多源數(shù)據(jù)挖掘下潘謝礦區(qū)深部灰?guī)r水突水預(yù)警研究

畢 波 ，陳永春 ，謝 毫 ，安士凱 ，徐燕飛

(1.煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、開采深度不斷加大導(dǎo)致礦井突水的威脅不斷增加，水害事故造成的經(jīng)濟損失一直高居首位[1]；另一方面，高新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)融合，國內(nèi)各產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級不斷深入[2-4]。武強[5]展望了礦井水防控工作創(chuàng)新研究的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)與方法；儲婷婷[6]研究灰?guī)r成分與其中水成分之間的相關(guān)性，揭示了水巖相互作用的機理；李垣志等[7]、徐星等[8]通過降低樣本指標(biāo)維度和K 折交叉驗證算法，簡化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時提高突水水源判斷的精度。楊建等[9]、閆鵬程[10]通過光譜預(yù)處理對水樣進行熒光光譜分析，確定水源類型。劉劍民等[11]基于水化學(xué)分析、王心義等[12]基于熵權(quán)?模糊可變集理論、黃平華等[13]基于多元統(tǒng)計分析，分別建立了礦井突水水源識別模型。

隨著地殼運動、人為采動等因素的影響，深層灰?guī)r各含水層之間一直進行著極其復(fù)雜的物質(zhì)、能量交換。導(dǎo)水陷落柱、斷層構(gòu)造都會形成地下水系統(tǒng)循環(huán)通道[14]。只簡單研究各含水層水化學(xué)指標(biāo)之間的“表象差異”，無法準(zhǔn)確判斷復(fù)雜深層灰?guī)r水突水預(yù)兆。

淮南煤田位于華北板塊東南側(cè)，煤田的潘謝礦區(qū)上覆有巨厚的新生界松散層，又受南北兩翼逆沖斷層和斜切斷層的切割，構(gòu)成一個較為封閉的水文地質(zhì)單元。礦區(qū)自上而下充水水源主要為新生界松散砂層孔隙水、二疊系煤系砂巖裂隙水、底板石炭?二疊系太原組灰?guī)r(簡稱太灰)和奧陶系灰?guī)r(簡稱奧灰)巖溶裂隙水。

隨著煤礦逐漸向深部開采，潘謝礦區(qū)下一階段的主采煤層為A 組煤。對A 組煤層開采威脅最大的因素來自底板高承壓灰?guī)r水，底板各層灰?guī)r含水層的原始水壓在5 MPa 以上。目前，直接影響煤層安全開采的為太原組C2I 組石灰?guī)r含水層，間接影響的為奧陶系和寒武系灰?guī)r(簡稱寒灰)含水層。2017 年5 月25 日，淮南礦業(yè)集團潘二礦12123 工作面底板聯(lián)絡(luò)巷發(fā)生隱伏陷落柱突水淹礦，最初出水水質(zhì)特征為太灰水，當(dāng)數(shù)小時后轉(zhuǎn)變?yōu)閵W灰水水質(zhì)特征時突水已無法控制。而往往重大的突水事故都是深部高壓灰?guī)r水以淺層含水層為通道突入礦井發(fā)生的。通過探明淺層含水層與深層灰?guī)r水的水力聯(lián)系，查找礦井突水風(fēng)險區(qū)域。

筆者通過研究深層灰?guī)r水(奧灰水、寒灰水)對淺層含水層(上覆石炭–二疊系太原組灰?guī)r、新生界松散層)的影響程度，來分析發(fā)生奧灰水突水的風(fēng)險，可提高突水預(yù)警的準(zhǔn)確性，縮小預(yù)判時間，以期為后續(xù)采取防治措施爭取寶貴時間。

1 水文觀測孔水位變化數(shù)據(jù)分析

1.1 潘謝礦區(qū)的補徑排條件

潘謝礦區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，構(gòu)造斷層十分發(fā)育。探明斷距大于3 m 的斷層140 多條，見斷點226 個，其中正斷層73 條，占總數(shù)52%；兩淮礦區(qū)發(fā)現(xiàn)近30 個陷落柱。導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育(例如導(dǎo)水陷落柱)區(qū)域各含水層補給充足容易發(fā)生突水事故，而各含水層通常在采掘工作面前方幾十米甚至幾百米的深處，很難探查，風(fēng)險較大。如何辨別回采區(qū)域內(nèi)淺層含水層與深層高壓灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，是防治水工作的重點和難點。

目前，潘謝礦區(qū)正在使用的地面水文觀測孔182 個，其中新生界松散層含水層70 個、太灰含水層76 個、奧灰含水層25 個、寒灰含水層7 個、陷落柱探測孔3 個、火成巖1 個。潘謝礦區(qū)地面水文觀測孔布置及突水后水位變化如圖1 所示。圖1 對潘二礦突水后主要的奧灰、寒灰鉆孔水位下降高度進行標(biāo)注，藍色標(biāo)注鉆孔受斷層影響水位下降高度相對較高；紅色標(biāo)注鉆孔為潘三礦的(十二O)鉆孔，因受董崗郢次級向斜影響，與潘二礦突水點無水力聯(lián)系。可以推斷，各區(qū)域含水層的補給與斷層密切相關(guān)，巖層被拉伸的背斜和富水性良好的斷層都可以作為很好的連通通道。

表1 為潘二礦突水后3 個月各地面水文觀測孔水位變化統(tǒng)計，其中水位高程為礦內(nèi)同一含水層突水前的平均高程。由圖1、表1 可以看出，潘謝礦區(qū)各礦奧灰、寒灰含水層鉆孔突水后水位下降深度隨距突水點的距離(平面距離)增加而減少，說明奧灰、寒灰水對潘二礦突水點進行補給。潘謝礦區(qū)各礦的太灰?guī)r溶發(fā)育不均一，具有淺部發(fā)育、斷層帶附近發(fā)育和厚層灰?guī)r發(fā)育的特征。突水后水位也在下降，但水位變化和平均高程差異性很大，并無規(guī)律可循。說明灰?guī)r水也對突水點進行補給，而且是局部通過奧灰、寒灰間接進行補給。新生界松散層含水層地面水文觀測孔水位幾乎沒有下降，說明新生界松散層含水層對突水點沒有明顯補給，且與太原組、奧陶系等灰?guī)r含水層水力聯(lián)系弱。

表1 突水前后地面水文觀測孔水位變化統(tǒng)計Table 1 Statistical table of water level changes in surface hydrological observation holes before and after water inrush

圖1 潘謝礦區(qū)地面水文觀測孔布置及突水后水位變化Fig.1 Water level changes of hydrological observation holes in Ordovician and Cambrian after water inrush

以前普遍認(rèn)為，由于斷層構(gòu)造的影響，潘謝礦區(qū)為一個較為封閉的水文地質(zhì)單元，地下水以消耗型為主[15-17]。從各含水層水位高程和突水后的水位變化可以看出，礦井主要充水水源為儲量豐富的奧灰和寒灰水。

1.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的突水危險點識別

為確定各灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系，分析潘二礦突水后各水文觀測孔水位變化，如圖2 所示。從圖2a 可以看出，潘二礦突水一個月后在距突水點25 km以內(nèi)，奧陶系、寒武系水位下降與距突水點距離成冪函數(shù)(y=94 397x–0.795，R2=0.911 2)變化。說明距突水點25 km 以內(nèi)的奧陶系、寒武系、太原組C23 組灰?guī)r和部分太原組C22 灰?guī)r水力聯(lián)系密切。從圖2b 可以看出，距突水點25 km 以外的水文觀測孔，在突水1 a 后水位也普遍下降，除張集礦外(同期對灰?guī)r水進行抽排)水位下降高度與距突水點距離成反比，而圖2c 顯示突水前1 a 水文觀測孔水位變化并無明顯規(guī)律。

圖2 灰?guī)r水文觀測孔突水前后水位變化與距突水點距離散點圖Fig.2 Scatter plots of water level changes and distances from water inrush point before and after water inrush in the limestone hydrological observation holes

為進一步確認(rèn)距突水點較遠礦井各含水層水力聯(lián)系，對2017 年潘二礦突水5 個月后顧橋礦、張集礦、謝橋礦的水文觀測孔水位變化進行分析。由于各水文觀測孔水位變化不大，為消除隨機誤差，加入2018 年同期的水位變化和突水前水位高程2 類數(shù)據(jù)進行層次聚類，來評估與奧灰水水位變化相近的鉆孔。為了便于分析，增加變化為0 的55 號點，標(biāo)記為水位變化很小的樣本。標(biāo)號1?18 為奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔，19?54 為太原組灰?guī)r鉆孔(19?28 第三組、29?39 第二組、40?54 第一組)、56?89 為松散層鉆孔(56?64 為下含、65?78 為中含、79?89 為上含)、55 號為零參考點。

聚類分析結(jié)果如圖3 所示，主要分為4 類。

圖3 水文觀測孔聚類分析Fig.3 Cluster analysis of hydraulic observational pores

第1 組聚類結(jié)果為水位在–200 m 左右的太原組灰?guī)r鉆孔，與其他灰?guī)r鉆孔水力聯(lián)系不大。

第2 組聚類結(jié)果為水位變化很平穩(wěn)的鉆孔，其中謝橋礦3 個奧陶系灰?guī)r孔、2 個太原組第三組灰?guī)r孔，說明謝橋礦太原組第三組灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r水力聯(lián)系緊密。包含顧北礦2 個太原組第一組灰?guī)r、2 個松散層下含鉆孔，顧北礦太原組灰?guī)r水與松散層下含水有水力聯(lián)系。包含張集礦1 個西風(fēng)井松散層鉆孔，說明張集礦西風(fēng)井松散層與太原組灰?guī)r有一定的水力聯(lián)系。

第3 組聚類結(jié)果為水位變化相對較大的鉆孔，其中包含顧北礦6 個奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔和6 個太原組灰?guī)r鉆孔，說明顧北礦太原組灰?guī)r與奧陶系、寒武系灰?guī)r水力密切。包含顧橋礦全部的3 個奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔和2 個太原組第二組、第三組灰?guī)r鉆孔，并沒有太原組第一組鉆孔，說明顧橋礦奧陶系、寒武系灰?guī)r與太原組第二組、第三組灰?guī)r有水力聯(lián)系。包含謝橋礦3 個奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔和2 個太原組第二組、第三組灰?guī)r鉆孔，并沒有太原組第一組鉆孔，說明謝橋礦與顧橋礦相同，奧陶系、寒武系灰?guī)r與太原組第二組、第三組灰?guī)r有水力聯(lián)系。包含張集礦2 個奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔、2 個太原組灰?guī)r鉆孔和1 個西風(fēng)井松散層鉆孔。說明張集礦奧陶系、寒武系灰?guī)r與太原組灰?guī)r有水力聯(lián)系，且西風(fēng)井松散層與太灰組灰?guī)r有一定的水力聯(lián)系。

第4 組聚類結(jié)果包含為55 號零參考點為水位變化不大的鉆孔，其中大部分的松散層鉆孔和小部分灰?guī)r鉆孔。

通過聚類分析，識別出各礦突水風(fēng)險區(qū)。謝橋礦太原組灰?guī)r突水風(fēng)險區(qū)有4 個，其中第三組灰?guī)r孔3 個、第二組灰?guī)r孔1 個。顧北礦灰?guī)r突水風(fēng)險區(qū)有6 個，其中第三組灰?guī)r孔3 個、第一組灰?guī)r孔3 個，且有下含與太原組第一組灰?guī)r孔水力聯(lián)系密切的鉆孔3 個。顧橋礦灰?guī)r突水風(fēng)險區(qū)有2 個，同一位置其第二、第三組灰?guī)r孔各一個。張集礦灰?guī)r突水風(fēng)險區(qū)太原組第二、第三組灰?guī)r孔各一個、西風(fēng)井松散層鉆孔2 個。

2 水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)挖掘

2.1 水源識別模型建立

由于各含水層的賦存年代、巖石巖性、補給水源、埋藏深度等條件不同，會造成礦井水水化學(xué)成分有所不同，通常采用PiPer 三線圖、特征離子等方法來分析含水層的水化學(xué)特征，來判別井下巷道出水來源。但這種方法的廣度和深度都具有局限性，對于整個礦區(qū)多對礦井、多個含水層的水源識別難以實現(xiàn)。尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，各含水層的水力聯(lián)系復(fù)雜，如潘謝礦區(qū)灰?guī)r水都是同一補給源，只是在長時間水巖耦合作用下各含水層的水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了微小變化，水化學(xué)成分差別不大。如此復(fù)雜的地下水賦存條件下，通過傳統(tǒng)手段難以對特定區(qū)域含水層進行精確探查。

為識別各含水層的水化學(xué)特征，收集整理潘謝礦區(qū)各礦井1980?2018 年的7 000 條水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)。由于研究區(qū)內(nèi)各礦井水質(zhì)化驗信息的記錄存在不一致性，且在長時間的保存過程中存在信息偏差導(dǎo)致樣本噪聲大，一般的算法很難準(zhǔn)確對水源進行區(qū)分識別。隨機森林算法[18]通過生成大量獨立的決策樹對結(jié)果進行分類，具有魯棒性[19]和較強的泛化能力，適用于各含水層水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)的分類分析。但隨機森林算法也有不足，當(dāng)分類樣本偏差很大時，分類結(jié)果會偏向于樣本數(shù)據(jù)多的類別。通過對數(shù)量少的樣本類別進行合并或人為增加樣本數(shù)量，提高模型的準(zhǔn)確率。對比選擇不同參數(shù)后的準(zhǔn)確率和各參數(shù)對各含水層分類的貢獻值見表2。其中MDA(Mean Decrease Accuracy)表示把一參數(shù)變隨機數(shù)后模型準(zhǔn)確率下降的程度，數(shù)值越大說明參數(shù)越重要。MDG(Mean Decrease Gini)表示參數(shù)對決策樹分支觀測值異質(zhì)性的影響，數(shù)值越大說明參數(shù)越重要。通過比較模型準(zhǔn)確率，優(yōu)選參數(shù)為Cl?、礦井類別、Na++K+、Ca2+、采樣年限、為參考分類依據(jù)。對于奧灰水分類貢獻值比較高的常規(guī)水化學(xué)離子為

表2 水樣各參數(shù)對于分類的貢獻值Table 2 Contribution rate of each parameter of water samples to classification

2.2 基于隨機森林的突水危險點識別

對于建立的水源識別模型采用10 折交叉驗證方法[7]。把樣本按比例隨機分成10 份，8 份作為訓(xùn)練樣本，2 份作為測試樣本。計算10 次后，取計算結(jié)果組成混淆矩陣見表3，可以近似評估各含水層分類的準(zhǔn)確率。結(jié)果顯示：奧灰水準(zhǔn)確率90%、砂巖水準(zhǔn)確率95%、太灰水準(zhǔn)確率90%、松散層水準(zhǔn)確率92%。

表3 隨機森林分類結(jié)果混淆矩陣Table 3 Confusion matrix of random forest classification results

有一部分太灰水與奧灰水連通，導(dǎo)致太灰水分類準(zhǔn)確性較低。通過多次隨機森林計算，輸出錯誤的樣本，篩查樣本錯誤率在70%以上，確定為突水風(fēng)險區(qū)。對每一個礦井的錯誤樣本進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下：

(1) 丁集礦篩查出5 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有10% 砂巖水被錯分成松散層，有11% 的松散層水被錯分成砂巖水，有4%松散層水被錯分成灰?guī)r水，說明丁集礦頂板砂巖水主要補給來自松散層，少部分來自太灰水。

(2) 顧北礦篩查出7 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有25%奧灰水被錯分成太灰水，說明顧北礦奧灰水和太灰水有很強的水力聯(lián)系；有5%的太灰水被錯分成松散層水，且有4%松散層水被錯分成灰?guī)r水，說明顧北礦太灰水松散層有一定水力聯(lián)系。

(3) 顧橋礦篩查出1 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有25%奧灰水被錯分成太灰水，說明顧北礦奧灰水和太灰水有很強的水力聯(lián)系。

(4) 潘北礦篩查出12 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有18%砂巖水被錯分成太灰水，說明有部分頂板砂巖與太灰有水力聯(lián)系；有15%奧灰水被錯分成太灰水，說明潘北礦奧灰水和太灰水有一定的水力聯(lián)系。

(5) 潘二礦篩查出1 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有5%太灰水被錯分成奧灰水，由于潘二礦發(fā)生過奧灰水突水事故，奧灰水與太灰水的水質(zhì)基本相同。

(6) 潘三礦篩查出3 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有3%砂巖水被錯分成松散層水，說明潘三礦的頂板砂巖水與松散層水有水力聯(lián)系；有2 個第三組灰?guī)r水全部被錯分成奧灰水，說明潘三礦第三組灰?guī)r水與奧灰水水力聯(lián)系很強。

(7) 潘一礦篩查出3 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有60%松散層水被錯分成砂巖水，說明潘一礦的松散層水和砂巖水有很強水力聯(lián)系。

(8) 謝橋礦篩查出8 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有23% 奧灰水被錯分成太灰水，有22% 太灰水被錯分成奧灰水，說明謝橋礦奧灰水和太灰水有很強的水力聯(lián)系。

(9) 張集礦篩查出4 個突水風(fēng)險區(qū)。統(tǒng)計分析得出有3%太灰水被錯分成砂巖水，有4%砂巖水被錯分成太灰水，說明有一小部分太灰水通過裂隙補給煤系砂巖水。

3 快速預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 突水風(fēng)險區(qū)及敏感指標(biāo)確定

運用隨機森林算法篩選出44 個突水風(fēng)險區(qū)，采用水文觀測孔水位變化分析出19 個突水風(fēng)險區(qū)，可以相互驗證、互補。

由于各含水層的巖性不同，其地下水水化學(xué)成分也有所不同。找出含水層離子特征，突水危險源智能檢測技術(shù)可以為實施防治水措施提供快速、可靠的依據(jù)，極大地避免礦井發(fā)生突水事故和減少突水事故產(chǎn)生的損失。

為探尋快速識別灰?guī)r水水源的敏感指標(biāo)，分析含水層水化學(xué)垂直分布特征。分別對奧灰水、太原組3組灰?guī)r水(三灰水)、太原組1 組灰?guī)r水(一灰水)、新生界松散層四含水(下含水)、新生界松散層三含水(中含水)、新生界松散層一、二含水(上含水)進行常規(guī)七大離子分布對比分析[20]。各含水層常規(guī)離子箱線圖如圖4 所示。

可以看出，奧灰水和三灰水的常規(guī)離子水化學(xué)成分非常接近，說明奧灰水和三灰水的水力聯(lián)系緊密。圖4中橙黃線為Cl?含量變化，可以看出與含水層的埋藏深度成正比。綠線為含量變化，與紅線分布成反比。在灰?guī)r含水層SO42?離子與埋藏深度成正比，離子與埋藏深度成反比。因此，可以作為區(qū)分奧灰水、太灰水的敏感指標(biāo)。

圖4 含水層的常規(guī)離子分布Fig.4 Conventional ion distribution of the aquifer

TDS、Cl?相關(guān)性很強，只需要監(jiān)測TDS 就可以達到監(jiān)測其他離子的效果，且TDS 在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)很成熟。結(jié)合建立水源識別模型時分析出的離子指標(biāo)，綜合考慮確定常規(guī)水化學(xué)監(jiān)測指標(biāo)為TDS、同時需對水文地質(zhì)條件分析中經(jīng)常采用的溫度、流量、相近水文觀測孔的水位變化進行在線監(jiān)測。

3.2 快速預(yù)警系統(tǒng)建立

對于傳統(tǒng)的突水危險預(yù)警，主要依靠現(xiàn)場征兆來判斷，很難快速、準(zhǔn)確對突水危險進行評估、預(yù)測。如果錯過采取最佳措施的窗口期，很容易造成重大的突水事故。通過確定各層水源敏感指標(biāo)，運用連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對出水地點進行突水預(yù)警[21](圖5)。

圖5 灰?guī)r水突水危險識別與預(yù)警系統(tǒng)Fig.5 Risk identification and early warning system for limestone water inrush

當(dāng)前期巷道發(fā)現(xiàn)出水時水量一般很小，根據(jù)附近是否存在斷層等構(gòu)造、是否為灰?guī)r水突水危險區(qū)來確定對應(yīng)的措施。當(dāng)附近存在斷層等構(gòu)造或在判定的灰?guī)r水突水危險區(qū)，就有可能發(fā)生突水事故。需要設(shè)置在線監(jiān)測設(shè)備，對出水點進行實時監(jiān)測，同時定期進行取樣化驗分析。當(dāng)出水地點附近不存在斷層等構(gòu)造且不在判別的灰?guī)r水突出危險區(qū)域，發(fā)生灰?guī)r水突水事件的幾率很小。通過對出水溫度、水量、附近地面水文觀測水位變化等常規(guī)人工監(jiān)測，并定期對出水點進行取樣化驗分析。在線監(jiān)測設(shè)備將巷道出水的TDS、含量、含量、溫度、流量和附近水文觀測孔的水位變化等數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂剖遥ㄟ^大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對突水危險進行評估；取樣化驗分析結(jié)果運用水源識別模型進行分析，確定出水水源；常規(guī)的人工監(jiān)測根據(jù)多年防治水經(jīng)驗進行判別是否有突水危險，3 種分析方法任意一種判別有突水危險應(yīng)立即采取防治水措施。

構(gòu)建快速準(zhǔn)確突水預(yù)警體系對礦井出水點進行監(jiān)測，為實施防治水措施提供快速、可靠的依據(jù)，可以極大地避免礦井發(fā)生突水事故和減少突水事故產(chǎn)生的損失。

4 結(jié)論

a.通過分析各礦水質(zhì)化驗資料、地面水文觀測水位變化數(shù)據(jù)及潘二礦突水后各水文觀測孔水位變化的時空規(guī)律，得出水文觀測孔的水位變化數(shù)據(jù)比水位高程數(shù)據(jù)更靈敏，潘謝礦區(qū)深層灰?guī)r水由下向上對淺層灰?guī)r水進行補給。

b.獲得潘謝礦區(qū)各含水層水化學(xué)空間分布特征，確定各層含水層分類顯著因子；基于改進隨機森林算法，建立潘謝礦區(qū)的水源識別模型。

c.構(gòu)建快速準(zhǔn)確突水預(yù)警系統(tǒng)，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對礦井出水點進行監(jiān)測，基于大數(shù)據(jù)分析、水源識別模型對灰?guī)r水突水危險進行預(yù)警，為實施防治水措施提供快速、可靠的依據(jù)。