（环境科学专业论文）基于matlab的潘三矿地下水水化学场分析及突水水源判别模型.pdf

g r o u n d w a t e r h y d r o c h e m i s t r yf i e l da n a l y s i sa n d d i s c r i m i n a t i n gmodelrlminating 0e l0 f tw a t e r i n r u s hs o u r c ei n p a n s a nm i n eb a s e do nm a t l a b a b s t r a c t d i s c r i m i n a t i n gt h es o u r c eo fc o a lm i n ew a t e r i n r u s hq u i c k l ya n dc o r r e c t l yi s t h ep r e c o n d i t i o no fw a t e rc o n t r 0 1 m a t l a bi sal a r g es o f t w a r ef o rs c i e n t i f i c c o m p u t i n ge n v i r o n m e n ta n de a s y t ou s e w i t hi t sn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d s i m u l a t i o na n a l y s i sp o w e r ，i ti ss i g n i f i c a n tf o rt i m e l ya n de f f e c t i v ep r e v e n t i o na n d t r e a t m e n to fm i n ew a t e rd a m a g et or e s e a r c ho nm e t h o d so fd i s c r i m i n a t i n g w a t e r i n r u s hs o u r c ea n dt ob u i l das c i e n t i f i ca n de f f e c t i v ed i s c r i m i n a t i n gm o d e l t h i sp a p e rc h o o s e st h em a i nw a t e r i n r u s ha q u i f e rs y s t e mi np a n s a nm i n ea st h e r e s e a r c ha r e a ，c o l l e c t sa n da n a l y z e st h eg r o u n d w a t e rl e v e la n dh y d r o g e 0 1 0 9 i c a ld a t a o ft h ep a s ty e a r s ，s t u d i e st h eg r o u n d w a t e rl e v e ld y n a m i c s ，w a t e rc h e m i c a lt y p e s ， c h a r a c t e r i s t i ci o n s ，h y d r o c h e m i s t r yf i e l do fd i f f e r e n ta q u i f e r si nt h em i n ea n d d i s c r i m i n a t i n gm o d e lo fw a t e r i n r u s hs o u r c e ( w a t e r i n r u s hs o u r c ef r o md i f f e r e n t a q u i f e r so rf r o md i f f e r e n tm i n es a n d s t o n ea q u i f e r s ) r e s u l t ss h o w ： ( 1 ) t h eg r o u n d w a t e ri nt h e4 t hc e n o z o i ci s as i n g l et y p eo fc i - n a + k ； w a t e r - t y p e s i nt h es a n d s t o n e a q u i f e r s a r ec i n a + k ，c i h c 0 3 - n a + ka n d h c 0 3 - c 1 - n a + k t h r o u g ht h ec o n t r a s tm a pi o nc o n c e n t r a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h e 4 t hc e n o z o i cw a t e rh a sh i g h e rc 1 。a n ds 0 4 扣c o n t e n t st h a nc o a lw a t e r ；o nt h e c o n t r a r y ，t h ec o a lw a t e rh a sh i g h e rh c 0 3 。c o n t e n t ，a n dt h ec a z + a n dm g z 十c o n t e n t s b e t w e e nt h e4 t hc e n o z o i cw a t e ra n dt h ec o a lw a t e ra r en o tm u c hd i f f e r e n t a f t e r d r a w i n gb o xc h a r t s ，c l a s s i f i c a t i o no fp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n da n a l y s i so f v a r i a n c e ，i ti sf o u n dt h a th c 0 3 。a n d8 0 4 2 。p l a ym o r ei m p o r t a n tr o l e si ni d e n t i f y i n g t h e4 t hc e n o z o i cw a t e ra n dc o a lw a t e r ( 2 ) b yv i s u a la n a l y z i n gt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n o fc h a r a c t e r i s t i ci o n s ( s 0 4 厶， h c 0 3 ) a n dt d si nt h em a i np o u r i n gw a t e ra q u i f e r s ，i ti sf o u n dt h a tw i t ht h e4 t h c e n o z o i cw a t e rl e v e ld e c r e a s i n g ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fc h a r a c t e r i s t i ci o n s ( s 0 4 p ， h c 0 3 。) a n dt d si n c r e a s ea n dt h et o t a ld i r e c t i o no ft h e4 t hc e n o z o i cw a t e rf l o wi s f r o mt h es o u t h e a s tt ot h en o r t h w e s t ；t h ec o n c e n t r a t i o no fs 0 4 2 i nt h ec o a lw a t e r c h a n g e sc o m p l e x l y ，t h er u l ei sn o to b v i o u s ；t h et o t a ld i r e c t i o no fh c 0 3 。a n d t d s c h a n g i n ga r es i m i l a r ：i n c r e a s i n gf r o mt h en o r t h e a s tt ot h es o u t h w e s ti np a n s a n c o a l f i e l d ；w i t ht h ec o a lw a t e r1 e v e ld e c r e a s i n g t h ec o n c e n t r a t i o n so fh c 0 3 a n d t dsin c r e a s ea n dt h et o t a ld i r e c t i o no ft h ec o a lw a t e rn o wi sf r o mt h en o r t h e a s tt o t h es o u t h w e s t ( 3 ) d i s c u s s i n g t h ea p p l i c a t i o no fb a y e ss t e p w i s ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o d ， f u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d ，d e g r e eo fg r e yi n c i d e n c em e t h o da n db pn e u r a l n e t w o r k si nd i s c r i m i n a t i n gw a t e r i n r u s hs o u r c ef r o mt w om a i na q u i f e r s ( t h e4 t h c e n o z o i ca q u i f e ra n dt h em i n es a n d s t o n ea q u i f e r ) i nd i s c r i m i n a t i o na c c u r a c y ，t h e d e t e r m i n i n ge f f e c to fn e u r a ln e t w o r km o d e l ( 9 5 6 5 ) i sb e t t e rt h a nt h eo t h e r s ， f o l l o w e db yf u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o db a s e do nt h ed e v i a t i o nw e i g h i n ga n d d e g r e eo fg r e yi n c i d e n c em e t h o d ( 8 2 6 1 ) ，a n df u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d b a s e do nb i a s i n gw e i g h t i n gi st h ew o r s t ( 6 5 2 2 ) ( 4 ) d i s c u s s i n gm e t h o d so fd i s c r i m i n a t i n gw a t e r i n r u s hs o u r c ef r o md i f f e r e n t m i n es a n d s t o n ea q u i f e r s ，a n dt r y i n gt oe s t a b l i s ht h ew a t e ri n r u s hd i s c r i m i n a t i o n ( b 8 &c13 ) m o d e lo fs v m ，i ti s r i g h tt oi d e n t i f y 10u n k n o w nw a t e rs a m p l e s t h e n c o m p a r i n gi t w i t ho t h e rm e t h o d s ，t h er e s u l t ss h o wt h ec l a s s i f i c a t i o nf u n c t i o no f s v ma l g o r i t h mh a sf a s t e ro p e r a t i o na n dh i g h e rd i s c r i m i n a t i o na c c u r a c y ，s oi tc a n d i s t i n g u i s ht h ew a t e ro nt h el e v e lo fb8 c13q u i c k l ya n de f f e c t i v e l y ( 5 ) t h eg r o u n d w a t e rl e v e l si nt h e4 t hc e n o z o i ca q u i f e ri np a n s a nm i n ei s a f f e c t e db yp r e c i p i t a t i o na n dc h a n g ew i t hs e a s o n t h ed y n a m i cc h a n g e so ft h e g r o u n d w a t e rl e v e l si nt h em i n es a n d s t o n ea q u i f e ri nt h ep a n s a nm i n en e e dt ob e f u r t h e rs t u d i e d k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e rh y d r o c h e m i s t r yf i e l d ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) ； d i s c r i m i n a t i o nm o d e lo fi n r u s h e dw a t e rs o u r c e s ；p a n s a nc o a l f i e l d ；m a t l a b 插图清单 2 1 潘三井田交通位置示意图一5 2 2 潘三矿代表性地面水文观测孔平面分布示意图1 0 2 3 潘三矿长观孔地下水位动态图1 1 2 - 4 潘集下含2 0 0 3 年1 月等水位线1 2 2 5 潘集下含2 0 0 7 年1 月等水位线1 2 3 1 潘三矿水样点分布图15 3 2p i p e r 三线图解1 6 3 3 潘三矿地下水水化学p i p e r 三线图1 6 3 4 潘三矿各含水层离子浓度对比图1 7 3 5 直接充水含水层特征指标箱图1 9 3 6 潘三矿水样点分类主成分分析图一2 1 3 7 下含s 0 4 2 浓度变化网格图2 5 3 8 下含h c 0 3 浓度变化网格图2 6 3 - 9 下含t d s 浓度变化网格图2 7 3 1 0 下含s 0 4 2 浓度等值线图2 8 3 1 1 下含h c 0 3 浓度等值线图2 9 3 1 2 下含t d s 浓度等值线图3 0 3 1 3 煤系s 0 4 2 浓度变化网格图3 1 3 1 4 煤系h c 0 3 浓度变化网格图3 2 3 15 煤系t d s 变化网格图浓度3 3 3 1 6 煤系s 0 4 2 浓度等值线图3 4 3 1 7 煤系h c 0 3 浓度等值线图3 5 3 18 煤系t d s 浓度等值线图3 6 4 1b p 网络结构示意图4 7 4 2b p 网络运行结果4 9 4 3 线性可分情况下的最优分类线5 0 4 4s v m 模型分类结果示意图5 3 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 2 1 潘三矿代表性地面水文观测孔信息1 0 3 1 分类主成分分析总揽表2 1 3 2 分类主成分分析r 型因子载荷表2 1 3 3 各离子指标的方差分析表2 3 3 - 4 离子比的方差分析表2 4 4 1 潘三矿突水水源判别建模样本数据3 8 4 2 贝叶斯预测结果4 1 4 3 方差分析表4 3 4 4 模糊综合判别模型的预测结果4 3 4 5 灰色关联度分析判别模型的预测结果4 7 4 6b p 网络判别仿真结果4 9 4 7 突水水样训练和预测样本5 3 4 8s v m 模型预测结果5 4 4 9b p 神经网络预测结果5 5 4 1 0s v m 判别模型与其他判别模型预测结果对比5 6 表表表表表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一r 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特另l j j j n 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金里些叁堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：随鲡签字日期：砂年伽罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 巴工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目巴些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 灞确 签字胁舻年竹节p 学位论文作者毕业后去向： j i ：f f - - 单位： 通讯地址： 导师签名： 织绔瞧7 辩醐哞解7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，我衷心地感谢导师钱家忠教授、李佩全教授级高工以及 刘登宪高级工程师。在三年的读研期间导师不仅传授我知识、给予我指导和关 心，更以其师长风范教育我如何做人、做事。在完成整个毕业论文期间，导师 更是倾注了大量的心血，从论文选题、开展调研到定稿一直在予以指导和修正， 使得我的论文任务能如期圆满完成。在此，谨向导师表示我真诚的感谢! 感谢在我的论文准备及写作期间给予我帮助的赵卫东老师，感谢读研期间 传道授业的环境工程系的各位老师。 感谢张瑞钢、杨梅、关秋红、吕纯、张春雷、马雷等同学在项目进行中予 以的帮助；感谢林曼利、曹雪春、周小平等师妹、师弟们，他们在硕士期间的 生活和学习上给予了我关心及帮助。 感谢淮南矿业集团武兴楼老师、刘满才老师，吴长信老师、程玉琴老师； 感谓十潘三矿地测、防水方面杨科长、赵勇工程师等。他们在项目完成过程中给 予了很多的帮助与配合，在此表示由衷的谢意! 再次向所有帮助过我的人们表示由衷的谢意，谢谢他们在我的研究生就读 期间给与的关心和帮助，愿万事如意! 作者：潘婧 2 0 10 年4 月2 0 日 第一章绪论 1 1 选题目的 煤炭是我国的基础产业，煤矿的水文地质条件非常复杂，在我国煤炭生产 的过程中，水害事故频繁发生，矿工的人身安全、经济发展都蒙受了巨大损失 j 。赵爱萍以0 6 年统计的资料为基础，对我国煤矿发生的水害事故进行了分析， 2 0 0 5 和2 0 0 6 年全国发生的煤矿水害事故不下百起【2 j 。水文地球化学是研究地 下水化学成分的形成作用及化学元素在其中迁移的规律。水文地球化学技术依 据地下水系统中天然的化学、物理及同位素成分的分布及变化规律，分析和了 解地下水的输入及输出( 即补给、径流和排泄) 特征，含水层本身的结构特征， 从而达到对地下水探查的目的。矿井突水是我国煤矿开采中经常遇到的主要地 质灾害之一，也是制约许多矿区生产活动和可持续发展的重要因素，其表现形 式通常多种多样，取决于突水点( 带) 的位置( 顶、底板、侧帮) 及围岩岩 性、通道、水量大小及时间等，多年来对矿井水害的预防和治理一直成为相关 领域科学、工程和生产工作者关注和实施的重要课题【3 。5 】。6 0 年代以后，水文 地质工作密切注意探索地下水在地壳岩层中所起的地球化学作用。这种地球化 学作用包括地球表部的外生循环与地壳下部及地慢中的内生循环。实际上，地 下水本身是一种地质营力，水文地球化学的研究对象不仅是地下水本身，而且 应该揭示地下水活动过程中各种水文地球化学作用对各种地质现象的影响和关 系。当地下矿井发生突水涌水事件时，相关的工作人员必须快速正确的判别突 水水源，采取相应的治水措施，与此同时，要研究与矿井突水水源相联系的其 他水体的水文地球化学特征，挖掘研究所需的有用的水文地球化学特征信息 【6 7 1 o 潘三矿井主要充水含水层为新生界底部砂砾含水层、煤系砂岩及煤系底板 岩溶含水层，而本矿区风化砂岩具弱透水性，新生界下部含水层水在受煤层采 动影响下，通过砂岩裂隙不同程度地导入矿坑，成为矿坑涌水的重要充水水源 之一。此外，太灰水、奥灰水均与下含有水力联系，本矿井为水文地质条件复 杂类型【引。 m a t l a b ( m a t i r xl a b o r a t o r y 即矩阵实验室) 是一种庞大的且极易使用的科 学计算软件，它为工程师、科学家以及其它专业技术人员提供了数值计算和图 形显示的交互式系统【9 j 。m a t l a b 的一大特点是有一系列专门应用软件，称之为 “工具箱”。“工具箱”是由m a t l a b 函数库组成的，它为某些特殊的研究领域 提供了有力的工具。m a t l a b 系列产品为开发、分析、设计、仿真和解决最复杂 与关键性技术问题等方面提供了独特而有效的方法【1 0 】。m a t l a b 有丰富的预先定 义好的命令和函数，集科学计算、图形可视、文字处理于一体。m a t l a b 具有如 下强大功能：( 1 ) 大量的数值计算功能；( 2 ) 图形可视功能；( 3 ) 交互式动态系统 建模仿真；( 4 ) 完善的可编程体系；( 5 ) 几十个不同扩展工具箱，可应用于特殊 的专业应用领域；( 6 ) 与外部进行数据交换，可进行实时数据分析、处理和硬件 开发等【l 卜1 3 j 。因此，借助m a t l a b 数值计算和仿真分析的强大功能，研究矿井突 水水源判别的方法，建立科学有效的突水水源判别模型，对矿井及时有效的防 治水害具有重要的意义。 1 2 选题意义 开展本项研究，不仅可以丰富和完善矿井水害防治理论，同时可以达到提 高潘三矿安全生产管理的现代化水平，且为潘三矿井防治水实践提供技术支持， 同时也为同类地区的其它煤田防治水工作提供技术参考。 1 3 国内外研究现状 现在，“水文地球化学”作为一门独立的学科已经得到长足的发展，其服 务领域不断扩大，其研究方法也日益完善【l4 1 。早期主要通过围绕查明区域水文 地质条件，展开水文地球化学工作，从而取得了地下水的勘探开发利用这方面 的成果【l 川。使用地下水化学成分资料，尤其在查明地下水的补给、迳流与排泄 条件，以及说明地下水成因与资源的性质上，水文地球化学发挥了很好的效果。 在二十世纪六十年代之后，水文地球化学更加注重地下水在地壳层中所起的地 球化学作用，向更深更广的领域延伸【1 6 】。在1 9 8 1 年，s t u m mw 等提供了各种化 学过程的方法在定量处理天然水环境中的应用【i 7 1 。到1 9 8 5 年水文地球化学的研 究方法，己逐步形成了五十多个地球化学计算软件，使地球化学模拟( 分别为 化学热力学模拟和化学动力学模拟) 引向深入。1 9 9 2 年，c p 克拉依诺夫8 。1 9 】等 著水文地球化学，在书中系统的论述了水文地球化学研究的理论问题和水 文地球化学在饮用水、地下热水、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟 中的应用等，反映了2 0 世纪8 0 年代末期水文地球化学方面的研究水平。这表明 了二十世纪八十年代后水文地球化学方面研究水平，尤其是近二十年来，水文 地球化学研究中计算机科学的飞速发展使得其中一些非线性问题得到解答 2 0 l 。 在国外，煤矿的开采已经有一百多年的历史，在研究煤矿突水机理和识别 突水水水源方面有着丰富的经验【2 1 1 。比如前苏联学者提出了煤层底板突水，从 底板成压的角度可以推导出安全水压值。同时，国外积极研究防治水害的方法， 并发展了探测水害发生技术，为预防水害做出了贡献。 突水水源判别的首要任务是找出代表每个含水层地下水特征的标型组分 ( 气体、化合物、微量元素和同位素等) ，在标型组分基础上，对突水的来源 进行识别。常用方法有p ip e r 三线图法、不同标型组分含量相关关系法、单个标 型组分含量值域法及人工示踪法。葛中华【22 】等对徐州某矿井地下水系统中的奥 陶系灰岩含水层、太原组灰岩含水层、山西组砂岩裂隙含水层、第四系及煤系 含水层水文地球化学特征使用水化学常规的方法进行分析，为矿井突水水源判 别提供了水文地球化学的证据。桂和荣、陈陆望采用了水化学方法对皖北煤矿 的地下水化学特征和水源判别模式的研究探索。成春奇【2 引、李明山【24 1 、汪世花 副等使用常规水化学特征的方法判别突水水源，取得了比较好的效果。总而言 之，矿井突水水源可以从以下两个角度进行判别： 一是从突水机理角度判别矿井突水水源，水害来源的分析依据的是岩体力 学，地下水渗流场理论等。杨武洋【2 6 1 、李百贵27 1 、袁智 2 8 1 等从力学的角度研 究矿井突水原因并提出相应的防治对策。其中杨武洋等对梧桐庄矿某采煤工作 面运作时的地应力变化进行检测分析提出了出水预测意见；李百贵通过水力连 通试验来判断工作面出水水源；袁智等探讨超化井田底板灰岩突水原因，将地 质构造学与矿山压力理论结合，并提出防水方案，都取得了理想的效果。 二是从突水资料数据分析的角度来获取地下水中所包含的水文地球化学信 息，再对有用的水文地球化学信息进行筛选分析，进而判别突水水源。佟凤健 【2 9 】、刘现宣【30 1 、杜希山 3 1 1 等采用了不同的水文地球化学研究方法，包括水化 学分析法、特征离子比值、水化学循环及水岩作用分析等，对研究的矿区进行 突水水源识别，效果较理想。 由此可见，采用传统的水化学研究方法判别相对简单的突水水源效果较好， 然而当遇到水质类型复杂，或突水水源水质相似的情况时，传统的水化学方法 往往不能奏效，这就需要采用其他的手段进行突水水源判别。一些不确定性数 学和统计学手段如模糊综合评判法、灰色关联度分析、人工神经网络识别技术 等的引入以及与计算机的日益紧密的结合为判别水源开辟了新的天地，判别方 法增多，判别结果方面也有很大的发展。计算机技术给予了水源判别工作综合 使用各种方法的平台。刘传韬、潘树仁、陈学星等借鉴在防治水实践方面的权 威专家的经验和知识，结合影响水害的各种因素，建立了突水专家评分系统， 使得矿井水害预测的成功率和正确率大大提高3 2 彤】。武强等【3 5 】介绍了新型软件 系统v i s u a lm o d f l o w ，并结合我国矿井的水文地质特点综合分析论证了它在我 国矿井防治水领域的应用前景。 在灰色系统理论运用方面：李栋臣、周立功、高卫东等【3 6 0 8 】采用灰色关联 度分析进行矿井突水水源判别，判别结果准确，其中用到的关联因子包括水质 类型，离子比例，各层位水位变化与突水量关系等。在模糊数学运用方面：樊 京周，李明山，夏筱红采用模糊综合判别方法，结合矿井突水水样检测的离子 含量等信息，建立了模糊综合评判突水水源模型，并进行了应用实践，结果可 胆；【3 9 4 2 】 i 口 。 在神经网络运用方面，魏永强【43 】等采用人工神经网络技术，结合影响突水 水源的多种综合因素，建立神经网络模型，对样本进行训练，判别结果正确， 方法可靠。多类逐步线性判别方法是以贝叶斯理论为基础的，在多元统计分析 方面应用最广，适用于判别未知水样【4 4 47 1 。 在微量元素和同位素运用方面，微量元素识别法【48 j 和环境同位素识别法是 目前研究的两种方法，在国内有实践价值的应用还没有【4 9 。5 2 】。宋晓梅5 3 5 5 1 等采 3 取淮北煤矿主要含水层水样，检测分析其中的微量元素含量，建立微量元素的 b a y e s 多类线性判别模型。桂和荣等测试了北矿区a g 、a 1 、a s 、b a 等2 0 种微 量元素，建立了主成分分析模型，实现了的微量元素的主成分分析和地下水主 成分解释【55 i 。 同位素分析技术随着时代的发展，越来越多的被应用到地质领域。胡中信 1 5 6 等，介绍了同位素方法在分析矿井水文地质条件，及计算地下水补给源高程 等方面的应用，并为有效防治矿井出水提供了新的依据和方法。 综上所述，水文地球化学方法是研究地下水分布特征和其化学成分的有力 手段，为突水水源判别模型的建立作了必要的铺垫；矿井突水水源判别模型研 究随着新技术、新方法的不断引入，必将在矿井水害防治工作中发挥巨大的作 用。 1 4 本文主要研究内容 本文结合淮南矿业集团委托项目“淮南煤田地下水化学特征及其快速判别 信息系统、( 2 0 0 5 0 3 0 1 ) 、新世纪优秀人才计划项目( n c e t - 0 6 0 5 4 1 ) 以及国家自 然科学基金面上项目( 4 0 8 7 2 1 6 6 ) 研究，以潘三井田为研究对象，在分析查明井 田各主要含水层的水文地球化学特征的基础上，建立淮南潘三矿井采煤工作面 的突水事件中突水水源的判别模型。围绕以上内容，本文具体的工作包括： ( 1 ) 通过对研究区的调研及地下水水文地质资料的收集与整理，弄清区域 地质构造特征及水文地质条件，掌握与课题相关的水文地球化学背景值，了解 含水层地层岩性及地下水赋存规律，根据研究区水文观测孔多年的统计资料， 分析矿区各含水层的水位动态变化规律； ( 2 ) 根据研究区直接充水含水层的地下水水化学成分( c a 2 + 、k + + n a + 、 m 9 2 + 、c i 。、s 0 4 2 。、h c 0 3 。) 的分布特征，分析各含水层地下水水化学特征，找 出各层的特征离子，并进一步对研究区进行地下水化学场可视化，归纳直接充 水含水层的特征离子分布规律； ( 3 ) 基于m a t l a b 软件，选取水化学分析中适合模型判别的判别因子，首 先运用贝叶斯多类线性逐步判别、模糊综合判别、灰色关联度分析以及b p 神 经网络原理建立研究区突水水源判别模型，对下含和煤系两个直接充水含水层 的水样分别进行判别，然后再针对煤系突水含水层组内分类的情况，尝试使用 使用支持向量机( s v m ) 法建立b 8 组、c1 3 组煤系突水水源判别模型，并对 建立的模型进行检验。 4 第二章研究区概况 2 1 自然地理概况 2 l1 井田位置及交通 潘三煤矿位于淮南市西北部的潘集区，配套选煤厂设计年入选能力3 0 0 万 吨。矿井东西走向约93 公里，南北倾斜宽约5 8 公里，井田面积约5 4 平方公 里。潘三井田交通极为方便，合阜铁路贯穿淮南矿区，有专用线支线直达该矿， 淮南铁路公路两用桥和淮南老矿区相邻。 = = = 一= = 一 图2 - 1 潘三井田交通位置示意圈 2 12 水文、气象 1 、水文 淮河为邻近本区主要河流，流经淮南，水位一般标高为+ 1 5 m 。历史最高洪 水位标高为+ 2 5 6 3 m ( 1 9 5 4 年7 月2 9 日用家庵水电站) 。堤面标高+ 2 7 0 7 m ，泥 河流经本井田北部，由西北向东南经青年闸流入淮河，沿岸地势低洼，雨季淮 河水位上涨易成内涝，内涝水位为+ 2 22 m 。 2 、气象 本区属过渡型气候季节性明显，夏季炎热，冬季寒冷。年平均的气温15 1 ，极端最高气温4 12 ( 6 6 年8 月8 日) ，极端最低气温2 2 8 ( 6 9 年1 月3 l 同) 。 年平均降雨量9 2 63 m m ，最大1 7 2 35 m m ( 1 9 5 4 年) ，最小4 7 1 9 r a m ( 1 9 6 6 年) ，日最大降雨量3 2 04 4 m m ，小时最大降雨量7 53 r a m ，降雨多集中在6 、7 、 8 三个月，约占全年的4 0 。年平均蒸发量1 6 1 0 1 4 m m ，水面最大2 0 0 8 1 m m ( 1 9 5 8 年) ，最小12 6 1 2m m ( 19 8 0 年) 。春夏两季多东南风、东风，秋季多东南、东 北风，冬季多东北、西北风，平均风速3 1 8m s ，最大风速2 0m s 。年初霜在 1 1 月上旬，终霜期为次年4 月中旬，无霜期19 1 一2 3 8 天。初雪一般在1 1 月上 旬，终雪在次年3 月中旬，雪期7 2 1 2 7 天，最长13 8 天，最短2 6 天。 2 2 矿区水文地质 2 2 1 区域水文地质概况 潘三矿新生界松散层下部含水组直接覆盖在煤系地层之上，对煤系砂岩裂 隙含水层进行渗透补给。对于煤系及其以下地层由于南北两条逆冲断层的阻水 作用，阻止裸露区的水源补给，加之斜切断层的分割，形成了封闭半封闭型的 水文地层单元。 本矿区主要充水含水层属第四系底部砂砾含水层及底板岩溶含水层，而本 矿区风化砂岩具弱透水性，新生界下部含水层水在受煤层采动影响下，通过砂 岩裂隙不同程度地导入矿坑，成为矿坑涌水的重要充水水源之一。此外，太灰 水、奥灰水均与下含有水力联系，本矿井为水文地质条件复杂类型。 2 2 2 水文地质条件 l 、井田内主要含水层为新生界空隙含水组，煤系砂岩裂隙含水组及灰岩岩 溶裂隙含水组三部分组成。现由新至老分述如下： 新生界松散层沉积厚度18 6 5 4 m ( 水( 三) 3 孔) 一4 8 3 5 5 m ( x1 v xv5 ) ， 总体由东南向西北增厚，工厂附近古地形隆起处最薄。按地层对比和岩相组合 特征分为三个含水组，二个隔水组，其特征如下： ( 1 ) 上含含水组： 组厚l0 1 3 5 l3 12 m ，平均12 0 9 3 m ，其中砂岩厚7 7 8 8 m 。自地面以下3 0 m 左右，以土黄色砂质粘土为主，夹薄层砂土及浅灰、深灰色粉细砂薄层，属潜 水。承压水，受大气降水及地表水体渗入补给，富水性较弱，水质属h c 0 3 c a m g 型。该段底部砂质粘土对地表水与深部含水层起隔水作用。3 0 m 以下以浅灰及 灰黄色中细砂为主，局部为含砂中粗砾，砂岩占该段厚8 5 。成份为石英，多 白云母片及黑色矿物，松散。据水( 三) 2 孔抽水试验成果，单位涌水量1 4 0 6 l s m ，渗透系数4 6 5 6m d ，原始水位标高+ 2 0 2 3 m ，水质h c 0 3 c a m g k + n a 型，矿化度0 3 7 0 9 l ，水温16 。c ，水量充沛，水质良好，为生活饮用水水源。 ( 2 ) 上部弱隔水层( 组) ： 层厚0 4 4 8 1 0 m ，平均2 4 m ，岩性为灰黄色，灰绿色及棕黄色砂质粘土， 局部含砂层，厚度薄，分布比较稳定，在不破坏水力均衡条件下，具有一定的 隔水作用。 ( 3 ) 中部含水组： 组厚4 8 4 17 1 7 4 m ，平均1 4 1 7 9 m ，其中砂层厚11 1 7 7 m ，约占组厚7 8 ， 6 以浅灰绿色中砂为主，次为细纱及粗砂，局部夹由钙质及钙硅质胶结成砂岩盘， 质坚硬。其间央粘土及砂质粘土0 17 层，厚度0 6 1 0 6 m 。据其中上部抽水资 料，单位涌水量为o 2 6 9l s m ，原始水位标高+ 2 0 4 6 m ，水温1 8 ，矿化度1 7 6 0 g l ，水质c 1 k + n a 型。本组在十二线南部附近隆起部位变薄，并直接覆盖在 基岩上。 ( 4 ) 中部隔水组： 组厚0 8 9 7 5 m ，平均6 7 0 3 m ，本组全区分布稳定，仅在古地形隆起处变 薄或缺，岩性以浅灰绿夹棕黄色粘土及砂质粘土为主，致密、粘韧、具膨胀性。 其间夹分布不稳定的砂，砂砾层o 8 层，累厚0 3 9 5 0 m ，占组厚2 4 左右，本 组隔水性较好。 ( 5 ) 下部含水组： 组厚0 8 3 3 m ，平均5 9 2 4 m ，其中砂层厚3 9 8 6 m 。直接覆盖于煤系地层之 上，由东南往西北，沿基岩低凹面分布。岩性以含泥砂砾层为主，其次粉细砂， 砾石为石英岩、石英砂岩、岩浆岩，偶见灰岩砾，砾径在5 2 0 m m 左右，结构 疏松。砂砾层累厚0 6 5 9 2 m ，约占组厚6 7 ，单位涌水量o 5 5 8 0 8 2 1l s m ， 原始水位标高+ 2 4 3 6 一+ 2 5 1 8 m ，渗透系数1 9 3 8 2 3 6 7m d ，水温2 6 2 8 5 ， 矿化度2 3 8 6 2 4 5 2g l ，水质c i k + n a 型，补给水源贫泛，以储存量为主。后 由于受开采影响，已在井田内形成降落漏斗，现在水位临近潘一矿的东四采区 已下降到10 m 左右，线以西也下降到7 m 。 2 、基岩含、隔水组： ( 1 ) 风化带弱隔水层： 本矿区风化带厚约3 0 4 0 左右，在工业广场古地形隆起处风化带较厚，最 厚可达5 0 m 左右，在钻孔泥浆钻进过程中基本不漏。但在中央井筒附近，古隆 起处，施工工程钻孑乙时，发现大量漏失，最大达3 0 m 3 h 左右，根据现场取芯情 况，风化泥岩无裂隙或细裂隙被充填，隔水性较好，风化砂岩局部裂隙较发育， 部分裂隙被泥质物质充填，故风化砂岩具弱透水性。 总之，在正常情况下，风化带对新生界下含水与煤系砂岩水起相对阻隔作 用，当矿井开采造成煤系砂岩含水层水位下降时，新生界下部下含水可能通过 风化砂岩局部地段渗透补给。 ( 2 ) 二叠系砂岩裂隙含水组： 正常砂岩分布于煤层与泥岩、砂质泥岩之间，砂岩裂隙不甚发育，全区共 有18 9 个孔揭露，其中有8 个钻孔漏水，漏水孔率4 2 ，主要漏水部分为1 1 煤顶、底板砂岩及18 煤以上部分层段砂岩。据xi i i x 3 孑l1 1 煤顶底板砂岩 漏水段抽水试验，单位涌水量o 0 l3 3l s m ，渗透系数o 0 3 9m d ，水位标高 + 2 2 8 3 m ，矿化度2 3 6 0g l ，水温2 9 ，水质h c 0 3 c i k + n a 型。流量呈衰减 变化趋势，恢复水位三天，比原来水位低3 2 5 0 m 。 主井检查孔和中央风井检查孔2 3 煤及2 4 煤顶板砂岩抽水试验资料，单位 涌水量o 0 19 l 0 0 2 7 3l s m ，渗透系数0 0 7 4 0 0 8 9 9 m d ，水位标高 2 4 0 6 2 4 1 9 5 m ，矿化度2 0 0 5 2 0 3 4g l ，水温2 4 ，水质c i k + n a 型，抽水 后两孔恢复水位分别为7 8 h 和7 3 7 5 h ，其水位比抽水前水位分别低1 7 9 m 和 1 2 6 m 。上述资料表明补给贫乏，富水性较弱，以静储量为主且导水性差。 ( 3 ) 1 煤底板隔水组： 1 煤底板至太原组1 灰顶间距9 2 1 1 8 m ，平均1 5 5 2 m ，主要岩性为泥岩和 砂泥岩互层为主，局部夹细砂岩薄层，偶见细小裂隙，在正常状态下，具有一 定隔水作用。 ( 4 ) 石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水组： 本井田见狄岩钻孔3 9 个，其中穿透太原组钻孔4 个，平均组厚1 2 3 m ，含 灰岩1 2 1 3 层，灰岩平均总厚5 8 4 5 m ，占组厚4 7 。 本组灰岩岩溶裂隙发育不均，富水性差异较大，水位恢复缓慢，且低于抽 水前静止水位，故补给径流不畅，以静储量为主。 ( 5 ) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水组： 区内有四孔揭露奥灰，厚度为2 8 2 3 l0 8 8 8 m 不等，岩性以厚层白云质灰 岩为主，次为角砾状灰岩，夹薄层泥质灰岩，浅灰色微带肉红色，块状构造， 局部岩溶裂隙发育，见小溶洞。 由上述资料表明，奥灰含水层富水性差异较大，由弱强不等。 ( 6 ) 岩浆岩含水层： 见岩浆岩钻孔4 5 个，厚度4 0 7 7 7 7 9 m 不等，钻进岩浆岩段简易水文观测 均无明显漏失现象，说明裂隙不甚发育。据潘北井田十四十五2 2 和水四1 2 孔抽水资料，水位降深5 3 2 6 5 5 2 1r n ，单位涌水量0 1 1 2 o 0 0 4 7 6 l s m ，渗透 系数0 0 4 9 4 0 0 2 7 4 m d