彬長礦區(qū)地下水化學特征及突(涌)水源判別

肖樂樂，胡嵩巖，牛 超，任鄧君，藺成森，霍 超，孫亞岳

(1.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.山東能源集團西北礦業(yè)有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西正通煤業(yè)有限責任公司高家堡煤礦，陜西 咸陽 713600)

0 引 言

文中對彬長礦區(qū)高家堡煤礦第四系潛水含水層、洛河組含水層、延安直羅組含水層及工作面突水點所采集水樣進行水質化驗，通過Piper圖分析各主要含水層的水化學類型，利用Gibbs圖與主成分分析法分析各含水層水化學成分來源和水化學特征成因，建立基于主成分分析的PCA-Fisher判別模型，對突水水源進行判別，對于指導高家堡煤礦水害防治工作具有重要意義。

1 水文地質特征

彬長礦區(qū)高家堡煤礦位于西北塬區(qū)，主要為梁塬地貌，北部、東部邊緣為涇河河谷，西南邊緣為黑河河谷。礦區(qū)處于涇河——馬蓮河二級地下水系統(tǒng)接近排泄區(qū)段的地下水徑流帶之上，主要含水層可分為3類：第四系潛水含水層富水性較弱，距離煤層較遠，對礦井充水基本無影響；白堊系洛河組含水層富水性較強，為煤層頂板主要充水含水層，是礦井防治水工作的重點對象；侏羅系含水層富水性較弱，采動影響下侏羅系延安組和直羅組含水層被全部導通，是礦井開采的直接充水含水層(圖1)。

圖1 礦區(qū)4煤與各含(隔)水層位置關系Fig.1 Relationship between No.4 coal seam and each aquifer in Bingchang mine area

2 地下水化學特征

2.1 采樣與分析

表1 高家堡煤礦地下水樣品常規(guī)離子數(shù)據(jù)

Piper圖是根據(jù)水樣點主要離子含量百分比的不同而繪制的，可以反映出各含水層的水化學類型的差異[18]。從圖2可看出，各含水層水樣的分布規(guī)律明顯，其中第四系潛水含水層水樣分布位置較為集中，與其他含水層水樣落點位置相對較遠，說明第四系地下水與其他含水層中水水力聯(lián)系較小，由于受氣象因素影響顯著，該含水層地下水交替頻繁，水文循環(huán)周期短，水化學類型主要為Ca·Na—HCO3型，為低TDS地下水；白堊系洛河組含水層部分水樣點落點較為分散，總體與侏羅系含水層水樣點相距較近，說明二者可能存在一定水力聯(lián)系，水質類型為Na-SO4·HCO3；侏羅系含水層水質類型為Na-SO4型及Na-Cl型，TDS值較高；利用Piper圖可對3個突水點進行水源初步判定，其判別結果為：43號突水點水樣來源為白堊系洛河組含水層，44，45號突水點水源為侏羅系含水層。雖然利用Piper圖還可以對突水點水樣進行快速判別，但水樣測試過程中會出現(xiàn)人為誤差，取樣后至測試其放置時間過長導致是水化學組分改變而影響判別結果；由于含水層層間存在水力聯(lián)系導致所取水樣存在一定程度的多含水層混合，各含水層地下水化學類型判別效果較差，需要進一步利用線性或非線性判別方法進行驗證[19-20]。

圖2 礦井含水層水化學類型Fig.2 Hydrochemical type of the aquifers

2.2 水化學特征成因

2.2.1 離子比例分析

Gibbs圖離子分析法是一種能夠反映礦區(qū)地下水中主要離子的控制因素的對數(shù)圖，已被廣泛用于地下水化學組分形成機制的研究中。Gibbs圖所反映的水化學組分的3種主要控制因素為蒸發(fā)作用、溶濾作用及大氣降水作用分別位于圖中右上，左中和右下3個區(qū)域[21]。將各含水層的水化學水樣點數(shù)據(jù)投至Gibbs圖上，從圖3可見，各含水層水樣點大都位于圖中蒸發(fā)濃縮及溶濾作用端元，侏羅系含水層為承壓含水層，因此不受到蒸發(fā)作用影響，但其鹽分濃度較大，TDS值較高，這主要由于該含水層地下水徑流條件相對較弱，溶濾作用的持續(xù)進行使得地下水中TDS值之間增加，反過來又抑制了溶濾作用的持續(xù)進行，因此溶濾作用逐漸減弱。圖中左下端第四系潛水含水層溶濾作用較強，右上端的侏羅系含水層溶濾作用較弱，因此Gibbs圖也可以用于表示溶濾作用強弱程度。突水點42號水樣距白堊系洛河組水樣點較近，44、45號水樣點位于白堊系與侏羅系水樣點之間，與侏羅系水樣點相近，結果與Piper圖判別結果一致。根據(jù)水化學樣品在Gibbs圖中不同的落點位置，可以識別突水水源類型。

圖3 各含水層樣品GibbsFig.3 Gibbs diagram of the aquifer samples

通過繪制地下水常規(guī)離子的比值端元圖，來指示各主要含水層地下水循環(huán)過程中常規(guī)離子的不同礦物來源(蒸發(fā)鹽巖、硅酸鹽巖和碳酸鹽巖)[22]，第四系含水層水樣點分布于硅酸鹽和碳酸鹽巖控制端元之間，且距蒸發(fā)鹽巖端元較遠，說明第四系砂礫巖水徑流條件及補給條件較好，其TDS值較低水質較好；白堊系含水層與侏羅系含水層分別位于硅酸鹽巖端元與蒸發(fā)鹽巖端元，鹽巖礦物與硫酸鹽礦物溶解，TDS值增大，與Gibbs圖分析結果一致，侏羅系含水層水TDS值增大，出現(xiàn)咸化特征，突水點的待判水樣點也均符合初判水源的水化學特征(圖4)。

圖4 礦井含水層水常規(guī)離子比值端元Fig.4 Routine ion ratio end members of the aquifer water samples

圖5 礦井地下水主要離子關系Fig.5 Ion relationship of the underground water

2.2.2 水化學常規(guī)離子主成分分析

主成分分析是在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對高維度變量進行降維處理的一種分析方法。該方法的基本思想是在不損失或減少損失原有水化學信息的情況下，將含水層水樣中有一定相關性的分析變量重新組合成新的相互無關的變量來替代原有的分析變量，新生成的稱為主成分(F1，F(xiàn)2，…,Fn)，該方法易于對含水層水化學特征成因影響因子進行確定，可用于含水層水化學特征成因分析。

表2 礦井含水層水樣主成分

圖6 主成分分析荷載分布Fig.6 Load distribution of principal components analysis

3 判別分析與水源判別模型

通過離子比例法與主成分分析法對礦井含水層地下水化學成分的來源和控制因素進行分析，確定高家堡煤礦主要含水層地下水化學特征由地下水溶濾作用、陽離子交替吸附作用及黃鐵礦氧化作用控制。因此，選取主成分荷載得分作為礦井突水水源識別模型的判別指標，將礦井水源分為3類：第四系潛水含水層(Ⅰ)、白堊系洛河組含水層(Ⅱ)和侏羅系延安、直羅組含水層(Ⅲ)，選取收集的42個水樣數(shù)據(jù)為訓練樣本。

若樣本指標間的信息重疊，直接利用判別指標進行水源判別時，會對模型的精度造成影響，導致發(fā)生水源誤判。為消除樣本間信息的疊加，利用此前主成分分析對數(shù)據(jù)處理后建立水源識別模型[24-25]。依據(jù)主成分分析，按需提取4個主成分，選取的主成分累計貢獻率98.498%可以有效概括原始樣本信息。主成分與分析標量之間的相關系數(shù)稱為荷載值，將選取的判別指標值帶入主成分表達式，可以得到每個地下水樣品的荷載得分，提取出的荷載得分即為新的判別因子，建立PCA-Fisher判別模型，將上面通過主成分分析法得到的主成分荷載得分作為判別模型的4個判別指標(Y1，Y2，Y3，Y4)，按照判別分析法進行計算。

為驗證水源判別模型是否滿足實際需要，將42個訓練樣本逐個帶入判別模型中進行回判，結果編號為24，27樣本判別有誤，判別正確率95.6%。同時傳統(tǒng)Fisher水源判別模型，樣本編號為19，24，27及30的4個樣本發(fā)生誤判，判別正確率為91.1%。誤判原因是由于白堊系洛河組含水層與侏羅系含水層存在水力聯(lián)系，在水化學組分上有較強的關聯(lián)性，從而造成誤判。3個突水點水樣在2個判別模型的結果與前文判別結果一致，43號水樣水源為白堊系洛河組含水層，44、45號水樣來自侏羅系延安直羅組含水層，主要是由于在煤層開采后，其導水裂隙帶發(fā)育至洛河組導致不同含水層水涌入工作面空間出現(xiàn)一定程度的混合。

傳統(tǒng)Fisher水源判別方法只是簡單的使用常規(guī)水化學方法進行礦井充水水源的分析后，使用線性分析方法進行礦井突水水源識別。這種方法在礦井生產(chǎn)初期水文地質環(huán)境變化不大，特別是針對單一水源時能夠快速有效的進行突水水源判別。隨著礦井開采的不斷進行，各含水層的水力聯(lián)系發(fā)生改變，造成樣本數(shù)據(jù)的信息重疊，傳統(tǒng)的Fisher判別易造成誤判。因此，文中基于分析水化學特征成因分析，利用主成分分析結果選取判別指標，在傳統(tǒng)Fisher判別模型基礎上構建PCA-Fisher突水水源判別模型(表3)。模型適用于非單一水源突水水源判別，且判別精度高，能夠滿足礦井的實際需求。

表3 樣本判別結果

4 結 論

1)各含水層水化學特征存在明顯差異，第四系含水層TDS值較低、水質較好，侏羅系含水層TDS值較高。

3)建立了PCA-Fisher判別模型對工作面突水點水樣進行判別，判別43號為白堊系含水層水，44，45號為侏羅系延安、直羅組含水層水，結果與Piper圖判別結果一致，與實際相符，相較傳統(tǒng)Fisher判別模型更加準確有效。