基于水化学特征分析的铜川某矿井突水水源判别

2023-06-05徐冬冬

城市地质 2023年1期

摘要：长期以来，矿井水害严重威胁着矿山的安全生产，快速、准确地判定矿井突水水源是矿井水害治理的关键。在收集铜川某矿井以往各含水层大量水质数据的基础上，选择地下水中含量较高的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、C1-等6 种常规离子作为判别因子，通过软件绘制Piper三线图，分析各含水层水化学特征。第四系地下水与二叠系砂岩裂隙水水化学类型相似，老空水与其他含水层水质差别较大。采用模糊综合评判、灰色关联度分析方法分别构建判别模型，判别准确率80%左右，对未知突水水源进行分析，结合矿井水文地质条件，判别突水来源于二叠系砂岩水。

关键词：水化学特征；突水水源；模糊综合评判；灰色关联度；判别分析

Discrimination of mine water inrush source based on hydrochemical characteristics

XU Dongdong

（China Enfei Engineering Technology Co.， Ltd.， Beijing 100038， China）

Abstract： For a long time， mine water disasters have seriously threatened the safe production of the mine. Rapid and accurate determination of mine water inrush source is the key to mine water disaster control. Upon collecting a large amount of water quality data of various aquifers in the mine， six conventional ions such as K+ + Na+， Ca2+， Mg2+， SO42-， HCO3- and C1- with high content in the groundwater are selected as the discriminating factors. The water chemical characteristics of the aquifers are analyzed with computer drawn Piper three-line diagram. The basic hydrochemical type characteristics are studied of the main potential water filling sources such as quaternary water， Permian sandstone water and old air water. The results show that the hydrochemical type characteristics of Quaternary water are similar to that of Permian sandstone， and the characteristics of old air water are different from other layers. Fuzzy comprehensive evaluation and grey correlation are applied to analyze， compare and determine the water inrush source by combining the hydrogeological conditions of the mine. The discrimination accurate rate is about 80%.

Keywords： hydrochemical characteristics; water inrush source; fuzzy comprehensive evaluation， grey correlation degree; discriminant analysis

水害是矿井五大灾害之一，突（涌）水灾害对矿井安全生产造成严重威胁（邓忠等，2021）。为了解决矿井突水对矿山生产的危害，判定突水水源就成为矿井水害治理的关键，找到涌水水源就能有的放矢地去解决矿井涌水的查、堵、疏、排问题（高卫东等，2001）。如何充分利用矿山长期积累的水化学资料，快速判别突水水源显得尤为重要（王炳强等，2015；陈陆望等，2012）。多年来国内外众多专家学者进行了大量研究，采用的方法涵盖了水文地球化学、微量元素和同位素技术、Fisher法、模糊综合评判等，不同方法有各自的特征及局限性（李再兴等，2009；胡伟伟等，2010；周强，2021）。本文以铜川某矿井为例，收集并分析矿井各含水层水化学资料，应用模糊综合评判及灰色关联度模型快速判别突水水源。

1 研究區概况

1.1 矿井水文地质条件

铜川某矿井属渭北石炭二叠纪煤田，位于鄂尔多斯台拗渭北隆起东南端，构造为向北倾斜的单斜构造，地层倾角5～8°。区内有2条常年性水流，河流均由大气降水及第四系潜水补给，流量受季节性影响及降雨控制。

依据矿井多年的水文地质资料，矿井主要充水水源包括：第四系松散层孔隙含水层、二叠系砂岩含水层、老空水。

1）第四系孔隙含水层：该含水层与大气降水及地表水联系密切，为矿井充水来源之一，并存在多层隔水层，补给有限。广泛分布于地形较高部位，距煤层较远，排泄良好，最大单位涌水量为0.065 4 L·s-1·m-1，渗透系数0.626 m·d-1，一般不会造成灾害性威胁。

2）二叠系砂岩含水层：包括上、下石盒子组及山西组砂岩含水层，岩性以中粗砂岩、石英砂岩为主，泥岩及砂质泥岩次之，距煤层较近，无明显隔水层，是矿井水的主要来源，矿山开采过程中可能通过冒裂带顶板对矿井进行充水，单位涌水量为0.1～0.8 L·s-1·m-1，渗透系数2.06～33.77 m·d-1。

3）老空水：采空区主要位于矿井一水平、二水平，采空区标高高于现采区，积水自然排泄，正常不会大量积水，个别地段采空区可能呈封闭状态而大量积水。

1.2 含水层水化学数据分析

地下水化学成分较复杂，水质分析是研究地下水化学成分的基本手段，为了判别突水来源，选择地下水中含量较高的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、C1-等6种离子，这些离子占地下水所有溶解盐类90%以上，并决定了水化学类型，它们的分布特征可以反映丰富的地下水特征（郭瑞等，2018）。

地下水水样点主要水化学成分原始数据见表1。由表1可知，第四系孔隙含水层水质类型主要为HCO3-Ca·Mg，其次为HCO3-Ca·Mg·Na和HCO3-Ca·Na·Mg；二叠系砂岩含水层水质类型以HCO3-Ca·Mg为主，其次为HCO3-Ca·Mg·Na和HCO3-Ca·Na·Mg；老空水的常量组分除SO42-外，其他指标变化幅度均较大，水质类型为SO4·HCO3-Ca·Mg、SO4-Ca·Na·Mg、HCO3·SO4-Ca。

突水水源为一种或多种水源的混合水，判别突水水源不仅研究开采前的充水水源，还要研究开采后所产生的新水源和老水源变化情况（代革联等，2017）。利用水化学软件AquaChem对水样进行分析，见图 1。从图1可看出，除老空水外，其他含水层水质区分不明显，地表水与第四系地下水水质很接近，第四系孔隙水质原属HCO3-Na·Mg型，现多为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na·Mg，其原因为受大气降水及地表水的补给；二叠系砂岩水水质类型为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg·Na、HCO3-Ca·Na·Mg型，与第四系地下水水化学类型类似。

老空水水质变化较大，SO42-离子浓度较高，推测水样是近期矿山开采遗留下的采空积水。由于老空水水样主要以SO4-Ca·Mg、SO4·HCO3-Ca·Na·Mg型为主，且pH较高，推测老空水与顶板二叠系含水层存在水力联系。

1.3 矿井突水情况简介

该矿井自建井以来，刚开始采用炮采，采煤后采用综采，开采面积不断增大，但矿井涌水量一直保持50 m3·h-1左右。矿井现采面位于二水平采区深部，采面走向长1 050 m，倾斜长120 m。当采面推采约20 m时，采区涌水量突然增大，从50 m3·h-1增至约240 m3·h-1，平均200 m3·h-1，持续时间超过48 h，本次突水水源突水迅速，持续时间长，涌水量远远超出多年正常涌水量。为了保障矿井正常安全开采，首先判别突水水源，进而采取相应防治措施。

2 突水水源判别

2.1 模糊综合评判模型判别

该模型基于模糊数学，根据隶属度将定性转化为定量的一种评价方法，具有结果清晰、系统性强的优点，能较好地解决模糊、难以量化的问题，适合解决各种非确定性问题（许延春等，2014；李凤莲等，2015）。

样板法构造模糊模式库步骤：①模糊模式Ai中选出mi个样板：aij=（aij1，aij2，…，aijp），i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。其中aij为第i个模糊模式Ai的第j个样板的特性向量；aijk为第i个模糊模式Ai中第j个样板的第k个特性指标的实测数据，k=1，2，…，p。②计算模糊模式Ai中的mi个特性向量aij的均值向量ai，称ai为模糊模式Ai的均值样板。③计算待识别对象u=（u1，u2，…，up）與均值样板ai之间的距离di（u，ai），令Di = max（di（u，ai）），i=1，2，…，n；模糊模式Ai的隶属函数为：Ai（u）=1- di（u，ai）/Di（陈水利，2005）。

1）建立隶属评判集

突水水源主要有第四系地下水、二叠系砂岩水、老空水，据此构建模糊评判模型如下：

U=｛A1，A2，A3｝=｛第四系地下水，二叠系砂岩水，老空水｝

设U为所有水样的集合，则第四系地下水Al；二叠系砂岩水A2；老空水A3是U上的模糊集。

2）建立评判因子集

各含水层常规水化学特征选用水质当中的常规的6 个指标建立因子集，即：

u=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6｝=｛Na++K+，Mg2+，Ca2+，Cl-，SO42-，HCO3-｝

用样板法构造第四系地下水、二叠系砂岩水、老空水的隶属函数。在第四系地下水、二叠系砂岩水、老空水3种水源中抽选24个具有代表性的水样，其中第四系地下水11个，二叠系砂岩水6个，老空水7个。

ai=（aii，ai2，ai3，ai4，ai5，ai6），i=l，2，···，11

bi=（bil，bi2，bi3，bi4，bi5，bi6），i=l，2，···，6

ci=（cil，ci2，ci3，ci4，ci5，ci6），i=l，2，···，7

式中，aij为第四系地下水A l中第i个水样第 j个特征指标的实测数据，bij为二叠系砂岩水中A 2中第i个水样第 j个特征指标的实测数据，cij为老空水A 3中第i个水样第 j个特征指标的实测数据。

通过计算，选取的代表性水样的隶属度和判别类型见表2。

利用模糊综合判别模型识别的正确率为75%，该方法判别效果良好，可以利用该模式对该矿井在开采过程中的突水水源进行判别。

对矿井突水水样进行采集检测数据如表3。

将未知水样数据代入模型中，根据表4可知，所取的水样水源可能主要来自煤层顶板二叠系下石盒子组或山西组底部砂岩含水层。

根据表5可知，判别正确率为83.33%，说明利用灰色关联度法对矿井3个含水层的常规离子判别效果是较好的。

依据灰色关联度法判别突水水样，判别结果如表6所示。表6显示除未知水样3来自二叠系砂岩含水层外，其他2个水样均来自第四系含水层。

综合分析可知，模糊综合评判模型和灰色关联度模型的判别正确率相差不大，都在80％左右，因为矿井水质数据少、时间间隔较久远且分布不均匀，会对判别结果产生一定的影响（张磊等，2010；张淑莹等，2018）。两种模型对未知水样判别结果不同，灰色关联度稍有偏差。依据矿井多年水文地质资料，第四系孔隙含水层广泛分布于地形较高位置，距离煤层较远，排泄较好，一般不会造成突水灾害威胁；二叠系砂岩水包含多组含水层，距离煤层较近，且无明显隔水层，易通过冒裂带顶板对矿井充水。根据矿山水文地质条件及判别结果综合分析，本次矿井突水水源可能来源于二叠系砂岩水，建议本矿井选择模糊综合评判模型，可取得相对较好的判别效果。

3 结论

1）在收集铜川某矿井各含水层水化学数据的基础上，应用Piper三线图对各含水层进行水化学特征分析，并选用模糊综合评判及灰色关联度判别方法对突水水源进行判别，对比分析判别突水水源可能源自二叠系砂岩水。

2）通过水化学特征分析，采用模糊综合评判、灰色关联度判别模型判别矿井突水水源，避免了由于水文条件的复杂性及模糊性造成判别结果失真，提升了水源判别的准确性。

3）在水样条件复杂的情况下，单纯依靠常规水化学特征判别突水水源有时会出现误判或判断不准确，必须辅以其他判别技术进行综合判断。实践证明，水化学方法与各种模型相结合具有投资少、见效快的优势，研究成果可为类似矿井防治水工作提供参考。

参考文献

陈陆望，宋正辉，2012. 华北隐伏型煤矿地下水水化学演化与突水水源判别［J］．皖西学院学报，28（5）：19-22.

陈水利，2005. 改进的样板法及其在油气层识别中的应用［J］．石油天然气学报（江汉石油学院学报）（3）：321-323+268.

代革联，薛小渊，牛超，2017. 基于水化学特征分析的象山矿井突水水源判别［J］．西安科技大学学报，37（2）：213-218.

邓忠，李珊，李彩华，唐勇臣，2021.广西武宣盘龙铅锌矿矿区环境水文地质问题分析及防治对策［J］.城市地质，16（4）：447-453.

高卫东，何元东，李新社，2001.水化学法在矿井突水水源判断中的应用［J］．矿业安全与环保（5）：44-45.

关秋红，2009. 新庄孜井田地下水化学特征及突水水源快速判别模型［D］．合肥工业大学.

郭瑞，王永申，许刚，2018.不连沟煤矿充水水源水化学特征分析及突水水源判别模型研究及应用［J］．煤炭科技，2018（3）：128-131.