基于水化學特征的聚類法判別礦井突水水源

王炳強，白喜慶，吳振嶺

(中國煤炭地質總局水文地質局，河北邯鄲056004)

我國煤田地質條件十分復雜，煤礦水害已成為影響我國煤礦安全生產的關鍵問題之一［1］。礦井突水水源的判定是煤礦水害防治工作的首要任務，及時、準確的查明突水水源是解決和進一步預防突水水害的前提。以前，采用水化學方法，對礦井不同含水層水化學特征進行舒卡列夫分類判定突水水源［2］，此種方法宏觀性差，且費時費力。本方以研究各含水層特征離子組成為基礎，應用聚類分析方法，利用SPSS統計軟件中的聚類分析模塊進行統計計算，判斷井下涌(突)水層位及補給水源。該方法簡單易學，并且投資少，效果好，為礦井防治水工作提供了一條可行的技術思路。

1 主要充水水源及其對采煤的影響

山西新陽煤礦位于呂梁地區孝義市城西14 km的新陽鎮，區內地層自下而上為:寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系、第四系。井田主要含水層自上而下可分為:松散巖類孔隙含水巖組，二疊系碎屑巖類裂隙含水巖組，石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組，奧陶系巖溶裂隙含水巖組。目前上組煤2#煤已基本開采完畢，主采下組煤(9#+10#+11#)，開采下組煤主要受上覆石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水與下伏間接奧陶系峰峰組巖溶裂隙水、奧陶系上馬家溝組巖溶裂隙水的影響。

1.1 第四系、新近系松散巖類孔隙水

第四系、新近系松散巖類孔隙水含水層主要由3～4層卵礫石層組成，厚度 5.65～10.45 m。單位涌水量0.000 3 ～0.059 2 L/s.m，富水性弱，第四系河谷沖積層區富水性中等－強。即河谷沖積層區對開采上組煤有一定影響，其它地方影響不大。

1.2 石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層主要由石炭系太原組中－粗粒砂巖及其所夾K4－K2生物碎屑灰巖組成，其中所夾灰巖厚度10.10～16.84 m，一般巖溶裂隙發育程度弱－中等，單位涌水量0.013 6 ～0.083 5 L/s·m，富水性弱，局部斷裂構造部位巖溶裂隙發育，富水性強。由于此含水層總體補、蓄條件差，以靜儲量為主，易于疏干，對采煤煤影響較小。

1.3 奧陶系巖溶裂隙水

井田西南部奧陶系峰峰組含水層單位涌水量為0.956 9 L/s·m，富水性中等，對開采下組煤存在較大的突水威脅。在斷裂帶上，其威脅更大;奧陶系上馬家溝組含水層單位涌水量1.856 6～2.132 2 L/s·m，富水性極強，但是井田內大部分區域為不帶壓開采區，少部分區域存在突水危險。

2 地下水的化學成分及其形成作用

地下水由于賦存介質的化學成分及孔隙與裂隙的連通性、水交替條件等存在較大差異，分別表現出獨特的水化學特征［3－4］。

第四系水賦存于以石英砂為主的孔隙介質中，滲透性較好。因其處于地球表面，容易接受富含CO2大氣降水的直接入滲補給，故水中HCO3－相對含量高于其它地下水。此外，其頂底板含鈣質結核的粘土層吸附了水中部分K++Na+，同時置換出Ca+，故水化學類型常以HCO3－Ca型水為主。

煤系層間灰巖水及砂巖水主要賦存于以鈉長石、鉀長石為主的砂巖裂隙中，裂隙連通性較差，水交替緩慢，易積累溶解度較高的K++Na+。而Ca2+、Mg2+因溶積度低，在水中含量相對較低，故水化學學類型常以HCO3－Na型水為主。

表1 含水層離子毫克當量百分數Tab.1 The ion milligram equivalent percentage of the water content in the aquifer

奧陶系峰峰組巖溶裂隙水賦存于石灰巖、石膏等海相地層的巖溶裂隙中，受富含介質成分的影響，水中富積Ca2+、SO42－。但因其埋藏深，與大氣間的隔離層厚，環境封閉，故HCO3－含量相對較低，水化學類型常以 SO4－Na·Ca型為主;奧陶系上馬家溝組巖溶裂隙水賦存于石灰巖、白云巖等海相地層的巖溶裂隙中，上馬家溝組含水層與峰峰組含水層水化學有明顯的區別，主要表現為SO42－離子含量較峰峰組巖溶裂隙水明顯下降，而Cl－、Ca2+含量相對較高，水化學類型較為復雜。

3 聚類分析

3.1 聚類分析原理及計算軟件

聚類是按照某個特定標準把一個數據分割成不同的類或簇，使得類內相似性盡可能大，同時類間的差異盡可能大［5］。不同地區和層位地下水攜帶的特征離子存在一定的差異。采用聚類分析方法，通過計算各類(點)地下水水化學特征組分的聚類距離R，來間接判斷突水點地下水所屬層位及補給來源。

聚類分析程序分析計算快速而準確，本次判斷分析水源種類采用的是SPSS統計軟件中的聚類分析模塊進行統計計算。

3.2 聚類分析因子

收集已知含水層的水化學資料，分類統計結果見表 1。選擇 K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42－、HCO3－毫克當量百分數作為水化學特征組分。表中所列各類地下水的水化學特征組分在地下水運移與演化的過程中具有示蹤劑的作用，是判斷井下突(涌)水點地下水來源的物質基礎。

3.3 聚類分析模型

3.3.1 建立模型

運行聚類分析模型，計算未知層位涌(突)水點分析因子與各類地下水水化學特征組分的聚類距離R。運用SPSS統計軟件中的聚類分析模塊進行統計計算。詳細步驟如下:

打開SPSS軟件，新建工作表“新陽礦水化學分析模型”，輸入(或粘貼)數據，單擊【分析】/【聚類分析】，選擇并點擊【分層聚類】，將VAR00001－VAR00002從右框一一加入右“變量”框，如圖1，點擊【分層聚類】中【繪圖】按鈕【系統樹圖】前打“√”，點擊【繼續】，并點擊【分層聚類】中的【確定】按鈕，可以得到聚類分析譜系圖，如圖2。聚類分析譜系圖，清晰直觀的反映出各項相對位置與關系。

3.3.2 分析結果

如圖1所知，若取R值的可信度范圍≤5，可將所有水化學特征組分樣品分為6組，從上而下分別對應6種水源:

第一組:以礦方提供新二采區北膠帶化驗資料(計算編號6－12)為主，各水化學特征組分數據關系極為密切，聚合為一組。

第二組:未知層位出水點1、2兩個水樣與XF3、XF4號孔峰峰組含水層水化學牲征組分聚合為一組。

第三組:XS2號孔、XF7號孔峰峰組含水層水化學特征組分聚合為一組。

第四組:XF6號孔、XF7號孔太原組灰巖含水層水化學特征組分與X3號孔第四系含水層水化學特征組分聚合為一組。

第五組:賢者村、西曹村新近系含水層水化學特征組分與X1號孔新近系含水層水化學特征組分聚合為一組。

第六組:韓家灘、胡家窯、礦用水源井為上馬家溝組含水層，此含水層水化學特征組分與XS2號孔上馬家溝組含水層水化學特征組分聚合為一組。

基本可以分析出:未知含水層水化學特征組分被劃分入第二組，第二組已知XF3、XF4號孔為峰峰組含水層水源水化學特征組分資料，并且與未知層位出水點水化學特征組分1、2關系密切。并且第二組與第一組(第一組為峰峰組含水層水化學特征組分)關系密切，更加說明未知層位出水點1、2為奧陶系峰峰組巖溶裂隙水涌(突)水。

3.3.3 模型應用及建議

在下組煤開采情況下，分兩種情況判別突水來源，第一種情況:掘進工作面發生突水，欲知其補給來源，待突水點涌水量初穩后取水樣作全分析，將已知層位的水化學特征值與突水點的水化學特征值數據輸入聚類分析模型，根據R值可信度范圍，若突水點與模型中A含水層水化學特征組分屬一組，則可結合地質情況推斷地下水來源于A含水層;第二種情況是:已知突水點發生在A含水層，但涌水點水化學特征值與相鄰B含水層水化學特征組分間的R值親近，則可結合地質情況及水位動態推斷A、B含水層是否發生了水力聯系，相互間的R值越小，水力聯系程度越密切。

建議在礦方在開采下組煤過程中，加強監測，如發現涌水量出現逐漸增大趨勢，及時采集水樣，監測有無奧陶系灰巖裂隙含水層混入跡象，以便采取相應的防治水措施。

4 結論

1)分析得知未知層位出水點水化學特征組分與奧陶系峰峰組巖溶裂隙水關系密切，該水源為奧陶系峰峰組巖溶裂隙水。

2)實踐證明，地下水化學聚類分析模型在判斷井下突(涌)水點地下水所屬層位及補給來源方面具有獨特優勢，投資少，見效快，值得推廣與應用。

［1］鄭琳，孫亞軍.基于GIS和聚類分析的礦井突水水源快速判別［J］.江蘇地質，2006，30(4):299 －302.

［2］呂玉廣，任智德.水化學法判定礦井突水水源實例［J］.山東煤炭科技，2013(6):96－99.

［3］王大純.水文地質學基礎［M］.北京:地質出版社，1995.

［4］高衛東，何元東，李新社.水化學法在礦井突水水源判斷中的應用［J］.礦業安全與環保，2001，28(5):44－45.

［5］劉銘，朱長軍，頓珠加措，等.聚類分析方法在濟寧市水質分析中的應用［J］.河北工程大學學報:自然版，2014，31(2):67 －71.