（环境科学专业论文）基于gis的淮南老矿区地下水环境特征及突水水源判别模型.pdf

ag i s - b a s e dg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c sa 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 eo ft h eo l d c o a l f i e l di nh u a i n a n a b s t r a c t d i s c r i m i n a n t i n gt h es o u r c eo ft h ew a t e r - i n r u s he x a c t l ya n dq u i c k l yi st h e p r e c o n d i t i o no ft h ec o a l m i n eg r o u n d w a t e rr e m e d y g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i sah i g h l ye f f i c i e n tp l a t f o r mt od e a lw i t hs p a t i a li n f o r m a t i o n 。t h e e s t a b l i s h m e n to fg i s b a s e dd i s c r i m i n a t i n gm o d e li su s e f u lt od i s c r i m i n a t et h e s o u r c et h ew a t e r - i n r u s h q u i c k l yw h i c hi s o fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a f t e rr e f e r r i n gt om a n yr e l a t i v el i t e r a t u r ea b o u tt h ee o a l m i n eg r o u n d w a t e r p r e v e n t i o na n dr e m e d y ，t h i sa r t i c l ec h o os e st h eo l dc o a l f i e l di nh u a i n a na st h e r e s e a r c ha r e a ，a d o p t st h em e t h o d sc o m b i n e dt h et h e o r e t i c a l a n a l y z i n ga n dc a s e s t u d y ，c o l l e c t sa n da n a l y s e st h eh y d r o g e o l o g i c a l ，h y d r o g e o c h e m i c a la n dw a t e r c h e m i c a ll i t e r a t u r eo ft h ep a s ty e a r s b yp l o t t i n gt h ew a t e r 1 e v e lc o n t o u r so ft h e m a i na q u i f e r s ，t h e na n a l y s i st h e i rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e c h a r g e - d i s c h a r g e c o r r e l a t i o n s ；b ya n a l y s i n gt h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l eo l dc o a l f i e l d ， t a k e sk o n g j im i n ef i e l da sa ne x a m p l e ，c o m b i n e st h ee x p l o r ef u n c t i o no fs p s sa n d d t mf u n c t i o no fg i s ，t os t u d yt h ed i s t r i b u t i n gr u l e so ft h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e x e s a m o n gt h em a i na q u i f e r sa n di n n e ro n ea q u i f e r ，i no r d e rt ok n o wt h eg r o u n d w a t e r c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c e o fg r o u n d w a t e rc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa m o n gu n i t s ，t h eb a y e s 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 h i c hr e f l e c t st h ed i f f e r e n tu n i t sa r eb u i l t ，t h er e t u r n e dr e s u l t sa n de x a m p l e s d i s c r i m i n a t i o nr e s u l t sc a ni m p r o v ei t se f f i c i e n c y ；t h e nc r e a t e dt h eg r o u n d w a t e r c h e m i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h eo l dc o a l f i e l di nh u a i n a nb a s e do n t h eg i st e c h n i c a lw h i c hi se a s yt om a n a g ea n du s et h ec o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o n ，t o i n q u i r yt h eh y d r o - g e o l o g i c a l ，h y d r o g e o c h e m i c a la n dw a t e rc h e m i c a ll i t e r a t u r e w h i c hc a np r o v i d et h e r e u n d e r st ot h ed i s c r i m i n a t i o n t h ef i n a l l yr e s u l ts h o w s ： ( 1 ) t h ed y n a m i ct e n d e n c yo ft h ea q u i f e r s w a t e rl e v e l si sc o n t r o l l e db yr a i n f a l l ， a l s od u et ot h em i n i n gd r a i n a g ea c t i v i t i e s ，i n f l u e n c e db yt h eh u a ir i v e rl o c a l l y ； t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i m e s t o n ea q u i f e r s w a t e rl e v e li ns t u d ya r e ai sr e p l e n i s h e d e o n c e n t r a t e d l yi nr a i n ys e a s o na n dc o n s u m e dd u r i n gp e r e n n i a l l y ； ( 2 ) b yu s i n gt h ee x p l o r ef u n c t i o no fs p s s ，t h ef o u rc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e s a m o n gt h e m a i na q u i f e r sw h i c hh a v e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n c ea n d g r e a t d i s c r i m i n a t i o n a b i l i t y c a nb ef i l t r a t e df r o mt h en u m e r i c a lv a l u ed i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t i c ，t h e ya r e 【s 0 4 厶】、t d s 、p h 、t o t a lh a r d n e s s ；c o m b i n e dt h ed t m f u n c t i o no fg i s ，t h ew a t e r - l e v e lc o n t o u r so ft h ef i l t r a t e dc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e sa r e p l o t t e dt o r e f l e c tt h es p a t i a lc h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d w a t e rc h e m i c a l ，t h e n c o m b i n e dt h e h y d r o g e o l o g i c a l ，h y d r o g e o c h e m i c a l c o n d i t i o n sa n dm i n i n g a c t i v i t i e st oe x p l a i nt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ew e s ta n de a s ta r e a ； ( 3 ) t h eg i s - b a s e dm u l t i c l a s sl i n e a rd i s c r i m i n a t i n gm o d e l o fw a t e r - i n r u s h s o u r c eo fd i f f e r e n tu n i t si nk o n g jim i n ef i e l dw h i c hu s e st h eg e n e r a lw a t e r c h e m i c a li n d e x e sc a nr e f l e c tt h eh y d r o g e o l o g i c a l ，h y d r o g e o c h e m i c a lc o n d i t i o n s a n dt h ei n f l u e n c et ow a t e rc h e m i c a le n v i r o n m e n tb ym i n i n ga c t i v i t i e s ，i m p e r s o n a l l y a n de x a c t l y ；b yt h er e t u r n e dr e s u l ti n s p e c t i o na n de x a m p l e sd i s c r i m i n a t i o nr e s u l t s ， t h ee f f e c ta r eb e t t e r ； ( 4 ) t h eg r o u n d w a t e rc h e m i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h e o l d c o a l f i e l di nh u a i n a nb a s e do nt h eg i st e c h n i c a lw h i c hc a ne a s i l ym a n a g et h e c o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no ft h eh y d r o - g e o l o g i c a l ，h y d r o - g e o c h e m i c a la n dw a t e r c h e m i c a ll i t e r a t u r e ，t oi n q u i r ym a n yk i n d so fi n f o r m a t i o nc o r r e l a t e dw i t ht h e d is c r i m i n a t i o n k e y w o r d s ：t h eo l dc o a l f i e l di nh u a i n a mw a t e re n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c ；s o u r c e o fw a t e r - i n r u s h ；g i s ；ba y e sm u l t i c l a s sl i n e a rd i s c r i m i n a t i n gm o d e l ； 表格清单 表2 1 断层特征一览表1 2 表3 1 谢一矿地面水文观测孔信息一1 5 表3 2 孔集矿地面灰岩常观孔信息”2 1 表3 3 孔集井田奥灰含水层平面富水性分区2 6 表3 4 孔集井田太灰i 组含水层平面富水性分区”2 7 表3 5 计算出的各指标f 值3 4 表3 6 孔井主要突水含水层四个特征指标自西向东变化趋势及范围统计4 5 表3 7 孔井i i i i i 线剖面水样点信息4 6 表3 8 孔井v 线剖面水样点信息4 9 表4 1 孔集井田内a 组煤底板灰岩中断层组特征简表5 5 表4 2 孔集井田东、中、西部三块段划分详细信息6 0 表4 3 孔集井田b a y e s 多类线性判别模型详细信息6 3 表4 4 西部块段水样回判检验结果”6 4 表4 5 中部块段水样回判检验结果6 4 表4 6 东部块段水样回判检验结果6 5 表4 7b a y e s 多类线性判别函数结果比较”6 7 表4 8 模糊超标判别模型结果比较6 7 表4 94 5 号点判别结果7 0 表4 1 06 4 号点判别结果7 1 表4 116 5 号点判别结果7 1 表5 1 水文地质数据文件相关信息一览7 6 表5 2 谢一井田a 3 底板断层与突水点缓冲区分析”8 6 图件清单 图2 1 淮南矿区交通位置示意图一7 图2 2 淮南煤田水文地质分区略图“1 0 图2 3a a 八公山至明龙山推覆构造剖面1 0 图2 4 淮南煤田老区构造示意图1 0 图2 5 孔集并田砂层一煤系、砂层一奥灰直接补给区分布剖面示意图1 4 图3 1 谢一矿五个地面常观孔的空间位置1 6 图3 2 谢一矿灰岩水位变化与降雨量的关系图1 7 图3 3 1 9 9 7 年3 月老区西部孔集井田i 线i v 线奥灰与c 3 组灰岩水位等值线1 9 图3 41 9 9 7 年9 月老区西部孔集井田i 线i v 线奥灰与c 3 u i 组灰岩水位等值线1 9 图3 51 9 9 7 年3 月老区东部井田内奥灰与c 3 组灰岩水位等值线2 0 图3 619 9 7 年9 月老区东部井田内奥灰与c 3 组灰岩水位等值线2 0 图3 7 孔集矿九个地面常观孔空间位置2 2 图3 8 孔集井下疏水c 3 i 灰岩水位降落曲线2 2 图3 - 9 孔集井田地下水位动态一2 3 图3 1 0 李二至毕家岗矿灰岩富水性分区示意图2 5 图3 1l 淮南煤田老区水化学p i p e r - - - 线图”2 8 图3 1 2e x p l o r e 的菜单位置”3 0 图3 1 3 孔集井田主要突水含水层常规水化学指标框图( b o x ) 3 3 图3 1 4f 值计算的菜单位置3 4 图3 1 5d t m 分析中g r d 等值线绘制界面展示3 5 图3 1 6 孔集井田第四系砂层水t d s ( 单位：m g l ) 等值线3 6 图3 1 7 孔集井田煤系砂岩水t d s ( 单位：m g l ) 等值线3 6 图3 1 8 孔集井田太灰i 组岩溶水t d s ( 单位：m g l ) 等值线”3 7 图3 1 9 孔集井田奥灰岩溶水t d s ( 单位：m g l ) 等值线3 7 图3 2 0 孔集井田第四系砂层水p h 等值线- 3 9 图3 2 1 孔集井田煤系砂岩水p h 等值线3 9 图3 。2 2 孔集井田太灰i 组岩溶水p h 等值线4 0 图3 2 3 孔集井田奥灰岩溶水p h 等值线4 0 图3 2 4 孔集井田第四系砂层水总硬度等值线”4 1 图3 2 5 孔集井田煤系砂岩水总硬度等值线4 1 图3 2 6 孔集井田太灰i 组岩溶水总硬度等值线4 2 图3 2 7 孔集井田奥灰岩溶水总硬度等值线“4 2 图3 2 8 孔集井田第四系砂层水s 0 4 2 浓度( 单位：m g l ) 等值线4 3 图3 2 9 孔集并田煤系砂岩水8 0 4 2 - 浓度( 单位：m g l ) 等值线”4 3 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工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 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。 靴敝储椭：才辅 签字日期：雄移。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名： 才确 签锢期溯年彩月吵日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 勃编琶功 黼龇。栩 导师签名： 狭芬忠， 签字日期：z i 器年y 否月7 日 够畛州i 虱动南献厥7 哆 电话：p y 7 1 妨3 罗眵乡， 邮编：，必曩多 致谢 在论文完成之际，我衷心地感谢我的导师钱家忠教授和刘登宪教授级高工。 导师严谨的学术态度，一丝不苟的科研精神、渊博的知识，使学生铭记于心， 终身受益。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! 知识宽广、渊博的赵卫东老师在论文的写作和完成期间在技术和理论上给 予了大量的指导，在此向您表示衷心的感谢! 具有坚实煤矿地质方面知识的我院陈陆望老师，在论文的写作中给予了大 量的关心和指点，同时还在日常学习中向我教授了大量的矿井地质方面的知识， 在此表示诚挚的感谢! 感谢学院孙世群老师、朱光老师、陈天虎老师、汪家权老师、彭书传老师 等对我三年来的关心、支持和鼓励! 感谢崔喜、张瑞钢、关秋红、吕纯、马雷、潘婧、张春雷同学在项目进行 中予以的支持，使得我能全身心的投入到论文写作上。感谢管后春、李合生、 陈士军、李燕、王建花、陈莉薇、何晓锋、陈舟、夏琼、覃华、严小三等师兄、 师姐和同学，他们在硕士期间的生活和学习上给予了我极大的关心、爱护及帮 助。 感谢淮南矿业集团李佩全副总工程师、武兴楼老师、程玉琴老师；感谢孔 集矿程爱民、张则友、王峻莺工程师；感谢谢一矿高兵科长；感谢新庄孜矿金 修如、范玮珉、井多喜工程师；感谢潘一矿王喜林、程海燕、韩必武；感谢潘 东矿丁庆和、苏朝晖、李多光工程师；感谢潘三矿地测、防水方面杨科长、赵 勇工程师。他们在论文的数据采集方面给与了极大的配合，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，愿他们身体健康、事业顺利! 作者：杨梅 2 0 0 8 年5 月17 日 1 1 研究背景与研究意义 第一章绪论 煤矿水害作为煤矿五大自然灾害之一，一直是制约我国煤炭开采活动和煤 矿可持续发展的重要因素。我国成煤建造多赋存在华北地层区，煤层底板灰岩 水害非常典型【l j 。在煤矿建设和生产时期，常常会遇到突水【2 】的危害，发生程 度不同的突水事故。轻者是增加排水泵数，增加电耗，从而使煤矿成本提高， 并造成采区接续紧张，影响煤矿稳定生产；重者直接危害职工生命安全和国家 财产的安全，造成人员伤亡或淹井事故，严重影响矿井的正常生产【3 】。因此我 们有必要弄清煤田地下水化学特征、流场状况等，防“突水 于未然，以降低 矿区采矿所带来的环境地质问题所造成的危害。 淮南矿区老区原有矿井十一对，其中东部地区九龙岗、大通两对老井已报 废，目前生产的九对矿井分布在中、西部地区，全长约2 2 公里。煤层赋存于二 迭系上、下石盒子组、山西组，共有可采煤层1 5 层，总厚2 2 - - 3 0 米，自下而上 划分a 、b 、c - - 个煤层组。矿区含水层自下而上分布有：中寒武系灰岩裂隙含 水层( 以后简称寒灰) ，奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层( 以后简称奥灰) ，石炭 系太原组薄层灰岩裂隙岩溶含水层( 以后简称太灰) ，二叠煤系煤层顶板砂岩 脉状裂隙弱含水层，第四系中部砂岩孔隙含水层。奥灰、太灰、第四系砂层三 个主要含水层对矿井生产，特别是对a 组煤的开采有直接充水影响并威胁矿井 安全。在开采a 组煤的过程中，先后在五个矿发生1 9 次灰岩水突水事故。随着 采深增加，突水次数与水量日趋增加。但是从解放储量、缓和采掘关系、满足 生产需要来看，矿矿都需要解放a 组煤。因此a 组煤底板灰岩水的防治，已经成 为淮南矿区稳定产量，保证华东能源供应和保护矿井安全的重大战略课题之一 【4 ，5 】 o 矿区内的含水层中的地下水是在不断的运动着进行着水文地球化学循环， 同时不断的进行着水岩作用，因此，地下水的化学成分能够反映其所经历的水 文地质循环历史，而地下水中分布最广、含量较高的离子共七种。即：氯离子 ( c l 。) 、硫酸根离s ：j 己( s 0 4 2 。) 、重碳酸根离子( h c 0 3 。) 、钠离子( n a + ) 、钾离子( k + ) 、 钙离子( c a 2 + ) 、镁离子( m 9 2 + ) 。构成这些离子的元素，或是地壳中含量较高，且 较易溶于水的元素( 0 2 、c a 、m g 、n a 、k ) ，或是地壳中含量不大，但极易溶 于水( c 1 一、以s 0 4 z 。形式出现的s ) 。我们可以运用不同含水层之间特征指标、 水文观测孔中水位变化情况作为判别含水层间水力联系的依据。 煤矿突水水源的正确、快速识别是矿井水害有效防治的前提条件，地理信 息系统软件( g i s ) 能够为矿井突水水源快速识别、分析、查询和管理提供平 台，因此本文选择“基于g i s 的淮南老矿区地下水环境特征及突水水源判别模 型刀为题进行研究，具有理论和现实意义。g i s 软件具有强大的空间分析功能， 然而g i s 技术目前在水文地球化学分析和突水水源判别模型方面的应用较少， 因此，基于g i s 空间分析功能的水文地球化学分析和突水水源判别模型研究具 有重要的理论意义和较大的应用价值【6 , 7 , 8 , 9 】。 开展本项研究，可以揭示煤矿地下水水环境化学成分分布特征及其形成的 内在联系，不仅可以丰富和完善矿井水害防治理论，同时可以提高淮南老矿区 安全生产管理的现代化水平，减少矿区采矿带来的环境地质问题，安全高效的 开采国家煤炭资源。在为淮南老矿区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 2 国内外研究现状 矿井突水是一个复杂问题，受水文地质条件、构造、开采活动等诸多因素 的影响。一般是从水质情况出发，进行常规水化学组分、微量元素、同位素等 的测定分析，从而对突水水源加以判别。随着经济技术的发展，对煤炭等能源 的需求加大，煤矿安全问题受到全社会的关注，煤矿突水水源判别方法也不断 改进。基于地理信息系统、可视化、专家预测、等系统全面的判别方法更多的 应用于实践中来，为煤矿防治突水工作起到了重要的作用。 ( 1 ) 水文地质条件判别研究 结合水文地质条件，李百贵通过水力连通试验判断工作面水源，取得了比 较满意的效果l l 引。张传龙综合分析了各含水层水质特征、导水通道，判断童亭 煤矿矿井充水水源】。一些大型突水事件造成矿井淹井，使得含水层水质发 生不同程度混合，水源判别比较困难。袁文华，桂和荣等对任楼煤矿的地温特 征进行分析，建立地温方程，计算突水含水层水温，从而判别突水水源，具有 指示作用【1 2 1 。利用突水点的水量、水温、水质，突水带出的岩石性质、以及水 位观测孔中水位的观测情况、突水通道等水文地质条件进行突水判别的有王广 军、杨本水、陈忠胜等【1 3 , 1 4 , 1 5 】。杜希山从水化学循环及水岩作用分析北宿煤矿 各含水层的水化学特点，以此作为判别突水水源的依据【1 6 】。刘现宣利用各含水 层的水化学特征及各离子的比值对徐州新河矿突水水源进行识别，结果较为理 想【1 7 】。 ( 2 ) 常规水化学判别研究 从国内外研究现状看，判别煤矿突水水源以常规水化学识别法比较普遍。 利用水化学方法判别矿井突( 涌) 水水源的依据是不同含水层的水具有不同的水 化学成分。这些能用以区分不同含水层地下水特征的组分称为：“标型元素” 或“标型组分”。以往应用较多的标型组分( 元素) 是“6 大离子”、溶解氧、硝 酸根离子等。在分析研究矿区常规水化学特征的基础上，引入灰关联评价、模 糊评判、聚类分析、神经网络、数学统计等评价方法进行突水水源判别。 2 模糊综合评判方法是一种常用的判别方法，对于判断突水水源之类的模糊 性问题具有很好的效果。李明山，高卫东、陈陆望、夏筱红等结合一些矿井地 下水水化学资料，建立了地下水水质特征模型和煤矿矿井突水水质特征判别模 型，为防治矿井突水提供科学依据【1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ；贲旭东等针对确定评判因素权重系 数时常用的“超标加权法 在水源判别应用中的缺陷，提出了更适合的权重系 数确定法一“偏标加权法”【2 2 j ；方沛等【2 3 】等利用模糊聚类分析原理，以系统聚 类逐步判别法对皖北矿区突水水源进行分析，具有较好的判别效果。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) i 哩论是8 0 年代中后期 在世界范围内迅速发展起来的一门非线性科学。近年来，人工神经网络的研究 和应用渗透到地学领域。针对煤矿矿井煤层底板突水系统为一非线性系统的特 性，许多学者提出采用对非线性问题具有良好适用性的人工神经网络系统( 以下 简称神经网络) ，进行煤层底板突水预i 贝l j 2 4 , 2 5 , 2 6 2 7 , 2 8 , 2 9 】。借助于人工神经网络在处 理非线性问题或非结构问题方面的优势，采用b p 算法，基于大量矿井突水样本 实例建立了突水预报神经网络模型，并将该模型用于实际预报，并取得了较好 的效果。 数学统计的方法根据矿井水水样化验分析资料，运用统计的方法建立判别 函数，采集的地下水样品进行了多元统计分析，以识别一些来源不清的样品归 属，建立该区突( 涌) 水水源判别模型【3 0 】；在新区矿井样本少的条件下，多类判 别的问题一直难以解决，特别是发生过突水淹井的煤矿，各含水层的地下水有 了一定的混合，判别水源就更为困难。孙本魁、施龙青l 3 1 , 3 2 】的等建立了突水概 率指数的数学模型，应用到已有的突水案例中，计算出各个突水案例的突水概 率指数，再用概率统计的方法预测某种突水概率指数下突水的可能性及突水程 度；靳德武【3 3 j 提出采用随机一信息方法解决其突水预报问题，建立了信息判据， 并对大量的实例进行了验证，取得了满意的效果。 ( 3 ) 微量元素和同位素判别研究 由于各含水层地下水常规组分差别很难严格区分，因而促使人们寻找微量 元素识别法和环境同位素识别法，国外也未查出相关文献，而只是在地下水微 量元素和环境同位素水文地球化学特征或规律方面有零星研究【3 4 , 3 5 , 3 6 , 3 7 , 3 8 , 3 9 】。目 前国内这两种方法仍处于探索阶段【4 0 , 4 1 , 4 2 , 4 3 】，由于深层水样采样困难等原因， 有实践应用价值的成果尚未推出。宋晓梅、桂和荣f 4 4 , 4 5 】等在淮北煤田主要含水 层水中微量元素及常规离子测试分析的基础上，建立了微量元素b a y e s 多类线性 判别模型。桂和荣等在皖北矿区采取了2 2 个深层地下水水样，测试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。根据元素相关性、特征值与累计 方差贡献率，进行了地下水的微量元素主成分分析和地下水主成分解释【4 6 】。 近年来，随着同位素分析技术的发展，同位素方法在地质领域的应用得到 迅速发展。由于同位素一般不与其它组份发生反应，不易吸附，而对下水有良 好的“标记 作用和“守恒性”，因此研究地下水环境同位素的分布规律就有 可能直接提供地下水的形成、运移和补给规律。胡中信【4 7 】等介绍了同位素方法 在分析矿井水文地质条件，以及计算地下水补给源高程、含水层水年龄和井下 出水点混合水比例等方面的应用，为有效开展矿井防治水工作提供了科学依据。 陈陆望、桂和荣【4 0 , 4 2 , 4 3 】等研究了皖北矿区重大底板突水一底板岩溶水环境同位 素6d 值、61 8 0 值、t 含量与水温、p h 值、t d s 值、水质宏量组分之间的客观 联系。采用r 型聚类等方法分析了奥灰水和太灰水环境同位素6d 值、61 8 0 值、 t 含量与这些常规水质指标之间的相关程度，并以r 0 6 的常规指标进行多元 线性回归，建立了岩溶水环境同位素判别模型。 ( 4 ) 基于g i s 的煤矿水源判别研究 煤矿地板突水事故的发生受地质、水文地质和开采技术条件等多种动态因 素的影响。任何单一因素的研究难以对矿井突水规律做出合理的判断。结合煤 矿底板突水预测研究工作，基于g i s 系统阐述在g i s 软件的空间分析、空间操作 功能的支持下，以多源信息复合为核心，建立底板突水预测模型的原理与方法。 国内将g i s 技术用于矿井水化学的有江东、汪茂连、曹中初、王玉芹、孙 苏南等【4 8 , 4 9 , 5 0 , 5 1 , 5 2 , 5 3 ，他们先将c a d 文件转为d x f 文件，进而导入a r c i n f o 软 件系统中，生成数字化层( c o v e r a g e ) ，在此前题下进行数据的分析，同时选取 断层密度值、含水层钻孔涌水量值、含水层水压、隔水层的有效厚度等指标建 立突水模式，实现矿区突水危险程度的分区。以上所作的研究虽然表明结果具 有一定可信度，然而研究的方法和指标的选取同出一辙，同时以上系统均是基 于a r c i n f o 软件平台下的。一些技术和方法的结合开始出现，如将r s g i s 结 合1 5 训，应用非线性的人工神经网络( a n n ) 技术确定了各主控因素的权重系数【5 5 】， 基于g i s 和证据理论( d s 理论) 下的数据融合【5 6 1 ，用v i s u a lc + + 对其进行专业方面 的二次开发l 5 川，研制了煤矿水害多源信息预测系统，采用国际上最盛行的地下 水资源评价和矿井涌( 突) 水量预测的三维可视化标准专业软件系统包( v i s u a l m o d f l o w ) 的基本运行环境、主要模块和生成的主要数据文件进行突水预测【5 3 1 ， 由3 d 可视有限元数字力学模型一f l a c 3 d 模拟( 在3 维模式下进行连续快速拉格 朗日分析) 分析不同参数对断层物质变形破坏作用影响，进一步揭示了沿着断 层滞留突水的机理【5 9 j 等等。 ( 5 ) 其它方法研究 突水预报是一个涉及到水文地质、工程地质、开采条件、岩石力学等诸多 因素的复杂问题，借助于防治水领域知名专家的实践经验和防治水知识，运用 合理的推理方法，考虑影响底板突水的多方面因素，刘传韬、潘树仁、陈学星 等借助于防治水领域知名专家的实践经验和防治水知识，考虑影响底板突水的 多方面因素，建立突水专家评分分析预测系统【6 0 , 6 1 , 6 2 】，从而提高预测预报的成 功率与准确性。 4 针对底板突水受到多种复杂因素的影响和突水量预测可看成是非线性、高 维数、有限样本的模式识别问题，姜诸男等f 6 3 , 6 4 】煤层底板突水量预测的最小二 乘支持向量机方法，建立了符合期望风险最小化原则的预测模型；杨天鸿等【6 5 ，蛔 也通过对影响煤矿突水事故的诸多非线性、动态因素进行量化分析，利用煤层 底板应力、应变监测资料，通过非线性动力学模型计算，预测煤层底板突水问 题是否发生。 胡耀青【6 7 】在大量现场观测承压水上煤系地层赋存特征及多含水层空间赋 存特征分析的基础上，提出了承压水上采煤突水监控的区域预测理论与技术， 编制了可供现场方便使用的菜单界面突水监控软件，并已应用于太原市东山煤 矿一采区带压开采期间的突水监控。 基于煤层底板突水的尖点突变特征，王凯【6 8 】等应用突变理论的方法，针对 煤层底板突水预测指标监测信号，分析了单变量序列尖点突变模型及其稳定判 据，提出了煤层底板突水的突变理论预测方法。针对传统水害预测方法的不足， 李丽，张心彬、王怀洪等【6 9 , 7 0 , 7 1 1 将信息融合技术引入到传统的煤矿产业中来， 提出尽可能地从多种地质信息中把各种有用的隐含信息提取出来，进行煤系地 层富水性预测，是水文地质勘探的新途径，是实现矿井安全、高产高效的关键 工作，具有很高的理论和应用价值。 总之，宏观水文地质分析和工作面水文地质分析是两个不可分割的有机组 成部分和技术核心，综合水文地质分区图( 带压开采条件分区图) 是防治水决策 分析的得力工具。因此无论是理论、方法还是技术、模型，综合水文地质分析 均可称为水患诊断、突水预报的重要技术理论基础。本文决定选取常规水化学 指标，结合矿区的水文地质条件，同时运用武汉中国地质大学开发研究的 m a p g i s 软件实现水化学信息的分析，分块段建立突水水源评判模型，识别突 水水源所属含水层，经济快速的实现突水水源判别。 1 3 研究思路及研究内容 1 3 1 研究思路 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研究及快速 判别信息系统开发( 2 0 0 5 0 3 0 1 ) ”、国家安全生产科技发展指导性计划项目： “淮南煤田矿井突水水源快速判别技术及决策支持系统开发( 0 6 1 7 3 ) 以及 国家自然科学基金项目( 4 0 2 0 2 0 2 7 ) ，以淮南老矿区井田为研究区域，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，建立淮南老矿区突水水 源判别模型。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 通过对矿区及井田的调研及其相关资料的收集与整理，弄清区域地质 构造特征及水文地质条件，掌握与课题有关的某些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； ( 2 ) 根据矿区水文观测孔多年的统计资料，分析主要充水含水层水位的变 动情况及流场分布变化情况，查明矿井各含水层在开采过程中的水动力条件变 化情况。查明淮南老矿区灰岩含水层水位变化动态特征及井田内的流场分布特 征； ( 3 ) 查明淮南老矿区各主要突水含水层的地下水物理性质( 矿化度、p h 等) 及水化学成分( c a 2 + 、k + + n a + 、m 9 2 + 、c 1 、s 0 4 2 、h c 0 3 - ) 在平面和垂向 上的分布特征，找出各层的特征离子； ( 4 ) 如何依据水文地质条件、灰岩富水性等基础信息，划分水化学块段； 以常规水化学资料为因子，采用b a y e s 多类线性判别分析，基于g i s 分块段建立 突水水源判别模型； ( 5 ) 基于g i s 建立淮南老矿区地下水化学信息管理系统，探索实现水文地 质资料、常规水化学资料及突水相关资料的管理方法。 6 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置 第二章研究区概况 淮南矿区位于华东经济发达区腹地，安徽省中北部，横跨淮南和阜阳两市， 地理位置优越，交通运输便捷，铁路、公路、水路四通八达( 如图2 1 ) 。淮南 煤炭储量丰富，总储量占安徽省的7 4 ，华东地区的5 0 ，品位优良，被誉为 绿色能源。淮南矿区现有9 对生产矿井，6 对在建矿井。矿区东西长约1 0 0 k m ， 南北倾斜宽约3 0 k m ，面积约3 0 0 0 k m 2 。以淮河为界，淮河以北为潘谢新区。淮 河以南为淮南煤田的老矿区，目前有生产矿井：孔李公司( 孔集矿、李咀孜矿) 、 新庄孜矿、谢一矿、谢李公司( 谢二、谢三、李一、李二) ，以及在建矿井： 望峰岗井田，是本论文的研究区。 2 1 2 地貌、水系、气象 图2 1 淮南矿区交通位置示意图 ( 1 ) 地貌 淮南煤田老区东南有舜耕山、西南有八公山，由寒武系、震旦系地层组成， 地貌属构造剥蚀丘陵。矿井均位于山前斜地与淮河漫滩平原过渡地带。地面标 高中部约为+ 3 0 m ，两部区约+ 2 0 m 。 7 ( 2 ) 水系( 河流) 对矿井水文地质条件有直接影响的是淮河。淮河自矿区西边界横切山区寒 武系灰岩地层后分南、北两支进入矿区。南支主河道自孔集井田经李咀孜、毕 家岗、新庄孜井田北翼煤系地层之上向东流出矿区。流迳矿区段河道长约7 0 k i n ， 河底标高+ 9 + 1l m ，平水期水位一般+ 1 7 m ，水面宽1 5 0 - - 2 8 0 m ；常见洪水位 + 2 2 + 2 4 m ，水面宽8 0 0 - - - 4 0 0 0 m 不等，高于孔集、李咀孜、毕家岗井田地面2 4 m 。历史最高洪水位为+ 2 4 5 3 m ( 马头村水文站) ，最大水深1 5 m ，最大流量 1 0 8 0 0 m 3 s 。河床底多为第四系粘质砂土。在李咀孜东部及毕家岗、新庄孜西部 约1 5 k m 区段内煤系地层露头上河底为( 流) 砂层，系区域第四系中部含水( 流) 砂层的天然露头。孔集矿煤层露头虽不在河床正下方，但河床底的流砂与煤层 露头、底板灰岩露头局部有补给关系。淮河对矿区水文地质条件的主要影响： 河床在李咀孜、毕家岗、新庄孜北翼井田大量压煤，形成三矿约5 k m 河 床下采煤的水文地质条件。 淮河水经流砂层对孔集矿煤层露头及底板灰岩露头局部存在直接补给。 淮河切割西南山区寒武系灰岩，可能产生河水与矿区灰岩水水力联系。 ( 3 ) 气象 降水：矿区历年最大年降雨量为1 5 2 7 6 m m ( 1 9 5 6 ) ，最小为4 8 4 2 m m ( 1 9 7 8 ) ，平均年降雨量为9 1 9 2 m m ，降雨多集中在6 、7 、8 三个月，占年降雨 量的5 0 4 ，其中7 月份约占2 0 0 ，最大月降雨量为4 3 8 6 r a m ( 1 9 5 4 0 7 ) ，最 大日降雨量为3 2 0 m m ( 1 9 7 5 0 8 3 1 ) 。 气温：年最高气温为+ 4 4 2 ( 1 9 5 3 0 8 1 3 ) ，最低为2 2 8 (