彬長礦區(qū)地下水化學(xué)特征及突(涌)水源判別

肖樂樂，胡嵩巖，牛 超，任鄧君，藺成森，霍 超，孫亞岳

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.山東能源集團(tuán)西北礦業(yè)有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司高家堡煤礦，陜西 咸陽 713600)

0 引 言

文中對彬長礦區(qū)高家堡煤礦第四系潛水含水層、洛河組含水層、延安直羅組含水層及工作面突水點(diǎn)所采集水樣進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)，通過Piper圖分析各主要含水層的水化學(xué)類型，利用Gibbs圖與主成分分析法分析各含水層水化學(xué)成分來源和水化學(xué)特征成因，建立基于主成分分析的PCA-Fisher判別模型，對突水水源進(jìn)行判別，對于指導(dǎo)高家堡煤礦水害防治工作具有重要意義。

1 水文地質(zhì)特征

彬長礦區(qū)高家堡煤礦位于西北塬區(qū)，主要為梁塬地貌，北部、東部邊緣為涇河河谷，西南邊緣為黑河河谷。礦區(qū)處于涇河——馬蓮河二級地下水系統(tǒng)接近排泄區(qū)段的地下水徑流帶之上，主要含水層可分為3類：第四系潛水含水層富水性較弱，距離煤層較遠(yuǎn)，對礦井充水基本無影響；白堊系洛河組含水層富水性較強(qiáng)，為煤層頂板主要充水含水層，是礦井防治水工作的重點(diǎn)對象；侏羅系含水層富水性較弱，采動影響下侏羅系延安組和直羅組含水層被全部導(dǎo)通，是礦井開采的直接充水含水層(圖1)。

圖1 礦區(qū)4煤與各含(隔)水層位置關(guān)系Fig.1 Relationship between No.4 coal seam and each aquifer in Bingchang mine area

2 地下水化學(xué)特征

2.1 采樣與分析

表1 高家堡煤礦地下水樣品常規(guī)離子數(shù)據(jù)

Piper圖是根據(jù)水樣點(diǎn)主要離子含量百分比的不同而繪制的，可以反映出各含水層的水化學(xué)類型的差異[18]。從圖2可看出，各含水層水樣的分布規(guī)律明顯，其中第四系潛水含水層水樣分布位置較為集中，與其他含水層水樣落點(diǎn)位置相對較遠(yuǎn)，說明第四系地下水與其他含水層中水水力聯(lián)系較小，由于受氣象因素影響顯著，該含水層地下水交替頻繁，水文循環(huán)周期短，水化學(xué)類型主要為Ca·Na—HCO3型，為低TDS地下水；白堊系洛河組含水層部分水樣點(diǎn)落點(diǎn)較為分散，總體與侏羅系含水層水樣點(diǎn)相距較近，說明二者可能存在一定水力聯(lián)系，水質(zhì)類型為Na-SO4·HCO3；侏羅系含水層水質(zhì)類型為Na-SO4型及Na-Cl型，TDS值較高；利用Piper圖可對3個(gè)突水點(diǎn)進(jìn)行水源初步判定，其判別結(jié)果為：43號突水點(diǎn)水樣來源為白堊系洛河組含水層，44，45號突水點(diǎn)水源為侏羅系含水層。雖然利用Piper圖還可以對突水點(diǎn)水樣進(jìn)行快速判別，但水樣測試過程中會出現(xiàn)人為誤差，取樣后至測試其放置時(shí)間過長導(dǎo)致是水化學(xué)組分改變而影響判別結(jié)果；由于含水層層間存在水力聯(lián)系導(dǎo)致所取水樣存在一定程度的多含水層混合，各含水層地下水化學(xué)類型判別效果較差，需要進(jìn)一步利用線性或非線性判別方法進(jìn)行驗(yàn)證[19-20]。

圖2 礦井含水層水化學(xué)類型Fig.2 Hydrochemical type of the aquifers

2.2 水化學(xué)特征成因

2.2.1 離子比例分析

Gibbs圖離子分析法是一種能夠反映礦區(qū)地下水中主要離子的控制因素的對數(shù)圖，已被廣泛用于地下水化學(xué)組分形成機(jī)制的研究中。Gibbs圖所反映的水化學(xué)組分的3種主要控制因素為蒸發(fā)作用、溶濾作用及大氣降水作用分別位于圖中右上，左中和右下3個(gè)區(qū)域[21]。將各含水層的水化學(xué)水樣點(diǎn)數(shù)據(jù)投至Gibbs圖上，從圖3可見，各含水層水樣點(diǎn)大都位于圖中蒸發(fā)濃縮及溶濾作用端元，侏羅系含水層為承壓含水層，因此不受到蒸發(fā)作用影響，但其鹽分濃度較大，TDS值較高，這主要由于該含水層地下水徑流條件相對較弱，溶濾作用的持續(xù)進(jìn)行使得地下水中TDS值之間增加，反過來又抑制了溶濾作用的持續(xù)進(jìn)行，因此溶濾作用逐漸減弱。圖中左下端第四系潛水含水層溶濾作用較強(qiáng)，右上端的侏羅系含水層溶濾作用較弱，因此Gibbs圖也可以用于表示溶濾作用強(qiáng)弱程度。突水點(diǎn)42號水樣距白堊系洛河組水樣點(diǎn)較近，44、45號水樣點(diǎn)位于白堊系與侏羅系水樣點(diǎn)之間，與侏羅系水樣點(diǎn)相近，結(jié)果與Piper圖判別結(jié)果一致。根據(jù)水化學(xué)樣品在Gibbs圖中不同的落點(diǎn)位置，可以識別突水水源類型。

圖3 各含水層樣品GibbsFig.3 Gibbs diagram of the aquifer samples

通過繪制地下水常規(guī)離子的比值端元圖，來指示各主要含水層地下水循環(huán)過程中常規(guī)離子的不同礦物來源(蒸發(fā)鹽巖、硅酸鹽巖和碳酸鹽巖)[22]，第四系含水層水樣點(diǎn)分布于硅酸鹽和碳酸鹽巖控制端元之間，且距蒸發(fā)鹽巖端元較遠(yuǎn)，說明第四系砂礫巖水徑流條件及補(bǔ)給條件較好，其TDS值較低水質(zhì)較好；白堊系含水層與侏羅系含水層分別位于硅酸鹽巖端元與蒸發(fā)鹽巖端元，鹽巖礦物與硫酸鹽礦物溶解，TDS值增大，與Gibbs圖分析結(jié)果一致，侏羅系含水層水TDS值增大，出現(xiàn)咸化特征，突水點(diǎn)的待判水樣點(diǎn)也均符合初判水源的水化學(xué)特征(圖4)。

圖4 礦井含水層水常規(guī)離子比值端元Fig.4 Routine ion ratio end members of the aquifer water samples

圖5 礦井地下水主要離子關(guān)系Fig.5 Ion relationship of the underground water

2.2.2 水化學(xué)常規(guī)離子主成分分析

主成分分析是在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對高維度變量進(jìn)行降維處理的一種分析方法。該方法的基本思想是在不損失或減少損失原有水化學(xué)信息的情況下，將含水層水樣中有一定相關(guān)性的分析變量重新組合成新的相互無關(guān)的變量來替代原有的分析變量，新生成的稱為主成分(F1，F(xiàn)2，…,Fn)，該方法易于對含水層水化學(xué)特征成因影響因子進(jìn)行確定，可用于含水層水化學(xué)特征成因分析。

表2 礦井含水層水樣主成分

圖6 主成分分析荷載分布Fig.6 Load distribution of principal components analysis

3 判別分析與水源判別模型

通過離子比例法與主成分分析法對礦井含水層地下水化學(xué)成分的來源和控制因素進(jìn)行分析，確定高家堡煤礦主要含水層地下水化學(xué)特征由地下水溶濾作用、陽離子交替吸附作用及黃鐵礦氧化作用控制。因此，選取主成分荷載得分作為礦井突水水源識別模型的判別指標(biāo)，將礦井水源分為3類：第四系潛水含水層(Ⅰ)、白堊系洛河組含水層(Ⅱ)和侏羅系延安、直羅組含水層(Ⅲ)，選取收集的42個(gè)水樣數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本。

若樣本指標(biāo)間的信息重疊，直接利用判別指標(biāo)進(jìn)行水源判別時(shí)，會對模型的精度造成影響，導(dǎo)致發(fā)生水源誤判。為消除樣本間信息的疊加，利用此前主成分分析對數(shù)據(jù)處理后建立水源識別模型[24-25]。依據(jù)主成分分析，按需提取4個(gè)主成分，選取的主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率98.498%可以有效概括原始樣本信息。主成分與分析標(biāo)量之間的相關(guān)系數(shù)稱為荷載值，將選取的判別指標(biāo)值帶入主成分表達(dá)式，可以得到每個(gè)地下水樣品的荷載得分，提取出的荷載得分即為新的判別因子，建立PCA-Fisher判別模型，將上面通過主成分分析法得到的主成分荷載得分作為判別模型的4個(gè)判別指標(biāo)(Y1，Y2，Y3，Y4)，按照判別分析法進(jìn)行計(jì)算。

為驗(yàn)證水源判別模型是否滿足實(shí)際需要，將42個(gè)訓(xùn)練樣本逐個(gè)帶入判別模型中進(jìn)行回判，結(jié)果編號為24，27樣本判別有誤，判別正確率95.6%。同時(shí)傳統(tǒng)Fisher水源判別模型，樣本編號為19，24，27及30的4個(gè)樣本發(fā)生誤判，判別正確率為91.1%。誤判原因是由于白堊系洛河組含水層與侏羅系含水層存在水力聯(lián)系，在水化學(xué)組分上有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，從而造成誤判。3個(gè)突水點(diǎn)水樣在2個(gè)判別模型的結(jié)果與前文判別結(jié)果一致，43號水樣水源為白堊系洛河組含水層，44、45號水樣來自侏羅系延安直羅組含水層，主要是由于在煤層開采后，其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至洛河組導(dǎo)致不同含水層水涌入工作面空間出現(xiàn)一定程度的混合。

傳統(tǒng)Fisher水源判別方法只是簡單的使用常規(guī)水化學(xué)方法進(jìn)行礦井充水水源的分析后，使用線性分析方法進(jìn)行礦井突水水源識別。這種方法在礦井生產(chǎn)初期水文地質(zhì)環(huán)境變化不大，特別是針對單一水源時(shí)能夠快速有效的進(jìn)行突水水源判別。隨著礦井開采的不斷進(jìn)行，各含水層的水力聯(lián)系發(fā)生改變，造成樣本數(shù)據(jù)的信息重疊，傳統(tǒng)的Fisher判別易造成誤判。因此，文中基于分析水化學(xué)特征成因分析，利用主成分分析結(jié)果選取判別指標(biāo)，在傳統(tǒng)Fisher判別模型基礎(chǔ)上構(gòu)建PCA-Fisher突水水源判別模型(表3)。模型適用于非單一水源突水水源判別，且判別精度高，能夠滿足礦井的實(shí)際需求。

表3 樣本判別結(jié)果

4 結(jié) 論

1)各含水層水化學(xué)特征存在明顯差異，第四系含水層TDS值較低、水質(zhì)較好，侏羅系含水層TDS值較高。

3)建立了PCA-Fisher判別模型對工作面突水點(diǎn)水樣進(jìn)行判別，判別43號為白堊系含水層水，44，45號為侏羅系延安、直羅組含水層水，結(jié)果與Piper圖判別結(jié)果一致，與實(shí)際相符，相較傳統(tǒng)Fisher判別模型更加準(zhǔn)確有效。