基于水化学特征的聚类分析对矿井突水源判别

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石 磊等 : 基于水化学特征的聚类分析对矿井突水源判别
2010 年第 3 期
虽属于 2 个砂岩含水层 , 但从图 3 可以看出这 2 个 2水样同属一个区域 , 水质类型均为 SO4 ・HCO3 ・M g 型 。水样所含特征离子摩尔浓度百分 比及其水质类型显示这 2 个含水层中地下水均是循 环深度较浅 , 径流条件较好的特征 。同时 , 其与奥 陶系中统上马家沟组灰岩含水层水在图上的分布区 域差异较大 , 具有砂岩含水层水的特征 。 3 ) 第四系松散含水层水 、鸣河水化学特征 。
摘 要 : 为了能够准确并快速地判别煤矿突水水源位置 , 基于水化学特征的模糊聚类分析 , 对突水 水源进行综合评判 。首先利用突水点的水化学分析指标离子的检测值与以往收集的各个主要含水层 的水化学指标离子本底值通过软件绘制出三角形水质图 , 对比分析可排除最不可能的充水含水层 ; 在此基础上再利用模糊数学聚类分析方法 , 将剩下的不确定充水含水层建立评判集合进行聚类分 析 , 计算隶属度 , 通过对计算结果的分析 , 最终判定突水水源 。分析结果表明 , 采用这 2 种方法判 别突水水源 , 方法简单易操作 , 节省时间 , 可以避免由于水文地质条件的复杂性和模糊聚类分析的 模糊性而造成的原因不唯一或结果失真 , 从而大幅提高判别结果的正确性 。 关键词 : 矿井突水水源 ; 水化学特征分析 ; 聚类分析 ; 含水层 中图分类号 : P641154 文献标志码 : A 文章编号 : 0253 - 2336 ( 2010 ) 03 - 0097 - 04
Ca
2+ 2+
从图 3 中看出 , 5 号 、 6 号水样与 7 号都落于同一 2区域 , 其中 , 5 号水样水质类型为 HCO3 ・SO4 Ca
2+
・M g 型 , 6 号水样水质类型为 HCO3 - Ca
22+
ห้องสมุดไป่ตู้
2+
-
2+
图 2 突水点与钻孔平面关系
离子摩尔浓度百分比及其水质类型均显示该含水层 地下水具有循环深度较浅 、径流条件较好的特征 。 2 ) 砂 岩 含 水 层 水 化 学 特 征 。 3号 、 4号 水 样
煤炭科学技术
第 38 卷
1 矿井概况
1 11 矿井水文地质条件
大远煤矿位于宁武向斜的东翼 , 为一单斜构 造 , 地层走向北东 , 倾向北西 , 倾角 30 ～35 ° , 最 大 45 ° 。贯穿井田南北的木头沟 , 雨季有季节性水 流 , 由北向南在井田南界附近汇入由东向西流的鸣 河 , 鸣河由东向西汇入汾河 。井田内主要含水层由 下至上包括 : 奥陶系中统石灰岩岩溶含水岩组 ; 太 原组砂岩 、石灰岩裂隙含水岩组 ; 二叠系 、三叠系 砂岩裂隙含水岩组 ; 第四系全新统砂砾石层孔隙含 水层 , 煤系地层柱状图如图 1 所示 。 井田内基岩出露相当普遍 , 出露的基岩均接受 大气降水补给 。其中奥陶系岩溶水接受大气降水补 给后 , 向西南径流 , 在汾河及其支流河谷以泉的形 式排泄 ; 其余岩组接受大气降水补给后 , 向西径 流 , 以矿井排水方式排泄 。 1 12 井下突水情况简介 大远煤矿在标高 + 1 200 m 水平巷道向北掘进 过程 中 , 顶 板 遇 一 出 水 点 。初 始 涌 水 量 约 80 3 m / h, 严重影响巷道的正常掘进 , 后期水量逐步稳 定在 30 m / h左右 , 涌水量约占当时矿井涌水量的 50% 。由于此出水点位于巷道顶部 , 起初认为出水 水源可能为煤系地层顶板砂岩水 。但结合矿井水文 地质勘探资料 , 顶底板砂岩富水性较弱 , 与实际出 水量的大小和动态变化不符 , 所以需要进一步判断 出水水源以指导矿井防治水工作 。井下突水点位置 与钻孔平面关系如图 2 所示 。 1 13 矿井主要含水层水化学特征 矿井突水后 , 在不同含水层取得水样资料 7 份 (记作 1 —7 号 ) 及出水点水样 1 份 (记作 8 号 ) , 共 8 份 。其中奥灰水样 2 份 (奥灰露头泉水水样和 奥灰钻孔水样各 1 份 ) , 砂岩水样 2 份 (石炭系太 原组钻孔水样和二叠系上石盒子组泉水水样各 1 份 ) , 鸣河旁第四系松散含水层水样 2 份 (矿区生 活用水水样 1 份 , 矿区蔬菜基地水井水样 1 份 ) , 地表水样 (鸣河水样 ) 1 份 , 以及井下出水点水样
Pred iction of M in e W a ter Inrush Sources Ba sed on C luster Ana lysis of Hydrogeochem ica l Fea tures
SH I Lei , XU Lou 2ying
1 2
( 1. X i’ an R esea rch Institu te, Ch ina Coal R esea rch Institu te, X i’ an 710054, China;
型 , 7 号水样水质类型为 HCO3 ・ SO4 - Ca 型 。 其中 5 号水样取样地点位于矿井附近民用自来水 , 而 6 号样取样地点位于井田东面十几公里处鸣河旁 边的蔬菜基地水井 , 鸣河水是 6 号取水点的直接补 给水源 , 使得 6 号 、 7 号水样水质类型 、矿化度等 基本一致 , 在图上落点基本重合可以印证 。
[1 - 7]
聚类分析本身的模糊性 , 判别结果有可能出现偏差 或失真 。而将这 2 种方法进行有机结合 , 则可以在 一定程度上弥补这个不足 , 使得结果相互印证 , 增 加判别结果的准确性 。 如果在巷道掘进过程中遇到出水点 , 其涌水量 占整个矿井总涌水量的 50% , 快速判别此出水点 水源 , 成为实施治理措施的重点 。将水化学特征分 析法和模糊聚类分析法相结合 , 快速准确地判断出 突水水源 , 为煤矿提供了科学的决策依据 。
2. A erophotographic and R em ote S ensing B ureau, Ch ina N a tional Coa l Geologica l B u reau, X i’ an 710054, China)
Abstract: In order to correctly and rap idly p redict the location of the m ine water inrush sources, a comp rehensive judgment was conducted on the m ine water inrush sources based on the fuzzy cluster analysis of the hydrogeochem ical features . First, the ion detection value of the hydrogeochem ical analysis indexes of the water inrush location w ith the p revious collected ion background value of the hydrogeochem ical indexes of each main water bearing stratum was app lied to map the delta water quality draw ing and the comparison analysis could remove the most impossible water filled water bearing strata. based on the circum stances, the fuzzy mathematical cluster analysis method was re app lied to the cluster analysis on the judgment assemblage set up w ith the rest uncertain water filled water bearing strata to calculate the subordinate degree. W ith the analysis on the calculation results, the inrush water sources could finally p redicted. The analysis results showed that those two methods app lied to p redict the inrush water sources would be easy in operation and saving in tim e and also could e2 lim inate the not only cause occurred by the comp lexity of the hydrological conditions and the fuzziness of the fuzzy cluster analysis, which could highly imp rove the correctness of the p rediction results . Key words: m ine inrush water sources; analysis on hydrogeochem ical features; cluster analysis; water bearing stratum
1 份 , 见表 1。以水中主要离子的摩尔浓度百分比 绘制三角菱形水质图 , 将各个水样阴阳离子摩尔浓 度百分比投影到菱形图上 , 绘制出前 7 个 ( 1 —7 号 ) 水样的 Piper三线图 , 如图 3 所示 。根据样点
3
图 1 煤系地层柱状图
不同含水层和相同含水层水化学类型的差异 。 1 ) 奥陶系中统上马家沟组灰岩含水层水化学 特征。由图 3 可以清晰看出 , 奥灰 2 个水样均位于
表 1 水样资料汇总
Piper图的左上区域 , 且彼此靠近。 1 号水样水质类
型为 SO4
2-
2-
- Ca
-
2+
・Mg 型 , 2 号水样水质类型为
2+
2+
投影到菱形图上分布区域的不同 , 可以直观反映出
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SO4 ・HCO3 - Ca
・M g 型 。 2 个水样所含特征
2+
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。但如果单一的利用这 2 种方法进行突
水水源判别 , 由于水文地质背景的复杂性以及模糊
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2010 年第 3 期
第 38 卷第 3 期
2010 年
3月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol138 No13 M arch 2010
地质与测量
基于水化学特征的聚类分析对矿井突水源判别
石 磊 , 徐楼英
1 2
( 11 煤炭科学研究总院 西安研究院 , 陕西 西安 710054; 21 中国煤炭地质总局 航测遥感局 , 陕西 西安 710054)
矿井在井巷掘进过程中 , 不可避免会遇到突水 的情况 。目前 , 对于矿井突水水源的判别有很多方 法 。其中水化学特征分析法是从突水水源的水化学 特征出发 , 通过与各个含水层的水化学背景值进行 比较 , 从中发现相似性 , 从而判断出水源 ; 模糊聚 类分析是一种传统的通过研究多元统计分类从而判 别矿井突水水源的方法 , 许多学者都对其进行过专 门研究