常浩宇，弓金寶，郭均中,姜 濤

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.西山煤電(集團(tuán))馬蘭礦，山西 太原 030200)

陷落柱涌水水源P值檢驗(yàn)分析

常浩宇1，弓金寶2，郭均中1,姜 濤1

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.西山煤電(集團(tuán))馬蘭礦，山西 太原 030200)

陷落柱是煤礦生產(chǎn)過程中常見的地質(zhì)構(gòu)造，大部分的陷落柱不具有導(dǎo)水性，但是一旦遭遇導(dǎo)水陷落柱，則需要盡快查明導(dǎo)水水源及導(dǎo)水通道，提前做好防突水措施，以免造成更大的災(zāi)害。通過對西山煤電集團(tuán)馬蘭礦18306工作面陷落柱出水水質(zhì)的分析，結(jié)合礦井各充水水源水質(zhì)資料，繪制水質(zhì)piper三線圖，利用P值檢驗(yàn)的方法，計(jì)算了陷落柱出水來源于各含水層的置信水平，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示陷落柱出水來源于奧灰含水層。

陷落柱；假設(shè)檢驗(yàn)；奧灰水

0 引言

巖溶陷落柱是影響煤礦建設(shè)和生產(chǎn)的重要地質(zhì)因素之一。在水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜的礦井，導(dǎo)水陷落柱又是地下水的良好通道，給安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。山西是我國已發(fā)現(xiàn)陷落柱最多的省區(qū)，西山煤田又是山西陷落柱最多的煤田之一，迄今為止已發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱近4000個(gè)。已揭露的陷落柱大部分不具有導(dǎo)水性，但是在長時(shí)間采掘工作的擾動(dòng)下，原來不具有導(dǎo)水性的陷落柱，有可能因活化而具有導(dǎo)水性，導(dǎo)水陷落柱一旦發(fā)生突水，往往事發(fā)突然，水量巨大，給礦山開采造成嚴(yán)重威脅[1-3]。因此，礦山在生產(chǎn)過程中強(qiáng)化對陷落柱的探查是十分必要的，一旦發(fā)現(xiàn)陷落柱要及時(shí)組織專業(yè)人員進(jìn)行探查，確定陷落柱的形態(tài)、導(dǎo)水性及涌水水源，為下一步安全生產(chǎn)提供保障[2]。2009年2月，古交礦區(qū)馬蘭礦18306工作面發(fā)生陷落柱涌水，進(jìn)一步揭示了本區(qū)巖溶陷落柱的潛在威脅。

西山礦區(qū)的陷落柱平面分布不均勻且與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系密切，不同礦井陷落柱發(fā)育形態(tài)差異較大，用常規(guī)的鉆探及物探手段難以完全查清楚陷落柱的發(fā)育高度及其與上下含水層的水力聯(lián)系，但是通過對其突水水質(zhì)的分析，則可以方便準(zhǔn)確地識(shí)別其突水水源，推斷突水通道，為下一步水害治理提供依據(jù)[4]。

1 礦井水文地質(zhì)概況

按照《煤礦防治水規(guī)定》，根據(jù)礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規(guī)律、礦井開采受水害影響程度以及防治水工作難易程度分析，結(jié)合礦井水文地質(zhì)特征，綜合評定馬蘭礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。

1.1 地層概況

馬蘭井田位于太原西山煤田構(gòu)造盆地的西北邊緣部位，井田地層出露由西向東，由老至新依次為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組及峰峰組；石炭系中統(tǒng)本溪組；上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組；上統(tǒng)上石盒子組及石千峰組及第三、第四系松散沉積不整合于不同時(shí)代基巖之上[8]。

1.2 構(gòu)造情況

馬蘭井田位于呂梁山背斜東翼，太原西山煤田構(gòu)造盆地的西北邊緣部位，地形一般西南高東北低，地層傾角也表現(xiàn)為西陡東緩，具有明顯的煤田盆地邊緣構(gòu)造特征。全井田主要構(gòu)造形態(tài)總體可分為南北兩部分。北部為馬蘭向斜所控制，地層走向近南北，向南走向轉(zhuǎn)為南東，地層產(chǎn)狀也隨之發(fā)生變化。

1.3 礦井充水水源類型

根據(jù)以往水文地質(zhì)工作情況，按礦井水來源將馬蘭礦充水水源劃分為7類，充水水源名稱和水質(zhì)分析指標(biāo)，見表1。

表1 礦井充水水源及水質(zhì)分析指標(biāo)

1.4 陷落柱的揭露

2009年2月5日馬蘭礦下組煤18306工作面遇一陷落柱，長軸7.5 m，短軸4 m，陷落柱處8號煤層底板標(biāo)高為891 m，揭露后涌水量穩(wěn)定為10 m3/h左右，于2月5日、7日、12日、3月2日共采取4個(gè)水樣，化驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表2 陷落柱涌水水質(zhì)指標(biāo)

2 涌水水源簡易分析

取得水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)后，先通過繪制Piper三線圖對含水層及突水水樣之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行初步分析。

2.1 水質(zhì)piper三線圖簡介

Piper三線圖是一種分析水化學(xué)離子分布特征的圖示法，該圖包含2個(gè)正三角形域及1個(gè)菱形域，各以3組地下水中主要的陽離子Na++K+、Ca2+、及Mg2+和3種陰離子Cl-、SO42-及HCO3-(CO32-)的每升毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)來表示[5]。三線圖將水樣陽離子和陰離子顯著區(qū)分于不同的區(qū)域，能夠反映水樣的一般化學(xué)特征及水化學(xué)類型，具有簡潔明了、直觀形象、通俗易懂的特點(diǎn)，因此常與其他評價(jià)方法相配合來解決一些復(fù)雜的水文地質(zhì)問題。本文采用AquaChem軟件繪制Piper三線圖，AquaChem是一款知名的水化學(xué)分析軟件，將以上整理的水樣數(shù)據(jù)輸入AquaChem，分別得到各含水層及陷落柱涌水水樣的Piper三線圖[6]。

2.2 含水層及突水水樣piper三線圖的繪制

由表1水質(zhì)分析數(shù)據(jù)得馬蘭礦含水層水質(zhì)piper圖，見圖1。

由表2水質(zhì)分析數(shù)據(jù)得陷落柱涌水水質(zhì)piper圖，見圖2。

圖1 馬蘭礦充水水源piper三線圖圖

圖2 陷落柱涌水水樣piper三線圖

2.3 piper三線圖分析

由圖1和圖2總結(jié)馬蘭礦各含水層及陷落柱突水水樣水化學(xué)類型，見表3

表3 各含水層及陷落柱涌水水質(zhì)水質(zhì)分類

續(xù)表

通過對表3的分析對比看出，陷落柱涌水水質(zhì)前期偏向于太原組含水層，后期偏向于奧灰含水層和混合水水質(zhì)，需要進(jìn)一步進(jìn)行定量分析確認(rèn)。

3 涌水水源P值檢驗(yàn)分析

3.1 P值檢驗(yàn)的概念

P值檢驗(yàn)屬于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中假設(shè)檢驗(yàn)方法的一種，通過構(gòu)造適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)量來計(jì)算樣本屬于特定總體的置信水平，這里，我們選擇由各充水水源總體Na+離子含量均值、標(biāo)準(zhǔn)差、樣本水樣Na+離子均值構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量U來計(jì)算P值[6-8]。

(1)

式中， U—統(tǒng)計(jì)量，近似服從于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布

μ—總體水樣離子含量均值

σ—總體水樣離子含量標(biāo)準(zhǔn)差

n—水樣個(gè)數(shù)

算出U值后，通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)確定相應(yīng)的P值，P值越大，陷落柱涌水來源于相應(yīng)充水水源的可能性越大[9]。

3.2 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用matlab軟件構(gòu)造相應(yīng)的函數(shù)對各充水水源及陷落柱出水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果匯總見表3。

表3 P值檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果知，陷落柱涌水水質(zhì)與第四系含水層、山西組含水層水質(zhì)的檢驗(yàn)P值接近于0，說明水質(zhì)差異極大，所以陷落柱涌水與這兩個(gè)充水水源無關(guān)。奧灰含水層水質(zhì)與陷落柱涌水水質(zhì)P值最大，水質(zhì)最為接近，綜合以上分析判斷，陷落柱涌水水源為奧灰水。

4 結(jié)論

(1) 馬蘭礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，充水水源類型較多，應(yīng)加強(qiáng)礦井水水質(zhì)資料的收集和分析，以提高對異常涌水水源分析的精度和效率。

(2) 從陷落柱涌水水質(zhì)變化看，隨著時(shí)間推移，Mg2+、SO42-明顯的增加，該陷落柱涌水水質(zhì)逐漸從煤系圍巖水水質(zhì)特征向奧灰?guī)r溶水水質(zhì)轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步說明該陷落柱已導(dǎo)通下伏底板奧灰?guī)r溶水。

(3) 水質(zhì)piper三線圖可以作為判斷礦井水水化學(xué)類型的工具，但是在充水水源較多且水質(zhì)成分比較復(fù)雜的情況下，單純利用piper三線圖來判別涌水水源精度不夠，需要配合其它定量判別方法。

(4) 通過對反映各含水層與陷落柱涌水近似程度的統(tǒng)計(jì)量P值的計(jì)算和比較，可以直觀和定量地了解陷落柱涌水來源于各個(gè)充水水源的可能性大小，為下一步的突水治理工作提供了依據(jù)。

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TestandAnalysisofPValueofWaterSourceofSubsidedColumn

CHANG Hao-yu1,GONG Jin-bao2,GUO Jun-zhong1，JIANG Tao1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China;2.MalanCoalMine,XishanCoalElectricityGroup,Taiyuan,130200,China)

Collapse column is a common geological structure in coal mine production process,most of collapse column has no water conductivity,but when the water flows through subsided column,it is needed to identify water sources and water channels as soon as possible,the prevention measures of water inrush should be worked out in advance,so as not to cause more disasters.Through the analysis of the water quality flowing from the collapse column of No.18306 working face of the maran mine in xishan coal power group,and combining with the water quality data of mine water supply,the trilinear piper diagram of the water quality is drawn.Using the method of hypothesis testing,the confidence levels of various aquifers where subsided column flows from are calculated,the results of statistical analysis show that the water flowing through the collapse column comes from the ordovician limestone aquifer.

collapse column;hypothesis test;ordovician limestone aquifer

2017-09-23

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017017)

常浩宇(1992-)，男，山西長治人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：水文地質(zhì)。E-mail：695346315@qq.com

TD745

A

1672-7169(2017)05-0017-04