基于水化學和模糊綜合評判的突水水源判別

趙 靜

(太倉市水利市政設計有限公司，江蘇 太倉 215400)

0 引言

礦井一旦發生突水，不僅影響煤礦的正常生產，而且會給井下人員生命與財產安全帶來嚴重威脅，因此，準確及時地查找突水原因、水源，是防治礦井水害的關鍵。建立判別模型來識別突水來源是被大量采用并行之有效的方法。在識別突水水源方面，國內外學者提出許多方法[1-4]，諸如水化學法、主成分分析法、同位素法、灰色關聯度法、BP神經網絡法和模糊數學法等。近年來，GIS和多源信息復合方法[5]的應用更將突水分區結果直觀顯示出來。為此，以淮南礦區朱集東煤礦及周邊井田多年采集的132個礦井水樣為例，運用水化學分析、聚類分析和模糊綜合評判建立突水水源快速判別系統，以期為今后判斷突水來源提供參考。

1 研究區背景

研究對象位于淮南煤田東北方向，礦井構造形態受朱集—唐集背斜、尚塘—耿村集向斜的影響，總體為一背、向斜。區內目前已發現斷層30余條，巖性主要以泥巖、粉砂巖為主，伴有砂巖碎塊，含水性一般，導水性較差。

礦井采掘活動表明地下水主要包括新生界松散層孔隙水、煤系砂巖裂隙水和石炭系太原組石灰巖巖溶裂隙水3大類。其中，煤系砂巖裂隙水充填于泥巖、砂質泥巖和粉砂巖裂隙中，由于裂隙不發育、含水性極弱，此類水以儲存量為主，是礦井直接充水水源，但在局部砂巖裂隙發育地段，儲存量砂巖水可能在井巷掘進過程中瞬時出水造成危害。新生界松散層孔隙水對煤系砂巖裂隙水垂直補給甚微，但隨著開采深度增大，3號煤層底板可能由于壓力或者斷層帶影響而底鼓破裂，導致太原組灰巖水大量涌入采掘工作面。當前，礦井主采埋深較淺的11號煤層和13號煤層，未開采A組煤，灰巖水暫時對礦井沒有威脅。

2 水源判別模型

共收集水樣132個，其中松散層水樣15個，煤系砂巖水樣11個，老空水樣3個，太原組灰巖水樣103個(朱集東礦1個，潘四東礦83個，潘二礦19個)。朱集東礦尚未開采A組煤，現僅有1個勘探階段采集的灰巖水樣，無法保證數據的有效性。礦井受灰巖水的威脅隨著開采深度的增加逐漸增強，因此對灰巖水的分析與研究具有緊迫性和現實意義[6]。與礦井臨近的潘四東礦和潘二礦已開采A組煤，具有大量的灰巖水數據，且這3個礦同屬一個二級水文地質單元，水質較為接近，因此增選潘四東礦和潘二礦的灰巖水數據作為本次研究的背景值。

2.1 水化學特征

不同水源的地下水中各離子含量高低取決于其水文地質化學成因，由此判別突水來源。綜合考慮離子的重要性及數據的有效性[7]，選取水化學成分中常規離子、pH和TDS作為評價指標，借助于Aquachem軟件繪制Piper三線圖，如圖1～3所示。

圖2 煤系砂巖水和老空水Piper圖Fig.2 Piper diagram of coal measure sandstone water and old empty water

圖3 太原組灰巖水Piper圖Fig.3 Piper diagram of limestone water of Taiyuan formation

2.2 聚類分析

由于某些水樣的水化學特征與其他水樣具有較大差異，利用SPSS軟件的聚類分析模塊剔除對分析有影響的異常樣本。采用Q型聚類分析，確定類間歐式平方距離不大于15作為標準，聚類分析標準化數據，計算出新生界下含水、煤系水和太灰水的統計背景值，見表1。

表1 各含水層統計背景值Table 1 Statistical background values of each aquifer

2.3 模糊綜合評判

模糊綜合評判是利用模糊數學的隸屬度原理將定性評價轉化成定量評價，可以用來整體評價受到多種因素制約的對象或事物。

模糊綜合評判原理[9]表示為

E°R=B

(1)

表2 因素集標準值Table 2 Standard values of factor sets

(2)

(3)

最后，進行模糊復合運算B=A°R={b1,b2,b3}。

隨機選取下含水樣1個、煤系水樣和太灰水樣各2個作為判別樣本，各離子含量見表3。

表3 水樣分析資料Table 3 Water samples analysis data

得模糊綜合評判結果為

B1=E1°R1=

(0.557 9 0.017 7 0.424 3)

(4)

B2=E2°R2=

(0.064 8 0.837 3 0.097 9)

(5)

B3=E3°R3=

(0.289 1 0.562 2 0.148 7)

(6)

B4=E4°R4=

(0.149 4 0.140 6 0.710 1)

(7)

B5=E5°R5=

(0.132 6 0.359 9 0.507 5)

(8)

對水樣Y1的模糊計算結果得出最大隸屬度為0.557 9，根據最大隸屬度原則得Y1來自下含水。由于下含水和太灰水都是長期封存的古水，徑流緩慢，由Piper三線圖可知水樣Y1水質與太灰水接近，故模糊評判結果顯示太灰水對其有一定的隸屬度。對水樣Y2和Y3的模糊計算結果，最大隸屬度分別為0.837 3和0.562 2，這2個水樣來自煤系水，與取樣層位吻合。煤系水對Y1的隸屬度為0.017 7，下含水對Y2和Y3的隸屬度分別為0.064 8和0.289 1，說明下含水與煤系水水力聯系較弱。水樣Y4取自潘二礦12223疏水巷，由Y4的模糊計算結果知，最大隸屬度為0.710 1，由此判斷，Y4的水源主要為太灰水。水樣Y5取自潘四東礦-490 m東翼放水巷，徑流條件差，地下水補給源于自身儲存量。太灰水、煤系水對Y5的隸屬度較高，分別為0.507 5和0.359 9，說明Y5主要來自太灰水，而受斷層帶等因素影響，太灰水與煤系水之間存在著一定的水力聯系。

3 結論

(1)通過水化學分析得出各含水層水質偏堿性，礦化度較高，新生界下含水以Cl-Na型水為主，煤系水以Cl- HCO3-Na、HCO3-Cl-Na型水為主，太灰水以Cl-Na、Cl-HCO3-Na、Cl-SO4-Na型水為主。

(2)Piper三線圖和模糊綜合評判結果均表明下含水和煤系水水力聯系較弱。

(3)由Piper三線圖得，太灰水水質一部分與下含水接近，一部分與煤系水接近。模糊綜合評判結果也顯示出太灰水與下含水和煤系水有一定的隸屬度。究其原因，下含水與灰巖水都是長期封存的古水，徑流緩慢，以高礦化度水為主。而煤系地層直覆于石炭系太原組灰巖之上，而受斷層帶等因素影響，灰巖水可能補給煤系水。

(4)利用上述模型對隨機選取的5個水樣進行驗證，得出判別結果符合實際情況，模型識別效果良好，具有一定的實用性和時效性。

(5)受人為、自然等諸多因素影響，礦井突水過程十分復雜，預測預報存在一定困難。因此在開采過程中，要注意對礦井水文地質資料的收集與分析，綜合利用科學手段，進一步提升礦井防治水能力。