灰色關(guān)聯(lián)分析在牛西礦水源判別中的應用

關(guān)英斌,鄭建,3,豐成,龐小宇

(1.河北工程大學資源學院,河北邯鄲056038;2.張家口礦業(yè)集團有限公司牛西礦業(yè)分公司,河北張家口075600;3.山東省兗礦集團(東華)地質(zhì)工程公司,山東鄒城273500)

由于采礦活動常常會破壞地應力的平衡,各含水層的水力平衡狀態(tài)也將不可避免地遭到破壞,進而引起礦井涌(突)水,如何確定涌(突)水水源,是礦井安全防治水的關(guān)鍵。一般情況下,根據(jù)礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、水樣中某種離子含量對比、井下鉆探等方法可以對礦井涌(突)水源進行判別,但是判別過程受人為因素的干擾影響大,結(jié)果不可靠。

灰色關(guān)聯(lián)分析是對研究對象建立適當?shù)臄?shù)學模型,對模型數(shù)據(jù)進行動態(tài)量化分析,確定影響系統(tǒng)變化的主要因素[1-2]。該方法簡單、快捷,不需要太多的信息數(shù)據(jù),便可較準確地確定評價結(jié)果,有效地減少了人為因素的影響。謝玉波[3]應用灰色關(guān)聯(lián)度法判斷滕南礦區(qū)地下水系統(tǒng)水力聯(lián)系,孔組抽水有力證明了判別結(jié)果的可靠性;吳曉鵬[4]應用灰色關(guān)聯(lián)度法判別峨八井涌水水源,經(jīng)驗證取得滿意的結(jié)果;付成祥[5]利用灰色關(guān)聯(lián)分析對老采空區(qū)滲水水源進行判別,準確地判別出老采空區(qū)積水的補給來源。

本文應用灰色關(guān)聯(lián)分析對牛西礦采集水樣的水質(zhì)資料進行分析,快速對含水層的補給水源進行判別。

1 牛西礦概況

張家口礦業(yè)集團牛西礦位于河北省西北部,涿鹿縣城西約20km,涿鹿煤礦西約5km的蠻子營村附近,行政區(qū)劃隸屬于涿鹿縣武家溝鎮(zhèn)。牛西礦南翼采區(qū)在回采901和9370工作面過程中發(fā)生頂板透水事故,水量最大110m3/h,穩(wěn)定水量75m3/ h,由于頂板砂巖、泥巖遇水泥化嚴重,水泵不能正常排水,回采工作被迫中斷。分析透水事故的主要原因是回采后冒裂帶發(fā)育至或超過頂板髫髻山組二段安山巖含水層,該含水層富水性中等,根據(jù)單位透入水量、水量與季節(jié)的變化關(guān)系、透水持續(xù)時間等跡象表明,含水層有穩(wěn)定的補給源。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析判別原理

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分[6],灰色系統(tǒng)理論是華中科技大學鄧聚龍教授于1982年提出的,該理論經(jīng)過近30年的發(fā)展,已廣泛應用于社會、經(jīng)濟農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域,尤其是分析對象為“小樣本”、“貧信息”,為灰色系統(tǒng)理論提供了廣闊的發(fā)展空間[7-8]。灰色關(guān)聯(lián)分析的特點是充分利用已占有的“最少信息”,對數(shù)據(jù)進行灰色關(guān)聯(lián)分析處理,得到新的數(shù)據(jù)系列,使數(shù)據(jù)變化更具規(guī)律性,計算數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性,灰色關(guān)聯(lián)分析所利用的關(guān)聯(lián)度值,表征了判別系統(tǒng)特征序列與相關(guān)因素序列的關(guān)聯(lián)程度[9-10],為確立決定事物發(fā)展變化的主要因素提供數(shù)量依據(jù)。

2.2 對數(shù)據(jù)作灰色關(guān)聯(lián)分析處理

為判別透水地點水樣與其他出水點水樣之間的水力聯(lián)系,在不同地段出水點及地面河水采集水樣8組,進行水質(zhì)化驗分析,將主要化學成分含量作為原始數(shù)據(jù),進行灰色關(guān)聯(lián)分析,原始數(shù)據(jù)為表1所示。

表1 水樣主要化學成分原始數(shù)據(jù)Tab.1 The main chemical composition initial data of the water sample

表2 初值化處理后的數(shù)據(jù)Tab.2 The data after the initial treatment

為判別與透水點水樣之間的關(guān)聯(lián)度,先將透水點水樣作為母序列,對原始數(shù)據(jù)作初值化處理,即原始數(shù)據(jù)除以對應母序列的值：

式中xi(k)—初值化處理后的數(shù)據(jù)序列;Xi(k)—原始數(shù)據(jù)序列;X0(k)—母序列。

與表1相對應,得8個標準化序列,如表2所示。

2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算

要求得子序列與母序列之間的關(guān)聯(lián)程度,還必須將子序列對應值與母序列相減,求絕對值,得到新的序列ΔXi(k)(i=1,2,...,7;k=1,2,..., 8),如0.049,0.286,0.034,0.250,0.037,0.020, 0.500,0.012。

式中Li(k)—第i個子序列中的第k個元素與對應母序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù);α—分辨系數(shù),α=0.5。

2.4 關(guān)聯(lián)度的計算

因為關(guān)聯(lián)系數(shù)Li(k)是被比較數(shù)據(jù)列(子序列)與參考數(shù)據(jù)列(母序列)在各個時刻(即曲線中的各點)的關(guān)聯(lián)程度值Ri,數(shù)據(jù)多,信息過于分散不便于進行整體性比較。因此有必要將各個時刻(即曲線中的各點)的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個值,即求其平均值,作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示。

則求得的關(guān)聯(lián)度Ri的大小反應了母序列與子序列之間的關(guān)聯(lián)程度。計算所得關(guān)聯(lián)程度,如表4所示,按關(guān)聯(lián)度大小排列。

表3 各被比較數(shù)據(jù)列Xi(k)對母序列X0(k)的關(guān)聯(lián)度Tab.3 The association degree of each analyze project between the sequence and maternal subsequence

表4 子序列與母序列關(guān)聯(lián)程度表Tab.4 The association degree between each sequence and maternal subsequence

3 水源判別

關(guān)聯(lián)度Ri的大小反映與母序列之間的關(guān)聯(lián)程度,關(guān)聯(lián)度值越大,表明與母序列之間的關(guān)聯(lián)程度越密切[11],最大關(guān)聯(lián)度為1。顯然與透水點水樣關(guān)系最為密切的是9370副巷和桑干河河水;關(guān)系度一般的為804運巷、420水倉運巷、902運巷、288運巷;北翼420運巷與9370地區(qū)水源基本無關(guān)聯(lián)。從地理位置上看,9370副巷水樣點離透水點最近,可判定9370副巷水樣與透水點水樣均來至同一水源。桑干河為常年性河流,河流底部即為髫髻山組安山巖,河流北岸為第四系松散粘土砂礫石層,經(jīng)地面直流電測深探測技術(shù)對井下富水區(qū)及導水通道的探查結(jié)果表明,桑干河北緣地下150m處垂直河流方向有一低阻異常區(qū),分析說明為水源運移通道。最終確定牛西礦南翼采區(qū)透水水源來至桑干河河水。

4 結(jié)論

1)應用灰色關(guān)聯(lián)分析判別說明,透水點水樣與桑干河水樣的關(guān)聯(lián)度值比較大,兩者存在水力聯(lián)系的可能性比較大。

2)經(jīng)地面直流電測深探測結(jié)果表明,地下150m處有一由南向北的水流運移通道,最終確定南翼9370地區(qū)頂板含水層水源來至地表桑干河,桑干河河水補給髫髻山組安山巖二段含水層,水經(jīng)采空后形成的頂板冒裂帶透入到工作面。

[1]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程[M].武漢：華中理工大學出版社,1990.

[2]周書敬,朱志,王飛.基于灰色層次分析的房地產(chǎn)投資決策[J].河北工程大學學報(自然科學版),2010, 27(2)：83-86.

[3]謝玉波.利用灰色關(guān)聯(lián)度法判斷滕南礦區(qū)地下水系統(tǒng)水力聯(lián)系[J].中國煤田地質(zhì),2001,13(2)：45,48.

[4]吳曉鵬.灰色關(guān)聯(lián)度法在峨八井涌水水源判別中的應用[J].江西煤炭科技,2000(3)：31-33.

[5]付成祥.用灰色關(guān)聯(lián)分析對老采空區(qū)滲水水源的判別[J].水力采煤與管道運輸,2006.3(3)：23-24.

[6]鄧聚龍.灰理論基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學出版社,2002.

[7]LIU S F.The current developing status on grey system theory [J].Journal of Grey System,2007,19(4)：397.

[8]XIA,J.A grey system method applied to forecasting of lake water quality[J].Journal of Grey System,1990,2(3)：257 -266.

[9]龐彥軍,周少玲,楊珠,等.水質(zhì)模糊綜合評判模型的改進[J].河北工程大學學報(自然科學版),2007, 24(3)：89-93.

[10]朱長軍,盧軍燕,郝振純,等.應用灰色新陳代謝GM (1,1)模型預測河流水質(zhì)[J].河北工程大學學報(自然科學版),2007,24(1)：45-47.

[11]岳梅.判斷礦井突水水源灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析的應用[J].煤炭科學技術(shù),2002,30(4)：37-39.