许疃矿32块段出水水源Fisher识别分析*



许疃矿32块段出水水源Fisher识别分析*

董毅，解海军

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

摘要：鉴于许疃矿32块段3222切眼持续突水，为了快速有效地判别出该矿出水点的水源类型，为该矿防治水措施的制定提供科学依据，通过利用所收集的许疃矿32块段不同含水层常规水化学数据和与其具有相同水质单元的任楼矿部分水化学数据，依据各含水层地下水化学组分情况，最终选取了7种能够区分各含水层类型的水化学指标，并借助SPSS软件建立了许疃矿突水水源的Fisher识别模型。训练水样的判别结果经回估后发现，该模型在许疃矿水源类型的判别中正确率高，表明此模型在许疃矿水源判别中效率较好，可作为许疃矿矿井突水时快速判别水源类型的一种依据，对该煤矿日后安全生产具有一定的实际意义。最后对许疃矿出水点待判水样进行科学判别，判别结果为：所有待判水样均为砂岩水。另外，论文中许疃矿水源判别模型建立时未考虑各含水层混合后的情况，因此该模型还可作进一步研究。

关键词：许疃矿32块段；Fisher判别法；矿井突水

0引言

水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。水害事故一旦发生，轻则造成财产损失，严重时可能致使人员的伤亡。及时、准确判别突水水源类型是矿井防治水工作的关键步骤。国内外众多学者对此做了大量研究。目前国内外关于矿井水源判别方法较多，例如模糊综合判别法、灰色系统理论法、可拓识别法、GIS理论分析法、人工神经网络法等[1]。上述方法近些年在水源判别中都有应用，且效果良好，但均属于非线性分析方法，理论的理解及模型的建立相对较为复杂。而线性分析法中的水化学分析法是通过提炼能够有效反应地下水本质特征的水化学指标，建立水化学水源识别模型，判别矿井突涌水水源类型。其中的Fisher判别法通过建立判别模型，经数值计算可快速判别水源类型，模型相对简单。国外对于Fisher判别法在水源判别中的应用较少，而国内相对应用较多，例如陈江红、黄平华等[2-3]将该判别法用于矿井水源的识别，并取得较好的效果。

1Fisher判别理论

1.1　Fisher原理

Fisher判别分析方法的原理[6-7]是按一定的方向，将高维空间的一个样本数据组成的向量往低维空间进行投影，文中模型是为了使每个总体多维数据转化为一维。投影后满足组与组之间分的很清楚，保证判别变量对区分类别差异的效果达到最大。对组间差与组内差添加约束条件，建立特征方程，通过求解最大特征值便可求出Fisher判别函数。

1.2　判别效率检验

为估计上述判别准则优良性[8]，采用以训练样本为基础的回代估计法来计算误判率，即利用本论文中建立Fisher判别函数的已知水源的30个训练样本，将这些训练样本进行回判。误判样本个数N与总样本数之比称为误判率η.η值的大小直接反映出模型的质量。

2确定Fisher判别模型

2.1　选择判别指标

表1　矿井突涌水回估训练水样与自检结果对比

2.2　Fisher模型的建立

Fisher判别的关键步骤就是Fisher判别函数的建立，将许疃矿各含水层常规水化学数据处理后，运用SPSS软件得到典则判别函数系数，建立许疃矿的3类水源的判别函数式见表2.

y1=-0.013x1-0.229x2+0.185x3+0.081x4+0.070x5+0.075x6+31.651x7-153.9，

(6)

y2=-0.022x1-0.074x2+0.213x3+0.038x4+0.077x5+0.040x6+38.538x7-185.6，

(7)

y3=-0.017x1-0.010x2+0.165x3+0.032x4+0.058x5+0.031x6+38.011x7-181.70.

(8)

2.3　训练水样回估

不同含水层常规水化学数据经整理后，Fisher判别模型通过每组样本的数据分别代入3个判别函数中，将计算的结果进行比较，其中最大值所在水源就是该样本的水源类型。

从表1中可以看出，选取的30个训练样本中，判别结果显示只有23，24两个太灰水样判别有误，其他水样均与实际分类相同，正确率达到93.3%，误判率η=2/30=6.7%.说明Fisher判别法在判别许疃矿矿井突水水源中准确率高，误判的水样在太灰水中，出错的原因可能是因为该矿所采水样时间跨度较大，期间由于采掘进程的持续加深，岩层应力分布发生改变，原生裂隙增大及新的采动裂隙增加，各含水层间的水力联系增强，导致该矿不同含水层之间可能发生一定程度的混合[9]。而且许疃矿太灰水水样数据较少，对太灰含水层水文地球化学特征的反映不具有全面代表性。但是，该判别法只需知道所选水样的6大离子的含量以及pH值即可判别水源类型，这些常规离子的浓度在普通实验室条件下即可测试得到。因此本次利用常规离子建立许疃矿矿井突水水源Fisher判别模型，判别矿井突水水源，方法简单，判别速度快，并且在许疃矿具有较高的判别正确率，可作为许疃矿突水水源快速判别模型。

表2　典则判别函数系数

此次建立的许疃矿Fisher水源判别模型的准确率还可以用方差贡献率来描述，见表3，在第一个判别函数中，方差贡献率达到93.3%，换句话说，从该矿所采集的93.3%的水样信息都可以用该函数解释。从表中可以看出，第2个判别函数的累积方差贡献率分别达到100%.因此，若有水样用第一判别函数难以判别时，可以结合第2判别式共同判断水源。

表3　典则判别函数附加特征值

各典则判别函数质心处值见表4.以第1类判别函数为例，Ⅰ类水源(砂岩水)的质心处值为-3.694；Ⅱ类水源(四含水)质心处值为2.718；Ⅲ类水源(太灰水)质心处值为3.746；也可对比待判水样的函数值与表4中3类水源组别的中心值间的距离大小来识别水样[13]。

表4　各典则判别函数质心处值

图1为结合判别函数1和2的许疃矿3个含水层的分组图，此图也可以利用投点的方式判别水源，即水样落入哪一含水层区域，则判为该含水层。从图中也可以清楚地区分该矿砂岩水和其余2个含水层，但是四含水和太灰水有交接，若水样投点时恰好落入这2个含水层交界处，则容易造成误判，以此也可以解释回估判别中造成误判的原因。

2.4　待判水样的判别

上述的许疃矿Fisher判别模型建立后，回估正确率高达93.3%，表明该模型可以用于许疃矿待测水样的鉴定，待测水样判别结果见表5.

待判水样为许疃矿3222切眼出水，采用上述建立的许疃矿Fisher判别模型判别分析后得知，待测水样均为砂岩水。

表5　待测水样判别

图1　运用判别函数1和判别函数2的分组图Fig．1　Distinguishing diagram of applyingdiscriminant function 1 and 2

3结论

1)本论文依据所选训练样本建立了许疃矿的Fisher水源判别模型。训练样本回估正确率达到93.3%，说明此判别法可以用于许疃矿水源的科学判别。对该矿5个待判水样的判别结果：均为砂岩水；

2)此次建立的许疃矿水源Fisher判别模型在判别该矿水样的水源时只需知道常见的六大离子浓度及pH值，带入方程式计算出数值比较即可判别，因此离子浓度和pH值测定时应尽量保证准确性。另外，该方法简单，可快速判别出许疃矿出水源类型，对于该矿防治水措施的制定具有一定的实际指导意义；

3)各含水层之间水源混合后会影响到模型判别的准确性，而本次许疃矿Fisher水源判别模型的建立没有考虑混合后的情况，所以该模型还可作进一步的研究。

参考文献References

[1]李燕，徐志敏，刘勇.矿井突水水源判别方法概述[J].煤炭技术，2010，29(11)：87-89.

LI Yan，XU Zhi-min，LIU Yong.Summary on methods of distinguishing sources of mine water-invasion[J].Coal Technology，2010，29(11)：87-89.

[2]陈红江，李夕兵，刘爱华，等.用Fisher判别法确定矿井突水水源[J].中南大学学报，2009，40(4)：1 114-1 120.

CHEN Hong-jiang，LI Xi-bing，LIU Ai-hua，et al.Identifying of mine water inrush sources by Fisher discriminant analysis method[J].Journal of Central South University，2009，40(4)：1 114-1 120.

[3]黄平华，陈建生.基于多元统计分析的矿井突水水源Fisher识别及混合模型[J].煤炭学报，2011(36)：131-136.

HUANG Ping-hua，CHEN Jian-sheng.Fisher identify and mixing model based on multivariate statistical analysis of mine water inrush sources[J].Journal of China Coal Society，2011(36)：131-136.

[4]梁亚婷，杨振宏，屈利伟.基于多源异构信息融合的煤矿冒顶事故预报技术[J].西安科技大学学报，2013，33(1)：78-83.

LIANG Ya-ting，YNGA Zhen-hong，QU Li-wei.Mine roof fall prediction technique based on multi-source information fusion[J].Journal of Xi’ an University of Science and Technology，2013，33(1)：78-83.

[5]鲁金涛，李夕兵，宫凤强，等.基于主成分分析与Fisher判别分析法的矿井突水水源识别方法[J].中国安全科学学报，2012(7)：109-115.

LU Jin-tao，LI Xi-bing，GONG Feng-qiang，et al.Recognizing of mine water inmsh sources based on principal components analysis and Fisher discrimination analysis method[J].Chinese Safety Science Journal，2012(7)：109-115.

[6]王学民.应用多元分析[M].上海：上海财经大学出版社，2009.

WANG Xue-min.Applied multivariate analyis[M].Shanghai:Shanghai University of Finance and Economics Press,2009.

[7]赵丽娜.Fisher判别法的研究及应用[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

ZHAO Li-na.Research and application of Fisher discriminant method[D].Harbin：Northeast Forestry University,2013.

[8]姜春露，姜振泉.基于Fisher判别分析法的岩溶塌陷预测[J].地球科学与环境学报，2012，34(1)：91-95.

JIANG Chun-lu，JIANG Zhen-quan.Prediction of karst collapse based on Fisher discriminant analysis method[J].Journal of Earth Sciences and Environment，2012，34(1)：91-95.

[9]代革联.地质构造对韩城矿区水文地质特征的影响[J].西安科技大学学报，2010，24(7)：62-67.

DAI Ge-lian.The effect of geology structure on hydrogeology characteristics of Hancheng mining area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，24(7)：62-67.

Discrimination analysis of water inrush source by Fisher in Xutuan mine 32 block

DONG Yi，XIE Hai-jun

(CollegeofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Abstract：In view of continuous water inrush of 3222 cut in Xutuan mine block 32，in order to discriminate the water source style for watered point quickly and effectively in the mine，and to provide scientific basis for making measures to prevent and control water，through using conventional hydrochemistry data in diffirent aquifers collected from Xutuan mine block 32 and some hydrochemistry data from Renlou mine which has sane water quality compared to Xutuan mine，according to hydrochemical component in each aquifer，choose seven hydrochemical indexes that can distinguish every aquifer style finally，and in virtue of SPSS software to establish the water inrush Fisher discrimination model for Xutuan mine.The evaluation results after discriminating the training samples indicate the accuracy of discriminanting water source style in Xutuan mine about this model is high with good efficiency，which can be used as a basis to discriminate the water source style on water inrush in Xutuan mine，and it has a certain practical significance to the safety production of the coal mine.Finally，discriminating unknown water source for watered point in Xutuan mine scientifically，the result demonstrates they are all sandstone water.In addition，the water source discriminantion model of Xutuan mine is established without considering the conditions of mixed aquifers，so this model can be further studied.

Key words：Xutuan mine block 32；Fisher discrimination；water inrush of mine

中图分类号：P 643.1

文献标志码：A

通讯作者：董毅(1992-)，安徽蒙城人，硕士研究生，E-mail：15667088215@163.com

收稿日期：*2015-07-16责任编辑：刘洁

文章编号：1672-9315(2016)01-0075-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0113