基于系統(tǒng)聚類分析的煤礦突水水源識別技術(shù)
——以潞安礦區(qū)王莊煤礦為例

耿建軍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

煤礦防治水的根本是突水水源識別，其可以作為涌水量判別的依據(jù)，亦可為煤炭開發(fā)實施的堵水、疏水等保障措施提供參考。煤層的頂板和底板沉積了多個充水含水層，如底板巖溶裂隙含水層、頂板裂隙孔隙含水層，這些充水含水層與煤層在垂向上形成了上下疊置的關(guān)系，同時充水含水層之間常有斷層或者巖溶陷落等通道將它們相互溝通，形成了立體充水結(jié)構(gòu)模式。地下水水位、水溫、水化學(xué)組分、環(huán)境同位素及微生物是含水層的重要信息載體，是識別不同含水層之間或者地下水與地表水之間的水力聯(lián)系的媒介。通常情況下，由于地理位置及地層構(gòu)造的不同，煤礦各含水層水源均形成了自己特有的水化學(xué)及物理特征，這些特征即可作為水源識別的依據(jù)。

地下水化學(xué)組分是含水層信息的載體，具有化學(xué)指紋識別功能。這是由于含水層中的地下水與圍巖以及其他含水層中的地下水發(fā)生著各種各樣的水文地球化學(xué)作用，如溶濾作用、混合作用和陽離子交替吸附作用等。這些作用使得不同含水層中的地下水水化學(xué)特征不同，而同一個含水層中的地下水水化學(xué)特征相近。即便是兩個有一定程度水力聯(lián)系的含水層，它們中的地下水水化學(xué)特征也會表現(xiàn)出一定程度的差異。這些水化學(xué)特征的差異可作為煤礦突水水源識別的重要依據(jù)。

目前突水水源識別的方法主要有專家經(jīng)驗法、貝葉斯判別法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和灰色關(guān)聯(lián)度法等。由于礦井水樣一般都由井下工作人員負(fù)責(zé)采集，采集及樣品保存方法不標(biāo)準(zhǔn)，測試技術(shù)參差不齊，為了準(zhǔn)確識別礦井水源，必須對獲取的多種水源樣本進(jìn)行篩選。根究礦井水源的特點，采用系統(tǒng)聚類分析方法來提高水源識別的準(zhǔn)確性。聚類分析的基本思想是采用數(shù)學(xué)方法對水源樣本進(jìn)行分類，定量地確定樣本之間的親密程度，然后按親疏差異程度篩選可應(yīng)用水源分析的樣本。

下面以潞安礦區(qū)王莊煤礦為例，利用基于系統(tǒng)聚類分析的水化學(xué)特征分析方法對煤礦突水水源進(jìn)行識別。

1 煤礦水文地質(zhì)概況

區(qū)域內(nèi)對煤炭資源開采有影響的含水層主要有奧陶系巖溶裂隙含水層、上石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r含水層、二疊系砂巖孔隙裂隙含水層與第四系孔隙含水層。

本區(qū)地下水位于辛安泉巖溶水系統(tǒng)中部，南流泉組子系統(tǒng)-襄垣單斜徑流帶中等-強(qiáng)徑流區(qū)(局部弱)，屬巖溶埋藏區(qū)，巖溶地下水賦存運(yùn)動規(guī)律受整個系統(tǒng)的補(bǔ)、徑、排條件制約，與南流泉組子系統(tǒng)一致。該井田僅南部為二崗山斷層邊界，其余均為人為邊界，各含水層與周邊井田自然連接。結(jié)合井田水文地質(zhì)條件分析，北部、西部邊界為地下水側(cè)向補(bǔ)給邊界，東部邊界為地下水排泄邊界。垂向上各主要含水層之間存在隔水層，且隔水性能良好，各含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

2 主要含水層的水化學(xué)特征

2.1 第四系孔隙水

第四系孔隙水化學(xué)分析樣品共兩個，采集地點分別是北宋村和東史村。第四系孔隙水主要成分見表1。第四系孔隙水pH平均值為7.79，礦化度是775～1 107 mg/L。由圖1可知，第四系孔隙水的主要陰陽離子分別是HCO3-和Ca2+，摩爾分?jǐn)?shù)分別大于8%和5%。

圖1 第四系孔隙水Piper三線圖

第四系孔隙水中SO42-的質(zhì)量濃度要低于地表水，為51.5～85.2 mg/L，相反地，NO3-的質(zhì)量濃度低于地表水，為79.3～102 mg/L。另外，第四系孔隙水中的有機(jī)物的質(zhì)量濃度也較地表水要低，平均值為6.38 mg/L，同時CODCr未檢出。第四系孔隙水中的F-濃度也超過了我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.0 mg/L，而NO2-和Fe未檢出。

下部含水層段主要由下更新統(tǒng)(Q1)細(xì)砂、粉細(xì)砂、亞粘土等組成，含水層較厚，一般20～30m，水位埋藏由西向東逐漸變深，屬承壓水，富水性弱而不均勻，鉆孔單位涌水量多在0.25 l/s·m。礦化度可達(dá)1 000 mg/l，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型。

第四系水賦存于以石英砂為主的孔隙介質(zhì)中，滲透性較好。因其處于地球表面，容易接受富含CO2大氣降水的直接入滲補(bǔ)給，故水中HCO3-相對含量高于其它地下水。

2.2 二疊系砂巖裂隙水

二疊系砂巖孔隙裂隙水共有水質(zhì)分析樣12個，其主要離子含量統(tǒng)計結(jié)果見表2。砂巖水的pH值7.36～12.2，整體偏堿性。礦化度最小值為607 mg/L，最大值為1 674 mg/L，50%的樣品礦化度大于1 000 mg/L。由圖2可知，砂巖水的主要陽離子為K++Na+，摩爾分?jǐn)?shù)大于80%；主要陰離子為HCO3-，摩爾分?jǐn)?shù)大于50%。由此可見，二疊系砂巖水和孔隙水的水質(zhì)類型不同，砂巖水為HCO3-Na型，而孔隙水為HCO3-Ca型。砂巖水中的SO42-質(zhì)量濃度范圍為11.5～80.2 mg/L，平均值為33.9 mg/L，低于地表水和孔隙水。

二疊系砂巖水主要賦存于以鈉長石、鉀長石為主的砂巖裂隙中，裂隙連通性較差，水交替緩慢，易積累溶解度較高的K++Na+。而Ca2+、Mg2+因溶積度低，在水中含量相對較低，故水化學(xué)類型常以HCO3·Cl-Na型水為主。

表2 二疊系砂巖裂隙水主要離子質(zhì)量濃度表

圖2 二疊系砂巖裂隙水Piper三線圖

2.3 太原組灰?guī)r裂隙巖溶水

太灰水共有水質(zhì)分析樣2個，主要離子含量統(tǒng)計結(jié)果見表3，由表3可知，兩個太灰水樣品的pH值差異較大，分別為7.50和12.9。同時礦化度值的差異也很大，分別為860和1 857 mg/L。由圖3可知，太灰水的主要陽離子為K++Na+，摩爾分?jǐn)?shù)均超過80%。但兩個樣品的陰離子含量差異較大，樣品C01的主要陰離子為SO42-和HCO3-，摩爾分?jǐn)?shù)分別為34.0%和55.1%；而C02的主要陰離子為CO32-和HCO3-，總摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到89.7%。

圖3 太灰水Piper三線圖

2.4 奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r裂隙巖溶水

表3 太灰水主要離子質(zhì)量濃度表

表4 奧灰水主要離子質(zhì)量濃度表

王莊煤礦處在襄垣徑流帶，與區(qū)域水化學(xué)特征基本一致，總的趨勢由北向南、由東向西隨含水層埋深的加大，水交替條件變差，各離子含量及礦化度增高。

井田+540水平范圍大部為強(qiáng)富水區(qū)，奧灰埋深279.08～632.90 m，巖溶裂隙發(fā)育，地下水交替快，徑流條件好。水化學(xué)類型由北東SO4·HCO3-Ca·Mg型，向南過渡為HCO3-Ca·Na型或HCO3·SO4-Ca·Na型。弱富水區(qū)主要分布于+540水平西部深埋區(qū)，奧灰埋深555.00～726.15 m，巖溶裂隙不發(fā)育，地下水交替較慢，徑流條件一般。水化學(xué)類型為SO4-Ca·Na型，水質(zhì)相對較差。

圖4 奧灰水Piper三線圖

3 突水水源識別

3.1 突水水源聚類分析-排除異常值

聚類分析是一種多元分析技術(shù)，將所研究的對象視為同一空間中的點，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究點與點之間的疏密關(guān)系，從而得到所研究的對象間的相似關(guān)系，把關(guān)系密切的點歸為一群，否則歸為不同類，最終實現(xiàn)了對研究對象的分類。聚類分析算法的種類很多，其中比較常用且應(yīng)用比較成功的一種系統(tǒng)聚類法。系統(tǒng)聚類分析的具體操作步驟為：確定原始數(shù)據(jù)，即要進(jìn)行聚類分析的對象的各項指標(biāo)及相應(yīng)的測量值；對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，使其變成相對一致的數(shù)據(jù)；接著根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化變換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，可以衡量出各水源樣本間的關(guān)系親密程度，確定分類的原則和方法，將關(guān)系密切、即相似度高的樣本聚為一類，最后得到水源樣本的分類結(jié)果。

假設(shè)有n個水源樣本，每個水源樣本測得m項指標(biāo)，記第i個水樣的第j項指標(biāo)的采樣值為Xij，n個水樣的全部采樣值可以排成1個原始資料矩陣。對水樣的原始水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變換處理，結(jié)果記為zij，采用標(biāo)準(zhǔn)化變換，定義為：

(1)

聚類統(tǒng)計量是用于表明各水源樣本間的相似程度的量，即反映各水樣間的關(guān)系疏密程度的指標(biāo)，主要有2大類：距離和相似系數(shù)。選擇平方歐式距離作為聚類統(tǒng)計量，用于衡量分類水樣間的相似程度，用dij表示，由dij確定相似關(guān)系矩陣。

(2)

對n個樣本計算出兩兩間的距離dij，并從中找出距離最小的兩類，合并成一個新類，重新計算新類與其他各類間的距離，再將距離最小的兩類合并，重復(fù)以上過程至所有樣本聚為一類為止。對于類間距離有很多不同的計算方法，采用了離差平方和法(ward)來計算類間距離。

將上述聚類分析結(jié)果在SPSS19.0軟件中用聚類譜系圖表示出來，通過譜系圖(圖5和圖6)可以看出從所有水源樣本點從各自自成1類到全部歸為1類的聚類過程。

由于含水層之間可能存在不同程度的水力聯(lián)系，往往在一個含水層中取得的水樣表現(xiàn)另一個含水層水化學(xué)特征。所以有些地下水水樣水化學(xué)成分不能很好地代表所在含水層的水化學(xué)特征，為了排除這些水樣對建立主要突水含水層水化學(xué)判別模式的干擾，有必要對每一含水層分別作聚類分析。通過聚類分析，除去不滿足某一標(biāo)準(zhǔn)下的某一含水層異常水樣點，受王莊煤礦報告中樣本數(shù)量的限制，在此只針對二疊系砂巖水和奧灰水進(jìn)行聚類分析。

根據(jù)表4中的水化學(xué)測試結(jié)果，應(yīng)用SPSS19軟件執(zhí)行系統(tǒng)聚類分析，得到奧灰水的聚類分析結(jié)果，見圖5。從圖5可以看出，F(xiàn)08、F09和F10與其他奧灰水類間歐式距離為25，大于人為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值15，說明這三個水樣水文地球化學(xué)特征與其他奧灰水水文地球化學(xué)特征有較大差異，所以排除F08、F09和F10，選取剩下的奧灰水樣F01、F02、F03、F04、F05、F06、F07、F11和F12參與逐步判別分析。

圖5 奧灰水系統(tǒng)聚類分析

將表2中的水化學(xué)測試結(jié)果執(zhí)行系統(tǒng)聚類分析，得到圖6。同樣確定類間歐氏距離不大于15作為選取對象標(biāo)準(zhǔn)，由圖6可知，P08與其他砂巖水樣間歐式距離為25，因此將P08排除。選取剩下的砂巖水樣參與逐步判別分析。

圖6 砂巖水系統(tǒng)聚類分析

3.2 充水含水層水化學(xué)特征研究

圖7 水質(zhì)資料在Piper三線圖上的分布

4 結(jié)語

本文通過對王莊煤礦主要充水水源水化學(xué)一般特征的分析，運(yùn)用系統(tǒng)聚類分析法，剔除了樣本中異常水樣，確定了各水層的特征離子。并利用Piper三線圖對本區(qū)各含水層水質(zhì)類型進(jìn)行了初步分區(qū)，為礦井技術(shù)人員快速準(zhǔn)確判別突水水源提供了有效的方法和依據(jù)。