基于水化學特征分析的象山礦井突水水源判別

摘要：為能夠快速的、準確的識別礦井突水水源，減少煤礦人員傷亡和經濟損失，以象山煤礦為例，應用Piper三線圖法對井田內3組基巖含水層（奧陶系灰巖含水層、石炭系砂巖/灰巖含水層、二疊系砂巖裂隙含水層）中水質類型進行劃分，采用水質分析對比和系統聚類分析相結合的方法，通過對井田內3組基巖含水層中28個水樣進行的分析，獲得了不同基巖含水層水的化學特征，根據水化學特征，將突水點處的待定水樣和3組基巖含水層中的水樣對比來判別礦井突水水源，同時提出了利用模糊聚類方法進一步確定礦井突水水源。研究結果表明，石炭系砂巖（灰巖）水和奧陶系巖溶水的水化學特征都與待定水樣比較相似，不能輕易識別；聚類分析法能夠排除干擾因素并最終精確判別礦井突水水源，即象山煤礦280排矸石門突水的水源為奧灰巖溶水，預測結果與實際相符，表明該方法針對礦井突水的水源判別具有較好的準確性。關鍵詞：礦井突水；水質分析；Piper三線圖；聚類分析中圖分類號：TD 741文獻標志碼： A

Abstract：In order to distinguish water sources of mine water bursting quickly and accurately，and reduce coal mine personnel casualties and economic losses，taking Xiangshan coal mine as an example，we use the Piper trilinear nomograph method to divide Water types in three sets of groundwater in the bedrock aquifer which are Ordovician limestone aquifer，Carboniferous sandstone/limestone aquifer，Permian sandstone fractured aquifer，combine water quality analysis and comparison method and systematical clustering method to analy 28 samples of the main aquifers in the minefield and reveal the hydrochemical characteristics of different types of groundwater.By comparing water chemistry type of undetermined water samples with water chemistry type of water samples in the three bedrock aquifers to discriminate mine water inrush source，meanwhile we propose a fuzzy clustering method to further determine mine water inrush.It is found that the water chemistry characteristics of the Carboniferous sandstone（Limestone）water are similar to that of the Ordovician karst water，which is not easy to distinguish；The possibility of water inrush from Carboniferous sandstone（Limestone）can be excluded after by cluster analysis.We find the water source of water inrush is Ordovician limestone karst water at 280 Gangue of Shimen in Xiangshan coal mine.The predicted results are in agreement with the actual results，it shows that this method has better accuracy for the water source identification of mine water inrush.Key words：mine water bursting；water quality analysis；Piper trilinear nomograph；cluster analysis

0引言中國不僅是世界主要產煤國，而且也是受水害最嚴重的國家之一。由于中國煤田地質條件十分復雜，突水事故是世界上最嚴重的國家之一，采礦中頻繁發生的突（涌）水災害嚴重威脅著煤礦的安全生產。解決礦井突水搶險救災的首要任務就是突水水源的判別[1-3]。目前，水源判別的方法主要有地下水位水溫判別、水化學分析、非線性分析以及多元統計學等方法[4-6]，通過改進模糊數學權重系數確定方法，建立礦井突水水源判別模型。陳俊環[7]利用水質類型的差異，以邢臺礦區為例，對礦井突水水源進行判別，并說明該方法存在一定的局限性。張樂中，曹海東，楊立華等[8-9]利用水質的差異，通過Piper三線圖揭示水化學特征，并通過水質對比，正確地判斷出了礦井突水水源。秦松柏，歐陽正平，程天舜等[10]對采集的水化學數據進行Q型聚類分析，為找出混合成因水、解決不同含水層的連通情況提供了可靠依據。劉猛，白峰青，陳少帥等[11]建立邢臺礦水源判別標準集，利用標準集能夠準確反映所屬含水層的水化學特征，為礦井突水水源判別提供背景值。象山礦井自投產以來共發生突水事件32次，其中本溪組砂巖突水4次，5#煤頂底板裂隙突水4次，3#煤頂底板裂隙突水7次，3#煤層老窯突水3次，11#煤層底板突水1次，地表水（紅旗渠水）造成的突水10次，奧灰水突水3次。該礦以往判別突水水源的方法主要是地質與水文地質分析法，這種方法是根據現有的地質及水文資料，按照前人總結的經驗，分析、判斷水源類型，主觀因素太多，判別結果誤差比較大。為了消除人為因素帶來的誤差，文中利用Aquachem和SPSS軟件分別繪制了Piper三線圖和聚類樹狀圖進行分析，從Piper三線圖上可以直接判斷出水質類型，避免人為分析帶來的誤差，結合聚類樹狀圖確定水源。

1區域地質及水文地質特征象山煤礦位于渭北煤田東部邊緣地帶。屬華北型石炭-二疊系煤田，主要開采二疊系山西組的2#，3#煤層及石炭系太原組的5#，11#煤層。象山煤礦大中型構造較為發育，但主要集中在井田邊淺部寬約05 km左右的狹窄條帶范圍內，對礦井煤層開采影響不大。井田范圍內地表水不甚發育，地下水受構造、巖性的控制，主要埋藏在第四系底部和石炭二疊系基巖裂隙與奧灰巖巖溶裂隙之中。煤系及之上各含水層充水空間不太發育，受沉積作用的控制，含水層與隔水層相間存在，形成多層結構的復合承壓含水體。井田內構造不發育，含水層比較封閉，各含水層之間水力聯系較差，只有在斷層導通的部位有微弱的聯系，水質類型相對穩定，因此，可以用水質分類的方法對礦井水源進行甄別。區域主要的含水層有

1.1第四系松散巖類孔隙含水層組主要含水層為底部砂礫石層，含水層厚度最大約20 m，象山礦井自建井以來未發生過第四系孔隙水出水現象。鉆孔抽水試驗結果q=273～2111 L/（s·m）.

1.2二疊系砂巖裂隙承壓弱含水層組主要由上、下石盒子組砂巖含水層和山西組底部（K4）砂巖含水層等組成。含水層富水性與透水性均不好，水力聯系差，滲透有限，補充量不足，故含水量不大，同時受隔水層阻隔，各含水層之間多無水力聯系。充水方式為頂、底板進水型。該含水層組厚度大，空間位置差異大，因此含水層中的水質也有所不同，含水層單位涌水量q=0003 01～045 L/（s·m）.

1.3石炭系砂巖（灰巖）裂隙承壓弱含水層組

巖性主要為石英砂巖，其中太原組（K2）灰巖裂隙含水層和本溪組砂礫巖含水層為強含水層，可能會因為局部地段較破碎，在標高低洼部位，引起淹沒巷道現象。該含水層組單位涌水量q=0006 9～0154 L/（s·m），滲透系數K=0001 25～0522 m/d.

1.4奧陶系石灰巖溶裂隙承壓強含水層組由相對隔水層段與幾個含水層段復合而成，具有統一的水位高程，其含水層有上馬家溝組三段、二段及下馬家溝組二段等，以上馬家溝組含水性最強且離煤系最近，對11#煤層開采影響最大。該組富水性依不同的構造部位其富水性有較大的差異。一般單位涌水q= 001 L/（s·m），滲透系數K=014 m/d.

2地下水特征對象山煤礦造成威脅的水源主要有煤層頂板砂巖水和煤層底板奧灰巖溶水。由于地下水存在環境、交替條件的不同，砂巖水和奧灰巖溶水的水化學特征存在著差異，因此，可以用水質分類的方法來判斷出突水水源。建井過程中，當280排矸石門掘至F測點前41 m處遇逆斷層突水，斷層走向210°，傾向120°，斷距不清。突水點高程+2815 m，由斷層上盤突水。280石門突水后，為了快速識別水源，工作人員突水對水樣進行了檢測分析，同時還分別采集了奧灰巖溶水樣6份、二疊系砂巖水樣14份以及石炭系砂巖水樣8份包括：K++Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO2-4，HCO-3，TDS等7個指標見表1.利用表1含水層水質數據繪制出三線圖，將水樣中的陰陽離子每升毫克當量輸入到三角形圖上，然后投影到菱形圖上，根據投影點的位置，可以直觀的反映出不同含水層、不同區域的水化學特征差異。根據MT/T67—1997《煤礦水害防治水化學分析方法規定》，主要離子毫克當量百分數大于25%參加評定水質類型；介于20%～25%的成分作為參考成分，并用括號區別[12-13]。

21奧陶系巖溶水化學特征將2#～8#水樣繪制于Piper圖上（圖1），奧灰巖溶水的6個水樣均位于菱形的上端，水質類型為SO4—Ca·Mg·（Na）和SO4·（HCO3）—Ca·Mg·（Na），此類水質表示含水層為循環深度深、徑流差的水質特征。水的溶解性總固體（TDS）在0412～0886 g/L之間。

22石炭系砂巖（灰巖）水化學特征利用石炭系砂巖含水層的9#～16#水樣繪制在Piper三線圖上（圖2），水樣點在圖上散落分布，水化學特征多樣，水質類型不能給予整體的歸類，水中陰離子主要為SO2-4，HCO-3型水，其中有50%水樣點與奧灰巖溶水水質相似，水質類型為SO4—Ca·Mg，9#，12#，15#水樣中的TDS含量均大于1 g/L，其余均小于1 g/L.

23二疊系砂巖裂隙水化學特征由圖3可以看出，二疊系砂巖含水層14個水樣，70%多的水樣位于中部偏左的區域，該區域表示水中的暫時硬度大于50%，水中離子以Ca2+，Mg2+和HCO-3為主，水質類型為HCO3—Ca·Mg和HCO3—Ca·Mg·（Na）；其余4個水樣位于右下邊的區域，水質類型為HCO3—Na·K，由表1可得二疊系砂巖水中的TDS均小于1 g/L，水質較好。

3水質分析將所采集的30個水質資料共同繪制出Piper三線圖進行水質對比，象山礦井280石門突水的水質類型為SO4—Ca·Mg·Na，平均TDS為082 g/L，水樣中的主要的陰離子為SO2-4，與上述含水層所有的水質類型相比，只有3#，4#，6#，8#，9#，10#，12#，15#這幾個水樣點的水質類型和突水點的水質類型相似，其中3#，4#，6#，8#水質類型為SO4—Ca·Mg·Na，9#，10#，12#，15#水質類型為SO4—Ca·Mg，9#，12#，15#水樣中的TDS明顯高于突水點的水樣，所以初步判斷3#，4#，6#，8#，10#水樣所在的含水層為突水含水層，即奧陶系灰巖含水層和石炭系砂巖～灰巖含水層（圖4）。

4系統聚類分析系統聚類分析是將所有研究的樣品每一個都看成一類，根據樣品間的相似程度，將最相似的樣品合并成新的一類。再重新計算新的一類與其他類之間的相似程度，進行合并。合并過程中，樣品種類隨之減少，直到合并為一類為止。這種方法簡單、直觀，一些難以區分類別的數據利用聚類分析都能進行劃分[14-16]。文中主要是利用SPSS軟件對水質樣品進行聚類（屬于Q型分析）。樣品聚類之前，為了避免各個變量的單位和數量級不同所造成誤差影響，需要將所有的數據標準化，方法如下原數據

5結論

1）利用Piper三線圖法、水質分析法和系統聚類分析法相結合的方法，可以避免水質類型相似時，造成水源判別不準確的問題，為礦井水源判別提供了很好的思路；

2）通過對該井田賦存的主要含水層中28個水樣進行的分析，揭示了不同類型地下水的水化學特征，建立了該煤礦地下水的水化學特征庫，為水源的判別工作建立了很好的研究基礎條件；

3）以實際突水事故為例，利用SPSS軟件對水質樣品進行聚類分析，發現其預測結果與實際情況相符，分析結果可信度較高。

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