(jìn)行分類，并且對(duì)這些類別作一些觀測(cè)，取得一批樣本數(shù)據(jù)，要求從已知的樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，建立一種判別方法，每當(dāng)取得一個(gè)新的樣本時(shí)，可以根據(jù)這個(gè)樣本的觀測(cè)值，判定它屬于哪一類。

以趙家寨的六大離子作為判別因子進(jìn)行判別，趙家寨判別分析檢驗(yàn)水樣共有16個(gè)，判別結(jié)果誤判10個(gè)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率約為41.2%。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

本次研究將14個(gè)水樣點(diǎn)(表1)作為判別樣本，另外16個(gè)水樣點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本，BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程借助Matlab編程實(shí)現(xiàn)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)表1中的14個(gè)水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)仿真函數(shù)為:y=sim(net，pnew)。

判別結(jié)果顯示，趙家寨神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)水樣有3個(gè)被誤判，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為81.3%。

4 趙家寨礦水源判別方法對(duì)比分析

對(duì)趙家寨礦以不同判別因子進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度法、判別分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法三種判別方法分析，得出表2。其中，以六大離子作為判別因子進(jìn)行的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法較其他兩種方法的準(zhǔn)確率高。因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于趙家寨充水水源判別。

表2趙家寨判別準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)表

5 小結(jié)

結(jié)合影響趙家寨礦水文地質(zhì)條件，在分析水文地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，從灰色關(guān)聯(lián)度法、判別分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種方法，來(lái)綜合判斷、分析、選擇適用于該礦的充水水源判別方法。結(jié)果表明，以六大離子作為判別因子時(shí)，選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法預(yù)測(cè)的結(jié)果比較可靠。

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