基于水化学和模糊综合评判的突水水源判别

2022-07-23赵静

陕西煤炭 2022年4期

赵静

(太仓市水利市政设计有限公司，江苏太仓 215400)

0 引言

矿井一旦发生突水，不仅影响煤矿的正常生产，而且会给井下人员生命与财产安全带来严重威胁，因此，准确及时地查找突水原因、水源，是防治矿井水害的关键。建立判别模型来识别突水来源是被大量采用并行之有效的方法。在识别突水水源方面，国内外学者提出许多方法[1-4]，诸如水化学法、主成分分析法、同位素法、灰色关联度法、BP神经网络法和模糊数学法等。近年来，GIS和多源信息复合方法[5]的应用更将突水分区结果直观显示出来。为此，以淮南矿区朱集东煤矿及周边井田多年采集的132个矿井水样为例，运用水化学分析、聚类分析和模糊综合评判建立突水水源快速判别系统，以期为今后判断突水来源提供参考。

1 研究区背景

研究对象位于淮南煤田东北方向，矿井构造形态受朱集—唐集背斜、尚塘—耿村集向斜的影响，总体为一背、向斜。区内目前已发现断层30余条，岩性主要以泥岩、粉砂岩为主，伴有砂岩碎块，含水性一般，导水性较差。

矿井采掘活动表明地下水主要包括新生界松散层孔隙水、煤系砂岩裂隙水和石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙水3大类。其中，煤系砂岩裂隙水充填于泥岩、砂质泥岩和粉砂岩裂隙中，由于裂隙不发育、含水性极弱，此类水以储存量为主，是矿井直接充水水源，但在局部砂岩裂隙发育地段，储存量砂岩水可能在井巷掘进过程中瞬时出水造成危害。新生界松散层孔隙水对煤系砂岩裂隙水垂直补给甚微，但随着开采深度增大，3号煤层底板可能由于压力或者断层带影响而底鼓破裂，导致太原组灰岩水大量涌入采掘工作面。当前，矿井主采埋深较浅的11号煤层和13号煤层，未开采A组煤，灰岩水暂时对矿井没有威胁。

2 水源判别模型

共收集水样132个，其中松散层水样15个，煤系砂岩水样11个，老空水样3个，太原组灰岩水样103个(朱集东矿1个，潘四东矿83个，潘二矿19个)。朱集东矿尚未开采A组煤，现仅有1个勘探阶段采集的灰岩水样，无法保证数据的有效性。矿井受灰岩水的威胁随着开采深度的增加逐渐增强，因此对灰岩水的分析与研究具有紧迫性和现实意义[6]。与矿井临近的潘四东矿和潘二矿已开采A组煤，具有大量的灰岩水数据，且这3个矿同属一个二级水文地质单元，水质较为接近，因此增选潘四东矿和潘二矿的灰岩水数据作为本次研究的背景值。

2.1 水化学特征

不同水源的地下水中各离子含量高低取决于其水文地质化学成因，由此判别突水来源。综合考虑离子的重要性及数据的有效性[7]，选取水化学成分中常规离子、pH和TDS作为评价指标，借助于Aquachem软件绘制Piper三线图，如图1～3所示。

图2 煤系砂岩水和老空水Piper图Fig.2 Piper diagram of coal measure sandstone water and old empty water

图3 太原组灰岩水Piper图Fig.3 Piper diagram of limestone water of Taiyuan formation

2.2 聚类分析

由于某些水样的水化学特征与其他水样具有较大差异，利用SPSS软件的聚类分析模块剔除对分析有影响的异常样本。采用Q型聚类分析，确定类间欧式平方距离不大于15作为标准，聚类分析标准化数据，计算出新生界下含水、煤系水和太灰水的统计背景值，见表1。

表1 各含水层统计背景值Table 1 Statistical background values of each aquifer

2.3 模糊综合评判

模糊综合评判是利用模糊数学的隶属度原理将定性评价转化成定量评价，可以用来整体评价受到多种因素制约的对象或事物。

模糊综合评判原理[9]表示为

E∘R=B

(1)

表2 因素集标准值Table 2 Standard values of factor sets

(2)

(3)

最后，进行模糊复合运算B=A∘R={b1,b2,b3}。

随机选取下含水样1个、煤系水样和太灰水样各2个作为判别样本，各离子含量见表3。

表3 水样分析资料Table 3 Water samples analysis data

得模糊综合评判结果为

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)

对水样Y1的模糊计算结果得出最大隶属度为0.557 9，根据最大隶属度原则得Y1来自下含水。由于下含水和太灰水都是长期封存的古水，径流缓慢，由Piper三线图可知水样Y1水质与太灰水接近，故模糊评判结果显示太灰水对其有一定的隶属度。对水样Y2和Y3的模糊计算结果，最大隶属度分别为0.837 3和0.562 2，这2个水样来自煤系水，与取样层位吻合。煤系水对Y1的隶属度为0.017 7，下含水对Y2和Y3的隶属度分别为0.064 8和0.289 1，说明下含水与煤系水水力联系较弱。水样Y4取自潘二矿12223疏水巷，由Y4的模糊计算结果知，最大隶属度为0.710 1，由此判断，Y4的水源主要为太灰水。水样Y5取自潘四东矿-490 m东翼放水巷，径流条件差，地下水补给源于自身储存量。太灰水、煤系水对Y5的隶属度较高，分别为0.507 5和0.359 9，说明Y5主要来自太灰水，而受断层带等因素影响，太灰水与煤系水之间存在着一定的水力联系。