矿井突水水源判别方法概述

矿井突水水源判别方法概述
收稿日期:2010-03-05;修订日期:2010-08-02
基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）（2007CB209401）资助;中国矿业大学青年科研基金项目（2007A025）资助。

作者简介:李燕（1984-），女，黑龙江逊克人，中国矿业大学水文学与水资源专业硕士研究生，主要从事矿井水害防治技术、水文地质工程地质、水资源评价等方面的研究。

E-mail ：liyanxw@ 。

李
燕，徐志敏，刘勇
(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116)
摘要:矿井突水灾害造成巨大的经济损失和人员伤亡，严重阻碍着我国煤炭行业的发展。

一旦发生突水，及时准确地查明突水水源是解决和进一步预防突水灾害的前提，因此选择合适的判别方法是快速高效判别突水水源的关键，本文对近些年来判别矿井突水水源的各种方法进行探讨，概述各种方法的原理、应用现状及其适用条件，为保障矿井安全生产的防治水工作提供决策依据。

关键词:突水水源；判别方法；水化学；防治水中图分类号:TD74文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2010）11-0087-03
Summary on Methods of Distinguishing
Sources of Mine Water-invasion
LI Yan,XU Zhi-min,LIU Yong
（School of Resources and Earth Science ，China University of Mining &Technology ，Xuzhou 221116,China ）
Abstract:Mine water bursting causes serious economic loss and casualties ，preventing the development of coal industry to a great extent.Once water bursted,timely and accurately discriminating the sources of mine water bursting is the precondition of solving and preventing water inrush disaster,so,how to select the appropriate method is the key to fast and high efficient discriminating the sources of water -invasion.This paper sketches the principle,application status and applicable conditions for various methods of identifying sources of water-rush,which can provide the decision to adopt effective method for the prevention of the water inrush and the safety production of coal mine.
Key words:source of mine water bursting;method of discrimination;hydrochemistry;water control
0前言
矿井突水是煤矿生产过程最具威胁的灾害之一，人员伤
亡大，经济损失列于煤矿三大事故的榜首。

一旦矿井发生突水,如何及时准确地判断突水成因,查找突水水源,是解决和进一步预防突水灾害的关键问题[1]。

判别矿井突水水源，要充分考虑矿区的水文地质条件和构造条件，结合相应的水位、水温、水化学资料予以综合分析判断。

其中，水化学数据是地下水最本质的特征,用水质资料判别水源具有快速、准确、经济的特点。

依据水化学数据判别矿井突水水源的方法，从以往的简单水质类型对比分析、特征组分判别、同位素分析法等，逐渐发展到今天的多元统计学方法（聚类分析、判别分析）和非线性分析方法（灰色系统理论、模糊数学、人工神经网络、GIS 、M M H 支持向量机法、可拓识别法等）多种方法相互补充验证，水源判别方法理论日趋成熟。

本文主要对上述方法做适当的分析和简述。

1水位、水温判别法
在水文地质条件简单的地区，水位和水温可以作为初步
判断突水水源的依据。

目前的用于判别矿井突水水源的
“QLT ”法即为水质、水位和水温的简称。

受低温梯度的影响，不同含水层的水温会有一定的差距，因此，可以依据突水点的水温与突水危险的含水层水温对比，来初步预测矿井突水水源。

袁文华[2]等人在任楼煤矿突水水源判别中采用了此方法，结果表明依靠含水层水温来判别矿井突水水源的方法是可行的。

当矿井发生突水时，相应含水层的水量变化必然导致水位发生变化，如河南某矿综采工作面突然发生突水事故，根据水位监测资料发现煤层下伏四灰水位急剧下降，下部奥灰含水层水位保持不变，因此可初步判断此次突水水源是四灰含水层，且奥灰含水层没有补给四灰含水层。

说明两者没有发生水力联系。

2简易水化学分析
2.1突水水源特点
矿井突水水源按其来源可以分为大气降水、地表水体、地下水体和老空水。

大气降水一般为矿化度较小、硬度较低的软水。

地表水一般均带泥沙悬浮物而有浑浊度。

此外，大气
第29卷第11期2010年11期
煤
炭技术
Coal Technology
Vol.29,No.11November,2010
降水及地表水中含有大量的有机物和细菌，可作为判断其存在的重要依据。

地下水的水化学成分十分复杂，作为矿井突水水源应采用其它方法综合判断。

老空水多表现为强酸性，突水瞬时水量大、破坏性强，但一般与其它水源无联系，突水后急剧减弱.可作为常规判定老空水的重要依据[4]。

2.2特征组分判别
在这里，特征组分是指某水源所特有的水化学组分，在其它水源中不含或仅有痕迹量存在。

开滦范各庄矿1984年发生了有史以来最大的突水事故，最大瞬时涌水量高达2 053m3/min，涌水中NO3-含量较高，而井田内奥灰水中NO3-含量也很高，其它含水层中基本没有或仅有痕迹量存在，初步判断突水水源是煤层下伏奥灰水。

经后期验证，此指标可信度高、效果显著。

应注意的是特征组分的选择是在长期的水化学观测和分析对比的基础上得到的，必须具有易检、显著、稳定的特点。

2.3同位素分析法
同位素常具有化学性质稳定，不易沉淀与吸附的特点，同位素技术为分析矿区地下水补给来源、各含水层之间的联系等方面提供重要依据。

应用同位素的示踪试验也作为判断矿井突水水源的重要途径之一。

潘国营[5]等人在河南义马煤业集团采用了同位素技术判别矿井突水水源，研究结果表明：应用此项技术能准确、快速地确定矿区地下水的同位素特征,并判断出矿井突水的主要来源，为制订有效的防治水措施提供科学依据。

2.4水质类型对比分析
水质类型对比是一种传统的水化学分析方法，它通过传统的离子比例系数、舒卡列夫、阿廖金及皮伯图示等分类方法划分水质类型，通过对比分析来确定突水来源。

王玉民[6]等人在对大同煤矿集团的煤峪口矿采用矿井水质的“时空”研究方法对矿井涌水水源进行了论述，确定3#层采空区积水为此次矿井突水的水源，并以此为依据采取了合适的排水技术，恢复了矿井正常生产。

目前此方法常用于确定水源特征等基础分析。

2.5涌水量构成法
通过同位素和离子守恒等方法可以对矿井涌水量的构成予以定量分析研究，确定各个突水含水层的水在矿井水的比例，结合矿区的实际水文地质资料，判断矿井突水水源。

如河南某矿，首次采用离子守恒法分析矿井涌水构成，得出矿区矿井涌水量中约有70%来自L7灰含水层，24%来自寒灰含水层，与矿区实际观测资料比较接近。

由此可知是由于采动底板扰动破坏带波及到L7灰含水层致使水涌入矿井，且L7灰含水层与下部的寒灰含水层不存在水力联系，少部分寒灰水是以往突水的剩余水量，进而判定突水来源是L7灰水。

说明某些特定条件下通过研究矿井涌水量构成亦可判断矿井突水来源，为采取相应的防治手段提供依据。

3多元统计学方法
3.1聚类分析
聚类分析在水源判别中的应用，是将水样看作P维（P 个指标）空间的一个点，然后选择相似性统计量研究点与点之间的疏密关系，把关系密切的点归为一类。

修中标[7]等人在判别张集矿突水水源时采用了聚类分析的方法，结果准确可靠。

应注意，不同矿井因水文地质条件不同,有的指标对评价结果贡献小，有的指标对评价结果贡献很大，因此可将数个指标做相关性分析，选择相关性系数较大的指标，更能反映出不同含水层水样的差异，也称为主成分分析法。

3.2判别分析
判别分析是判别样品所属类型的一种统计方法，其主要任务就是选择含水层中各种离子的含量及温度等各项标示指标为变量,在某一“准则”下构造出判别函数Yg（X），从而建立反映各个含水层标示特征的函数。

常用的判别分析方法有逐步判别、序贯判别；距离判别、贝叶斯判别（Bayes）等。

张许良[8]等人在对焦作矿区突水水源判别中采用了数量化理论的判别分析方法，对新的突水水样进行了水源判别，并对已知的4个突水点进行验证，验证结果表明此方法效果较好，为该矿区判别新的突水水源提供了较为方便的工具。

4非线性分析方法
4.1模糊数学法
进行矿井突水水源判别时,各含水层水质特征界限往往不明显,需综合多个因素的综合效果进行判别，因此，模糊数学法在判别矿井突水水源中得到了广泛的应用。

早在1995-1996年，李明山[9-10]分别采用了模糊相似比和最大贴近度的方法对姚桥矿矿井突水水源进行了判别，而如今常用的模糊数学方法主要是模糊综合评判，其原理可用下式描述：
E*R=B
式中：E为“输入”,它是由参加评价因子的权重经归一化处理得到的一个权重模糊矩阵;R是由各变量对各评判等级的隶属度r ij组成的一m×n阶模糊关系矩阵；B为“输出”,为最终模糊综合评判结果。

在模糊综合评判中，最关键的就是代表因素权重和隶属度函数的确定，计算权重的方法很多，常用的为超标加权法和偏标加权法。

超标加权法是对于大于平均值较多的数值分配的权重大,而对于小于平均值较多的数值分配的权重小,这在水源判别中不是很合理。

偏标比较超标而言有明显的准确性,但是当所测实际数据中某一因素较其它因素接近于平均值时,该因素所占的比重明显变小,因也可能出现检测不准的情况。

近年来由顾士玲[11]提出的逐差加权法在水源判别中得到了更好的应用，利用改进后的逐差加权法,准确率高于其它2种判别方法十几甚至是几十个百分点,效果明显。

同时近年来有人将熵权法引入水质模糊综合评判中，也取得了良好的效果。

4.2灰色系统理论法
（1）灰色关联度法
灰色关联度分析法的原理是把突水点的水质资料作参考序列，把有突水危险的各含水层的水质资料作比较序列，对各序列作标准化处理，然后计算出关联系数和关联度，比
煤炭技术第29卷·88·
较各可能突水的水源对突水点水的贴近度。

梁俊勋[12]曾用灰色关联度分析某矿井突水水源，结果可靠。

用灰色关联度分析法判别矿井突水水源，理论基础可靠，方法简单易行，但亦有其局限性，它只适用于作多因素的正相关分析，这是由关联度分析的理论基础所决定的。

（2）灰色局势综合判别
灰色局势综合判别实际上也是一种多目标决策的模糊数学研究方法。

以矿井充水水源为事件，水化学指标为对策，事件与对策的二元组称为局势S ij=（ai,bj）,用于对局势所产生的实际效果进行比较的量度即称为效果度值r ij，效果测度矩阵与权重向量的乘积，得出判别矿井突水水源的最终依据。

高卫东[13]在徐州矿区董庄煤矿3112工作面突水判别中采用了灰色局势决策的分析方法，利用水质分析资料的数量关系揭示其内在的规律，判定了突水水源为老窑水，通过进一步分析验证，表明该方法判别结果是可靠的。

灰色局势决策方法避开了隶属函数的建立，使问题更加简化。

4.3人工神经网络法
模糊综合评判和灰色系统理论法等取得了良好的应用效果，但这些方法都要事先假定模式或主观规定一些参数，评价结果具有一定的主观性。

人工神经网络是对人脑或自然的神经网络若干基本特性的抽象和模拟,在判别矿井突水水源这类具有模糊性的问题上有明显的优势。

BP神经网络是人工神经网络的一种，其主要思想为:将评判因子作为学习样本输入,用网络的实际输出作为评判结果，与目标矢量（可能的突水含水层）之间的误差来修改其权值,使输出值与期望值尽可能地接近。

徐中杰[14]等人采用了神经网络法对峰峰矿区梧桐庄矿的突水水源进行了判别，结果证明BP神经网络对矿井水源能够进行准确的判别。

虽然BP神经网络具有很多其它方法不具备的优点，但也并不能取代如聚类分析、模糊综合评判等其它评价方法，因为神经网络评价方法的学习训练样本需要通过这些方法来获得，而且在混合水样判别时，BP网络虽然能够予以识别，却不能给出定量的评价结果。

4.4GIS理论及可视化模型
地理信息系统（GIS）的应用已渗透到国民经济的各个方面，在矿井突水方面，GIS也发挥了重要作用。

孙亚军[15]等建立模糊综合评判模型，并基于GIS强大的数据处理功能，利用GIS可视化技术将判别结果直观地显示出来，不但实现了突水水源的点查询，还实现了突水空间分区。

通过实际应用，证明该系统简便易行，可高效准确地完成未知突水水样的水源判别。

虽然它依赖于模糊综合评判等水源判别方法，但实现了判别结果的可视化，仍有很强的实用价值。

4.5MMH支持向量机法
SVM（支持向量机）是基于结构风险最小化原理的新兴的统计学习方法，更适用于小样本的识别问题，M M H(maxi-mal margin H-SVM s)是近年来刚提出的一种多水源分析的支持向量机模型，是基于SVM最大间隔逐层分类、最小间隔逐层聚类构造H支持向量机。

闫志刚[16]等提出了M M H支持向量机模型，并对焦作矿区的资料做了实例分析，结果表明M M H-SVM s非常适合于矿井水源识别，不仅预测精度较高，而且其层次结构能很好地反映水源类型的层次关系，各子SVM的法向量还能反映水源识别因子的权重。

但其只能进行线性分析，对非线性分析尚未得到推广。

4.6可拓识别法
可拓识别法是研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律的新学科[17]。

张瑞刚[18]等以水质指标为判别因子，应用可拓识别方法，建立了谢桥矿井突水水源判别模型，提出以各指标的统计值F来量化各指标的识别能力，并作为确定权重的依据，结果表明其正确率高于模糊综合评判和灰色关联度法。

5结语
综上所述，判别矿井突水水源的方法很多,每种方法都取得了实际的应用效果，但每种方法各有其自身的特点,同时也存在一定的局限性。

针对不同情况,如何从方法上扬长避短,将多种评判方法综合起来相互补充，实现对矿井突水水源的准确判别是目前矿井突水水源判别中亟待解决的问题。

同时应注意，既不要片面地追求评价结果的唯一性而漏掉对矿井突水有比较显著影响的水源，也不能忽视评价结果的科学性而随意亏大突水水源的范围，只有结合矿井水文地质实际条件，利用各种方法进行综合分析，才能得出正确的判别结果。

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（责任编辑徐艳杰）
李燕，等：矿井突水水源判别方法概述
第11期·89·。