基于系统聚类分析的煤矿突水水源识别技术
——以潞安矿区王庄煤矿为例
2019-09-23耿建军
耿建军
(中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京 100039)
煤矿防治水的根本是突水水源识别,其可以作为涌水量判别的依据,亦可为煤炭开发实施的堵水、疏水等保障措施提供参考。煤层的顶板和底板沉积了多个充水含水层,如底板岩溶裂隙含水层、顶板裂隙孔隙含水层,这些充水含水层与煤层在垂向上形成了上下叠置的关系,同时充水含水层之间常有断层或者岩溶陷落等通道将它们相互沟通,形成了立体充水结构模式。地下水水位、水温、水化学组分、环境同位素及微生物是含水层的重要信息载体,是识别不同含水层之间或者地下水与地表水之间的水力联系的媒介。通常情况下,由于地理位置及地层构造的不同,煤矿各含水层水源均形成了自己特有的水化学及物理特征,这些特征即可作为水源识别的依据。
地下水化学组分是含水层信息的载体,具有化学指纹识别功能。这是由于含水层中的地下水与围岩以及其他含水层中的地下水发生着各种各样的水文地球化学作用,如溶滤作用、混合作用和阳离子交替吸附作用等。这些作用使得不同含水层中的地下水水化学特征不同,而同一个含水层中的地下水水化学特征相近。即便是两个有一定程度水力联系的含水层,它们中的地下水水化学特征也会表现出一定程度的差异。这些水化学特征的差异可作为煤矿突水水源识别的重要依据。
目前突水水源识别的方法主要有专家经验法、贝叶斯判别法、人工神经网络法和灰色关联度法等。由于矿井水样一般都由井下工作人员负责采集,采集及样品保存方法不标准,测试技术参差不齐,为了准确识别矿井水源,必须对获取的多种水源样本进行筛选。根究矿井水源的特点,采用系统聚类分析方法来提高水源识别的准确性。聚类分析的基本思想是采用数学方法对水源样本进行分类,定量地确定样本之间的亲密程度,然后按亲疏差异程度筛选可应用水源分析的样本。
下面以潞安矿区王庄煤矿为例,利用基于系统聚类分析的水化学特征分析方法对煤矿突水水源进行识别。
1 煤矿水文地质概况
区域内对煤炭资源开采有影响的含水层主要有奥陶系岩溶裂隙含水层、上石炭统太原组灰岩含水层、二叠系砂岩孔隙裂隙含水层与第四系孔隙含水层。
本区地下水位于辛安泉岩溶水系统中部,南流泉组子系统-襄垣单斜径流带中等-强径流区(局部弱),属岩溶埋藏区,岩溶地下水赋存运动规律受整个系统的补、径、排条件制约,与南流泉组子系统一致。该井田仅南部为二岗山断层边界,其余均为人为边界,各含水层与周边井田自然连接。结合井田水文地质条件分析,北部、西部边界为地下水侧向补给边界,东部边界为地下水排泄边界。垂向上各主要含水层之间存在隔水层,且隔水性能良好,各含水层之间的水力联系较弱。
2 主要含水层的水化学特征
2.1 第四系孔隙水
第四系孔隙水化学分析样品共两个,采集地点分别是北宋村和东史村。第四系孔隙水主要成分见表1。第四系孔隙水pH平均值为7.79,矿化度是775~1 107 mg/L。由图1可知,第四系孔隙水的主要阴阳离子分别是HCO3-和Ca2+,摩尔分数分别大于8%和5%。
图1 第四系孔隙水Piper三线图
第四系孔隙水中SO42-的质量浓度要低于地表水,为51.5~85.2 mg/L,相反地,NO3-的质量浓度低于地表水,为79.3~102 mg/L。另外,第四系孔隙水中的有机物的质量浓度也较地表水要低,平均值为6.38 mg/L,同时CODCr未检出。第四系孔隙水中的F-浓度也超过了我国饮用水卫生标准规定的1.0 mg/L,而NO2-和Fe未检出。
下部含水层段主要由下更新统(Q1)细砂、粉细砂、亚粘土等组成,含水层较厚,一般20~30m,水位埋藏由西向东逐渐变深,属承压水,富水性弱而不均匀,钻孔单位涌水量多在0.25 l/s·m。矿化度可达1 000 mg/l,水化学类型为HCO3-Ca·Mg型。
第四系水赋存于以石英砂为主的孔隙介质中,渗透性较好。因其处于地球表面,容易接受富含CO2大气降水的直接入渗补给,故水中HCO3-相对含量高于其它地下水。
2.2 二叠系砂岩裂隙水
二叠系砂岩孔隙裂隙水共有水质分析样12个,其主要离子含量统计结果见表2。砂岩水的pH值7.36~12.2,整体偏碱性。矿化度最小值为607 mg/L,最大值为1 674 mg/L,50%的样品矿化度大于1 000 mg/L。由图2可知,砂岩水的主要阳离子为K++Na+,摩尔分数大于80%;主要阴离子为HCO3-,摩尔分数大于50%。由此可见,二叠系砂岩水和孔隙水的水质类型不同,砂岩水为HCO3-Na型,而孔隙水为HCO3-Ca型。砂岩水中的SO42-质量浓度范围为11.5~80.2 mg/L,平均值为33.9 mg/L,低于地表水和孔隙水。
二叠系砂岩水主要赋存于以钠长石、钾长石为主的砂岩裂隙中,裂隙连通性较差,水交替缓慢,易积累溶解度较高的K++Na+。而Ca2+、Mg2+因溶积度低,在水中含量相对较低,故水化学类型常以HCO3·Cl-Na型水为主。
表2 二叠系砂岩裂隙水主要离子质量浓度表
图2 二叠系砂岩裂隙水Piper三线图
2.3 太原组灰岩裂隙岩溶水
太灰水共有水质分析样2个,主要离子含量统计结果见表3,由表3可知,两个太灰水样品的pH值差异较大,分别为7.50和12.9。同时矿化度值的差异也很大,分别为860和1 857 mg/L。由图3可知,太灰水的主要阳离子为K++Na+,摩尔分数均超过80%。但两个样品的阴离子含量差异较大,样品C01的主要阴离子为SO42-和HCO3-,摩尔分数分别为34.0%和55.1%;而C02的主要阴离子为CO32-和HCO3-,总摩尔分数达到89.7%。
图3 太灰水Piper三线图
2.4 奥陶系中统灰岩裂隙岩溶水
表3 太灰水主要离子质量浓度表
表4 奥灰水主要离子质量浓度表
王庄煤矿处在襄垣径流带,与区域水化学特征基本一致,总的趋势由北向南、由东向西随含水层埋深的加大,水交替条件变差,各离子含量及矿化度增高。
井田+540水平范围大部为强富水区,奥灰埋深279.08~632.90 m,岩溶裂隙发育,地下水交替快,径流条件好。水化学类型由北东SO4·HCO3-Ca·Mg型,向南过渡为HCO3-Ca·Na型或HCO3·SO4-Ca·Na型。弱富水区主要分布于+540水平西部深埋区,奥灰埋深555.00~726.15 m,岩溶裂隙不发育,地下水交替较慢,径流条件一般。水化学类型为SO4-Ca·Na型,水质相对较差。
图4 奥灰水Piper三线图
3 突水水源识别
3.1 突水水源聚类分析-排除异常值
聚类分析是一种多元分析技术,将所研究的对象视为同一空间中的点,运用数学方法研究点与点之间的疏密关系,从而得到所研究的对象间的相似关系,把关系密切的点归为一群,否则归为不同类,最终实现了对研究对象的分类。聚类分析算法的种类很多,其中比较常用且应用比较成功的一种系统聚类法。系统聚类分析的具体操作步骤为:确定原始数据,即要进行聚类分析的对象的各项指标及相应的测量值;对数据进行变换处理,使其变成相对一致的数据;接着根据标准化变换得到的数据进行计算,可以衡量出各水源样本间的关系亲密程度,确定分类的原则和方法,将关系密切、即相似度高的样本聚为一类,最后得到水源样本的分类结果。
假设有n个水源样本,每个水源样本测得m项指标,记第i个水样的第j项指标的采样值为Xij,n个水样的全部采样值可以排成1个原始资料矩阵。对水样的原始水化学数据进行数据变换处理,结果记为zij,采用标准化变换,定义为:
(1)
聚类统计量是用于表明各水源样本间的相似程度的量,即反映各水样间的关系疏密程度的指标,主要有2大类:距离和相似系数。选择平方欧式距离作为聚类统计量,用于衡量分类水样间的相似程度,用dij表示,由dij确定相似关系矩阵。
(2)
对n个样本计算出两两间的距离dij,并从中找出距离最小的两类,合并成一个新类,重新计算新类与其他各类间的距离,再将距离最小的两类合并,重复以上过程至所有样本聚为一类为止。对于类间距离有很多不同的计算方法,采用了离差平方和法(ward)来计算类间距离。
将上述聚类分析结果在SPSS19.0软件中用聚类谱系图表示出来,通过谱系图(图5和图6)可以看出从所有水源样本点从各自自成1类到全部归为1类的聚类过程。
由于含水层之间可能存在不同程度的水力联系,往往在一个含水层中取得的水样表现另一个含水层水化学特征。所以有些地下水水样水化学成分不能很好地代表所在含水层的水化学特征,为了排除这些水样对建立主要突水含水层水化学判别模式的干扰,有必要对每一含水层分别作聚类分析。通过聚类分析,除去不满足某一标准下的某一含水层异常水样点,受王庄煤矿报告中样本数量的限制,在此只针对二叠系砂岩水和奥灰水进行聚类分析。
根据表4中的水化学测试结果,应用SPSS19软件执行系统聚类分析,得到奥灰水的聚类分析结果,见图5。从图5可以看出,F08、F09和F10与其他奥灰水类间欧式距离为25,大于人为规定的标准值15,说明这三个水样水文地球化学特征与其他奥灰水水文地球化学特征有较大差异,所以排除F08、F09和F10,选取剩下的奥灰水样F01、F02、F03、F04、F05、F06、F07、F11和F12参与逐步判别分析。
图5 奥灰水系统聚类分析
将表2中的水化学测试结果执行系统聚类分析,得到图6。同样确定类间欧氏距离不大于15作为选取对象标准,由图6可知,P08与其他砂岩水样间欧式距离为25,因此将P08排除。选取剩下的砂岩水样参与逐步判别分析。
图6 砂岩水系统聚类分析
3.2 充水含水层水化学特征研究
图7 水质资料在Piper三线图上的分布
4 结语
本文通过对王庄煤矿主要充水水源水化学一般特征的分析,运用系统聚类分析法,剔除了样本中异常水样,确定了各水层的特征离子。并利用Piper三线图对本区各含水层水质类型进行了初步分区,为矿井技术人员快速准确判别突水水源提供了有效的方法和依据。