礦井突水水源判別方法研究進(jìn)展*

汪 洋 左文喆 王斌海 程紫華

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

礦井突水是引發(fā)井下安全事故的重要因素，根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局統(tǒng)計，2001—2009年所發(fā)生的礦山突水事故導(dǎo)致死亡人數(shù)為3 245人，其中93.7%發(fā)生于煤礦。礦井突水事故的發(fā)生和發(fā)展過程具有濕幫—淋水—流水—突水的特點[1]，在礦井突水過程中，對礦井突水水源進(jìn)行快速準(zhǔn)確地判別，對于及時采取防治水措施，盡可能減少水害所造成的人員及財產(chǎn)損失具有重要意義。本研究結(jié)合近年來的相關(guān)研究成果，對礦井突水水源判別方法的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)剖析。

1 突水水源判別方法

礦井突水水源判別方法是依靠相關(guān)科學(xué)技術(shù)手段對礦井突水來源進(jìn)行分析和判斷的理論方法。在國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，礦井突水水源判別方法的研究已日趨成熟。水源判別方法主要有水溫水位法、水化學(xué)分析法、數(shù)理分析法等(圖1)。

1.1 水溫水位判別法

在水文地質(zhì)條件較為簡單的區(qū)域，水溫水位可以作為初步判斷突水來源的重要依據(jù)。地下水在賦層條件和循環(huán)環(huán)境的影響下，其溫度往往呈現(xiàn)出不均一性和變化性。在礦井實際生產(chǎn)過程中，利用突水點的水溫與具有突水隱患的含水層的水溫進(jìn)行對比，可對礦井突水水源進(jìn)行初步預(yù)測[2]。袁文華等[3]在對任樓煤礦突水水源進(jìn)行判別時，成功地建立了地溫方程來計算突水含水層水溫，并與實際出水點的水溫進(jìn)行對比，有效預(yù)測了該礦的涌水來源。在對礦井含水層疏水的過程中，一個含水層水位發(fā)生變化，必將導(dǎo)致與其相互聯(lián)系的含水層水位也發(fā)生變化，這種不同含水層之間的水位聯(lián)動關(guān)系為判斷礦井突水來源提供了可靠依據(jù)[4]。

圖1 突水水源判別方法分類

近年來，在具有較大開采強(qiáng)度的礦區(qū)中，水位水溫法常與水化學(xué)分析法相結(jié)合，可更有效地判別礦井突水水源，即水質(zhì)、水位、水溫法(QLT法)。劉文明等[5]用QLT法對潘謝礦區(qū)進(jìn)行了水質(zhì)、水位、水溫等多因素的判別研究，開發(fā)出了潘謝礦區(qū)礦井突水水源QLT法判別系統(tǒng)，實現(xiàn)了對該礦突水水源的有效判別。

1.2 水化學(xué)分析法

自從“水文地球化學(xué)”這一術(shù)語被提出后，水文地球化學(xué)的研究范圍不斷擴(kuò)大，并且成為一門獨立學(xué)科得到了長足發(fā)展[6]。基于水文地球化學(xué)理論的礦井突水水源判別方法主要有常規(guī)水化學(xué)法、微量元素法、同位素法等。

同位素水文地球化學(xué)在礦井突水水源判別中的應(yīng)用主要依賴于其在涌水水源示蹤方面的優(yōu)勢，近年來該方法的應(yīng)用研究主要集中于煤礦領(lǐng)域。一般采用綜合水文地質(zhì)條件、常規(guī)水化學(xué)、微量元素水化學(xué)以及δ18O同位素測試分析結(jié)果，配合采用人工示蹤等方法來判別涌(突)水水源。潘國營等[12]采用了同位素技術(shù)準(zhǔn)確、快速地判別出了某煤礦礦井突水水源，為制訂有效的防治水措施提供了可靠依據(jù)。

在分析礦區(qū)地下水的導(dǎo)水通道、判定充水水源與礦井水的連通性等方面，常規(guī)水化學(xué)法、微量元素法以及同位素法常常聯(lián)合使用，在華北型煤田防治水工作中取得較好的實踐效果。目前，水化學(xué)的超前快速監(jiān)測分析工作已列入煤礦防治水規(guī)范，現(xiàn)階段水化學(xué)判別方法在鐵礦等金屬礦山應(yīng)用較少。

1.3 數(shù)理分析法

1.3.1 多元統(tǒng)計法

判別分析法是多元統(tǒng)計分析的一種有效方法，是在若干類已知對象中確定新對象歸屬類的統(tǒng)計分析方法，主要用于判斷對象的歸屬類，判別分析方法有逐步判別、距離判別、序貫判別、費歇爾判別及貝葉斯判別等[13]。高艷秋[14]基于4個不同突水含水層的水化學(xué)特征，結(jié)合逐步判別分析等方法，成功構(gòu)建了突水含水層的判別模型，經(jīng)實際檢驗，成效顯著；周健等[15]運用距離判別分析法判斷了梧桐莊煤礦井下突水水源，驗證了距離判別分析模型良好的分類性能以及較高的預(yù)測精度；張許良等[16]在數(shù)量化理論判別分析方法的運用上取得了突出成效，成功判斷出了焦作礦區(qū)礦井突水水源，并驗證了已知突水點。

聚類分析法是根據(jù)樣品數(shù)據(jù)的相似性將樣品劃分成不同類別的方法。修中標(biāo)等[17]采用聚類分析法準(zhǔn)確地判斷出了張集礦的突水來源。當(dāng)研究指標(biāo)較多且各礦井水文地質(zhì)條件不同時，可將多個突水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，所能反映各個含水層水樣差異性的指標(biāo)是相關(guān)性系數(shù)中較大的一個，該方法也稱為主成分分析法[4]。在礦井突水水源識別中，基于水化學(xué)類型的指標(biāo)，綜合應(yīng)用主成分分析和距離判別分析法，是礦井突水水源判別的有效思路。

1.3.2 非線性分析法

非線性分析法在礦井突水水源判別領(lǐng)域的具體應(yīng)用方法有模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、GIS理論法、支持向量機(jī)法、可拓識別法等。

在礦井突水水源判別中，模糊數(shù)學(xué)分析法顯示了其便利的優(yōu)勢。當(dāng)?shù)V井中含有較多突水水源且各含水層的水質(zhì)特征界限不明顯時，往往具有一定的模糊性，難以根據(jù)單因素進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。運用模糊數(shù)學(xué)分析方法，根據(jù)水化學(xué)分析資料，可準(zhǔn)確地判別礦井突水水源。模糊數(shù)學(xué)分析方法主要有模糊相似比法、最大貼進(jìn)度法、模糊綜合判別法等。在對礦井突水水源判別中，早在1995—1996年，李明山[18-19]在姚橋礦便成功運用了模糊相似比法和最大貼近度法，表明該類方法可以從模糊且細(xì)微的水質(zhì)信息中區(qū)分出礦井突水水源信息。模糊綜合判別法在數(shù)學(xué)理論快速發(fā)展過程中得到了廣泛應(yīng)用，余克林等[20]在對某礦井進(jìn)行水化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合該礦涌水量資料構(gòu)建了突水水源的二級模糊綜合評判數(shù)學(xué)模型。

灰色系統(tǒng)法是基于灰色系統(tǒng)數(shù)學(xué)理論對礦井突水水源進(jìn)行判別的方法，可分為灰色關(guān)聯(lián)度法、灰色局勢綜合判別法及最大效果測度法。灰色關(guān)聯(lián)度法是按照元素之間的發(fā)展情況的相似水平來體現(xiàn)出各個成分之間的密切性。采用該方法在對礦井突水點進(jìn)行水源識別時，可擬合出一條曲線，突水點的成分與主要離子的含量分布于曲線之上，量化其與識別對象之間的貼進(jìn)度，進(jìn)一步通過對比待測對象之間的關(guān)聯(lián)度來判識突水水源[21]。劉江明等[21]基于保德礦的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，采取灰色關(guān)聯(lián)度分析法對其進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度運算，用較小的計算量準(zhǔn)確判別出了水樣所歸屬的含水層。灰色局勢綜合判別法屬于多點決策法的范疇，在礦井突水水源判別研究中，采用該方法對多種水文條件所造成的灰色模糊性進(jìn)行評價和判別，精度較高。張宏剛[22]應(yīng)用灰色局勢綜合評判法，在數(shù)據(jù)較少的情況下，以低成本判別了瓊五山煤礦井下突水水源，為有效治理該礦井水害提供了科學(xué)依據(jù)。最大效果測度法是在灰色局勢綜合決策的基礎(chǔ)上用化學(xué)指標(biāo)去判別某個突水水源的方法。早在1997年，李明山[23]運用最大效果測度值法進(jìn)行了突水水源判別研究，并取得了一定的效果，但該方法局限性較大，不適合進(jìn)行多水源判別。洪雷等[24]利用最大效果測度值法準(zhǔn)確判別出了燕子山礦井下突水水源。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由神經(jīng)元普遍彼此連接而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，體現(xiàn)了人腦功能的大量基本特性，是一個非常繁瑣的非線性動力學(xué)系統(tǒng)[25]，目前應(yīng)用較為廣泛的有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。祝翠等[25]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對潘三煤礦井下突水水源進(jìn)行了判別，提高了突水預(yù)測的科學(xué)性和精確度。

地理信息系統(tǒng)(Geography information system,GIS)是一門綜合地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感、計算機(jī)等學(xué)科的科學(xué)，在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在礦井突水水源判別時，GIS的可視化優(yōu)勢發(fā)揮了重要作用。孫亞軍等[26]利用GIS可視化技術(shù)將水源判別結(jié)果進(jìn)行了可視化呈現(xiàn)，將突水水源的判別提升到空間的高度，大大提高了水源判別結(jié)果的實用價值。

支持向量機(jī)(Support vector machine,SVM)方法是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小原理的統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法，適用于解決小樣本、非線性及高維模式識別問題。目前，應(yīng)用較廣泛的礦井突水水源判別的SVM方法為MMH支持向量機(jī)方法，該方法是由閆志剛等[27]總結(jié)出的一種基于SVM最大間隔逐層分類、最小間隔逐層聚類構(gòu)造的多水源分析的H支持向量機(jī)，研究表明，MMH支持向量機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、泛化能力強(qiáng)，能夠有效區(qū)分各類水源、反映各水源的層次關(guān)系、指示各含水層水質(zhì)化驗指標(biāo)的權(quán)重。

可拓識別法是運用定量法精確描繪點與區(qū)間的位置關(guān)系，并可按照“距”值的差異性描述出點在區(qū)間內(nèi)部的不同位置[28]。在礦井突水水源判別方面，應(yīng)用可拓識別法可確定突水水質(zhì)所歸屬含水層的水質(zhì)范圍。張瑞鋼等[29]利用可拓識別法對謝橋礦井突水水源進(jìn)行了判別，經(jīng)過與其他數(shù)學(xué)方法的判別效果進(jìn)行對比，反映出該方法判別的正確率較高。

基于數(shù)學(xué)方法的突水水源判別方法大多以水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行一系列計算而得出判別模型。多元統(tǒng)計法和非線性分析法在實際工作中得到廣泛了應(yīng)用，具有較好的實用價值，綜合水化學(xué)分析或計算機(jī)等方法可使水源判別更加準(zhǔn)確。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，智能算法逐漸成為水源判別領(lǐng)域的研究熱點，水化學(xué)與智能算法相結(jié)合已經(jīng)成為水源判別研究的重要思路。

2 突水水源判別方法適用性評價

隨著礦井掘進(jìn)深度不斷加大，使得井下生產(chǎn)條件日趨復(fù)雜，相關(guān)問題的研究經(jīng)常脫離經(jīng)驗范疇，很多技術(shù)手段已經(jīng)不再適用。礦井突水水源判別方法的適用評價旨在分析現(xiàn)有方法的優(yōu)點和局限性，評價突水水源判別方法的適用地質(zhì)條件，為礦井突水水源判別提供可靠依據(jù)。

水溫水位法的優(yōu)點是操作簡單，但其局限性大，主要在單層突水和較少突水點的情況下使用，在礦井開采強(qiáng)度較大的情況下，需要聯(lián)合水化學(xué)等其他方法方可更有效地判別出突水水源；水文地球化學(xué)分析方法在礦井突水水源、充水通道、不同含水層水力聯(lián)系及區(qū)域水循環(huán)等方面的應(yīng)用效果較明顯，常規(guī)水化學(xué)方法適用于判別含水層水質(zhì)特征變化明顯、突水來源簡單的礦井；采用微量元素法選擇特征組分時，特征組分須具有易檢、穩(wěn)定、顯著等特點；同位素法的優(yōu)點在于能夠準(zhǔn)確、快速地反應(yīng)礦區(qū)地下水的特征，并判斷出礦井突水的主要來源，但該方法測試成本較高；基于數(shù)學(xué)理論的突水水源判別方法一般是以數(shù)學(xué)理論或構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行水源判別(表1)[30]。

表1 突水水源判別方法適用性評價

3 結(jié) 論

(1)礦井突水水源判別方法涉及的學(xué)科類型較多，與化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、GIS和可拓學(xué)等互相交叉，礦井水源判別方法、判別模型以及判別系統(tǒng)軟件的種類越來越豐富。

(2)礦井突水水源判別方法各有優(yōu)劣，判別模型構(gòu)建思路各不相同，適用情形也彼此各異，因此應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用情況，綜合選擇不同的方法進(jìn)行水源判別。

(3)在微量元素測試分析的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用試驗、數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可對礦井突水水源進(jìn)行有效判別。相對而言，稀土元素測試分析技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用水平較低，應(yīng)用范圍較小。

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