潘謝礦區(qū)地下水水化學特征分析及其判別模型的建立

■李佩全 馬濟國 羅江發(fā)

（淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司生產(chǎn)部 安徽淮南 232001）

潘謝礦區(qū)地下水水化學特征分析及其判別模型的建立

■李佩全 馬濟國 羅江發(fā)

（淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司生產(chǎn)部 安徽淮南 232001）

迅速準確地判斷充水水源是礦井安全生產(chǎn)的重要保障。以淮南潘謝礦區(qū)為例，通過對礦區(qū)不同含水層107個水樣的采集與化學特征的測試分析，判別了不同含水層的水化學類型；基于Bays線性判別分析法，建立了該礦區(qū)各主要含水層水化學判別模式，并結(jié)合微量元素的分析，構(gòu)建了混合水源計算模型。結(jié)果表明：新生界下部含水層水化學類型單一，而煤系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組灰?guī)r含水層與奧陶紀灰?guī)r含水層之間水化學類型相近；應(yīng)用Bays判別模型可以識別出部分新生界下部含水層水樣本，而其它含水層水樣本則無法區(qū)分；混合水源模型計算過程簡單，且能有效確定地下水混合程度。為礦區(qū)突水水源判別及計算奠定了理論基礎(chǔ)。

地下水系統(tǒng) 水化學類型Bays判別分析混合模型

礦井充水是煤礦五大災害(充水、瓦斯、火災、粉塵、動力地質(zhì)災害)之一，隨著開采范圍和深度的加大，礦井充水發(fā)生的可能性越來越大[1]。為了有效防治煤礦重大突水事故，“預測預報”是首當其沖的任務(wù)。從水量變化看，一般有“濕幫-滴水-淋水-流水-突水”的量變到質(zhì)變的過程[2]。煤礦生產(chǎn)過程一旦發(fā)生突水，首要的工作是迅速準確地判斷充水水源，以采取相應(yīng)的防治措施，減少或避免淹井等重大事故的發(fā)生。因此，突水發(fā)生后及時準確判斷突水水源，是礦井防止突水工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

目前常采用地下水化學、同位素、水溫、水位動態(tài)觀測和分析等方法判別突水水源[4]。研究表明結(jié)合SPSS建立的Bays線性判別分析具有計算簡便，誤判率低，穩(wěn)定性高等特點[5-6]。隨著煤礦開采深度的逐漸增加，地下水混合作用逐漸增強，各水源特征水質(zhì)閾值難以界定，也就無從對涌水的來源正確判斷。實際中發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)地下水水源組分混合現(xiàn)象普遍，該類突水危害更大，因此對混合水體的來源組成及其混合程度的研究更為重要。本文以潘謝礦區(qū)為例，對不同含水層進行水化學類型分析，并采用多元統(tǒng)計學中的Bays判別分析法，結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件等建立了潘謝礦區(qū)突水水源判別模式和新的混合計算模型。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

淮南潘謝礦區(qū)位于淮河北岸，區(qū)內(nèi)有潘北礦、潘二礦、潘三礦、謝橋礦、張集礦及顧北礦等 (圖1)。地質(zhì)構(gòu)造從東到西由復雜到簡單，總體為中等—復雜。煤層瓦斯含量大，地溫高，地壓大，開采深度500-900 m[7]。圖1表明，潘謝礦區(qū)中包含多個斷層，當斷層切割含水層的地段時存在突水危害。同時受斷層破碎帶的影響，煤層或煤系砂巖因斷層錯動可以與灰?guī)r相接，各灰?guī)r含水層之間會通過導水裂隙帶對煤系地層進行補給。加上潘謝礦區(qū)包含煤礦區(qū)較多，具有多煤層、開采量大等特點，各含水層之間存在一定的混合現(xiàn)象。

潘謝礦區(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系中下山西組和石盒子組[8]，可采和局部可采煤層有8層。各組煤層頂?shù)装鍘r性大同小異，底板多為濱海三角洲、湖泊相的砂質(zhì)泥巖和泥巖組成，含大量菱鐵結(jié)核，頂板由前三角洲相泥質(zhì)粉細砂巖、中-細砂巖及濱海、瀉湖相和海相的砂質(zhì)泥巖和泥巖組成[7]。礦區(qū)含水層主要包括新生界下部含水層（簡稱下含水）、煤系砂巖裂隙含水層（簡稱煤系水）、石炭系太原組灰?guī)r含水層 （簡稱太灰水）、奧陶紀灰?guī)r含水層（簡稱奧灰水）、寒武紀灰?guī)r含水層（簡稱寒灰水）(圖2)。由于寒灰水采樣困難，樣品數(shù)量較少，文章中不進行討論。

圖2 含水層柱狀分布圖Fig.2 Columnar map of aquifer

圖1 潘謝礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Geological structure outline of Panxie coal mine

2 樣品與測試

本次研究使用的樣品包括潘謝礦區(qū)(潘北礦、潘三礦、潘二礦、

顧北礦、謝橋礦和張集礦)下含水、煤系水、太灰水以及奧灰水在內(nèi)的107個水樣品。每個采樣點采集水樣2500 ml做地下水常規(guī)組分測試，先用水樣將預先清洗的樣品瓶沖洗3次后裝樣，密封后帶回實驗室低溫保存。水樣常規(guī)水化學在中國科學技術(shù)大學結(jié)構(gòu)中心進行測試。測試的項目包括：CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+等。其中CO32-、HCO3-的測試方法為酸堿滴定法；Cl-、SO42-測試方法為離子色譜法 （792Basic IC）；Ca2+、Mg2+測試方法為EDTA滴定法；K+、Na+測試方法為火焰原子吸收光度法（Corning410）。

3 地下水系統(tǒng)水質(zhì)分析結(jié)果與討論

圖3 潘謝礦區(qū)各含水層水樣的piper三線圖

3.1 地下水水化學類型分析

地下水的化學成分極其復雜，與周圍的介質(zhì)密切相關(guān)。如圖2所示，下含水圍巖組成與煤系水相近，主要由泥巖和砂巖組成，而太灰水與奧灰水圍巖則主要由碳酸鹽組成。各含水層所處的地球化學環(huán)境不同，形成了各自不同的水化學特征[9-11]。Piper三線圖系統(tǒng)可以用來研究水化學水質(zhì)，定性判斷各含水層之間的水力聯(lián)系及補給關(guān)系[12]。圖3顯示，下含水水化學類型全部為Na-Cl型，這是由于下含水水平運動緩慢，垂直滲透性差，近于封閉狀態(tài)，補給水源貧乏，與其他含水層之間無水力聯(lián)系。而煤系水、太灰水、奧灰水水化學類型均包含了Na-K-HCO3-Cl、Na-Cl以及Na-HCO3型，水化學特征基本一致。這是由于太灰含水層在受到斷層破碎帶的影響時，有可能會對煤系地層進行補給，而奧灰為太灰補給水源，兩者本身存在一定水力聯(lián)系。這表明煤系水、太灰水、奧灰水之間存在一定程度混合。

3.2 突水水源Bays線性判別指標體系

以K++Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-和SO42-作為分析因子，利用SPSS進行Bays線性判別分析，共建立了3個判別方程，前2個函數(shù)的方差貢獻率達89.9%（表1），說明利用此函數(shù)可以解釋絕大多數(shù)信息[3]。所建立的判別方程如表2及以下所示：

表1 判別方程解釋量Table 1 Interpretation for discriminant equation

式中：F1、F2為判別函數(shù)，(K++Na+)、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-分別代表其含量。

判別效果圖（圖4）表明，煤系水、太灰水與奧灰水之間無法清晰地區(qū)分出來，表明煤系水、太灰水和奧灰水之間存在一定水力聯(lián)系，這與水化學類型分析部分所得結(jié)果一致。

表2 判別方程Table2 Discriminant equation

圖4 判別函數(shù)的分組圖Fig 4 Figure of grouping using discriminant function

3.3 混合模型計算

在混合水的研究當中，難度最大的方面在于背景值的確定，從而在沒有辦法確定端元值的前提下就無法建立有效的混合計算方程。有學者提出基于多元統(tǒng)計分析的礦井突水水源Fisher識別以及混合模型[4]，但實際上，這種模型仍然需要依賴端元組分的選取。然而要確定端元值并不簡單。研究表明常規(guī)離子、微量元素、同位素都

可以用來進行水源識別。在上述用常規(guī)離子建立的水源判別模型中，可以得到判別效果圖（圖4）。如圖4所示，中間的組質(zhì)心就是背景值。

因此，潘謝礦區(qū)各含水層常規(guī)離子的背景值為：下含水：F1（常規(guī)水化學）=-3.241；煤系水：F1（常規(guī)水化學）=1.007；太灰水：F1（常規(guī)水化學）=-0.133；奧灰水：F1（常規(guī)水化學）=-2.011。

同樣，選取礦區(qū)各含水層標型微量元素進行Bays線性判別分析[13]，可以得到微量元素的背景值。選取Li、Sc、V、Pb、Mn、Cr、Ti和Co這八種元素作為標型微量元素進行判別分析，得出背景值：下含水：F2（微量元素）=-0.619；煤系水：F2（微量元素）=5.548；太灰水：F2（微量元素）=-0.594；奧灰水：F2（微量元素）=-0.514。

混合比例描述了參考水樣點對地下水樣的貢獻程度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，其具體計算方法如下：由于煤系水、太灰水及奧灰水之間水力聯(lián)系較強，因此以煤系水、太灰水、奧灰水三個參考水樣點為端元建立三角形ABC。假設(shè)待判水樣點X位于三角形內(nèi)部。因此，觀察水樣點X的混合程度主要通過計算參考水樣點A、B和C的混合比例得出。如圖5所示，地下水中待判水樣X的混合比例可表示為：

圖5 a):混合比例計算圖示;b):混合比例計算分析簡略圖Fig 5 a)A schematic of calculating the mixing portions,b)A schematic illustration of the stages in calculating the mixing portions

太灰水圍巖以灰?guī)r為主，夾砂、泥巖，而奧灰水圍巖以中厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主，夾灰?guī)r（圖2），兩者主要成分均為碳酸鹽。而且太灰水與奧灰水水化學類型相近（圖3），奧灰水為太灰水補給水源。因此，當混合水中包含了下含水、煤系水、太灰水及奧灰水等三種以上水源時，可以將太灰水與奧灰水作為一個含水層（統(tǒng)稱灰?guī)r含水層）來建立模型計算混合比例。

將3個太灰和奧灰水的混合水樣應(yīng)用上述方法進行驗證，圖6顯示，識別效果較好。

圖6 混合水樣判別效果Fig 6 Discriminant effect of mixed water sample

4 結(jié)論

（1）潘謝礦區(qū)各含水層均以Na-Cl型為主。煤系水、太灰水與奧灰水之間存在一定程度混合。

（2）利用SPSS進行Bays逐步判別分析，建立了單一水源判別方程，在此基礎(chǔ)上結(jié)合微量元素的分析，提出突水水源混合比例計算模型，解決了混合模型中端元值難以確定的問題。

（3）突水水源判別模型能有效識別地下水水源，但礦井突水水源判別模型建立在有限數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，受數(shù)據(jù)隨機性、代表性、準確性的影響。另外，在水源判別時應(yīng)該考慮多種判別方法聯(lián)用，并結(jié)合微量元素、同位素以及稀土元素進行分析，建立可靠水源識別模型。

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P641.4[文獻碼]A

1000-405X（2015）-10-130-136-3

李佩全，1982年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學院采礦系，高級工程師，研究方向為煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理。