矿井突水水源判别方法

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：***************。 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 waterrush, 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、MMH 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.11 November,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2 053 m3/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