羅文駿 郭水濤 李文軍

（1.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454100；2.焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司古漢山礦，河南 焦作 454002）

古漢山礦位于河南焦作境內(nèi)太行山南麓的山前沖洪積扇前緣，均被第四系及新近系覆蓋。北部邊界以上（淺部）為吳村礦，其老空區(qū)積水沿煤層頂、底板砂巖裂隙以及灰?guī)r裂隙向下滲透至古漢山井田內(nèi)，使其水文地質條件等變得復雜。同時井田奧陶系灰?guī)r承壓水含水層為二1煤層開采的間接充水含水層，其含水層厚度大、富水性極強、水頭壓力高。為消除古漢山礦的淺部老空水害和奧灰水害，需要進行水源識別和水質評價。

本文在常用的水質評價方法中[1-4]選用主成分分析法評價分析古漢山礦礦井水樣。

1 方法原理

主成分分析法是一種降維的多元統(tǒng)計分析方法，主要目的是用較少的主要幾個水質指標變量去解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分信息。計算步驟如下[4]：

第一步：構建觀測矩陣G。根據(jù)已有m個礦井水水樣和n個水質監(jiān)測指標，構成觀測矩陣G：

第二步：歸一化后的觀測矩陣G′。由于各指標量綱及判定標準的不同而不具備關聯(lián)性，為使各指標之間具備可比性，需要將各參數(shù)進行歸一化處理，即：

式中：Xij為實際測量值；Uj、Sj分別為j指標樣本均值和標準差。

第三步：計算相關系數(shù)矩陣R。根據(jù)歸一化觀測矩陣G′ 計算相關系數(shù)矩陣，即：

i，j=1，2，…，n；k=1，2，…m

式中：rij為第i指標和第j指標間的相關度大小。

2 水樣及檢測

2.1 水樣提取

古漢山礦區(qū)存在淺部老空積水，二1煤層存在奧灰水的補給，這威脅著井下采煤的安全。為消除礦井水害的威脅和礦井水的資源化利用，需要先了解各排水點水質情況，再逐步合理地抽排淺部老空水。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，確定10個取樣點位置及其水源類型如表1和圖1，水質檢測的結果見表2。

表2 古漢山礦井水水質分析結果

圖1 古漢山礦區(qū)取水樣點平面位置分布圖

表1 古漢山礦區(qū)取水樣點位置

2.2 水質特征分析

由于1、2、3號排水點為老空水，TDS較大且渾濁度達8.8NTU，pH在10.29～12.61之間，為較強堿性；其余水樣點的TDS較小，pH在7.8～8.24范圍內(nèi)，呈弱堿性，渾濁度較小。為進一步分析水質，本文運用AquaChem軟件繪制水樣數(shù)據(jù)的piper三線圖，結果如圖2。

圖2 古漢山礦井水樣piper三線圖

由piper三線圖可知，左邊三角形中陽離子主要集中左中部，水樣中陽離子主要為Mg2+、Ca2+、Na+；右邊三角形中陰離子主要集中在左下部，可知陰離子主要為HCO3-、SO42-。結合舒卡列夫分類法可知水樣點的水質類型：5、6、9、10號水樣點水質類型為HCO3-Ca·Mg型；1、2、4號水樣點水質類型為HCO3·SO4-Na型。所取多水源水樣的水質類型主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型。

3 評價及結果

3.1 水質評價

根據(jù)研究區(qū)礦井水取樣點及其水質特征，本文選 取 總 硬 度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共九項指標，參照《地下水質量標準》（GB14848-2017）的等級閾值進行水質評價。由主成分分析法，運用SPSS25計算的總方差解釋圖可知主成分1、2、3累計方差貢獻率為86.822%，大于85%，且特征值均大于1，可認為前3個主成分包含了水樣的大部分信息，故選擇主成分1、2、3進行水樣水質分析，同時得到主成分得分系數(shù)矩陣，見表3。

表3 主成分分析總方差分布表

從表4可知，主成分1主要影響因素為TDS、pH、Cl-、Na+，主成分2主要影響因素為總硬度、Fe、渾濁度，主成分3主要影響因素為總硬度、NO3-、Fe。評價得到的水質等級見表5。

表4 主成分得分系數(shù)矩陣

由表5可知：主成分1～3得到的水質分析結果水質等級在I～V，大部分水樣點的水質等級在II～IV。水樣1～4水質等級在主成分1～3中的評價都在II～V，1～4號水樣點都是老空水，地下水受煤層中含有黃鐵礦等的污染，水質較差。

表5 水質評價結果表

主成分2和3評價結果與單因子水質評價結果有較大區(qū)別：1、2、3號水樣點未考慮pH項，評價結果偏于樂觀；4、7號水樣點評價結果與傳統(tǒng)評價方法有不同，選取的指標如總硬度、Fe在4和7號水樣點濃度較低，綜合分析結果與實際水質不符。主成分1評價結果與傳統(tǒng)單因子評價結果較接近，1、2、3號水樣點如pH值10.29～12.61為較強堿性，水質較差，評價結果為V級，比較符合水樣實際水質情況。綜合分析可知主成分1評價結果較好。

由表2可知：5、6、9、10號水樣點水質類型為HCO3-Ca·Mg型，7號點為HCO3-Na型，8號點為HCO3·SO4-Ca·Mg型，考慮水樣點平面分布圖和取樣點層位5、6與9、10水樣點水質類型相同，可推知吳村礦32采區(qū)對古漢山礦15采區(qū)有一定的水源補給，但取樣距離相差較大，可知其水力聯(lián)系較弱。水樣點7、8、9、10雖在一個采區(qū)，但取樣層位不同，水質類型也有較大差異，故水力聯(lián)系可能較弱。1、2、4號點水質類型為HCO3·SO4-Na型，3號點為SO4·Cl-Na型，水質類型接近，結合水樣點平面分布圖可以推知1、2、3、4號點存在較強水力聯(lián)系。

3.2 結果分析

1～5號水樣分別取自吳村礦35、33和32號排水點、-175泵房和吳村主井排水點，取樣點為淺部老空水聚集的區(qū)域，較少的接收奧灰水的補給，受奧灰水的威脅程度較小。另外經(jīng)過含黃鐵礦煤巖層的淋濾后水樣中含有較高鐵離子濃度和較高的TDS等，較大程度地降低水質等級。取自古漢山礦15采區(qū)井下的水樣點，受一定程度的奧灰水補給，由于礦井正常生產(chǎn)，補給排泄正常且連續(xù)，其受奧灰水的威脅程度較小且水質較好。

4 結論

（1）由piper三線圖和舒卡列夫分類法并結合水質資料可知水樣點的水質類型：主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型，35、33和32號排水點和-175泵房水樣點水質類型相近且取樣層位相同，其水樣點存在較強水力聯(lián)系。

（2）本文選取總硬度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共計九項指標，利用主成分分析法得到水質等級集中在II排泄IV級，其中主成分1評價結果與傳統(tǒng)單因子評價結果較接近，評價結果較好。研究結果可為古漢山礦井水害聯(lián)合抽排水治理和礦井水質分類資源化利用提供參考。