基于水化學(xué)和模糊綜合評(píng)判的突水水源判別

趙 靜

(太倉(cāng)市水利市政設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 太倉(cāng) 215400)

0 引言

礦井一旦發(fā)生突水，不僅影響煤礦的正常生產(chǎn)，而且會(huì)給井下人員生命與財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，因此，準(zhǔn)確及時(shí)地查找突水原因、水源，是防治礦井水害的關(guān)鍵。建立判別模型來(lái)識(shí)別突水來(lái)源是被大量采用并行之有效的方法。在識(shí)別突水水源方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多方法[1-4]，諸如水化學(xué)法、主成分分析法、同位素法、灰色關(guān)聯(lián)度法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊數(shù)學(xué)法等。近年來(lái)，GIS和多源信息復(fù)合方法[5]的應(yīng)用更將突水分區(qū)結(jié)果直觀顯示出來(lái)。為此，以淮南礦區(qū)朱集東煤礦及周邊井田多年采集的132個(gè)礦井水樣為例，運(yùn)用水化學(xué)分析、聚類分析和模糊綜合評(píng)判建立突水水源快速判別系統(tǒng)，以期為今后判斷突水來(lái)源提供參考。

1 研究區(qū)背景

研究對(duì)象位于淮南煤田東北方向，礦井構(gòu)造形態(tài)受朱集—唐集背斜、尚塘—耿村集向斜的影響，總體為一背、向斜。區(qū)內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)斷層30余條，巖性主要以泥巖、粉砂巖為主，伴有砂巖碎塊，含水性一般，導(dǎo)水性較差。

礦井采掘活動(dòng)表明地下水主要包括新生界松散層孔隙水、煤系砂巖裂隙水和石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙水3大類。其中，煤系砂巖裂隙水充填于泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖裂隙中，由于裂隙不發(fā)育、含水性極弱，此類水以儲(chǔ)存量為主，是礦井直接充水水源，但在局部砂巖裂隙發(fā)育地段，儲(chǔ)存量砂巖水可能在井巷掘進(jìn)過(guò)程中瞬時(shí)出水造成危害。新生界松散層孔隙水對(duì)煤系砂巖裂隙水垂直補(bǔ)給甚微，但隨著開(kāi)采深度增大，3號(hào)煤層底板可能由于壓力或者斷層帶影響而底鼓破裂，導(dǎo)致太原組灰?guī)r水大量涌入采掘工作面。當(dāng)前，礦井主采埋深較淺的11號(hào)煤層和13號(hào)煤層，未開(kāi)采A組煤，灰?guī)r水暫時(shí)對(duì)礦井沒(méi)有威脅。

2 水源判別模型

共收集水樣132個(gè)，其中松散層水樣15個(gè)，煤系砂巖水樣11個(gè)，老空水樣3個(gè)，太原組灰?guī)r水樣103個(gè)(朱集東礦1個(gè)，潘四東礦83個(gè)，潘二礦19個(gè))。朱集東礦尚未開(kāi)采A組煤，現(xiàn)僅有1個(gè)勘探階段采集的灰?guī)r水樣，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的有效性。礦井受灰?guī)r水的威脅隨著開(kāi)采深度的增加逐漸增強(qiáng)，因此對(duì)灰?guī)r水的分析與研究具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)意義[6]。與礦井臨近的潘四東礦和潘二礦已開(kāi)采A組煤，具有大量的灰?guī)r水?dāng)?shù)據(jù)，且這3個(gè)礦同屬一個(gè)二級(jí)水文地質(zhì)單元，水質(zhì)較為接近，因此增選潘四東礦和潘二礦的灰?guī)r水?dāng)?shù)據(jù)作為本次研究的背景值。

2.1 水化學(xué)特征

不同水源的地下水中各離子含量高低取決于其水文地質(zhì)化學(xué)成因，由此判別突水來(lái)源。綜合考慮離子的重要性及數(shù)據(jù)的有效性[7]，選取水化學(xué)成分中常規(guī)離子、pH和TDS作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，借助于Aquachem軟件繪制Piper三線圖，如圖1～3所示。

圖2 煤系砂巖水和老空水Piper圖Fig.2 Piper diagram of coal measure sandstone water and old empty water

圖3 太原組灰?guī)r水Piper圖Fig.3 Piper diagram of limestone water of Taiyuan formation

2.2 聚類分析

由于某些水樣的水化學(xué)特征與其他水樣具有較大差異，利用SPSS軟件的聚類分析模塊剔除對(duì)分析有影響的異常樣本。采用Q型聚類分析，確定類間歐式平方距離不大于15作為標(biāo)準(zhǔn)，聚類分析標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，計(jì)算出新生界下含水、煤系水和太灰水的統(tǒng)計(jì)背景值，見(jiàn)表1。

表1 各含水層統(tǒng)計(jì)背景值Table 1 Statistical background values of each aquifer

2.3 模糊綜合評(píng)判

模糊綜合評(píng)判是利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度原理將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化成定量評(píng)價(jià)，可以用來(lái)整體評(píng)價(jià)受到多種因素制約的對(duì)象或事物。

模糊綜合評(píng)判原理[9]表示為

E°R=B

(1)

表2 因素集標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Standard values of factor sets

(2)

(3)

最后，進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算B=A°R={b1,b2,b3}。

隨機(jī)選取下含水樣1個(gè)、煤系水樣和太灰水樣各2個(gè)作為判別樣本，各離子含量見(jiàn)表3。

表3 水樣分析資料Table 3 Water samples analysis data

得模糊綜合評(píng)判結(jié)果為

B1=E1°R1=

(0.557 9 0.017 7 0.424 3)

(4)

B2=E2°R2=

(0.064 8 0.837 3 0.097 9)

(5)

B3=E3°R3=

(0.289 1 0.562 2 0.148 7)

(6)

B4=E4°R4=

(0.149 4 0.140 6 0.710 1)

(7)

B5=E5°R5=

(0.132 6 0.359 9 0.507 5)

(8)

對(duì)水樣Y1的模糊計(jì)算結(jié)果得出最大隸屬度為0.557 9，根據(jù)最大隸屬度原則得Y1來(lái)自下含水。由于下含水和太灰水都是長(zhǎng)期封存的古水，徑流緩慢，由Piper三線圖可知水樣Y1水質(zhì)與太灰水接近，故模糊評(píng)判結(jié)果顯示太灰水對(duì)其有一定的隸屬度。對(duì)水樣Y2和Y3的模糊計(jì)算結(jié)果，最大隸屬度分別為0.837 3和0.562 2，這2個(gè)水樣來(lái)自煤系水，與取樣層位吻合。煤系水對(duì)Y1的隸屬度為0.017 7，下含水對(duì)Y2和Y3的隸屬度分別為0.064 8和0.289 1，說(shuō)明下含水與煤系水水力聯(lián)系較弱。水樣Y4取自潘二礦12223疏水巷，由Y4的模糊計(jì)算結(jié)果知，最大隸屬度為0.710 1，由此判斷，Y4的水源主要為太灰水。水樣Y5取自潘四東礦-490 m東翼放水巷，徑流條件差，地下水補(bǔ)給源于自身儲(chǔ)存量。太灰水、煤系水對(duì)Y5的隸屬度較高，分別為0.507 5和0.359 9，說(shuō)明Y5主要來(lái)自太灰水，而受斷層帶等因素影響，太灰水與煤系水之間存在著一定的水力聯(lián)系。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)水化學(xué)分析得出各含水層水質(zhì)偏堿性，礦化度較高，新生界下含水以Cl-Na型水為主，煤系水以Cl- HCO3-Na、HCO3-Cl-Na型水為主，太灰水以Cl-Na、Cl-HCO3-Na、Cl-SO4-Na型水為主。

(2)Piper三線圖和模糊綜合評(píng)判結(jié)果均表明下含水和煤系水水力聯(lián)系較弱。

(3)由Piper三線圖得，太灰水水質(zhì)一部分與下含水接近，一部分與煤系水接近。模糊綜合評(píng)判結(jié)果也顯示出太灰水與下含水和煤系水有一定的隸屬度。究其原因，下含水與灰?guī)r水都是長(zhǎng)期封存的古水，徑流緩慢，以高礦化度水為主。而煤系地層直覆于石炭系太原組灰?guī)r之上，而受斷層帶等因素影響，灰?guī)r水可能補(bǔ)給煤系水。

(4)利用上述模型對(duì)隨機(jī)選取的5個(gè)水樣進(jìn)行驗(yàn)證，得出判別結(jié)果符合實(shí)際情況，模型識(shí)別效果良好，具有一定的實(shí)用性和時(shí)效性。

(5)受人為、自然等諸多因素影響，礦井突水過(guò)程十分復(fù)雜，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)存在一定困難。因此在開(kāi)采過(guò)程中，要注意對(duì)礦井水文地質(zhì)資料的收集與分析，綜合利用科學(xué)手段，進(jìn)一步提升礦井防治水能力。