（环境科学专业论文）基于gis的淮南孔集矿地下水化学特征分析及突水水源判别模型.pdf

ag i s - b a s e d h y d r o g e o e h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n d d i s c r i m i n a t i n gm o d e l f o r t h es o u r c eo f w a t e r - i n r u s h ：ac a s e s t u d y i nk o n g j ic o a l m i n e , h 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 o no ft h es o b i - c eo ft h ew a t e r - i n r u s hi st h ep r e c o n d i t i o no ft h e c o a l m i n eg r o u n d w a t e rr e m e d y , a n dg i ss o f t w a r ec o u l d s u p p l yt h ea n a l y s i sa n d m a n a g e m e n tf l a tr o o ff o rt h ed i s c r i m i n a n tm o d e la n dh y d r o g e o c h e m i c a li n f o r m a t i o n d a t a b a s e ，s o t h i sa r t i c l ec h o o s et h et i t l e ：“ag i s - b a s e d h y d r o g e o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n dd i s c r i m i n a n t i n gm o d e lf o rt h es o u r c eo fw a t e r - i n r u s h ：a c a s es t u d yi nk o n g j ic o a l f i e l d , h u a i n a n f o rt h er e s e a r c h , h a v et h e o r ya 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 ec 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 o s et h eh u a i n a nk o n g j ic o a l f i e l da st h e r e s e a r c ha r e a a d o p tt h e o r e t i c a la n a l y z i n gm e t h o da n dc a s es t u d y a f t e rc o l l e c tt h e h y d r o g e o l o g i c a la n dh y d r o g e o 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 ，a n dp l o t e dt h e w a t e r - l e v e lc o n t o u r so ft h em a i na q u i f e r s ，t h e na n a l y s i st h e i rr 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 ，c r e a t e dt h eh y d r o g e o c h e m i c a ld a t a b a s e s ；a n a l y s e dt h et d sd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i na q u i f e r s , t h e nc r e a t e dt h ed i s c r i m i n a n tm o d e la b o u tt h e s o u r c eo ft h ew a t e r - i n r u s hw h i c hb a s e d0 nt h eg i st e c h n i c a l ；c h o o s et h em a i ns i x i o n sa st h ei n g r e d i e n ta n dc h o o s et h em a i na q u i f e r sa st h ee v a l u a t i o nc l a s s e s ，t h e n c r e a t e dt h e f u z z y - c o m p r e h e n s i v ee v a i u a t i o nm o d e la b o u tt h e s o u r c eo ft h e w a t e r - i n r u s h ，t h e nu s et h ee x i s t a n c e ds a m p l et oc h e c kt h em o d e l t h ef i n a l l yr e s u l t s h o w s ： ( 1 ) t h ea c c e s s b a s e d d a t a b a s ec a na s s i s tt h e d i s c r i m i n a t i n gm o d e l s ，a n dt h e g i s - b a s e dv i s u a l i z e dd a t a b a s ec a nm a k et h ec o a l f i e l d s h y d r o g e o c h e m i c a l i n f o r m a t i o nm o r ei n t u i t i o n i s t i c ； ( 2 ) t h eg e n e r a lt 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 sd e c l i n e db e c a u s eo ft h e m i n i n gd r a i n a g ea c t i v i t i e s ，d e s p i t er e c h a r g e dal o td u r i n gw a t e ra b u n d a n tp e r i o d ； ( 3 ) b yt h er e g i o n a ld r a w d o w n - c o n e si nt h ee a s tp a r to fk o n g j ic o a l m i n e ，p a r to ft h e o r d o v i c i a nl i m e s t o n ea q u i f e r w a t e rf l u xs p o n t a n e o u s l yd i s c h a r g e dt ot h eq u i c k s a n d a q u i f e ra n dt h eh u a if i v e rt h e nt u r n e dt ot h et h et a i y u a nf o r m a t i o nl i m e s t o n e a r t i f i c i a l l y ； ( 4 ) a st h em a i na q u i f e r so ft h e c o a l f i e l dh a v e i t s o r i g i n a lr e c h a r g e - d i s c h a r g e c o n d i t i o na n dg r o u n d w a t e rd y n a m i cc o n d i t i o nu n d e rc o a lm i n i n gc o n d i t i o n ，s oe a c h a q u i f e r st d sd i s t r i b u t i o nh a v ei t so w nc h a r a c t e r i s t i c s ( 5 ) u s i n gt h es 0 4 2 、c a 2 + c a nd i s c r i m i n a t et h es e c t i o n - io ft h et a i y u a nf o r m a t i o n l i m e s t o n ea q u i f e ra n do r d o v i c i a nl i m e s t o n ea q u i f e r ；a n du s i n gt l l en a + + k 十e e l s d i s c r i m i n a t et h eq u i c k s a n da q u i f e ra n do r d o v i c i a nl i m e s t o n ea q u i f e re x c e p tt h e s o u l ha r e ao f t h e “w e s tn o 2 a n d “w e s tn o 3 m i n i n ga r e a s ； ( 6 ) t h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e f o rt h es o u r c eo ft h ew a t e r - i n r u s h b a s e do nt h eg e n e r a l h y d r o c h e m i c a l i o n sh a v ea n a c c e p t a b l ea c c u r a c y , t h e c o m b i n a t i o no ft h eg i sm o d e la n dm a t h e m a t i cm o d e lw i l lg a i nas a t i s f a c t o r y d i s c r i m i n a t i o nr e s u l t ；a n dt h ee l e v a t i o no ft h ea c c u r a c yn e e dt h ef i l l t i l e rr e s e a r c h h e n c e f o r t h k e y w o r d s ：h y d r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ；s o u r c eo f w a t e r - i n r u s h ；g i s ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；k o n g j ic o a l m i n e 图2 一l 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图3 - i 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 9 图3 - 1 0 图3 - 1 1 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图4 - i 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 - 1 0 图4 - 1 l 图4 1 2 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 _ 6 图5 - 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 图件清单 淮南煤矿交通位置图 淮南煤田区域构造纲要图。 淮南煤田逆冲推覆构造剖面图。i i 孔集井田砂层一一煤系、砂层一一奥灰直接补给区分布剖面示意图1 5 水化学数据资料表 水样点坐标表 h c 0 3 - c a - m g 型水概况查询 1 7 1 8 矿化度区间查询对话框l 矿化度区间查询对话框2 。 矿化度区间查询结果。 c 3 一i 组灰岩水样查询 1 9 m p g i s 系统结构 基于m a p g i s 的可视化的水化学信息管理系统界面2 3 基于g i s 的可视化的水样点信息饼状统计图 m a p g i s 软件空间分析子系统下的数据库查询界面2 4 m a p g i s 数据库条件查询编辑界面 m a p g i s 数据库条件查询结果 井下灰岩放水孔疏放水示意图。2 7 砂层水位变化曲线2 7 泥灰岩组水位变化曲线。2 8 井下疏水c 3 - i 灰岩水位降落曲线2 8 太灰c 3 - i i 组水位变化曲线一 奥灰水位变化曲线2 9 不同含水层1 9 9 9 年水位对照图3 0 1 9 9 7 年元月2 0 日太原组c 3 l i - c 3 i 组灰岩含水组等水位线图3 0 1 9 9 7 年元月2 0 日奥灰含水层等水位线图 第四系松散砂层含水层t d s 分布图 3 3 c 3 一i 灰岩含水层t d s 分布图3 4 奥灰t d s 分布图3 5 砂层水质分区图( h c o ，) 3 7 c 3 一i 含水组的水质分区( 1 - i c o 。) 。3 7 奥灰含水层水质分区图( h c 0 3 一) 3 8 砂层与c 3 一i 含水组的判别分析结果3 8 整饰后的砂层与g i 含水组的判别分析结果3 9 砂层与奥灰含水层的判别分析结果3 9 整饰后的砂层与奥灰含水层的判别分析结果 c 3 一i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果 4 0 4 0 整饰后的c 3 - i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果一4 l 砂层水质分区图( c i 一) c 3 i 含水组的水质分区( c i 一) 一4 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 一1 7 图5 一1 8 图5 1 9 图5 - 2 0 图5 - 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 - 2 5 图5 - 2 6 图5 - 2 7 图5 - 2 8 图5 - 2 9 图5 - 3 0 图5 - 3 1 图5 3 2 图5 - 3 3 图5 3 4 图5 3 5 图5 3 6 图5 3 7 图5 3 8 图5 3 9 图5 - 4 0 图5 4 l 图5 - 4 2 图5 4 3 图5 喇 图5 - 4 5 图5 舶 图5 - 4 7 匿5 - 4 8 图5 - 4 9 图5 5 0 图5 5 l 图5 5 2 图5 5 3 图5 5 4 图5 5 5 奥灰含水层水质分区图( e l 一) 一 砂层与岛一i 含水组的判别分析结果 4 2 整饰后的砂层与白一i 含水组的判别分析结果4 3 砂层与奥灰含水层的判别分析结果 整饰后的砂层与奥灰含水层的判别分析结果一 4 4 4 4 c 3 - i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果4 5 整饰后的岛一i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果 砂层水质分区图( s 吼。) c 3 - i 含水组的水质分区( s 0 4 2 。) 奥灰含水层水质分区图( s 0 ( 2 。) 4 7 砂层与c 3 一i 含水组的判别分析结果4 7 整饰后的砂层与c 3 - i 含水组的判别分析结果 砂层与舆灰含水层的判别分析结果 整饰后的砂层与奥灰含水层的判别分析结果4 9 c 3 一i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果5 0 整饰后的c 3 一i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果5 0 砂层水质分区图( c a 2 + ) 5 1 c 3 - i 含水组的水质分区( c a 2 + ) 奥灰含水层水质分区图( c a 2 + ) 砂层与c 3 - i 含水组的判别分析结果5 2 整饰后的砂层与岛一i 含水组的判别分析结果5 3 砂层与奥灰含水层的判别分析结果5 3 整饰后的砂层与奥灰含水层的判别分析结果 奥灰与c 3 - i 含水组的判别分析结果5 4 整饰后的奥灰与c 3 - i 含水组的判别分析结果5 5 砂层水质分区图( m 9 2 + ) 。5 5 c 3 - i 含水组的水质分区( m 9 2 + ) 5 6 奥灰含水层水质分区图( m 9 2 + ) 5 6 砂层与岛一i 含水组的判别分析结果。 整饰后的砂层与c 3 一i 含水组的判别分析结果5 7 砂层与奥灰的判别分析结果 整饰后的砂层与奥灰的判别分析结果5 8 c 3 一i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果5 9 整饰后的岛一i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果 砂层水质分区图( n a + + k + ) c 3 一i 含水组的水质分区( n a + + k ) 奥灰含水层水质分区图( n a + + k t ) 砂层与c 3 一i 含水组的判别分析结果6 l 整饰后的砂层与c 3 一i 含水组的判别分析结果6 2 砂层与奥灰含水层的判别分析结果6 2 整饰后的砂层与奥灰含水层的判别分析结果 c 3 - i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果6 3 整饰后的c 3 - i 含水组与奥灰含水层的判别分析结果6 4 用g i s 空间分析功能进行1 号水样点识别示意图。7 3 图5 5 6 用g i s 空间分析功能进行z 号水样点识别示意图7 4 表2 1 表2 - 2 表2 3 表2 4 表5 1 表5 2 表5 3 表5 - 4 表5 5 表5 - 6 矿井概况表 表格清单 淮南煤田区域地层 井田内各层灰岩厚度控制情况表。 煤系地层含煤情况简表。 评价标准集 1 3 1 3 水样各指标实测数据表。 各水样对各评价集的隶属度及水样判别归属结果7 0 水样点当量百分数表。 水样点离子含量表。 7 3 7 3 水样点坐标表7 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 盒蟹王些盔堂 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。 学位论文作者签名： 袁乏 签字脚矽年办少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒堡至些盔堂有关保留、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 被查阅和借阅。本人授权盒胆工些左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：最弓- t 精日姆：z 每勇 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师张戮夸。迄， 签季日期；呻f 月j 日 电话 邮编 致谢 在论文完成之际，我衷心地感谢我的导师钱家忠教授。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，谨向钱老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! 感谢我院地质系宋传中教授在矿井地质构造方面给予的大量的地质报告及 图件的解读以及构造地质学课程的讲授。在此向您表示无尽的谢意。 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! 感谢张瑞钢、杨梅、关秋红、吕纯、马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。感谢李燕、邢怀学、魏芳、王建花、陈 莉薇、何晓锋、夏琼、岑科达、王辉、程凯等师姐、师兄、师弟、师妹，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。 感谢地质知识启蒙老师环境地质学授课教师洪天求校长；感谢朱光院 长在百忙中抽空对课题研究中遇到的地质问题的解答；感谢古生物地史学、 沉积岩岩石学、石油地质学授课教师李双应老师；感谢岩浆岩岩石学 授课教师徐晓春老师；感谢矿床学授课教师周涛发老师；感谢变质岩岩 石学授课教师石永红老师；感谢地球化学授课教师谢巧勤老师；感谢工 程与环境物探授课教师刘东甲老师。 感谢淮南矿业集团刘登宪高级工程师、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! 再次向所有帮助我的人们表示由衷的谢意，愿他们身体健康、事业顺利! 作者：崔喜 2 0 0 7 年5 月2 0 日 第一章绪论 1 1 课题提出的背景与研究意义 我国是世界煤炭消耗第一大国，煤炭在能源结构中占有绝对比重。随着我国 经济建设的高速发展，煤炭资源供不应求现象越来越严重。前所未有的需求量和 生产目标给煤矿发展带来了新的机遇，同时也给煤矿安全生产带来了严竣的挑 战。然而我国成煤建造多赋存在华北地层区，属石炭一二叠含煤建造，灰岩水 害非常典型，加上后期构造运动的叠加，使得矿区的水文地质条件更为复杂，矿 井防水工作更加艰巨。矿井在建设和生产过程中，地面水和地下水通过各种通道 涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾( 通常称为透水， 也称突水) 。水害是煤矿五大灾害之一，在煤矿建设和生产时期，常常会遇到突 水的危害，发生程度不同的突水事故。轻者增加排水泵数，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 【l 。1 2 1 。 淮南煤田地处华北地层区，具有北方煤田基本的水文地质特征，煤系地层下 伏有巨厚的岩溶较为发育的奥陶系灰岩，同时由于地处华北地台南缘，使得煤田 具有“南型北相”的特征，矿区开采煤层赋存于二迭系上、下石盒子组、山西组， 自下而上划分为a 、b 、c 三个煤层组，按照现行煤层组开采程序，矿井充水可分 为前期和后期。前期开采b 、c 组煤层，后期开采a 组煤。如今b 、c 组煤开采深 度已推进到井下一4 0 0 一5 0 0 m 的水平，随着开采深度的增加，煤层瓦斯突出威 胁日益严重，a 组煤由于受灰岩水( 太原组、奥陶系灰岩) 威胁严重，如今a 组 煤开采水平尚在- - 2 0 0 m 左右，为了淮南矿区解放储量、稳定产量、保证华东能 源供应，全面开采a 组煤势在必行。所以a 组煤底板灰岩水的防治，已经成为淮 南矿业集团的重大课题之一i ”o9 】。 孔集井田为淮河水、新生界松散砂层孔隙水、顶板砂岩水与底板岩溶水四 种复合含水层充水类型的矿井，水文地质条件极为复杂，是全国十四对水文地质 条件极复杂矿井之一。且随着开采年限的增加b 、c 组煤日益枯竭，全面解放a 组能够缓和采掘关系、满足生产，并且是关系到该区社会稳定的首要因素。1 。 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是管理和研究 空间数据的技术系统，它可以对地学中的空间数据按地理坐标或空间位置进行各 种处理( 包括数据的输入、存储、检索、分析、显示和输出等) ，对数据进行有效 的管理：研究各种空间实体及其相互关系。通过对多因素信息的综合分析，可以快 速地获取所需信息，并能以图形或文字报告等形式表示处理的结果，是一门集 地学、信息科学、遥感和计算机技术等于一体的新兴的边缘学科。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。 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 高淮南孔集矿安全生产管理的现代化水平，且为淮南孔集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 国内外对煤矿突水水源进行判别方面的方法和相关文章有很多。在传统水 文地质试验运用方法方面，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。 在简单的突水水样的物理及化学指标运用方面：李明山利用各水化学特征， 建立突水水源判别模型【2 2 1 ，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1 2 3 1 ，杨增夫，白海波利用突水点的水量、水温、水质， 突水带出的岩石性质、以及水位观测孔中水位的变化情况、突水通道等因子为 徐州张集陷落柱突水的防治提供可靠依据阱】，王广军利用水位，水质，水温，突 水通道为祁东煤矿突水后的注浆堵水工程提供理论依据1 2 5 1 。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 2 6 1 。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 2 7 。杨本水从水位，水量，水质，水温对祁东煤 矿突水灾害成因进行分析，结果表明该思路是可行的【2 引。陈忠胜选取突水水压、 水温、水质、突出物特征、观测孔水位等因子准确判断突水水源所属层位为三 河尖煤矿2 11 0 2 i 作面特大突水的治理提供理论依据1 2 9 】。 近年来，由于计算技术和计算机技术得到迅速发展，一些定量、半定量的方 法己经应用到对矿井突水水源的判别中，如多组判别分析法、模糊综合评判法、 灰色关联度评价法、灰色聚类法、人工神经网络识别技术、灰色权距分析法、 f u z z y - g r e y 决策方法等等。在模糊数学运用方面：樊京周，李明山，夏筱红利 用矿井生产中长期积累的水样化验资料，建立了基于模糊理论的矿井突水水源 判别模型，并将其运用在矿井实际生产中，结果表明，这类方法的效果具有可 信性1 3 4 - 3 7 1 。在灰色系统理论运用方面：李栋臣利用水质类型、离子比例、硬度 范围、特征比以及灰色关联度分析对白庙煤矿主要含水层进行识别，并将其运 用在矿井突水水源的判别中。周立功通过各层位水位变化与突水量的关联关系， 对杨庄矿i i 。，工作面特大突水进行分析，运用灰色理论判别其突水水源，结果准 确。高卫东运用矿井含水层水化学特征及灰色系统理论对徐州矿区董庄煤矿的 突水事件进行分析，模型判定结果准确口”。在神经网络运用方面，魏永强， 雷西玲，姜成志等采用了岩性，构造、水压、含水层厚度、隔水层厚度这五大 因子，同时考虑同位素、矿化度、p h 值等多种因素的综合影响，将计算机技术 运用到水文地质领域，进行样本的训练，实际运用结果表明，该方法可信度较 高 4 2 - 4 6 1 。系统聚类逐步判别分析识别模式，多是建立在贝叶斯准则下的多类逐 步线性判别方法，判断结果运用f 分布进行检验，该法在皖北任楼、河南焦作等 矿得到了运用，实际效果证实该法可用于对未知水样的判定 4 7 - 5 0 i 。 其它方法研究方面：郭建斌根据矿井水水样化验分析资料，研究水化学特 征，分析水化学环境，在此基础上利用数学统计方法提出了矿井涌水水源的水 化学判别方法，为矿井涌水治理提供可靠的依据。潘树仁等建立了煤矿突水专 家系统，并阐述了该系统突水水源判别、矿井涌水量计算、水文地质类型确定 等方面的主要内容，并以演马庄煤矿为例，提出水害防治措施。周笑绿运用水 化学分析及q 型聚类分析，对南桐煤矿二井井下突水水源作了综合分析，取得的 认识对该矿防治水措施的确立有一定帮助。袁文华根据所研究水文地质单元内 的地温特征，建立地温方程，利用突水水样的水温，识别突水水源，效果独到。 桂和荣利用s 0 ”与c l 一的关系，辅以p i p e r - - 线图对桃园煤矿矿井充水条件及充 水水源进行分析和识别，取得良好效果。大屯煤电公司姚桥矿李明山将模糊数 学中最大贴近度法运用在该矿生产中突水水源问题的判定，结果显示该法具有 可信性【5 l 。5 6 1 。 值得指出的是，虽然这些尝试为突水水源的判别提供了新的途径，但是同 一些传统的、常规的方法一样，其技术关键仍然在于寻找不同含水层的“标型” 组分，而这常常是比较困难的。例如，在华北滨海型聚煤盆地，要建立薄层灰 岩水、奥灰水判别函数是非常困难的，因为这些含水层的水化学成分( 尤其是常 规分析项目) 十分相近。在这种情况下，则需要根据不同地区的具体情况，探寻 其它一些有效的标型元素，结合常规方法进行综合研究。随着现代测试技术的 蓬勃发展，尤其是稳定同位素和放射性同位素测试技术的进步，极大的推动了 水文地球化学的发展，如今在同位素技术运用方面运用最多的技术最成熟的是 ”0 、d 、t ，体o 、d 是稳定同位素，具有示踪作用，借以查明区域地下水的“来 龙去脉”，查清地下水的成因和补、径、排关系，t 是放射性同位素，具有定年 作用，借助它可以测定出地下水的年龄，以反映区域水循环的强弱。地下水中 稳定同位素所反映的是大气降水进入地下之前在各组分大气中分馏的情况，而 在进入地下水后，其含量不会随时间而变化，借此可以推断地下水的起源、各 种水体的混合作用及强度。因此，许多学者应用环境同位素判别矿井突水水源， 并取得不少研究成果。成春奇等分析了百善矿区地下水含水层环境同位素组成 特征，找出标型组分作为天然示踪剂判别矿井突水水源。桂和荣、陈陆望等以 ”0 、d 、t 环境同位素试验资料为论据，探讨了皖北矿区地下水的起源、补给、 径流和排泄关系，以及含水层之间的水力联系，并建立了同位素水源判别模型， 为水源判别提供了新的手段和依据。 同位素技术确实有其优越性，然而井下出水水样同位素成分的测试成本很 高，因而并非是理想的选择方案，而且同位素测试仪器价格昂贵，只有一些大 型科研机构及超强实力的高校才有，同时水样的化验还存在一个时间问题，这 样就达不到快速判别突水水源的效果。 自从1 9 6 2 建立世界上第一个具有实用价值的地理信息系统一一加拿大地理 信息系统以来，地理信息系统在全球范围内获得了长足发展。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，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 5 7 - 6 4 1 。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，美国e s r i 公司推出的a r c i n f o 软件价格昂贵，且其版本较低，在国内推广运用的可能性 不大，国内比较优秀的g i s 软件也不少，例如：s u p e r m a p 、m a p g i s 、g e o s t a r 等。 本文决定选取常规水化学离子作为指标，建立突水水源的模糊综合评判模 式，进行水源识别，再在此基础上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，找到突水靶区，经济快速的实现突水水源的快速判 别。 1 3 本文工作 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 ) ”，以孔集井田为靶区，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，建立淮南孔集矿井采煤中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 ) 建立水文地球化学信息数据库系统，起到辅助水源判别的作用，同时 借助g i s 的可视化功能，使得矿区的水文地球化学信息更直观的反映出 来。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 根据常规水化学数据，研究了水化学浓度梯度场分布特点。 ( 5 ) 运用g i s 的空阗判剐分析功能建立突水水源的g l s 刿射系统。 ( 6 ) 根据各含水层水样的均值建立各含水层水质标准集，运用模糊数学方 法建立突水水源判别模式作为上述6 i s 判别系统的补充和完善，并对 建立的模型进行检验。 第二章区域概况 2 1 区域及井田自然地理概况 2 1 1 矿区地理位置及井田概况 淮南煤田位于安徽省淮北平原南部，煤炭资源分布在淮河中游两岸。其地 理位置为东经1 1 5 。5 0 1 1 7 。4 5 ，北纬3 2 。2 5 3 3 。1 0 。淮南地处华东经 济圈腹部，交通方便，东有蚌埠津浦铁路，西有阜阳京九铁路，北临淮河干道， 她东起淮南市九龙岗、上窑镇，西至阜阳市东郊，东西走向长约1 l o k m ，南北宽 2 0 - - 4 5 k m ，跨凤台、颍上、利辛、阜阳、淮南等县市，( 矿区交通位置如下图2 1 ) 素有“百里煤城”之称，煤炭资源储量约1 8 0 亿吨，占全国储量的1 9 。淮南矿 区以淮河为界，淮河以北为潘谢新区、淮河以南为淮南煤田的老区。 图2 - 1 淮南煤矿交通位置图 孔集井田行政区划归淮南八公山区管辖，西与凤台县毗邻。该矿1 9 6 0 年2 月2 0 日有煤炭工业部( 6 0 ) 煤基设字第1 5 3 号文批准，由安徽省煤炭设计院于 1 9 5 9 年7 月1 9 日破土兴建至1 9 6 4 年1 2 月2 5 日建成投产，设计能力为9 0 万吨 年。由于水文地质条件极为复杂，因此原华东煤炭公司决定以年产3 0 万吨试 采矿井移交生产，并田概况如下表2 - 1 。井田位于淮南煤田二道河矿区，处于八 公山构造剥蚀丘陵山前斜地与淮河南岸河漫滩平原过渡地带；东与李咀孜矿毗 邻，西止勘探线。 要素参数 东经1 1 6 。4 5 1 1 6 。4 8 北纬3 2 。4 27 3 2 地理位置 。4 4 井田面积l o 7 2 其平均走向长( k m ) 8 7 5 中 倾向宽( k i n ) 1 2 1 3 可采煤层数( 层) 1 4 可采煤层总厚( m ) 2 8 0 7 煤层倾角5 5 。9 0 。倒转 可采储量( 一6 6 0 )2 3 8 2 2 万吨 其中a 组煤储量6 4 4 1 0 万吨 矿井设计单位安徽省煤炭设计院 矿井设计生产能力9 0 万吨年 矿井核定生产能力5 0 万吨年 改扩建设生产能力8 0 万吨年 投产时间及开采历史1 9 6 4 年1 2 月2 5 日2 7 年 累计采出煤量( 万吨)1 0 9 1 6 0 其中a 组煤采出量( 万 8 4 吨) 开拓方式立井，石门 现生产水平 - 4 0 0 开拓延伸水平 - 5 3 0 地向标向 + 1 9 m + 2 0 m x = 3 6 1 8 2 3 3 8 6 4 主井井口坐标及标高 y = 3 9 4 8 1 9 2 8 3 4 1 z = 2 0 7 0 2 1 2 地形地貌 井田南部山地为淮南丘陵之西北端，地形低矮，山形走向北西3 0 0 0 3 1 0 。， 与岩层走向趋于一致，最高山峰为韭菜山( 标高为+ 1 2 8 1 3 m ) ，最低在+ 4 0 + 7 0 m ， 一般均在+ 8 0 + l o o m 。平原过渡带地形平坦，地面标高+ 1 7 5 m + 2 1 o o m ，主井 井口标高+ 2 0 7 0 m ，南以地表分水岭为界，西与北以淮河大堤为界，东以黑张堤 为界，汇水面积约2 2 7 5 k m 2 ，其中灰岩地层汇水面积1 3 2 5 3 k m 2 ( 隐伏) 。裸露 面积为4 5 k m 2 。 2 1 3 井田水文与气象 井田位于淮河中游，西北东三面被淮河环抱，历史最高洪水位2 5 3 6 m ( 峡 山口1 9 5 4 年7 月2 7 日) ，最大流量1 0 8 0 0 m 3 s ( 1 9 5 4 年7 月2 6 日) ，最小流量 1 6 4 m s ( 1 9 5 4 年1 月1 6 日) 。 井田位于秦岭大别中央造山带北缘，属我国南北气候过渡地带，亚热带湿 润季风气候区。据凤台气象局资料，历年最大降水量为1 3 6 3 4 m m ( 1 9 5 6 年) ， 最小为4 4 6 9 m m ( 1 9 6 6 年) ，平均降水量8 3 4 1 m ，降水多集中在汛期( 6 9 月) 平均降水量为5 2 1 o 咖，占平均年降水的6 2 5 。年平均水面蒸发量1 1 3 9 6 嘞 最大日蒸发量1 6 1 m m ( 1 9 5 9 8 2 4 ) ，最小为o ( 1 9 5 6 6 3 0 ) ，湿润系数o 7 3 。 气温：年最高气温+ 4 4 2 c ( 1 9 5 3 年8 月1 3 日) ，最低为一2 2 8 ( 1 9 5 9 1 ) ， 年平均气温为+ 1 5 1 ：左右。 2 2 区域地质及水文地质 2 2 1 区域地层 淮南煤田除边缘山区丘陵有下元古界青白口系、古生界的寒武、奥陶( 局 部) 出露外，其余均被第四系所覆盖。其地层层序、厚度及主要岩性见下表2 - 2 ： - 8 - 表2 - 2 淮南煤田区域地层 系统组 厚度( m ) 主 要岩性 全新统 4 0 - 6 0 0 新第四系浅黄、灰黄色黏土夹砂层 更新统 生 上新统 第上11 7 0 1 5 2 8 灰绿色、浅棕黄色，固结黏土夹砂层 - 中新统 界 = ： 渐新统 系下9 5 6 一 2 0 5 7 浅灰色、棕褐色砂泥岩及其互层夹砂砾岩 始新统 中白垩系 上统 6 4 7 紫红色粉、细砂岩、沙砾岩 生 下统 1 8 4 4 棕红色泥岩、粉砂岩，细一中细砂岩 界 侏罗系上统 6 3 7 凝灰质沙砾岩，凝灰岩和安山岩 三迭系 下统 4 4 6 - 3 1 6 紫红色砂、泥岩 石千峰 1 1 4 - 2 6 0 杂红泥岩细一租砂岩，夹石英砂岩、砂砾岩 组 上统 上石盒灰绿色、浅灰色砂、泥岩、底含石英砂岩， 3 1 6 - 5 6 6 子组 含煤层 二叠系 下石盒灰色岩、泥岩及其互层，底含粗砂岩。含煤 1 0 2 6 5 古 下统子组层 山西组5 2 - 8 8 上部细至粗砂岩，下部深灰色泥岩，含煤层 石炭系 上统 1 0 2 - 1 4 8 灰岩为主，泥岩和砂岩，含薄煤层，不可采 生 中统 3 3 2 铝质泥岩，含铁质 中统 含泥质、灰质白云岩夹白云质灰岩，项部夹 奥陶系1 4 5 6 2 0 下统薄层页岩 上统 1 8 1 3 0 0 微晶至细晶质白云岩及鲕状白云质灰岩