基于灰色關(guān)聯(lián)分析的礦井突水水源定量化判別方法

樊振麗

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的礦井突水水源定量化判別方法

樊振麗1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

闡述了礦井突水水源的判別方法，針對水化學背景值特征相近的水源，提出了通過量化計算實現(xiàn)精確判別水源層的方法。以灰色關(guān)聯(lián)分析方法為例，對袁店二礦F14斷層突水水源進行了量化判別，并采用水化學玫瑰花圖和水樣柱狀圖的圖形化分析方法對突水水源量化判別的準確性進行了輔助判別，綜合分析認為煤層頂板砂巖裂隙水通過斷層帶進入了采掘空間。定量化地學方法和圖形化分析方法有效解決了礦井突水水源判別的準確性。

灰色關(guān)聯(lián)分析；礦井突水；水源判別方法；圖形化判別

礦井生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)頂板淋水、底板涌水和斷層帶出水等涌(突)水現(xiàn)象，當涌水達到一定量能時，易形成災(zāi)難性的水害事故。井下一旦發(fā)生突水事故，查明突水水源和突水原因是災(zāi)害防治和救援需要解決的首要問題，也是礦井防治水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。判別突水水源需要深入分析礦井的水文地質(zhì)條件、構(gòu)造分布及其導(dǎo)水性、采動影響特征等，應(yīng)結(jié)合突水點的水質(zhì)、水位、水溫等臺帳資料給予綜合分析。

不同地質(zhì)時期的含水層的沉積環(huán)境、古氣候條件、物源組成和地下水的補徑排條件決定了該水源層的離子交換和動態(tài)平衡特征，含水層的這種固有的水化學本質(zhì)特征是彼此相互區(qū)別的可靠判據(jù)。突水水源的判別方法主要有定性和定量兩大類方法，它們的適用條件不同，優(yōu)缺點各異。一般地，采用水質(zhì)的定性對比分析并參照水位等動態(tài)變化情況，可大概率地判定突水層位，但是，在特定條件下，如遇到背景值相似的含水層時，待判水樣的歸屬便是一個難題。定量化地學方法通過對水質(zhì)等檢測數(shù)據(jù)的定量表征，揭示含水層間的聯(lián)系緊密程度，從而可有效解決定性分析難以克服的困難[1]。

本文將闡述定性和定量化的判別方法，并以實例說明定量化判別方法在水源判別領(lǐng)域的應(yīng)用及其可靠性優(yōu)勢。

1 礦井突水水源判別方法

1.1 定性判別法

定性判別法是指利用某個或某幾個含水層的物理性質(zhì)，諸如水的顏色、渾濁度、味道、水溫等具有明顯差異性，含水層水位(水壓)在判別前后出現(xiàn)一定程度的變化、水質(zhì)中離子成分獨特性、特征組分示蹤、涌(突)水形式和水量變化特征等實現(xiàn)水源判別的方法。顯然，定性判別法適用在差異性含水層(組)水源的判別，利用技術(shù)人員的主觀經(jīng)驗便可實現(xiàn)。

物性判別法 該方法主要利用水樣的物理性質(zhì)差異進行判別。當下伏煤層開采時，如遇到顏色發(fā)黃、水樣發(fā)渾、異味等突水點時，則老空區(qū)出水可能性大；深部煤層開采時，若突水點水溫異常，則可采用水溫梯度計算或水溫臺帳對比等方式判別水源層；當井下出現(xiàn)突水事故時，若某層含水層水壓發(fā)生異常降低等現(xiàn)象，則該含水層為突水水源層的可能性極大；當涌水量在一定的時間內(nèi)呈現(xiàn)由巨量至逐漸衰竭的特點，則突水水源極可能為老空(窯)水或離層等空洞帶積水。

水質(zhì)對比法[2]突水點水質(zhì)經(jīng)檢測后，將水質(zhì)檢測結(jié)果與已知含水層的水質(zhì)背景值做對比分析，將水中離子含量特征相近甚至相同的比對結(jié)果作為突水水源層判別結(jié)果，一般借助于水化學玫瑰花圖、Piper三線圖、Durov圖和水質(zhì)柱狀圖等圖形化分析工具進行判別，是礦井最常用的方法。

示蹤試驗法 利用含水層背景值中含量較低的、形態(tài)穩(wěn)定、不易被吸附的同位素或其他物質(zhì)作為示蹤劑，通過示蹤劑的投放、接收和水樣檢測來判斷投放層和接收層的水力聯(lián)系，從而判斷突水水源層的空間位置。

1.2 定量判別法

定量判別法是通過地質(zhì)變量在其取值和變換后所得數(shù)據(jù)與預(yù)測對象的直接和間接關(guān)聯(lián)程度來實現(xiàn)量化判別的方法。定量化判別不僅可以對差異明顯的定性判別屬性數(shù)據(jù)進行計算分析，更重要的是實現(xiàn)了易混地質(zhì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析，是建立微差地質(zhì)體間聯(lián)系的有效工具。

聚類分析法[2-3]該方法假定各含水層間存在不同的相似性，根據(jù)含水層背景值找出并計算一些能夠度量含水層間相似程度的統(tǒng)計量，按相似統(tǒng)計量的大小，將相似程度大的含水層(水樣)聚合到一類，關(guān)系疏遠的聚合到另一類，直到把所有的水樣聚合完畢，最終將新的突水點水樣檢測值與含水層背景值形成一個由小到大的分類系統(tǒng)。

貝葉斯(Bayes)判別分析法[4-5]對礦井已有的含水層水樣進行類別分析，建立水源判別的Bayes模型，采用先驗概率分布描述已知水源的數(shù)據(jù)特征，用新突水點的水樣修正已有的認識得到后驗概率分布，將新的水樣均用后續(xù)概率分布進行判別分類，是將Bayes思想和判別分析原理相融合的一種判別方法。

模糊綜合判別法[6-8]針對含水層水質(zhì)特征界限模糊的特點，可利用模糊變換和最大隸屬度原則，對影響評判結(jié)果的因素集U的各個因素賦予一定的權(quán)重，形成權(quán)重矩陣A，確定評價對象對影響因素的隸屬程度后，形成隸屬度模糊關(guān)系矩陣R，則A×R=B，B即為模糊綜合判別的評價結(jié)果。

灰色關(guān)聯(lián)分析法[9-15]將含水層已有水樣作為母序列(參考序列)，未知的突水點水樣作為子序列(比較序列)，所有的數(shù)據(jù)序列統(tǒng)一量綱后，計算子序列與母序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大則相關(guān)程度越高，據(jù)此判斷水源層。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 是基于生物學中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理而建立的，目的是通過建立適當?shù)哪Ｐ停_定理想的關(guān)聯(lián)權(quán)值，來盡可能地使計算結(jié)果與實際一致。在水源判別中，當訓練評判結(jié)果與水源層各因素目標矢量相接近時，則該層為新出水點的突水水源。

水源判別的定量化評價是源于數(shù)學地質(zhì)科學，針對某些方法的不足，還可以將不同的數(shù)據(jù)處理方法和工具組合，如熵權(quán)-模糊綜合判別、主成分與Fisher判別分析法、基于H支持向量機的灰色關(guān)聯(lián)判別等，這些方法修正了單一判別理論的不足，完善了不同情況下的突水水源的定量化判別技術(shù)。

2 定量判別法的應(yīng)用

2.1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

淮北煤田是新生界松散層所覆蓋的全隱伏煤田，袁店二礦井田自上至下依次賦存了新生界松散層、二疊系、石炭系和奧陶系地層，其中石炭、二疊系為含煤地層。礦井地下水儲存和運移在以構(gòu)造裂隙為主的裂隙網(wǎng)絡(luò)之中，處于封閉-半封閉的水文地質(zhì)環(huán)境，地下水補給微弱，層間徑流緩慢，富水性弱，基本上處于停滯狀態(tài)，顯示出補給量不足，以靜儲量為主的特征。礦井含水層主要有松散層孔隙-裂隙含水層、煤系砂巖裂隙含水層和灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

2.2 含水層背景值及其均值化處理

表1 含水層水化學測試樣本

測試總體m的均值化處理后的標準樣本為

(1)

表2 含水層水樣標準化后背景值

2.3 背景值均值計量變換

由于含水層背景值中各個指標的量綱不同，數(shù)量級差較大，需將各個指標做數(shù)據(jù)預(yù)處理。地質(zhì)變量的變換方式有標準化、極差、均值計量、反正弦和反余弦、平方根和對數(shù)變換等，這里采用均值計量變換方法對標準樣品背景值進行處理，處理結(jié)果見表3。

各指標均值計量變換計算式為

表3 含水層標準水樣背景值均值計量變換結(jié)果

(2)

2.4 突水點水質(zhì)原始值及其均值計量變換

袁店二礦采掘、回采過程中出現(xiàn)過多處突水點，以83采區(qū)軌道大巷F14斷層處出水點水樣作為待判樣本，據(jù)此說明水源判別過程。該出水點的水樣原始值和均值計量變換結(jié)果見表4。

2.5 突水點與含水層的關(guān)聯(lián)度

若將含水層標準水樣背景值均值計量變換數(shù)列作為母序列，而新的突水點待判水樣作為子序列，通過計算母序列和子序列的絕對差值、關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，最終判斷出突水點最大可能的歸屬水源層。

表4 83采區(qū)軌道大巷F14斷層突水點水樣原始值與均值計量變換結(jié)果

(3)

(4)

子序列與母序列絕對差值和關(guān)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果分別見表5和表6。

突水點與第m個測試總體(含水層)的關(guān)聯(lián)度為

表5 子序列與母系列絕對差值

表6 突水點與水源層關(guān)聯(lián)系數(shù)

(5)

經(jīng)計算，F(xiàn)14斷層突水點對Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ含水層的關(guān)聯(lián)度分別為γ0Ⅰ=0.7213，γ0Ⅱ=0.8749，γ0Ⅲ=0.9011，γ0Ⅳ=0.8042，故有γ0Ⅲ>γ0Ⅱ>γ0Ⅳ>γ0Ⅰ，即F14斷層突水水源層最大可能為煤系砂巖裂隙含水層。通過礦井鉆探和含隔水層空間分布分析后，認為采動影響導(dǎo)致斷層活化溝通導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)砂巖水，確認F14斷層的突水水源為煤層頂板的二疊系砂巖裂隙水，與灰色關(guān)聯(lián)度定量化分析結(jié)果一致。

3 定量化判別的圖形化輔助方法

所謂的圖形化輔助判別方法實際上是將定性判別的圖形工具應(yīng)用于定量判別，將地質(zhì)數(shù)據(jù)以某種形式的圖形或計算機化的分析手段展示出來，更生動、直觀地展示判別的有效性，這里以指標序列曲線法和水質(zhì)圖形對比法為例予以說明。

3.1 指標序列曲線法

將待判樣本的各指標因素測試值與標準樣本中指標因素背景值做統(tǒng)一的曲線化分析，利用曲線起伏變化的相似性判斷未知水源的歸屬的方法為指標序列曲線法。從袁店二礦F14斷層突水點9個指標與各含水層指標值的變化曲線(圖1)上可以得知，該突水點有2/3的指標與砂巖裂隙水趨勢相似，有4/9的指標與四含水趨勢相似，有1/3的指標與一含水趨勢相似，有2/9的指標與一含水趨勢相似。由簡單的趨勢相似性的比例數(shù)字，可以初步定性地分析F14斷層出水點水源來自于煤系砂巖裂隙水。

圖1 突水點與含水層指標序列曲線

3.2 水質(zhì)圖形對比法

定性分析方法中有一類借助于圖形化分析工具的水質(zhì)對比分析方法，通過水質(zhì)類別形態(tài)的差異分析水源樣本間的聯(lián)系程度，分別用水化學玫瑰花圖和水樣柱狀圖分析Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ含水層與突水點的水質(zhì)形態(tài)特征，進而定性分析突水點與含水層的關(guān)系密切程度，水質(zhì)形態(tài)特征對比見圖2。

圖2 含水層與突水點水質(zhì)特征對比判別

由圖2可知，將水樣的水質(zhì)本質(zhì)特征圖形化，從水化學玫瑰花圖和水樣柱狀圖的形態(tài)上可較容易地判斷出F14斷層突水點水源應(yīng)來自于煤系砂巖裂隙含水層。

4 結(jié) 論

(1)礦井突水水源判別方法分為定性和定量兩大類型。定性判別方法適用于物性差異大的水源，而定量化判別方法具有全天候的特點，特別是對易混水化學特征的水源層之間的細微差異實現(xiàn)量化精確判別。

(2)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對袁店二礦F14斷層突水進行了量化分析，結(jié)果表明突水水源為煤層頂板砂巖裂隙水，結(jié)合鉆探等資料，有效排除了四含水涌入礦井的可能性。

(3)采用指標序列曲線法和水質(zhì)圖形對比法判別驗證了灰色關(guān)聯(lián)定量化判別結(jié)果的可靠性，認為圖形化判別方法具有生動、直觀和可視化的優(yōu)點，是礦井突水水源定量化判別的有效輔助工具。

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[責任編輯：張玉軍]

Quantify Discriminated Method of Water Source of Mine Water Inrush Based on Grey Relational Analysis

FAN Zhen-li1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

The discrimination method of water source in mine water inrush was stated，to water resources that with similarly water chemical background，then accurately water source discrimination method was realized according to quantify calculation.It taking grey relational analysis as an example，water inrush source of F14 fault in Yuandian the second mine was discriminated quantify，and auxiliary method that water chemical rose diagram and diagram analysis method of water sample histogram also were used，sandstone fracture water in coal roof entranced into mining space through fault zone.Water source discriminated by qualify chemical method and diagram analysis method effectively.

grey relational analysis；mine water inrush；water source discriminated method；imaging discrimination

2016-08-04

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.003

國家科技重大專項大型油氣田開發(fā)項目(2016ZX05045007-003)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金面上項目(2016MS011)

樊振麗(1983-)，男，河南新密人，博士，從事“三下一上”采煤、煤礦水害防治和礦山環(huán)境地質(zhì)研究工作。

樊振麗.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的礦井突水水源定量化判別方法[J].煤礦開采，2017，22(2)：10-14.

TD742.2

A

1006-6225(2017)02-0010-05