（环境科学专业论文）基于gis的潘一矿地下水环境特征分析及突水水源判别模型.pdf

g 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 a l y s i s a n dd 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 一一ac a s e s t u d yo ft h ep a n y ic o a l f i e l d ，h u a i n a n c o a l m i n ec o r p o r a t i o n a bs 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 l y l 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 g o e g a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m i sad a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e mw i t hf u n c t i o n so fs p a t i a ld a t ac o l l e c t i o n ，s t o r a g e ，r e t r i e v a l ， a n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o n t h ef l o wo fu n d e r g r o u n dw a t e rs y s t e m sa n dc h e m i c a l f i e l da r ec h a r a c t e r i z e dw i t hs p a t i a l i t y , s o i th a s t 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 et oa p p l yg i st oa n a l y s i st h eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t ，t o r e a s e a r c ht n e 盯o u n d w a t e re v o l u t i o na n d t od i s c r i m i n a t et h ew a t e r - i n r u s hs o u r c e w i t ht h e p e r s p e c t i v eo fs p a c e a f t e rr e f e r r i n gt ol o t so fr 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 e st h ep a n y ic o a l f i e l di nh u a i n a n a 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 la n a l y z i n ga n dc a s e s t u d v 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 l a n dw a t e r c h e m i c a li n f o r m a t i o no ft h ep a s ty e a r s u s i n gm a p g i sa s t h em a j o rr e s e a r c ht o o l sa n dp l a t f o r m s ，c o m b i n e dw i t h m e t h o d sl i k em u l t i p l es t a t i s t i c a la n a l y s i s ，w a t e rc h e m i c a la n a l y s i s a n di s o t o p e a n a l v s i s , t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e d t h eg r o u n d w a t e rl e v e ld y n a m i c s a n df l o w c h a r a c t e r i s t i c so fp a n y im i n e ，a n da s l or e a s e a r c h e d t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fw a t e r c h e m i s t yi n c l u d i n gt h ee v o l u t i o nl a wa l o n g b o t hh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp l a n e ，a s w e l la st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ni n d i c a t o r s ，s t i l lt y p i c a li n d i c a t o r sw i t hm o r ea b i l i t y o fi d e n t i f i c a t i o nw e r es e l e c t e d f u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d ( f c ) ，d e g r e eo fg r e y i n c i d e n c em e t h o d ( d g i ) ，a n db 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 ( b s d ) w e r e d i s s c u s s e d a n dt h ee x t e n s i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ( e i ) w a sa p p l i e d t ot h e m o d e l i n go fm i n ew a t e r b u r s t i n gs o u r c ed i s c r i m i n a t i o no fp a n y im i n e t h ef i n a l r e s u l t ss h o w s ： ( 1 ) t h eg r o u n d w a t e rl e v e ld y n a m i c si nt h ec e n o z o i ca q u i f e r sa n d l i m e s t o n eo f p a n y im i n ea r ec o h e r e n tw i t ht h a to fp r e c i p i t a t i o n t h ew a t e rl e v e lf u n n e lo f t h e4 t h c e n o z o i ca q u i f e rl o c a t e sa tt h en o r t h e r nm i n i n ga r e an e a rt h e7 t he x p l o r a t i o nl i n e t h es a n d s t o n ea q u i f e r s a r ep a r t l yr e c h a r g e db yt h e4 t hc e n o z o i ca q u i f e r t h e r e c h a r g ea r e ae l e v a t i o na n dt h es e a l i n gd e g r e eo ft h ea q u i f e r sa r ed i f f e r e n t ( 2 ) 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 ss i g l et y p eo fc i n a + k ；a l o n gt h e d i r e c t i o no fd e v i a t i n gt h es e a mo u t c r o p ，w a t e r t y p e si nt h es a n d s t o n ea q u i f e r s c h a n g e dg r a d u a l l yf r o mc 1 n a + kt oc 1 - h c 0 3 - n a + k ，w a t e rc h e m i s t r y i n d i c a t o r s c h a n g er e g u l a r l yc o r r e l a t i v e l y w a t e r t y p e s i nt h el i m e s t o n ea q u i f e r sa r e c 1 s 0 4 - n a + k ，c 1 n a + k 、c 1 h c 0 3 一n a + k ；w a t e r - t y p e so ft h eg r o u n d w a t e ri n m i n e da r e a sa r ec i n a + k 、c 1 h c o l 3 - n a + k 、h c 0 3 - c 1 n a + k ，w h i c ha r ec a u s e db yt h e d i f f e r e n tw a t e r t y p e so ft h e i rr e c h a r g ew a t e r ( 3 ) a l o n gt h ed o w n w a r dd i r e c t i o no ft h es a n d s t o n ea q u i f e r ，c o n c e n t r a t i o no f c a 2 + 、m 9 2 + 、t o t a lh a r d n e s s 、t e m p o r a r yh a r d n e s s 、s 0 4 d e c r e a s ea n d t h a to ft d s 、 h c 0 3 、k + + n a + 、n e g a t i v eh a r d n e s s 、p hi n c r e a s e d c a 2 + 、m 9 2 + 、8 0 4 2 a n dh a r d n e s s a r es e l e c t e da st y p i c a li n d i c a t o r sf o ri d e n t i l y i n gt h ew a t e r i n r u s hs o u r c eb e c a u s eo f t h e i rr e l a t i v e l ys t a b l ed e v e l o p m e n ta n dl a r g e rc o n c e n t r a t i o nd i f f e r e n c ea m o n g a q u i f e r s t h es e l e c t e di n d i c a t o r sa r et h es a m ew i t ht h o s es e l e c t e dt h r o u g h s t a t i s t i c s m e t h o d f cm e t h o d ，d g im e t h o d ，a n db s dm e t h o ds t i l lc a nb ei m p r o v e d c o m p a r i n g t h ee lm e t h o dw i t ht h e m ，t h er e s u l ts h o w s ：t h er e t r o s p e c t i v ed i s c r i m i n a t i o n a c c u r a c yo ff c ，d g i ，b s d ，a n de la r e9 5 8 ，8 5 4 ，6 6 7 a n d8 9 6 t h e d i s c r i m i n a t i o na c c u r a c ya r ea 1 18 3 3 。 k e y w o r d s ：p a n y im i n e ；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 ；s o u r c eo fw a t e r - i n r u s h ； g i s ：d i s c r i m i n a t i n gm o d e l ；e x t e n s i o ni d e n t i f i c a t i o n 图件清单 图2 1 潘一矿交通位置图6 图2 2 淮南煤田构造略图7 图2 3 淮南煤田构造示意图1 0 图2 - 4 潘一矿构造纲要图1 0 图2 5 淮南煤田水文地质分区略图1 1 图2 - 6 潘谢矿区新生界含隔水层( 组) 1 2 图3 1 潘一矿地下水位动态图1 8 图3 2 水位动态观测孔平面分布图1 9 图3 3 潘一砂岩水位动态图2 0 图3 4 潘集下含2 0 0 1 年1 月等水位线一2 1 图3 5 下含2 0 0 3 年1 月等水位线2 1 图3 6 下含2 0 0 6 年1 月等水位线2 1 图3 7 潘一矿地下水8 d 和6 1 8 0 值关系图2 3 图3 8 潘一矿各含水层离子浓度对比图2 4 图3 9 潘一矿地下水化学p i p e r 分析图：一2 5 图3 1 0 下含t d s 等值线2 8 图3 11 下含c a 2 + 浓度等值线图2 9 图3 1 2 下含m 9 2 + 浓度等值线图2 9 图3 1 3n a + + k + 浓度等值线图2 9 图3 1 4 下含h c 0 3 浓度等值线图3 0 图3 1 5 下含c l 。浓度等值线图：3 0 图3 1 6 下含s 0 4 2 - 浓度等值线图3 0 图3 1 7c 1 3 砂岩含水层水质类型分区3 2 图3 18b l l 砂岩含水层水质类型分区3 2 图3 1 9c 13 砂岩含水层t d s 浓度等值线图3 5 图3 2 0c 1 3 砂岩含水层c a 2 + 浓度等值线图3 5 图3 2 1 c l3 砂岩含水层m 9 2 + 浓度等值线图3 6 图3 2 2c 13 砂岩含水层k + + n a + 浓度等值线图3 6 图3 2 3c 1 3 砂岩含水层h c 0 3 - 浓度等值线图3 7 图3 2 4c 1 3 砂岩含水层c 1 。浓度等值线图3 7 图3 2 5c l3 砂岩含水层s 0 4 2 - 浓度等值线图3 8 图3 2 6c 1 3 砂岩含水层总硬度等值线图3 8 图3 2 9 c l3 砂岩含水层p h 等值线一4 0 图3 2 9 潘一矿五六线剖面水化学分析图4 2 图3 3 0 潘一矿五六线水样点平面分布图4 3 图3 3 1 五六线剖面离子浓度变化曲线图4 4 图3 3 2 八九线剖面离子浓度变化曲线图4 5 图3 3 3 潘一矿八九线剖面水化学分析图4 6 图3 3 4 潘一矿八九线水样点平面分布图4 7 图3 3 5 潘一矿地下水对应分析图5 0 图3 3 6 潘一矿c l3 水样空间分析图5 2 图3 3 7 潘一矿主要含水层特征指标箱图5 3 图3 3 8 潘一矿各含水层离子比分布图5 5 表格清单 表2 1 淮南煤田区域地层8 表2 2 潘集矿区各主要含水层水文地质特征表木1 4 表3 1 总揽表4 9 表3 2r 型因子载荷4 9 表3 3q 型因子载荷4 9 表3 4 各指标f 值计算结果5 3 表3 5 数据的f 统计值表5 4 表3 6 潘一矿地下水离子比统计表5 7 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 金目垦王些太堂 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。 学位论文作者签名：签字日期：2 口昭年6 月de t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 曼王些盔堂有关保留、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。本人授权金目巴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) 靴做储獬：强糊 签字日期：2 即5 年6 月f ；日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新躲磊黜， 签字日期：办一律6 月f 弓e t 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和李佩全教授级高工。 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! 感谢朱光老师、孙世群老师、陈天虎老师，在我的学习中，给与了很多关 怀与帮助! 感谢马雷师弟在g i s 开发和使用方面的大力帮助、感谢吕纯、崔喜、杨梅、 关秋红、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。 感谢淮南矿业集团刘登宪教授级高工、武兴楼老师、刘满才老师，吴长信 老师、程玉琴老师；感谢潘一矿王喜林科长、程海燕、韩必武老师；感谢潘东 矿丁庆和、苏朝晖、李多光、王举工程师；感谢潘三矿地测、防水方面杨科长、 赵勇工程师。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；他们在论文的数据采集方 面给与了很多的帮助与配合，在此表示由衷的谢意! 感谢家人在生活上给我的极大支持，使我能够顺利完成学业。 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：张瑞钢 2 0 0 8 年5 月10e t 1 1 研究背景与研究意义 第一章绪论 煤炭是我国经济发展与人民生活的主要能源，然而在煤炭生产生产过程中 经常会有水害事故发生，给矿工生命安全和国家经济带来巨大的损失。例如： 1 9 8 8 年1 0 月2 4 日，淮北杨庄矿i i6 1 7 综采工作面发生底板奥灰突水，直接经 济损失1 5 亿元，1 9 9 6 年3 月4 日皖北任楼矿发生突水事故，直接经济损失逾 2 亿元。矿井突水严重威胁着煤矿安全生产，而只有正确快速的判别突水水源 才能有效防治突水，及时对突水进行疏干或封堵，从而赢得宝贵的时间，保障 矿工生命安全，减少经济损失。因此，如何正确快速判别水源一直是治理矿井 水害的重要课题【l 母j 。 潘一矿位于淮南潘集矿区东北部，为煤系上覆巨厚( 3 0 0 - - 5 0 0 m ) 新生界 松散砂层孔隙水与底板岩溶水复合含水层充水类型的矿井，水文地质条件较为 复杂。其中上覆砂岩水在潘一矿建井及生产期间发生下含充水近1 0 次之多。新 老区生产矿井均存在着老空水的危害，尤其是新区矿井，其产量高，单面回采 面积大，加之有下含高水头补给，是关系井下作业人员生命安全的水害之一， 如潘一矿1 6 6 1 ( 3 ) 工作面面的采空区积水量高达6 0 0 0 0 m 3 ，其它工作面，平均 都在1 0 0 0 0m 3 以上【1 0 】。因此查明潘一矿地下水系统，掌握各突水水源情况，以 及快速的判别突水水源，对淮南潘一矿的的安全生产具有重要意义。 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，是进行 属性数据、空间数据管理、查询和分析的有力平台】。因此，研究用g i s 作为 管理和分析庞大、复杂的水文地质信息、水化学信息的平台，高效准确地进行 地下水化学信息、地质信息等的管理和突水水源判别具有重要的意义。 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 高淮南矿区安全生产管理的现代化水平，且为淮南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 1 2 1 国外研究现状 国外煤矿开采已有1 0 0 多年的历史，在煤矿突水机理的研究和突水水害的识 别方面积累了很多经验。例如前苏联学者b 斯列萨列夫提出了底板突水的“梁理 论”，从底板成压角度导出安全水压值。之后人们从岩体结构、岩体强度等多个 方面研究隔水层作用。 同时在预防突水方面国外发展了很多探测技术，进行水害的主动防治。但 是国外应用水化学特征判别煤矿突水水源的文献很少。 1 2 2 国内研究现状 靳德武 1 4 对我国煤矿底板突水研究进展进行了探讨，他认为5 0 年代提出煤 层底板突水问题；6 0 、7 0 年代是突水系数法时代，其中6 0 年代为古典突水系数时 代，7 0 年代为修正突水系数时代；8 0 年代是岩体工程地质力学时代；9 0 年代是泛决 策分析理论时代。桂和荣、陈陆望通过水化学方法对皖北煤矿的地下水化学特 征和水源判别模式进行了系统深入的研究。总的来说，水源判别方法主要分成 两类，一类是从突水机理角度来来判别突水水源，主要从岩体力学，地下水渗 流场理论等角度分析水害来源；一类是通过数据分析来获取地下水中所包含的 水文地球化学信息，利用突水水质中所含有的水文地球化学信息来辨别突水水 源。 ( 1 ) 从突水机理角度来来判别突水水源 主要考虑岩体结构、岩体强度、采动破碎等，从煤层顶底板动力学平衡的 角度研究和处理问题，以岩体临界平衡状态作为煤层底板突水控制条件。这种 方法是通过计算岩体在采动前后的应力及断层等一些构造应力来预防及判断突 水水源。在这方面形成了突水系数理论、下三带理论 1 5 】、地质力学方法 1 6 】、关 键层理论、原位张裂与零位破坏理论、强渗道理论等。 杨武洋等【l7 】对梧桐庄矿1 8 2 1 0 1 采煤工作面全程采煤过程中的地应力变化 进行监测，结合区域地应力的变化作出了7 次出水情况预测意见，为煤矿制定合 理有效的突水治理方案提供依据。李百贵【l8 】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。袁智等 19 从地质构造理论及矿山压力理论出发， 探讨了超化井田底板灰岩突水的主要原因，并针对不同类型突水提出相应的防 治对策。 ( 2 ) 通过数据分析识别水源 通过挖掘不同含水层中地下水水化学、水位、水温的数据特征，从突水的 水化学、物理信息中判别突水水源。最主要的是水化学分析法，即分析水样的 水质类型、物化特征等，结合水质的水文地球化学分布、迁移、转化规律来分 析突水的来源。研究对象分为常规水化学特征、同位素、微量元素。水文地球 化学探测技术在判断矿井突水水源方面具有快速、及时、经济方便等特点 2 0 1 ， 因此通过常规水化学信息判别突水水源的方法得到广泛研究和应用。 常规水化学判别研究 常规水化学因为测试方便、现场工程技术人员熟悉等特点，研究应用得最 为广泛。常用指标为六大离子、特征离子比、硬度、碱度以及温度t 和p h 值等 物理指标。常用研究方法有传统水化学分析法和近年来发展的各种不确定性数 学法。 传统水化学法有直接对指标描述法，图解法：p i p e r - - 线图( 基于六大离子 相对含量) 、d u r o v 图、l a n g e l i e r 1 u d w i g 等，以及单组分值域法和两组分作图法 熊【2 1 - 2 3 】 寸 。 桂和荣【2 4 】利用s 0 4 2 一与c l - 的关系，辅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。杨建等 2 5 】采) 霜p i p e r - - - - 线图、阿 廖金分类以及数学综合分析等水化学分析方法，确定出井下突水各水源的水化 学特征差别，为突水防治提供了可靠的依据。佟凤健【2 6 】等利用水化学分析法判 别岱庄煤矿井下突水水源获得成功。杜希山 2 7 1 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。刘现宣【2 8 】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。杨本水【2 9 】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。 传统水化学方法在判别突水水源方面取得了很多成功，但是对于水质类型 复杂，或突水水源水质相似的情况，判别比较困难；近年来一些不确定性数学 和统计学手段的引入以及与计算机的日益紧密的结合给判别水源带来新的途 径，并使得判别方法和判别效率、效果都有很大的发展。如模糊综合评判法、 灰色关联度评价法、人工神经网络识别技术、多元统计方法等。这些方法的共 同特点即通过把突水水样和可能水源的化学资料的相似程度进行对比排序，或 根据出现概率排序，结果最大者及为突水水源。近十年的国内文献几乎都用这 些方法来判别突水水源。 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 3 0 。”】。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 定中。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 i6 1 7 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【3 4 。3 7 】。在神经网络运用方面，魏永强等采用了岩性，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( 3 孙4 1 1 。多元统计分析方面，多用建立在 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 2 - 4 5 1 。 同位素和微量元素判别方法 虽然各种常规水化学判别的尝试为突水水源的判别提供了新的途径，但其 技术关建仍然在于寻找不同含水层的“标型”组分，而对于一些水质相近的含水 层，这常常比较困难。“微量元素”、“同位素”虽然在水化学组分中含量极少， 但是却含有丰富而独特的水文地球化学信息，因此可以利用其中的特性信息来 进行判别，与常规组分的判别相结合达到更好的判别效果【4 6 5 1 1 。 同位素技术运用方面运用最多的技术最成熟的是1 8 0 、d 、t ，1 8 0 、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5 0 年左右的地下水年龄，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 作用及程度。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【5 2 巧4 】等以1 8 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。王广才”等利用环境同位素( 氢、氧) 技术进一 步证实和校正了以往平项山矿区水流系统的概念模型葛晓光【56 通过对测定参 数的同位素水文地质学分析，证明矿井各充水地层相对封闭，地下水形成年龄 已达2 万年左右。 微量元素水文地球化学在煤矿防治水中应用的比较少，或者说正处于起步 阶段【l2 1 。宋晓梅、桂和荣【5 7 】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【5 s , 5 9 在皖北矿区采取了2 2 个深层地下水水样，测试a g 、a i 、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。 虽然微量元素和同位素在研究水流场、识别水源方面具有很多优势，但是 其检测条件要求高，周期长。在突水发生时需要快速判别水源，为了解决这个 矛盾，桂和荣、陈陆望研究了微量元素、同位素和常规水化学组分的相关关系， 以便找出某种常规组分代替微量元素、同位素，这样即快速又提高了判别效果。 ( 3 ) 其它判别方法： 计算机技术为水源判别工作提供了综合使用各种方法的平台。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 m 6 2 】，从而提高预 测预报的成功率与准确性。武强【6 3 】综合分析论证了新型软件系统( v i s u a l m o d f l o w ) 在我国矿井防治水研究领域的推广应用前景。又如地理信息系统 ( g i s ) ，它具有强大的空间数据库功能，空间分析功能，既可以作为管理、分 析数据的平台，使得岩体工程方法与水化学法等在同一界面上综合使用，也可 以作为识别的工具从可视化空间的角度进行判别：其方便的二次开发平台，可 以将各种模型，以及其它方法的功能编程耦合到系统之中，综合使用 6 4 - 7 0 】。 综上，已有水文地球化学方法是矿井突水水源判别有力手段，但是各种方 法研究都有待于进一步深入，应结合水源判别的具体问题，在各大类的方法中 选择具体合适的小方法，或加以改进创新。微量元素和是同位素因为其在水文 地球化学过程中的独特机理，可以弥补常规水化学法的弱点，是一个重要研究 发展方向。水源判别技术今后应该与计算机更加紧密结合。 1 3 研究思路与研究内容 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 6 7 2 1 5 4 ) ，以淮南潘集矿区为研究区域，在分析查明各井 田各主要含水层的水文地球化学特征的基础上，以潘一矿为例建立突水水源判 别模型。 围绕以上思路，本文的研究内容有： 1 、通过对矿区及井团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； 2 、根据矿区水文观测孔多年的统计资料，分析了矿区各含水层的钻孔水 位动态变化规律；以及新生界下含的流场变化情况。 3 、根据常规水化学数据，以地理信息系统m a p g i s 为平台分析了六大离子 ( c a ”、k + + n a + 、m 9 2 + 、c 1 。、s 0 4 2 、h c o f ) 和t d s 等指标在平面和垂向上的分布 特征及其成因，用泰森多边形法进行了平面水质类型分区。把g i s 技术与常规 水化学图解技术相结合进行水化学空间分布特征分析，通过多元统计方法分析 了各含水层的水文地球化学特征与g i s 分析结果相互映证。利用水化学指标的 的统计特征筛选了识别突水水源的特征离子。以潘一矿为例以物元可拓识别方 法建立了矿井突水水源判别模型，并与其他模型判别结果进行了比较。 2 1 自然地理概况 第二章研究区域概况 2 1 1 交通位置 淮南潘一井田交通极为方便，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，市内有1 2 、1 3 、1 1 2 路公共汽 车和各井田相通。每天还有定点客运车直达蚌埠、风台、阜阳、合肥、南京等 地。淮河距该矿约2 0 k m ，可通航运 7 1 1 。 【垂釜b ；= # o = = # 影 墅逛 图2 - 1 潘一矿交通位置图 2 1 2 自然地理 ( 1 ) 地形与水系 潘一井田地处淮河冲积平原，地形平坦，地面标高一般为+ 1 9 + 2 3 m 。淮 河为邻近本区主要河流，流以淮南，一般水位标高+ 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 日田家庵水电站) 。堤面标高+ 2 7 0 7 m ，泥河位于本 井田南缘，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 2 2 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1 5 1 ，极端最高气温4 1 2 ( 6 6 年8 月8 日) ，极端最低气温2 2 8 ( 6 9 年1 月3 1 日) 。 年平均降雨量9 2 6 3 m m ，最大17 2 3 5 m m ( 1 9 5 4 年) ，最小4 7 1 9 m m ( 1 9 6 6 年) ，日最大降雨量3 2 0 4 4 m m ，小时最大降雨量7 5 3 m 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1 2 6 1 2m m ( 1 9 8 0 年) ，蒸发量大于降雨量，潮湿系数近0 5 。 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 18m 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1 9 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 - 12 7 天，最长13 8 天，最短2 6 天。最长连续降雪6 天，日最大降雪量1 6 0m m 。 冻结及解冻无定期，一般夜冻日解。冻结深度4 0 , - - 1 2 0 m m ，最大冻土深度 3 0 0m m 。 2 2 地质概况 2 2 1 区域地质 淮南煤田位于秦岭纬向构造带东亚带的北缘，东与新华夏系郯城庐江断裂 相交，西连周口凹陷，北连蚌埠隆起，南邻合肥凹陷( 如图2 2 ) 。 图2 - 2淮南煤田构造略图 1 、地层 淮南范围内的地层区划属华北地层区，两淮分区，淮南小区。区内地层发 育良好，出露较全，除第四系地层外，出露的地层还有白垩系( k ) 、三迭系( t ) 、 二迭系( p ) 、石碳系( c ) 、奥陶系( 0 ) 、寒武系( e ) 、青白口系( e g ) 和下元古界( p t ) ， 地层总厚度大于5 5 9 0 m 。详情见下表2 1 。 表2 1淮南煤田区域地层 界系 统组 厚度( m ) 主要岩性 全新统4 0 6 0 0 第四系 浅黄、灰黄色黏土夹砂层 更新统 新 上新统 生 第 上1 1 7 0 1 5 2 8 灰绿色、浅棕黄色，固结黏土夹砂层 中新统 界 三 渐新统 浅灰色、棕褐色砂泥岩及其 系 下9 5 6 2 0 5 7 始新统互层夹砂砾岩 由 白垩纪 上统 6 4 7 紫红色粉、细砂岩、沙砾岩 生 下统 18 4 4 棕红色泥岩、粉砂岩，细中细砂岩 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 杂红泥岩细粗砂岩， 1 1 4 2 6 0 组 夹石英砂岩、砂砾岩 上统 上石盒 灰绿色、浅灰色砂、泥岩、 3 1 6 5 6 6 子组 底含石英砂岩，含煤层 古 二叠系下石盒 1 0 2 6 5 灰色岩、泥岩及其互层，底含粗砂岩，含煤层 下统子组 生 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 界中统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，顶部夹薄层页 奥陶系1 4 5 6 2 0 下统岩 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 中统3 3 5鲕状，结晶白云质灰岩夹页岩，粉砂岩及石英砂岩 寒武系 下统 6 6 8 4 7l 厚层状、虎皮状，生物碎屑灰岩 震 灰质、泥质白云岩，白云质灰岩， 1 5 1 青白徐淮群2 4 2 4 7 7 一 具竹叶状构造，夹燧石结核条带 亚 界 口系 八公山群5 4 2 6 9 6 泥灰岩，页岩及其互层，石英砂岩 下元 霍邱群 1 0 4 5 灰绿色角闪片岩，片麻岩 古界 2 、构造 淮南煤田为一复向斜构造，由于南北压应力的挤压作用，使淮南复向斜主 体构造形迹呈东西向展布，并在复向斜南北两翼部分地层直立倒转。( 如图) 由 于新华夏系构造复合干扰而使主体构造形迹稍有变动，呈北西西南东东向展 布。这一纬向构造带经过燕山运动的改造形成了现在的构造轮廓。燕山运动不 仅表现为褶皱、断裂，并有岩浆活动。新华夏系构造在本区以断裂为主，褶皱不 发育，断裂一般截接东西向构造。 潘集陈桥中心隆起背斜，位于淮南复向斜中偏北部，全被15 0 4 5 0 m 厚的 新生界地层覆盖，经勘探查明为一走向东西、由二迭系太原群及部分奥陶系组 成的背斜构造，一般倾角1 0 4 0 度，为略有起伏的宽缓背斜，轴部地层近水平， 两翼两端略不对称。区内主要断层为北北东向斜切断层，背斜向东西两端倾没。 局部有火成