張淑瑩，胡友彪，邢世平

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤炭是我國主要能源之一，安全高效地進(jìn)行煤炭開采直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的大事。我國煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，礦井水害一直是制約我國煤炭安全生產(chǎn)的重要隱患之一[1]。井田內(nèi)各含水層的水化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)能夠反映相應(yīng)水層的本質(zhì)特征，因此，眾多學(xué)者開展了依據(jù)含水層水樣的水化學(xué)成分識別突水水源的方法研究。鄧清海等[2]利用水化學(xué)成分的差異性，通過主成分分析提煉出主成分因子，然后運(yùn)用Bayes判別指標(biāo)對礦區(qū)突水水源進(jìn)行判別。宮鳳強(qiáng)等[3]、魯金濤等[4]分別采用主成分分析與距離判別分析及Fisher判別分析相結(jié)合的方法建立了突水水源判別模型。王心義等[5]在熵權(quán)法和模糊可變集理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了識別礦井突水水源的數(shù)學(xué)模型。張瑞鋼等[6]以水質(zhì)指標(biāo)為判別因子，應(yīng)用可拓識別方法，建立了謝橋礦井突水水源判別模型。依據(jù)礦井水樣的水化學(xué)成分判別突水水源的方法還有很多，如模糊綜合評判、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)度理論等[7～11]。

在這些判別方法中，有的未曾考慮水化學(xué)指標(biāo)之間的相互聯(lián)系，從而導(dǎo)致突水水源誤判的結(jié)果(如文[6]所用的可拓理論，并未考慮指標(biāo)之間的關(guān)系以及權(quán)重，導(dǎo)致有的水源出現(xiàn)誤判)。因此本文利用Piper三線圖法對研究區(qū)含水層水樣進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用獨(dú)立性權(quán)系數(shù)對水源指標(biāo)進(jìn)行處理，將多個(gè)相互聯(lián)系、信息重復(fù)的指標(biāo)變量利用適當(dāng)?shù)木€性組合轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立的指標(biāo)，并求出指標(biāo)的權(quán)重。然后結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度理論將處理過的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，建立基于獨(dú)立性權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)分析的突水水源判別模型。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

潘三井田地處淮南煤田中部，井田煤系地層賦存于厚松散層之下，井田位于淮南復(fù)向斜中潘集背斜的南翼西部，總體形態(tài)為一單斜構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有F1、F9、F22、F24、F26、F40等斷層(圖1)。通過對研究區(qū)上、下綜合水文地質(zhì)探查成果分析得知, F1斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬? 基巖節(jié)理、裂隙較發(fā)育，在煤系砂巖含水層(組)中裂隙和原生節(jié)理普遍存在。煤系砂巖裂隙水與地表水、大氣降水水力聯(lián)系較小，受區(qū)域構(gòu)造和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，深、淺層地下水特征存在明顯的差異。礦井充水的水源主要為新生界松散含水層、煤系砂巖裂隙含水層及灰?guī)r巖溶裂隙含水層，煤系砂巖裂隙含水層為礦井的直接充水含水層，下含水是間接充水水源。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

1.1 新生界含水層

(1)上部含水層

含水層厚101.35～13.12 m。以土黃色砂質(zhì)黏土淺灰及灰黃色中細(xì)砂為主，局部為含砂中粗礫，屬潛水-承壓水，接受大氣降水與地表水體補(bǔ)給，并受區(qū)域河流側(cè)向補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化，地下水垂直循環(huán)與水平運(yùn)動(dòng)兼有。富水性較強(qiáng)，地下水化學(xué)類型HCO3—Ca·Mg·Na。單位涌水量為0.38～1.76 L/(s·m)，滲透系數(shù)3.66～4.13 m/d。

(2)中部含水層

含水層厚23.50～158.40 m，以淺灰綠色中砂為主，次為細(xì)砂及粗砂，局部夾由鈣質(zhì)及鈣硅質(zhì)膠結(jié)成砂巖盤，質(zhì)堅(jiān)硬。頂?shù)拙蟹€(wěn)定的黏土隔水層分布，補(bǔ)給排泄條件差，與上、下含水層組無互補(bǔ)關(guān)系。儲存量受區(qū)域調(diào)節(jié)影響，地下水以緩慢的水平運(yùn)動(dòng)為主。單位涌水量為0.27 L/(s·m)，富水性中等；原始水位標(biāo)高20.46 m，水溫18 ℃，地下水化學(xué)類型為Cl—K+Na型。

(3)下部含水層

新生界下含直接覆蓋在煤系地層砂巖露頭之上。該含水層(組)厚0～99.05 m，根據(jù)抽水試驗(yàn)可知，涌水量0.08～1.53 L/(s·m)，富水性中等-強(qiáng)，滲透系數(shù)1.18～3.29 m/d，水溫19～32 ℃，補(bǔ)給水源貧乏，以儲存量為主，水平運(yùn)動(dòng)緩慢，垂直滲透差。

1.2 煤系砂巖裂隙水

煤系地層各砂巖含水層(組)之間水力聯(lián)系弱，補(bǔ)給水源貧乏，以儲存量為主。據(jù)ⅩⅢ-ⅩⅣ3孔11煤頂?shù)装迳皫r漏水段抽水試驗(yàn)可知：單位涌水量0.02 L/(s·m)，富水性弱，滲透系數(shù)0.04 m/d，水位標(biāo)高+22.83 m，水化學(xué)類型為HCO3·Cl—K+Na型。據(jù)鄰區(qū)七3孔11-2煤和8煤頂板砂巖兩次抽水試驗(yàn)可知：單位涌水量為0.001～0.003 L/(s·m)，富水性弱，滲透系數(shù)0.003～0.06 m/d。據(jù)主井檢查孔和中央風(fēng)井檢查孔23煤及24煤頂板砂巖抽水試驗(yàn)資料可知，單位涌水量為0.01～0.03 L/(s·m)，富水性弱，滲透系數(shù)0.07～0.09 m/d。

1.3 太原組灰?guī)r裂隙水

本組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育不均，含水層厚度為82.13～131.20 m,富水性差異較大，水位恢復(fù)緩慢，且低于抽水前靜止水位，故補(bǔ)給徑流不暢，以靜儲量為主，露頭處受新生界下部含水組滲透補(bǔ)給，自區(qū)域灰?guī)r出水點(diǎn)排泄，以水平運(yùn)動(dòng)為主。據(jù)13次1-4灰抽水試驗(yàn)資料，太灰水位標(biāo)高-44.76～45.49 m，涌水量0.07 L/(s·m)，富水性較弱，滲透系數(shù)0.31 m/d，水化學(xué)類型為Cl·SO4—Na型。

1.4 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水

含水層厚度為2.60～170.41 m不等，巖性以厚層白云質(zhì)灰?guī)r為主，次為角礫狀灰?guī)r，夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r，淺灰色微帶肉紅色，塊狀構(gòu)造，局部巖溶裂隙發(fā)育，見小溶洞。以儲存量為主，露頭處受新生界下部含水組滲透補(bǔ)給，自區(qū)域灰?guī)r出水點(diǎn)排泄，水平運(yùn)動(dòng)緩慢。與太原組含水層之間有一定水力聯(lián)系。

2 地下水特征

2.1 水化學(xué)分析

由于地下水所處區(qū)域的水文地質(zhì)、地球化學(xué)環(huán)境的差異，其形成的水化學(xué)成分也存在差異性，因此地下水化學(xué)成分能夠指示其所處位置的水文地質(zhì)條件。研究井田內(nèi)地下水的分布規(guī)律及水化學(xué)特征，有利于分析礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件。通過對研究區(qū)進(jìn)行多次勘察及取樣并進(jìn)行水質(zhì)分析，一共獲取了20個(gè)地下水含水層水樣，包括突水水樣1個(gè)、奧灰含水層水樣2個(gè)、太灰含水層水樣3個(gè)、煤系砂巖含水層水樣8個(gè)、新生界含水層水樣6個(gè)，其分析數(shù)據(jù)見表1(2013年在淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤炭中心實(shí)驗(yàn)室測得)。

表1 潘三井田采樣點(diǎn)主要水化學(xué)成分

2.2 水質(zhì)變化規(guī)律

將表1中各類含水層的水樣數(shù)據(jù)利用Aquachem軟件繪制成Piper三線圖(圖2),然后依據(jù)水樣落點(diǎn)在圖形中所處的位置來分析各類含水層的水質(zhì)特征。

如圖2所示，奧灰水樣均位于菱形中下端，與突水水樣落點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，水化學(xué)類型為HCO3·Cl—K+Na，pH為7.71～8.0。太灰水樣2個(gè)落點(diǎn)位于Piper圖中部偏右區(qū)域，另一水樣同待定水樣落點(diǎn)較近，水化學(xué)類型主要HCO3·Cl—K+Na型，pH為8.97～9.41，偏堿性。

圖2 奧灰水、太灰水及突水水樣Piper對比圖Fig.2 Comparison of the Piper diagrams showing the groundwater samples in the Ordovician limestone aquifer and the limestone aquifer of the Upper Carbaniferous Taiyuan Group and the inrushing water samples

圖3 煤層頂板砂巖裂隙水與突水水樣Piper對比圖Fig.3 Comparison of the Piper diagrams showing the groundwater samples in the coal seam roof fractured sandstone aquifer and the inrushing water samples

圖4顯示新生界上含水位于piper圖中部左下方，與其它含水層水樣的落點(diǎn)偏離較大，pH為7.57。新生界中含水位于piper圖的中間最右往上區(qū)域，水化學(xué)類型為Cl·SO4—K+Na型，偏堿性。新生界下含水樣落點(diǎn)接近于13-1煤及8煤頂板砂巖裂隙水樣，表示13-1及8煤層頂板砂巖裂隙水的充水水源層可能為新生界下含水層，水化學(xué)類型為Cl·SO4—K+Na型，pH為8.13～8.60，偏堿性。

圖4 新生界含水層水樣與突水水樣的Piper對比圖Fig.4 Comparison of the Piper diagrams showing the groundwater samples in the Cenozoic aquifer and the inrushing water samples

結(jié)合上述分析，突水水樣的落點(diǎn)與13-1煤及8煤頂板砂巖裂隙水的落點(diǎn)所處位置較近，而與太灰水、奧灰水樣及新生界含水層水樣投影偏差距離相對較遠(yuǎn)，雖然突水點(diǎn)位于西一回風(fēng)巷G10前137 m巷頂位置，結(jié)合井田內(nèi)礦區(qū)現(xiàn)有水文地質(zhì)勘查資料可知, 以靜儲量為主的煤層砂巖裂隙水，可能通過構(gòu)造露頭或裂隙處接受第四系下含水一定量補(bǔ)給，并通過裂隙發(fā)育處使煤層頂?shù)装逄幊霈F(xiàn)淋水或涌水現(xiàn)象，因此較符合本次突水的特點(diǎn)。

3 突水水源判別模型的建立

3.1 獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法

獨(dú)立性權(quán)數(shù)是利用多元回歸分析方法計(jì)算出復(fù)相關(guān)系數(shù)從而確定權(quán)重。復(fù)相關(guān)系數(shù)越大，重復(fù)信息越多，權(quán)重則越小，故選取復(fù)相關(guān)系數(shù)的倒數(shù)作為得分，再經(jīng)歸一化處理得權(quán)重系數(shù)。復(fù)相關(guān)系數(shù)是能夠反映出某些指標(biāo)之間重復(fù)信息量大小的一個(gè)重要指標(biāo)，而其倒數(shù)則反映了評價(jià)指標(biāo)所包含的不同于其他指標(biāo)的信息量，因此適用于評價(jià)指標(biāo)之間存在錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系、需要排除評價(jià)指標(biāo)之間重復(fù)信息的研究。

假設(shè)有若干指標(biāo)項(xiàng)X1,X2,X3,···,Xm，若指標(biāo)Xj與其他指標(biāo)的復(fù)相關(guān)系數(shù)越大，則表明Xj與其他指標(biāo)之間的共線性關(guān)系越強(qiáng)，可以由其他指標(biāo)的線性組合表示；重復(fù)信息越多，該指標(biāo)的權(quán)重也就相對較小[12～14]。計(jì)算公式為：

(1)

對于R與權(quán)重之間的負(fù)比例關(guān)系，選取復(fù)相關(guān)系數(shù)的倒數(shù)作為評分，經(jīng)過歸一化處理后得到權(quán)重值，最終的權(quán)重表示為:

(2)

(3)

3.2 指標(biāo)權(quán)重值的確定

水樣中各指標(biāo)之間的信息存在重疊部分，如果直接將這些指標(biāo)用于識別突水水源，將會出現(xiàn)信息冗余從而降低礦井突水水源判別模型的精度，因此對突水水水源水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立性權(quán)分析很有必要。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)及上節(jié)所述的獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法，得出了水源水質(zhì)判別指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，如表2所示。

表2 水質(zhì)判別指標(biāo)權(quán)重

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

以待確定水樣作為參考序列,不同含水層現(xiàn)有水樣作為比較序列，并將水樣數(shù)據(jù)序列進(jìn)行量化,從而求出出水點(diǎn)和各類含水層的關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)度越大則相關(guān)程度越高，以此來判別突水水源層[10～11,15]。具體模型為:

(1)根據(jù)公式進(jìn)行均值化處理使其原始數(shù)據(jù)無量綱化：

(4)

(2)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)(ξij)計(jì)算，即：

ξij=

(5)

式中：ρ——分辨系數(shù)，一般取值為0.5。

(3)在獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法確定的各指標(biāo)的權(quán)重的基礎(chǔ)上,計(jì)算出各含水層水樣之間的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度：

(6)

式中：Wi——指標(biāo)權(quán)重；

ri——第i個(gè)評價(jià)對象的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

3.4 突水水源判定結(jié)果

按照關(guān)聯(lián)度理論，對表1水質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析,計(jì)算得出各個(gè)含水層水樣不同指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij：

根據(jù)獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法確定的指標(biāo)權(quán)重，通過計(jì)算得到加權(quán)關(guān)聯(lián)度(表3)，其中計(jì)算得到的較大關(guān)聯(lián)度分別為0.996，0.988，0.984，0.980，綜合計(jì)算結(jié)果及分析得出礦井突水水源為13-1煤層頂?shù)装迳皫r水。

表3 不同含水層水樣關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)論

(1)通過對井田內(nèi)突水點(diǎn)以及各類含水層水樣進(jìn)行分析處理,利用piper三線圖揭示了不同類型地下水的水質(zhì)特征。在綜合考慮礦區(qū)水文地質(zhì)條件及突水特征的情況下,判斷突水水源可能為煤層頂板砂巖裂隙水。

(2)采用獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法對突水水源評價(jià)中的不同含水層的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，可以避免各指標(biāo)之間的重復(fù)信息，從而在一定程度上確保模型判別結(jié)果的精確度。將獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度理論相結(jié)合，創(chuàng)建突水水源識別模型，根據(jù)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度,確定突水水源為13-1煤層頂?shù)装迳皫r水

(3)運(yùn)用piper三線圖法、獨(dú)立性權(quán)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度理論相結(jié)合的方法，能夠避免因水質(zhì)類型相似導(dǎo)致水源誤判的現(xiàn)象，同時(shí)piper三線圖法可作為獨(dú)立性權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)度理論可靠性的佐證。將模型判別結(jié)果與樣本實(shí)際水源對比，結(jié)果顯示二者十分吻合，表示此類評判方法在礦井突水水源評價(jià)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

(4)通過進(jìn)一步分析，認(rèn)為在礦井地質(zhì)復(fù)雜、各含水層距離較近、含水層之間易溝通、突水水源可能為混合水源等情況下，獨(dú)立性權(quán)一灰色關(guān)聯(lián)度理論模型的適用性和有效性有待進(jìn)一步研究。