025煤矿开采2014年第1期-25-潘谢矿区新生界含水层水化学特征分析及其在水源判别中的应用

潘谢矿区新生界含水层水化学特征分析
及其在水源判别中的应用
苏明金，贾少平，李
源，陈晓雷
（淮南矿业集团地质勘探工程处，安徽淮南232052）
［摘
要］
通过对研究区上、中和下含水层常规离子水化学特征、径流场特征与形成机理分析，
揭示各含水层水质存在天然差异，并利用水质阴阳离子组合关系与BP 神经网络技术分别对不同含水层水源进行判别，结果表明BP 神经网络技术水源判别效果显著优于离子组合，能够准确判别不同含水层水源归属，为矿井安全生产水灾害防治提供技术支持。

［关键词］
新生界含水层；水化学特征；水源判别；BP 神经网络
［中图分类号］TD163
［文献标识码］B
［文章编号］1006-6225（2014）01-0021-03Hydrochemical Characteristic Analysis of Cainozoic Aquifer in Panxie Mining
Area and Its Application in Headwaters Discrimination
［收稿日期］2013－07－08
［DOI ］10.13532/11－3677/td.2014.01.006［作者简介］苏明金（1982－），男，安徽六安人，硕士，工程师，从事矿井水文地质、工程地质工作。

［引用格式］苏明金，李源，贾少平，等.潘谢矿区新生界含水层水化学特征分析及其在水源判别中的应用［J ］.煤矿开采，2014，19
（1）：21－23，106.
近年，两淮煤田发生多起水灾害事故，虽未造成人员伤亡，但造成极大经济损失，并给井下工作人员带来较大精神压力，因而，为有效进行矿井水灾害防治工作，进行灾害水源判别是决定治理工作方案与效果的关键；同时，通过对异常水样归属判别，结合水质资料可以反演水文地质条件，为水害预防及时提供可靠信息
［1］。

因此，水源判别在矿
井安全生产中具有深远的现实与社会意义。

1
水样选取
本次选取统计水样是2010年开始施工至2012年6月结束的钻孔，具有较强时效性，并依据近期编制的各矿井新生界报告
［2－4］
，对施工钻孔含水层
位重新统一界定，排除“串层”钻孔，并剔除一个降深点抽水孔。

研究区采样钻孔分布于潘谢矿区的潘一、潘二、潘三、潘北、丁集、顾北与张集矿，基本覆盖淮南矿业集团淮河以北矿井，区域控制程度较高。

选取水样共计34个，其中上含7个，中含16个，下含11个，不同含水层位均有控制，如表1和图1所示。

2含水层常规离子水文化学特征及形成机理2.1
水化学特征
由表1可知，上含，阳离子以Na +
为主、可与
Ca 2+，Mg 2+离子形成各种组合；阴离子以HCO －3为
主，可与SO 2－
4离子形成组合，主要成分中一般不
表1
各含水层水质类型
含Cl －
；平均矿化度为511.5mg /L ，属低－中等矿
化度水。

中含，阳离子以Na +为主；阴离子以Cl
－
为主，可与SO 2－
4离子或SO 4－HCO 3形成组合；平均矿化度为1905.9mg /L ，属中等－高矿化度水。

下含，阳离子以Na +
为主；阴离子以Cl －SO 4为
主，偶见以Cl －
为主的；平均矿化度为2299.1mg /L ，属高矿化度水。

1
2第19卷第1期（总第116期）
2014年2月煤矿开采
COAL MINING TECHNOLOGY Vol.19No.1（Series No.116）
February 2014
图1不同含水层位等高线与控制钻孔分布
2.2含水层径流特征
三个含水层随埋深增加，矿化度随之增加，地下水运动形式由上含垂直下渗补给、地表水体切割侧向补给运动转变为中、下含含水层内侧向微弱径流为主。

如图1，上含水径流大体方向由南向北，主要受控于位于潘谢矿区南边淮河水补给；垂直补给整个区域相对均匀，对径流方向影响不大。

中、下含水层内径流方向基本相同，受控于古地形［5］，由西部古潜山补给区向东部潘集背斜倾伏端缓慢运动，趋于静止；采样区中、下含因区域隔水层存在，垂直层位水力联系微弱，侧向古潜山附近对各含水层补给有限水量，因含水层与外界缺乏有效排泄出口，仅以弹性形式储存在含水层内，逐渐形成含水层内水力梯度很小的缓慢径流－滞流区。

2.3含水层水化学特征形成机理
由含水层水化学特征、径流特征、古沉积环境与溶质运移规律，可以还原含水层水化学特征形成过程［6］。

（1）上含土壤中有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用产生连续的CO2溶入垂直下渗或河流侧向入渗的地表水补给上含，渗流过程中溶滤作用产生HCO－3，Ca2+，Mg2+等离子、溶解钠盐与阳离子交潜吸附作用产生的Na+离子，以及下渗水体本身含有的各种离子，共同组成上含水现代化学特征。

（2）下含一般直接覆盖在底砾层之上［7］，
侧向延展与古潜山相割，呈不整合接触。

下含与底砾层直接沉积在二叠纪煤系地层之上，沉积期间，大片出露的煤系地层中硫化物经氧化作用产生大量SO2－
4
离子，赋存于沉积水中；后被中隔覆盖，逐渐形成封闭水体；在漫长地质时期，经过溶滤、脱碳酸、脱硫酸、阳离子交潜吸附与浓缩等作用，形成现代高矿化度、以Na－Cl－SO4为主的水质类型，与一般认为高矿化度水以Na－Cl为主的水质类型不一致［8］。

（3）中含中含水形成过程与下含相似，但
SO2－
4
离子含量明显低于下含，因中含岩层沉积过程中，煤系地层除古潜山外，基本被下含与中隔所覆盖，出露地表的古潜山也经过充分淋滤，基本不残余硫化物，沉积期有影响的SO2－4离子来源仅依赖于下含与中隔岩层压缩沉降所排出高SO2－4离子沉积水；中含通过越流、隔水层沉积薄弱（缺失）地方或古潜山附近与上含或下含发生水力联系，通过水质混合作用，使中含水质复杂化，同时，由于中含形成过程与上、下含存在天然联系，致使其水质有时兼具上含、下含水质特点。

22总第116期煤矿开采2014年第1期
3含水层水质类型判别
3个含水层水化学成分形成机理、古沉积环境与当前所处地下水系统位置不同，水质存在明显差异，这为通过辨别不同水质类型判断水源提供物理基础。

3.1由各含水层阴阳离子组合及含量判别水源3.1.1上含水与中、下含水区别
（1）阳离子主要成分由2种或3种常规离子组合，一般为上含水。

（2）HCO－
3
离子含量大于第3种离子（SO2－4与Cl－中之一），且与另一种离子含量比大于0.7，一般为上含水。

3.1.2中含水与下含水区别
（1）阴离子以Cl－或Cl－SO
4－HCO
3
组合为
主，一般为中含水。

（2）Na－Cl－SO
4
型水，（Cl－+SO2－4）/
HCO－
3＞10时，一般为下含水；当（Cl－+
SO2－
4
）/HCO－
3
＜10时，中、下含水均可能。

3.2利用BP神经网络进行水源判别［9－10］
综上可知，可以清晰辨别上含水质与中、下含
区别；中、下含水质之间大部分也可以明确辨别，
可能存在一部分水样通过简单离子组合及含量关系
难以辨别，是由于含水层之间存在水力联系发生水
质混合或古沉积时期发生水质混合造成，抑或水质
演化阶段相似，不论由何种因素造成，它们受制于
离子平衡定律以及各离子在水体中运移累积规律，
之间“量”还是存在差别，这为利用BP神经网络
辨别相近水质不同水源提供可能。

3.2.1样本设计
利用本次选取的34个水样作为训练样本，判
别因素使用了地下水化学特征离子（Na+K－Mg
－Ca－Cl－SO
4
－HCO
3
），判别样本选自2012年6
月后施工的钻孔，共计9个（水样选取标准同训
练样本），如表2。

3.2.2模型设计
表2判别样本mg/L
编号Na+K Mg Ca Cl SO4HCO3TDS水源35125.72 2.5214.5230.06153.70118.84385.94上含3653.5526.6261.7417.53124.88262.69415.67上含37703.1848.6174.17986.57269.00268.952216.01中含38521.5258.0873.70771.51249.76243.931796.54中含39363.2827.8343.82318.82307.39262.691192.49中含40460.5120.7535.86435.85268.97331.491387.69中含41788.5217.0134.23844.15403.35306.472240.50下含421040.3840.3137.091012.90795.43266.573059.40下含43760.2618.9041.49698.87595.57268.952249.57下含
运用使用率较高的BP神经网络，采用单隐层BP 网络，输入层为7个神经元，中间层为15个神经元，输出层为3个神经元（上含（100），中含（010），下含（001））。

神经元的传递函数为tansig和logsig，训练函数为trainlm，训练结果达到预期。

3.2.3测试结果
在Matlab中打开经过训练的网络，导入判别样本数据，进行判别，结果如表3。

表3BP神经网络判别结果
编号353637383940414243
BP判别结果
0.98800.9874－0.05150.05050.11390.28400.0317－0.07900.0317－0.00510.00810.99890.88290.98240.54710.14400.04410.1438 0.0005－0.0021－0.21170.2047－0.23580.09940.70740.80480.7075
由表3可知，对9个水样含水层均作出正确判别，并且反映出各含水层之间水样相似程度，其中上含水样与中含水样相似度高于其与下含相似度，中含水样与上、下含水样均有一定相似度，但与下含相似度高于上含，下含与中含相似度较高，这与不同含水层空间位置相对应，符合上文分析的地下水运动规律与水质演化机理。

4结束语
（1）3个含水层水化学成分形成机理、古沉积环境与当前所处地下水系统位置不同，水质存在明显差异。

（2）上含阳离子以Na+为主、可与Ca2+，Mg2+
（下转106页）
32
苏明金等：潘谢矿区新生界含水层水化学特征分析及其在水源判别中的应用2014年第1期
驱动上限与驱动下限值重合，泡沫驱动压力趋于稳定，近似维持在0.068 0.069MPa 。

（4）风量较小时，泡沫的喷射距离随着供风量的不断增加而增加，最大可达3m ，风量超过65m 3
/h 后，喷射距离很难再进一步提升，其主要原因是，风量的持续增大，造成泡沫破裂雾化特别严重，因而单纯依靠风量提升喷射距离是不可能的，如果提升喷射距离，必须综合考虑水量及水压等因素。

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］
（上接23页）
离子形成各种组合；阴离子与HCO －3为主，可与SO 2－
4
离子形成组合，主要成分中一般不含Cl －
；中、下含水阳离子均以Na +
为主，中含阴离子以Cl －为主，下含阴离子以Cl －SO 4为主，其中下含
SO 2－4相对含量普遍高于中含，分析认为由沉积环
境所致。

（3）由离子组合与相对含量关系可以从3个含水层中直接判别上含水水源，部分判别出中、下含水源。

（4）运用BP 神经网络可以很清晰地判别3个含水层水源，以及各含水层水质之间相似程度。

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］
（上接76页）
环速度快，工艺紧凑，减少了窝工、怠工现象。

（5）柔性网强度大，护表能力强、整体性好，为支架回撤创造了良好的工作环境。

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6
01总第116期煤矿开采2014年第1期。