董東林，張 健，林 剛，高藝軒，劉 鑫

(國家煤礦防治水工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

在煤礦安全生產(chǎn)中，礦井水害是僅次于煤礦瓦斯災害的第二大自然災害，它對我國煤礦安全生產(chǎn)造成重大影響[1-3]。在突水事故發(fā)生后，及時準確地識別突水水源對煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義[4]。以不同含水層在地下水化學特征上的差異性為原理，運用水化學的相關(guān)方法進行突水水源識別是當前常用的方法。在礦井突水水源識別中，同位素測定法、距離判別法、灰色關(guān)聯(lián)度法等[5-8]運用的較多。在此基礎(chǔ)上，姜鵬[9]提出目前突水水源的識別方法過于單一，降低了結(jié)果的準確率，因此提出了采用綜合評判的方法對突水水源進行判別?；诟咔f煤礦的水質(zhì)數(shù)據(jù)，分別運用元素類比法、模糊數(shù)學法和Piper三線圖法，對礦井水突水水源進行判別，三種判別方法的結(jié)果互為驗證，使得判別結(jié)果更為準確。徐星等[10]針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行研究，并將此應(yīng)用于礦井突水水源識別。以六大常規(guī)離子為識別依據(jù)，運用Matlab構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對待測樣本進行判別。該方法將水源判別中的非線性因素考慮在內(nèi)，使得模型更為精準。但該方法需要依靠大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，若缺少此條件，會影響對突水水源的判別能力。孫文潔等[11]以開灤礦區(qū)為例，提出應(yīng)用Fisher判別分析法劃分礦井水文地質(zhì)條件，該方法能對礦井水文地質(zhì)類型進行科學判別，從而有助于對突水水源的判別與分析。陳紅江等[12]運用Fisher判別法對頂板砂巖裂隙含水層和底板巖溶裂隙含水層進行判別，結(jié)果證明該方法科學可行。但該方法缺少對突水水源判別中的其他因素的分析，并且對原始資料數(shù)據(jù)要求較高。魯金濤等[13]考慮到突水水源判別中由于信息疊加可能導致誤判，采用PCA法對突水水源的水化學指標進行處理，從而消除信息疊加帶來的影響，再運用Fisher判別法進行判別，經(jīng)檢驗分析證明，該方法提高了單純使用Fisher判別法進行判別的精度。通過分析目前突水水源識別的研究現(xiàn)狀可知，當前的判別方法大多只針對于突水水源來自單一含水層的情況，而對突水水源來自于不同含水層的混合水判別方法的研究較少。在突水水源的實際判別中，不考慮混合水的情況會造成判別結(jié)果不全面等問題，甚至導致誤判。針對這一問題，本文以荊各莊礦為例，探討礦井涌(突)水源的混合水判別方法，從而建立相應(yīng)的判別模型，以達到對混合水進行準確判別的目的。

1 荊各莊礦水文地質(zhì)概況

荊各莊礦地處開灤礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)的地表水為井田東南門的陡河[14]。荊各莊井田自下而上分為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(Ⅰ)、K2—K6砂巖裂隙含水層(Ⅱ)、K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)、9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)、5煤以上砂巖裂隙含水層(Ⅴ)、風化帶裂隙、孔隙含水層(Ⅵ)、第四系底部卵石孔隙含水層(Ⅶ)和第四系中上部砂卵礫孔隙含水層(Ⅷ)這8個含水層。通過查閱荊各莊礦相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，1989年至2016年間，荊各莊礦在開拓、掘進、回采階段共記錄井下突水17次。其中突水水源來自12煤—15煤砂巖裂隙含水層10次，5煤以上含水層6次，5煤以上砂巖裂隙水6次，12煤—K6含水層2次，9煤老塘水1次，9煤頂板含水層1次，9煤—5煤弱含水層1次，7煤—9煤弱含水層1次。結(jié)合荊各莊礦的水文地質(zhì)條件及礦井充水條件進行分析可以得出，研究區(qū)主要受到老空水、斷層水、沖積層水和砂巖裂隙水的威脅，即奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(Ⅰ)、K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)、9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)、5煤以上砂巖裂隙含水層(Ⅴ)以及沖積層含水層(Ⅶ)這五大含水層有可能引起礦井的涌(突)水事故。因此，選取上述5個含水層為研究對象。

奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(Ⅰ)由豹皮狀灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成，單位涌水量為0.664～1.553L/(s·m)，滲透系數(shù)為2.3227～4.9458m/d，為含水豐富的含水層；K6～12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)巖性以砂巖和粉砂巖為主，垂直層面的構(gòu)造裂隙發(fā)育，導水裂隙率東部較西部高，單位涌水量為0.002～0.789L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.0593～3.431m/d；自上而下可分為潛水層、上部砂巖含水層、中部卵石含水層、底部卵石含水層4個含水帶；礦井的三水平開拓延伸工程主要受該含水層水威脅。9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)巖性主要為砂巖，由上往下大致為細砂、中砂和粉砂巖，單位涌水量為0.008～0.096L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.102～1.800m/d。5煤以上砂巖裂隙含水層(Ⅴ)巖石裂隙發(fā)育，且以傾向裂隙為主，可分為上、下兩段；該含水層威脅9煤層的開采。沖積層含水層(Ⅶ)厚100～379.67m，并且由南向北呈越來越厚的趨勢；該含水層由于基巖面與沖積層的控制程度問題，會對沖積層防水煤柱的留設(shè)造成一定的影響。

2 荊各莊礦水化學數(shù)據(jù)來源

本次選取荊各莊礦奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(Ⅰ)、K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)、9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)、5煤以上砂巖裂隙含水層(Ⅴ)以及沖積層含水層(Ⅶ)這五大含水層中的水樣，記錄各含水層的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，見表1。

表1 荊各莊礦含水層水質(zhì)情況

運用PHREEQC軟件的MIX功能[15]，將奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(Ⅰ)與K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)分別按照1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1進行混合，根據(jù)實測結(jié)果進行校正，得到奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(Ⅰ)與K6砂巖裂隙含水層(Ⅲ)按不同比例混合的水質(zhì)數(shù)據(jù)。同理，將其他含水層的水樣數(shù)據(jù)也按上述操作以不同比例進行兩兩混合，從而得到荊各莊礦各含水層相互混合的水質(zhì)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為荊各莊礦混合水水源識別的標準數(shù)據(jù)集。

在上述含水層中進行兩兩取樣，按照上述比例進行混合，得到待識別水樣。對待識別水樣按照簡分析要求進行化驗，記錄所得數(shù)據(jù)。鑒于篇幅所限，本次僅以K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)與9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)兩個含水層以混合為例進行論述，待判水樣的水化學數(shù)據(jù)見表1。

3 突水水源識別的研究方法

3.1 Piper三線圖法

Piper三線圖是由兩個三角形和一個菱形構(gòu)成的表征地下水中常規(guī)離子相對含量的圖件。陰、陽離子的毫克當量百分數(shù)可分別通過兩個三角形的三條邊進行描述，其中左下角三角形代表陽離子的毫克當量百分數(shù)，右下角三角形代表陰離子的毫克當量百分數(shù)[6，13，16，17]。Piper三線圖不僅可以直觀表現(xiàn)地下水化學特征，還可以判斷地下水化學類型和水化學成分的成因。此外，Piper三線圖最突出的優(yōu)點是能將多個水樣的化驗數(shù)據(jù)表示在一張圖上，依據(jù)水樣分布情況可對比分析水樣化學特征的異同。

3.2 歐氏距離判別法

1) 歐氏距離用于計算在歐幾里得n維空間中兩點間的真實距離[18，19]。公式為：

本文基于此公式，通過選取識別因子，計算待識別水樣與水源識別標準數(shù)據(jù)集中各水樣的真實距離，選取與待判水樣距離最小的樣本鄰域來判斷不同含水層混合突水的水源。

2)在運用歐氏距離進行聚類分析時，首先要將數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算公式為：

式中，Zi為Xi的Z標準化得分；Xi為六大常規(guī)離子和pH值所代表的識別因子。

經(jīng)過標準化后的標準化值可以表明原始數(shù)據(jù)在一組數(shù)據(jù)分布中的相對位置[20，21]。

4 模型判別結(jié)果與討論

圖1 水源識別Piper三線圖

2)將待識別水樣與荊各莊礦混合水水源識別的標準數(shù)據(jù)集的識別因子進行標準化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過標準化計算公式計算后，得到各水樣的標準化值。以各水樣的標準化值為變量，將數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類分析。運用歐氏距離方法，計算出近似值矩陣，結(jié)果見表2。

運用最近鄰元素分析法，計算出與待識別水樣最相近的三個元素為數(shù)據(jù)集編號49、48、39的三個數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

通過編號在荊各莊礦水源識別標準數(shù)據(jù)集中進行查找，最接近的三個元素所代表的三個含水層分別為49號代表的K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)和9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)以8∶2比例混合、48號代表的K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)和9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)7∶3混合，以及39號代表的K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)。通過對比三個元素與待識別水樣的距離可知，待識別水樣為K6—12煤砂巖裂隙含水層(Ⅲ)和9煤—7煤砂巖裂隙含水層(Ⅳ)以8∶2混合而成的可能性最大。

表2 近似值矩陣

表3 3個最近相鄰元素和距離表

3)從結(jié)果上來看，運用Piper三線圖與歐氏距離判別法的結(jié)果一致，且與真實情況相吻合。運用Piper三線圖法與歐氏距離判別法相結(jié)合的模型來進行礦井混合水突水水源識別結(jié)果較為準確。

5 結(jié) 論

1)運用PHREEQC軟件，建立了荊各莊礦不同含水層之間以不同比例相互混合的礦井水混合模型以及荊各莊礦混合水源識別的樣本數(shù)據(jù)集，從而提高了針對混合水突水水源的識別精度，為進一步準確判別礦井水突水來源提供數(shù)據(jù)支持。

2)采用Piper三線圖法與歐氏距離法相結(jié)合的方法建立了荊各莊礦混合突水識別模型，該模型原理簡單、操作簡便，識別速度較快，結(jié)果較為直觀。通過Piper三線圖法可以大致確定突水水源的來源范圍，而經(jīng)過歐氏距離計算，將判別結(jié)果進一步細化，提高了判別的精度。通過實驗證明，這兩種方法結(jié)果相同，相輔相成，大大地提高了針對礦井混合水突水判別的速度和精確度。