李廣平，丁 濤，鄭 磊，況 軍，周海龍，郭 杰

(安徽恒源煤電股份有限公司 錢(qián)營(yíng)孜煤礦，安徽 宿州 234000)

我國(guó)的煤礦水文地質(zhì)環(huán)境相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，其中煤礦井中容易發(fā)生水害情況，這給我國(guó)的煤炭開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大阻礙[1-4]。煤炭的開(kāi)發(fā)受礦下含水層的影響較大，尤其是有著奧陶系石灰?guī)r地層的華北地區(qū)，該地區(qū)煤礦地層的巖溶較為發(fā)育，常與斷層和裂縫相連。同時(shí)承壓水含量較多，這便極易引發(fā)突水事故，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，經(jīng)濟(jì)損失巨大[5-8]。

2009年新頒布的《煤礦防治水規(guī)定》中有許多與礦井水危險(xiǎn)源識(shí)別相關(guān)的規(guī)定[9-11]。例如，第35條規(guī)定，應(yīng)使用地下地球物理勘探、鉆探、監(jiān)測(cè)、測(cè)試和其他手段[12]。由此可見(jiàn)，礦井突水水源的確定已成為礦井突水治理和預(yù)防的關(guān)鍵問(wèn)題[13-15]。因此，通過(guò)分析研究礦井水的化學(xué)特征和演化規(guī)律，通過(guò)各種模式識(shí)別突水水源類(lèi)型，尋找水源，不僅可以解決礦井突水調(diào)查、堵塞、排水等問(wèn)題，而且可以爭(zhēng)取突水事故處理的時(shí)間和主動(dòng)性，為了便于及時(shí)防治水害，迅速疏散井下人員，使得突水事故帶來(lái)的損失和人員傷亡降到最低[16]。本文以煤礦主要充水含水層水化學(xué)特點(diǎn)和演化為基礎(chǔ)，完成礦井充水水源識(shí)別模型的構(gòu)建，以便迅速準(zhǔn)確地識(shí)別水源，為礦井水災(zāi)害類(lèi)型的預(yù)測(cè)以及預(yù)防提供理論和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

W煤田屬于向斜盆地，其東部處于澤山斷層內(nèi)，而西部、北部和南部有奧灰隱伏。盆地中較多含水層都存在著補(bǔ)給、徑流與排泄環(huán)境較差的現(xiàn)象，但盆地中第四系下層地層除外。W煤礦中影響其安全生產(chǎn)的含水層自上而下主要有：第四系下組含水層、侏羅系底部含水層、二疊系煤層頂部含水層、本溪組14號(hào)石炭系巖含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。W煤田的水文地質(zhì)圖如圖1所示。構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，斷層相對(duì)發(fā)育。由于各礦井的聯(lián)合排水降沙作用，使得地下水對(duì)煤礦開(kāi)采的威脅在一定程度上降低。

圖1 W煤田水文地質(zhì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydrogeology of Daning coalfield

2 礦井水水文地球化學(xué)特征演化分析

2.1 第4系下組含水層水化學(xué)特征

圖2 第4系下組含水層水質(zhì)Piper三線(xiàn)圖Fig.2 Piper three-line diagram of water quality in lower Quaternary aquifers

圖3顯示了陽(yáng)離子含水層隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。

圖3 陽(yáng)離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.3 Trend of cation mass concentration percentage with time

從圖3可以看出，主要陽(yáng)離子Ca2+和Mg2+的當(dāng)量百分比呈現(xiàn)出總體下降的現(xiàn)象，但程度較低。隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化，Ca2+質(zhì)量濃度緩慢下降，因此其與時(shí)間的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的；同樣的規(guī)律也適用于Mg2+。此外，Na+的相關(guān)曲線(xiàn)則是上升的，與時(shí)間的關(guān)系屬于正相關(guān)。

圖4 時(shí)間增長(zhǎng)情況下陰離子質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Change in percentage of anion mass concentration for increasing time

2.2 第4系下組含水層水化學(xué)演化

圖5 奧灰?guī)r溶水TDS和陽(yáng)離子關(guān)系圖Fig.5 Relationship between TDS and cations of lime karst water

從圖5可以看出，Na+、Ca2+和Mg2+等陽(yáng)離子與奧灰?guī)r溶水TDS的關(guān)系曲線(xiàn)總體上均呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。但是，在高TDS(即高礦化度)下，離子Ca2+和Mg2+均出現(xiàn)了一定的較小數(shù)據(jù)，由此說(shuō)明這類(lèi)離子的濃度已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，且出現(xiàn)了沉淀。此外，Na+與溶液TDS的關(guān)系曲線(xiàn)的上升趨勢(shì)是最為明顯的，說(shuō)明了其關(guān)系最為密切，且Na+是陽(yáng)離子中貢獻(xiàn)最大的。

圖6 奧灰?guī)r溶水TDS和陰離子關(guān)系圖Fig.6 The relationship between TDS and anion of lime karst water

2.3 第4系下組含水層的特征離子

含水層特征離子的確定，通常需要依據(jù)常規(guī)離子和溶液TDS的二次擬合曲線(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)第4系下組含水層的測(cè)試結(jié)果，分別獲得了常規(guī)陽(yáng)離子、陰離子濃度和溶液TDS的關(guān)系曲線(xiàn)，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 常規(guī)陽(yáng)離子與TDS變化關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 The relationship between conventional cations and TDS in the lower group of Quaternary aquifers

從圖7可以看出，Na+、Ca2+和Mg2+等常規(guī)陽(yáng)離子的二次擬合曲線(xiàn)均為線(xiàn)性形式。前2種離子與溶液TDS呈現(xiàn)正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明其均為地層水TDS增加的特征離子；然而，Mg2+與溶液TDS的線(xiàn)性曲線(xiàn)基本平行于TDS軸，且呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，因此這一離子不是該含水層的特征離子。

圖8 常規(guī)陰離子與TDS變化關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 The relationship between conventional anions and TDS in the lower group of Quaternary aquifers

3 基于BP的礦井突水水源判別模型

圖9 BP礦井突水水源判別模型 Fig.9 Discrimination model of water inrush source in BP mine

此外，隨機(jī)收集7份水樣，測(cè)試了所建立模型的準(zhǔn)確性，其預(yù)測(cè)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 訓(xùn)練收斂曲線(xiàn) Fig.10 Training convergence curve

從圖10可以看出，通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果(010)和(001)可能存在誤判的情況，這是因?yàn)?4灰水和奧灰水的各類(lèi)特征存在較大的相似程度?？傮w上，該模型的準(zhǔn)確度已達(dá)到礦區(qū)安全生產(chǎn)的需求，適用于礦區(qū)的水源辨識(shí)分析。

4 結(jié)語(yǔ)

(3)分析W礦區(qū)地下水的總體特征，形成了該區(qū)域地下水的水源數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井突水水源辨識(shí)模型，并驗(yàn)證了該模型的預(yù)測(cè)精度?？傮w上，該模型的準(zhǔn)確度已達(dá)到礦區(qū)安全生產(chǎn)的需求，適用于礦區(qū)的水源辨識(shí)分析。