礦井突水水源判別方法概述收稿日期:2010-03-05;修訂日期:2010-08-02基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）（2007CB209401）資助;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目（2007A025）資助。作者簡(jiǎn)介:李燕（1984-），女，黑龍江遜克人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水文學(xué)與水資源專(zhuān)業(yè)碩士研究生，主要從事礦井水害防治技術(shù)、水文地質(zhì)工程地質(zhì)、水資源評(píng)價(jià)等方面的研究。E-mail：liyanxw@163.com。李燕，徐志敏，劉勇(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221116)摘要:礦井突水災(zāi)害造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，嚴(yán)重阻礙著我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展。一旦發(fā)生突水，及時(shí)準(zhǔn)確地查明突水水源是解決和進(jìn)一步預(yù)防突水災(zāi)害的前提，因此選擇合適的判別方法是快速高效判別突水水源的關(guān)鍵，本文對(duì)近些年來(lái)判別礦井突水水源的各種方法進(jìn)行探討，概述各種方法的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及其適用條件，為保障礦井安全生產(chǎn)的防治水工作提供決策依據(jù)。關(guān)鍵詞:突水水源；判別方法；水化學(xué)；防治水中圖分類(lèi)號(hào):TD74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-8725（2010）11-0087-03SummaryonMethodsofDistinguishingSourcesofMineWater-invasionLIYan,XUZhi-min,LIUYong（SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116,China）Abstract:Minewaterburstingcausesseriouseconomiclossandcasualties，preventingthedevelopmentofcoalindustrytoagreatextent.Oncewaterbursted,timelyandaccuratelydiscriminatingthesourcesofminewaterburstingisthepreconditionofsolvingandpreventingwaterinrushdisaster,so,howtoselecttheappropriatemethodisthekeytofastandhighefficientdiscriminatingthesourcesofwater-invasion.Thispapersketchestheprinciple,applicationstatusandapplicableconditionsforvariousmethodsofidentifyingsourcesofwaterrush,whichcanprovidethedecisiontoadopteffectivemethodforthepreventionofthewaterinrushandthesafetyproductionofcoalmine.Keywords:sourceofminewaterbursting;methodofdiscrimination;hydrochemistry;watercontrol0前言礦井突水是煤礦生產(chǎn)過(guò)程最具威脅的災(zāi)害之一，人員傷亡大，經(jīng)濟(jì)損失列于煤礦三大事故的榜首。一旦礦井發(fā)生突水,如何及時(shí)準(zhǔn)確地判斷突水成因,查找突水水源,是解決和進(jìn)一步預(yù)防突水災(zāi)害的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。判別礦井突水水源，要充分考慮礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和構(gòu)造條件，結(jié)合相應(yīng)的水位、水溫、水化學(xué)資料予以綜合分析判斷。其中，水化學(xué)數(shù)據(jù)是地下水最本質(zhì)的特征,用水質(zhì)資料判別水源具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。依據(jù)水化學(xué)數(shù)據(jù)判別礦井突水水源的方法，從以往的簡(jiǎn)單水質(zhì)類(lèi)型對(duì)比分析、特征組分判別、同位素分析法等，逐漸發(fā)展到今天的多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法（聚類(lèi)分析、判別分析）和非線性分析方法（灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GIS、MMH支持向量機(jī)法、可拓識(shí)別法等）多種方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證，水源判別方法理論日趨成熟。本文主要對(duì)上述方法做適當(dāng)?shù)姆治龊秃?jiǎn)述。1水位、水溫判別法在水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的地區(qū)，水位和水溫可以作為初步判斷突水水源的依據(jù)。目前的用于判別礦井突水水源的“QLT”法即為水質(zhì)、水位和水溫的簡(jiǎn)稱(chēng)。受低溫梯度的影響，不同含水層的水溫會(huì)有一定的差距，因此，可以依據(jù)突水點(diǎn)的水溫與突水危險(xiǎn)的含水層水溫對(duì)比，來(lái)初步預(yù)測(cè)礦井突水水源。袁文華[2]等人在任樓煤礦突水水源判別中采用了此方法，結(jié)果表明依靠含水層水溫來(lái)判別礦井突水水源的方法是可行的。當(dāng)?shù)V井發(fā)生突水時(shí)，相應(yīng)含水層的水量變化必然導(dǎo)致水位發(fā)生變化，如河南某礦綜采工作面突然發(fā)生突水事故，根據(jù)水位監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)煤層下伏四灰水位急劇下降，下部奧灰含水層水位保持不變，因此可初步判斷此次突水水源是四灰含水層，且?jiàn)W灰含水層沒(méi)有補(bǔ)給四灰含水層。說(shuō)明兩者沒(méi)有發(fā)生水力聯(lián)系。2簡(jiǎn)易水化學(xué)分析2.1突水水源特點(diǎn)礦井突水水源按其來(lái)源可以分為大氣降水、地表水體、地下水體和老空水。大氣降水一般為礦化度較小、硬度較低的軟水。地表水一般均帶泥沙懸浮物而有渾濁度。此外，大氣第29卷第11期2010年11期煤炭技術(shù)CoalTechnologyVol.29,No.11November,2010降水及地表水中含有大量的有機(jī)物和細(xì)菌，可作為判斷其存在的重要依據(jù)。地下水的水化學(xué)成分十分復(fù)雜，作為礦井突水水源應(yīng)采用其它方法綜合判斷。老空水多表現(xiàn)為強(qiáng)酸性，突水瞬時(shí)水量大、破壞性強(qiáng)，但一般與其它水源無(wú)聯(lián)系，突水后急劇減弱.可作為常規(guī)判定老空水的重要依據(jù)[4]。2.2特征組分判別在這里，特征組分是指某水源所特有的水化學(xué)組分，在其它水源中不含或僅有痕跡量存在。開(kāi)灤范各莊礦1984年發(fā)生了有史以來(lái)最大的突水事故，最大瞬時(shí)涌水量高達(dá)2053m3/min，涌水中NO3-含量較高，而井田內(nèi)奧灰水中NO3-含量也很高，其它含水層中基本沒(méi)有或僅有痕跡量存在，初步判斷突水水源是煤層下伏奧灰水。經(jīng)后期驗(yàn)證，此指標(biāo)可信度高、效果顯著。應(yīng)注意的是特征組分的選擇是在長(zhǎng)期的水化學(xué)觀測(cè)和分析對(duì)比的基礎(chǔ)上得到的，必須具有易檢、顯著、穩(wěn)定的特點(diǎn)。2.3同位素分析法同位素常具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易沉淀與吸附的特點(diǎn)，同位素技術(shù)為分析礦區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源、各含水層之間的聯(lián)系等方面提供重要依據(jù)。應(yīng)用同位素的示蹤試驗(yàn)也作為判斷礦井突水水源的重要途徑之一。潘國(guó)營(yíng)[5]等人在河南義馬煤業(yè)集團(tuán)采用了同位素技術(shù)判別礦井突水水源，研究結(jié)果表明：應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)能準(zhǔn)確、快速地確定礦區(qū)地下水的同位素特征,并判斷出礦井突水的主要來(lái)源，為制訂有效的防治水措施提供科學(xué)依據(jù)。2.4水質(zhì)類(lèi)型對(duì)比分析水質(zhì)類(lèi)型對(duì)比是一種傳統(tǒng)的水化學(xué)分析方法，它通過(guò)傳統(tǒng)的離子比例系數(shù)、舒卡列夫、阿廖金及皮伯圖示等分類(lèi)方法劃分水質(zhì)類(lèi)型，通過(guò)對(duì)比分析來(lái)確定突水來(lái)源。王玉民[6]等人在對(duì)大同煤礦集團(tuán)的煤峪口礦采用礦井水質(zhì)的“時(shí)空”研究方法對(duì)礦井涌水水源進(jìn)行了論述，確定3#層采空區(qū)積水為此次礦井突水的水源，并以此為依據(jù)采取了合適的排水技術(shù)，恢復(fù)了礦井正常生產(chǎn)。目前此方法常用于確定水源特征等基礎(chǔ)分析。2.5涌水量構(gòu)成法通過(guò)同位素和離子守恒等方法可以對(duì)礦井涌水量的構(gòu)成予以定量分析研究，確定各個(gè)突水含水層的水在礦井水的比例，結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)資料，判斷礦井突水水源。如河南某礦，首次采用離子守恒法分析礦井涌水構(gòu)成，得出礦區(qū)礦井涌水量中約有70%來(lái)自L7灰含水層，24%來(lái)自寒灰含水層，與礦區(qū)實(shí)際觀測(cè)資料比較接近。由此可知是由于采動(dòng)底板擾動(dòng)破壞帶波及到L7灰含水層致使水涌入礦井，且L7灰含水層與下部的寒灰含水層不存在水力聯(lián)系，少部分寒灰水是以往突水的剩余水量，進(jìn)而判定突水來(lái)源是L7灰水。說(shuō)明某些特定條件下通過(guò)研究礦井涌水量構(gòu)成亦可判斷礦井突水來(lái)源，為采取相應(yīng)的防治手段提供依據(jù)。3多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法3.1聚類(lèi)分析聚類(lèi)分析在水源判別中的應(yīng)用，是將水樣看作P維（P個(gè)指標(biāo)）空間的一個(gè)點(diǎn)，然后選擇相似性統(tǒng)計(jì)量研究點(diǎn)與點(diǎn)之間的疏密關(guān)系，把關(guān)系密切的點(diǎn)歸為一類(lèi)。修中標(biāo)[7]等人在判別張集礦突水水源時(shí)采用了聚類(lèi)分析的方法，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。應(yīng)注意，不同礦井因水文地質(zhì)條件不同,有的指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)小，有的指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)很大，因此可將數(shù)個(gè)指標(biāo)做相關(guān)性分析，選擇相關(guān)性系數(shù)較大的指標(biāo)，更能反映出不同含水層水樣的差異，也稱(chēng)為主成分分析法。3.2判別分析判別分析是判別樣品所屬類(lèi)型的一種統(tǒng)計(jì)方法，其主要任務(wù)就是選擇含水層中各種離子的含量及溫度等各項(xiàng)標(biāo)示指標(biāo)為變量,在某一“準(zhǔn)則”下構(gòu)造出判別函數(shù)Yg（X），從而建立反映各個(gè)含水層標(biāo)示特征的函數(shù)。常用的判別分析方法有逐步判別、序貫判別；距離判別、貝葉斯判別（Bayes）等。張?jiān)S良[8]等人在對(duì)焦作礦區(qū)突水水源判別中采用了數(shù)量化理論的判別分析方法，對(duì)新的突水水樣進(jìn)行了水源判別，并對(duì)已知的4個(gè)突水點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明此方法效果較好，為該礦區(qū)判別新的突水水源提供了較為方便的工具。4非線性分析方法4.1模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行礦井突水水源判別時(shí),各含水層水質(zhì)特征界限往往不明顯,需綜合多個(gè)因素的綜合效果進(jìn)行判別，因此，模糊數(shù)學(xué)法在判別礦井突水水源中得到了廣泛的應(yīng)用。早在1995-1996年，李明山[9-10]分別采用了模糊相似比和最大貼近度的方法對(duì)姚橋礦礦井突水水源進(jìn)行了判別，而如今常用的模糊數(shù)學(xué)方法主要是模糊綜合評(píng)判，其原理可用下式描述：E*R=B式中：E為“輸入”,它是由參加評(píng)價(jià)因子的權(quán)重經(jīng)歸一化處理得到的一個(gè)權(quán)重模糊矩陣;R是由各變量對(duì)各評(píng)判等級(jí)的隸屬度rij組成的一m×n階模糊關(guān)系矩陣；B為“輸出”,為最終模糊綜合評(píng)判結(jié)果。在模糊綜合評(píng)判中，最關(guān)鍵的就是代表因素權(quán)重和隸屬度函數(shù)的確定，計(jì)算權(quán)重的方法很多，常用的為超標(biāo)加權(quán)法和偏標(biāo)加權(quán)法。超標(biāo)加權(quán)法是對(duì)于大于平均值較多的數(shù)值分配的權(quán)重大,而對(duì)于小于平均值較多的數(shù)值分配的權(quán)重小,這在水源判別中不是很合理。偏標(biāo)比較超標(biāo)而言有明顯的準(zhǔn)確性,但是當(dāng)所測(cè)實(shí)際數(shù)據(jù)中某一因素較其它因素接近于平均值時(shí),該因素所占的比重明顯變小,因也可能出現(xiàn)檢測(cè)不準(zhǔn)的情況。近年來(lái)由顧士玲[11]提出的逐差加權(quán)法在水源判別中得到了更好的應(yīng)用，利用改進(jìn)后的逐差加權(quán)法,準(zhǔn)確率高于其它2種判別方法十幾甚至是幾十個(gè)百分點(diǎn),效果明顯。同時(shí)近年來(lái)有人將熵權(quán)法引入水質(zhì)模糊綜合評(píng)判中，也取得了良好的效果。4.2灰色系統(tǒng)理論法（1）灰色關(guān)聯(lián)度法灰色關(guān)聯(lián)度分析法的原理是把突水點(diǎn)的水質(zhì)資料作參考序列，把有突水危險(xiǎn)的各含水層的水質(zhì)資料作比較序列，對(duì)各序列作標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計(jì)算出關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，比·88·煤炭技術(shù)第29卷較各可能突水的水源對(duì)突水點(diǎn)水的貼近度。梁俊勛[12]曾用灰色關(guān)聯(lián)度分析某礦井突水水源，結(jié)果可靠。用灰色關(guān)聯(lián)度分析法判別礦井突水水源，理論基礎(chǔ)可靠，方法簡(jiǎn)單易行，但亦有其局限性，它只適用于作多因素的正相關(guān)分析，這是由關(guān)聯(lián)度分析的理論基礎(chǔ)所決定的。（2）灰色局勢(shì)綜合判別灰色局勢(shì)綜合判別實(shí)際上也是一種多目標(biāo)決策的模糊數(shù)學(xué)研究方法。以礦井充水水源為事件，水化學(xué)指標(biāo)為對(duì)策，事件與對(duì)策的二元組稱(chēng)為局勢(shì)Sij=（ai,bj）,用于對(duì)局勢(shì)所產(chǎn)生的實(shí)際效果進(jìn)行比較的量度即稱(chēng)為效果度值rij，效果測(cè)度矩陣與權(quán)重向量的乘積，得出判別礦井突水水源的最終依據(jù)。高衛(wèi)東[13]在徐州礦區(qū)董莊煤礦3112工作面突水判別中采用了灰色局勢(shì)決策的分析方法，利用水質(zhì)分析資料的數(shù)量關(guān)系揭示其內(nèi)在的規(guī)律，判定了突水水源為老窯水，通過(guò)進(jìn)一步分析驗(yàn)證，表明該方法判別結(jié)果是可靠的。灰色局勢(shì)決策方法避開(kāi)了隸屬函數(shù)的建立，使問(wèn)題更加簡(jiǎn)化。4.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法模糊綜合評(píng)判和灰色系統(tǒng)理論法等取得了良好的應(yīng)用效果，但這些方法都要事先假定模式或主觀規(guī)定一些參數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的主觀性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)人腦或自然的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)若干基本特性的抽象和模擬,在判別礦井突水水源這類(lèi)具有模糊性的問(wèn)題上有明顯的優(yōu)勢(shì)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，其主要思想為:將評(píng)判因子作為學(xué)習(xí)樣本輸入,用網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出作為評(píng)判結(jié)果，與目標(biāo)矢量（可能的突水含水層）之間的誤差來(lái)修改其權(quán)值,使輸出值與期望值盡可能地接近。徐中杰[14]等人采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)峰峰礦區(qū)梧桐莊礦的突水水源進(jìn)行了判別，結(jié)果證明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦井水源能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的判別。雖然BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很多其它方法不具備的優(yōu)點(diǎn)，但也并不能取代如聚類(lèi)分析、模糊綜合評(píng)判等其它評(píng)價(jià)方法，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法的學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本需要通過(guò)這些方法來(lái)獲得，而且在混合水樣判別時(shí)，BP網(wǎng)絡(luò)雖然能夠予以識(shí)別，卻不能給出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果。4.4GIS理論及可視化模型地理信息系統(tǒng)（GIS）的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，在礦井突水方面，GIS也發(fā)揮了重要作用。孫亞軍[15]等建立模糊綜合評(píng)判模型，并基于GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，利用GIS可視化技術(shù)將判別結(jié)果直觀地顯示出來(lái)，不但實(shí)現(xiàn)了突水水源的點(diǎn)查詢(xún)，還實(shí)現(xiàn)了突水空間分區(qū)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)簡(jiǎn)便易行，可高效準(zhǔn)確地完成未知突水水樣的水源判別。雖然它依賴(lài)于模糊綜合評(píng)判等水源判別方法，但實(shí)現(xiàn)了判別結(jié)果的可視化，仍有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。4.5MMH支持向量機(jī)法SVM（支持向量機(jī)）是基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理的新興的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法，更適用于小樣本的識(shí)別問(wèn)題，MMH(maximalmarginH-SVMs)是近年來(lái)剛提出的一種多水源分析的支持向量機(jī)模型，是基于SVM最大間隔逐層分類(lèi)、最小間隔逐層聚類(lèi)構(gòu)造H支持向量機(jī)。閆志剛[16]等提出了MMH支持向量機(jī)模型，并對(duì)焦作礦區(qū)的資料做了實(shí)例分析，結(jié)果表明MMH-SVMs非常適合于礦井水源識(shí)別，不僅預(yù)測(cè)精度較高，而且其層次結(jié)構(gòu)能很好地反映水源類(lèi)型的層次關(guān)系，各子SVM的法向量還能反映水源識(shí)別因子的權(quán)重。但其只能進(jìn)行線性分析，對(duì)非線性分析尚未得到推廣。4.6可拓識(shí)別法可拓識(shí)別法是研究事物拓展的可能性和開(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律的新學(xué)科[17]。張瑞剛[18]等以水質(zhì)指標(biāo)為判別因子，應(yīng)用可拓識(shí)別方法，建立了謝橋礦井突水水源判別模型，提出以各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值F來(lái)量化各指標(biāo)的識(shí)別能力，并作為確定權(quán)重的依據(jù)，結(jié)果表明其正確率高于模糊綜合評(píng)判和灰色關(guān)聯(lián)度法。5結(jié)語(yǔ)綜上所述，判別礦井突水水源的方法很多,每種方法都取得了實(shí)際的應(yīng)用效果，但每種方法各有其自身的特點(diǎn),同時(shí)也存在一定的局限性。針對(duì)不同情況,如何從方法上揚(yáng)長(zhǎng)避短,將多種評(píng)判方法綜合起來(lái)相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井突水水源的準(zhǔn)確判別是目前礦井突水水源判別中亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)應(yīng)注意，既不要片面地追求評(píng)價(jià)結(jié)果的唯一性而漏掉對(duì)礦井突水有比較顯著影響的水源，也不能忽視評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性而隨意虧大突水水源的范圍，只有結(jié)合礦井水文地質(zhì)實(shí)際條件，利用各種方法進(jìn)行綜合分析，才能得出正確的判別結(jié)果。參考文獻(xiàn)：[1]楊永國(guó)，黃福臣.非線性方法在礦井突水水源判別中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（3）：283-286.[2]袁文華，桂和榮.任樓煤礦地溫特征及在水源判別中的應(yīng)用[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，25（4）：9-11.[3]高衛(wèi)東，何元東，李新社.水化學(xué)法在礦井突水水源判斷中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2001，28（5）：44-45.[4]趙同謙，張彥紅.利用水化學(xué)數(shù)據(jù)判別礦井突水水源方法探討[J].1996，15（4）：34-39.[5]潘國(guó)營(yíng)，王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