摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)，礦井水害嚴(yán)重威脅著礦山的安全生產(chǎn)，快速、準(zhǔn)確地判定礦井突水水源是礦井水害治理的關(guān)鍵。在收集銅川某礦井以往各含水層大量水質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇地下水中含量較高的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、C1-等6 種常規(guī)離子作為判別因子，通過(guò)軟件繪制Piper三線圖，分析各含水層水化學(xué)特征。第四系地下水與二疊系砂巖裂隙水水化學(xué)類型相似，老空水與其他含水層水質(zhì)差別較大。采用模糊綜合評(píng)判、灰色關(guān)聯(lián)度分析方法分別構(gòu)建判別模型，判別準(zhǔn)確率80%左右，對(duì)未知突水水源進(jìn)行分析，結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件，判別突水來(lái)源于二疊系砂巖水。

關(guān)鍵詞：水化學(xué)特征；突水水源；模糊綜合評(píng)判；灰色關(guān)聯(lián)度；判別分析

Discrimination of mine water inrush source based on hydrochemical characteristics

XU Dongdong

（China Enfei Engineering Technology Co.， Ltd.， Beijing 100038， China）

Abstract： For a long time， mine water disasters have seriously threatened the safe production of the mine. Rapid and accurate determination of mine water inrush source is the key to mine water disaster control. Upon collecting a large amount of water quality data of various aquifers in the mine， six conventional ions such as K+ + Na+， Ca2+， Mg2+， SO42-， HCO3- and C1- with high content in the groundwater are selected as the discriminating factors. The water chemical characteristics of the aquifers are analyzed with computer drawn Piper three-line diagram. The basic hydrochemical type characteristics are studied of the main potential water filling sources such as quaternary water， Permian sandstone water and old air water. The results show that the hydrochemical type characteristics of Quaternary water are similar to that of Permian sandstone， and the characteristics of old air water are different from other layers. Fuzzy comprehensive evaluation and grey correlation are applied to analyze， compare and determine the water inrush source by combining the hydrogeological conditions of the mine. The discrimination accurate rate is about 80%.

Keywords： hydrochemical characteristics; water inrush source; fuzzy comprehensive evaluation， grey correlation degree; discriminant analysis

水害是礦井五大災(zāi)害之一，突（涌）水災(zāi)害對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅（鄧忠等，2021）。為了解決礦井突水對(duì)礦山生產(chǎn)的危害，判定突水水源就成為礦井水害治理的關(guān)鍵，找到涌水水源就能有的放矢地去解決礦井涌水的查、堵、疏、排問(wèn)題（高衛(wèi)東等，2001）。如何充分利用礦山長(zhǎng)期積累的水化學(xué)資料，快速判別突水水源顯得尤為重要（王炳強(qiáng)等，2015；陳陸望等，2012）。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，采用的方法涵蓋了水文地球化學(xué)、微量元素和同位素技術(shù)、Fisher法、模糊綜合評(píng)判等，不同方法有各自的特征及局限性（李再興等，2009；胡偉偉等，2010；周強(qiáng)，2021）。本文以銅川某礦井為例，收集并分析礦井各含水層水化學(xué)資料，應(yīng)用模糊綜合評(píng)判及灰色關(guān)聯(lián)度模型快速判別突水水源。

1? 研究區(qū)概況

1.1? 礦井水文地質(zhì)條件

銅川某礦井屬渭北石炭二疊紀(jì)煤田，位于鄂爾多斯臺(tái)拗渭北隆起東南端，構(gòu)造為向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角5～8°。區(qū)內(nèi)有2條常年性水流，河流均由大氣降水及第四系潛水補(bǔ)給，流量受季節(jié)性影響及降雨控制。

依據(jù)礦井多年的水文地質(zhì)資料，礦井主要充水水源包括：第四系松散層孔隙含水層、二疊系砂巖含水層、老空水。

1）第四系孔隙含水層：該含水層與大氣降水及地表水聯(lián)系密切，為礦井充水來(lái)源之一，并存在多層隔水層，補(bǔ)給有限。廣泛分布于地形較高部位，距煤層較遠(yuǎn)，排泄良好，最大單位涌水量為0.065 4 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)0.626 m·d-1，一般不會(huì)造成災(zāi)害性威脅。

2）二疊系砂巖含水層：包括上、下石盒子組及山西組砂巖含水層，巖性以中粗砂巖、石英砂巖為主，泥巖及砂質(zhì)泥巖次之，距煤層較近，無(wú)明顯隔水層，是礦井水的主要來(lái)源，礦山開(kāi)采過(guò)程中可能通過(guò)冒裂帶頂板對(duì)礦井進(jìn)行充水，單位涌水量為0.1～0.8 L·s-1·m-1，滲透系數(shù)2.06～33.77 m·d-1。

3）老空水：采空區(qū)主要位于礦井一水平、二水平，采空區(qū)標(biāo)高高于現(xiàn)采區(qū)，積水自然排泄，正常不會(huì)大量積水，個(gè)別地段采空區(qū)可能呈封閉狀態(tài)而大量積水。

1.2? 含水層水化學(xué)數(shù)據(jù)分析

地下水化學(xué)成分較復(fù)雜，水質(zhì)分析是研究地下水化學(xué)成分的基本手段，為了判別突水來(lái)源，選擇地下水中含量較高的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、C1-等6種離子，這些離子占地下水所有溶解鹽類90%以上，并決定了水化學(xué)類型，它們的分布特征可以反映豐富的地下水特征（郭瑞等，2018）。

地下水水樣點(diǎn)主要水化學(xué)成分原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可知，第四系孔隙含水層水質(zhì)類型主要為HCO3-Ca·Mg，其次為HCO3-Ca·Mg·Na和HCO3-Ca·Na·Mg；二疊系砂巖含水層水質(zhì)類型以HCO3-Ca·Mg為主，其次為HCO3-Ca·Mg·Na和HCO3-Ca·Na·Mg；老空水的常量組分除SO42-外，其他指標(biāo)變化幅度均較大，水質(zhì)類型為SO4·HCO3-Ca·Mg、SO4-Ca·Na·Mg、HCO3·SO4-Ca。

突水水源為一種或多種水源的混合水，判別突水水源不僅研究開(kāi)采前的充水水源，還要研究開(kāi)采后所產(chǎn)生的新水源和老水源變化情況（代革聯(lián)等，2017）。利用水化學(xué)軟件AquaChem對(duì)水樣進(jìn)行分析，見(jiàn)圖 1。從圖1可看出，除老空水外，其他含水層水質(zhì)區(qū)分不明顯，地表水與第四系地下水水質(zhì)很接近，第四系孔隙水質(zhì)原屬HCO3-Na·Mg型，現(xiàn)多為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na·Mg，其原因?yàn)槭艽髿饨邓暗乇硭难a(bǔ)給；二疊系砂巖水水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg·Na、HCO3-Ca·Na·Mg型，與第四系地下水水化學(xué)類型類似。

老空水水質(zhì)變化較大，SO42-離子濃度較高，推測(cè)水樣是近期礦山開(kāi)采遺留下的采空積水。由于老空水水樣主要以SO4-Ca·Mg、SO4·HCO3-Ca·Na·Mg型為主，且pH較高，推測(cè)老空水與頂板二疊系含水層存在水力聯(lián)系。

1.3? 礦井突水情況簡(jiǎn)介

該礦井自建井以來(lái)，剛開(kāi)始采用炮采，采煤后采用綜采，開(kāi)采面積不斷增大，但礦井涌水量一直保持50 m3·h-1左右。礦井現(xiàn)采面位于二水平采區(qū)深部，采面走向長(zhǎng)1 050 m，傾斜長(zhǎng)120 m。當(dāng)采面推采約20 m時(shí)，采區(qū)涌水量突然增大，從50 m3·h-1增至約240 m3·h-1，平均200 m3·h-1，持續(xù)時(shí)間超過(guò)48 h，本次突水水源突水迅速，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，涌水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出多年正常涌水量。為了保障礦井正常安全開(kāi)采，首先判別突水水源，進(jìn)而采取相應(yīng)防治措施。

2? 突水水源判別

2.1? 模糊綜合評(píng)判模型判別

該模型基于模糊數(shù)學(xué)，根據(jù)隸屬度將定性轉(zhuǎn)化為定量的一種評(píng)價(jià)方法，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決模糊、難以量化的問(wèn)題，適合解決各種非確定性問(wèn)題（許延春等，2014；李鳳蓮等，2015）。

樣板法構(gòu)造模糊模式庫(kù)步驟：①模糊模式Ai中選出mi個(gè)樣板：aij=（aij1，aij2，…，aijp），i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。其中aij為第i個(gè)模糊模式Ai的第j個(gè)樣板的特性向量；aijk為第i個(gè)模糊模式Ai中第j個(gè)樣板的第k個(gè)特性指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，k=1，2，…，p。②計(jì)算模糊模式Ai中的mi個(gè)特性向量aij的均值向量ai，稱ai為模糊模式Ai的均值樣板。③計(jì)算待識(shí)別對(duì)象u=（u1，u2，…，up）與均值樣板ai之間的距離di（u，ai），令Di = max（di（u，ai）），i=1，2，…，n；模糊模式Ai的隸屬函數(shù)為：Ai（u）=1- di（u，ai）/Di（陳水利，2005）。

1）建立隸屬評(píng)判集

突水水源主要有第四系地下水、二疊系砂巖水、老空水，據(jù)此構(gòu)建模糊評(píng)判模型如下：

U=｛A1，A2，A3｝=｛第四系地下水，二疊系砂巖水，老空水｝

設(shè)U為所有水樣的集合，則第四系地下水Al；二疊系砂巖水A2；老空水A3是U上的模糊集。

2）建立評(píng)判因子集

各含水層常規(guī)水化學(xué)特征選用水質(zhì)當(dāng)中的常規(guī)的6 個(gè)指標(biāo)建立因子集，即：

u=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6｝=｛Na++K+，Mg2+，Ca2+，Cl-，SO42-，HCO3-｝

用樣板法構(gòu)造第四系地下水、二疊系砂巖水、老空水的隸屬函數(shù)。在第四系地下水、二疊系砂巖水、老空水3種水源中抽選24個(gè)具有代表性的水樣，其中第四系地下水11個(gè)，二疊系砂巖水6個(gè)，老空水7個(gè)。

ai=（aii，ai2，ai3，ai4，ai5，ai6），i=l，2，···，11

bi=（bil，bi2，bi3，bi4，bi5，bi6），i=l，2，···，6

ci=（cil，ci2，ci3，ci4，ci5，ci6），i=l，2，···，7

式中，aij為第四系地下水A l中第i個(gè)水樣第 j個(gè)特征指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，bij為二疊系砂巖水中A 2中第i個(gè)水樣第 j個(gè)特征指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，cij為老空水A 3中第i個(gè)水樣第 j個(gè)特征指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)計(jì)算，選取的代表性水樣的隸屬度和判別類型見(jiàn)表2。

利用模糊綜合判別模型識(shí)別的正確率為75%，該方法判別效果良好，可以利用該模式對(duì)該礦井在開(kāi)采過(guò)程中的突水水源進(jìn)行判別。

對(duì)礦井突水水樣進(jìn)行采集檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3。

將未知水樣數(shù)據(jù)代入模型中，根據(jù)表4可知，所取的水樣水源可能主要來(lái)自煤層頂板二疊系下石盒子組或山西組底部砂巖含水層。

根據(jù)表5可知，判別正確率為83.33%，說(shuō)明利用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)礦井3個(gè)含水層的常規(guī)離子判別效果是較好的。

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度法判別突水水樣，判別結(jié)果如表6所示。表6顯示除未知水樣3來(lái)自二疊系砂巖含水層外，其他2個(gè)水樣均來(lái)自第四系含水層。

綜合分析可知，模糊綜合評(píng)判模型和灰色關(guān)聯(lián)度模型的判別正確率相差不大，都在80％左右，因?yàn)榈V井水質(zhì)數(shù)據(jù)少、時(shí)間間隔較久遠(yuǎn)且分布不均勻，會(huì)對(duì)判別結(jié)果產(chǎn)生一定的影響（張磊等，2010；張淑瑩等，2018）。兩種模型對(duì)未知水樣判別結(jié)果不同，灰色關(guān)聯(lián)度稍有偏差。依據(jù)礦井多年水文地質(zhì)資料，第四系孔隙含水層廣泛分布于地形較高位置，距離煤層較遠(yuǎn)，排泄較好，一般不會(huì)造成突水災(zāi)害威脅；二疊系砂巖水包含多組含水層，距離煤層較近，且無(wú)明顯隔水層，易通過(guò)冒裂帶頂板對(duì)礦井充水。根據(jù)礦山水文地質(zhì)條件及判別結(jié)果綜合分析，本次礦井突水水源可能來(lái)源于二疊系砂巖水，建議本礦井選擇模糊綜合評(píng)判模型，可取得相對(duì)較好的判別效果。

3? 結(jié)論

1）在收集銅川某礦井各含水層水化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Piper三線圖對(duì)各含水層進(jìn)行水化學(xué)特征分析，并選用模糊綜合評(píng)判及灰色關(guān)聯(lián)度判別方法對(duì)突水水源進(jìn)行判別，對(duì)比分析判別突水水源可能源自二疊系砂巖水。

2）通過(guò)水化學(xué)特征分析，采用模糊綜合評(píng)判、灰色關(guān)聯(lián)度判別模型判別礦井突水水源，避免了由于水文條件的復(fù)雜性及模糊性造成判別結(jié)果失真，提升了水源判別的準(zhǔn)確性。

3）在水樣條件復(fù)雜的情況下，單純依靠常規(guī)水化學(xué)特征判別突水水源有時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判或判斷不準(zhǔn)確，必須輔以其他判別技術(shù)進(jìn)行綜合判斷。實(shí)踐證明，水化學(xué)方法與各種模型相結(jié)合具有投資少、見(jiàn)效快的優(yōu)勢(shì)，研究成果可為類似礦井防治水工作提供參考。

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收稿日期：2022-08-01；修回日期：2022-11-04

作者簡(jiǎn)介：徐冬冬（1984- ），男，碩士，工程師，主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境治理、水文地質(zhì)相關(guān)工作。E-mail：592192386@qq.com

引用格式：徐冬冬，2023.基于水化學(xué)特征分析的銅川某礦井突水水源判別［J］.城市地質(zhì)，18（1）：62-68