基于水化学关键因子的相似矿区煤层底板突水水源的识别

Identifying of water inrush resource is the key of mine water preventing and controlling. Similar coalmines have similar hydrogeologic conditions and hydrogeochemical characters, so a universal identification model of floor water inrush resource can be established. Ten coal pits are chosen as objects of study from every mining area of Jiaozuo, Pingdingshan, Zhengzhou, Lu'an, Hebi, Yongcheng, Yima-Xin'an， Jincheng, and Fengfeng . Water quality of Carboniferous limestone, Ordovician and Cambrian are gathered and tested. The similitude and difference on burial depth, thickness, rock character, karst development, and structural distribution of the same water bearing layer are analysed to research the hydrogeochemical variation of floor limestone with the temporal-spatial change based on the hydrogeologic informations which are already mastered or gathered in the process of mining work. The components of ion which can represent the hydrochemical character of groundwater are extracted by use of principal component analysis. Identification model of floor water inrush resource can be established by use of distance discriminant analysis, and Grey Relevancy degree is used to test and verify the model.The similitude and difference on hydrogeologic character and hydrochemical character are researched by comparing other North China coal fields and the chosen objects of study. Modify the model and use it to identify floor water inrush resource in other North China coal fields.The achievement can be used to identify the water inrush resource in North China fields, and it is of momentous current significance.

确定突水水源是煤矿防治水的关键。相似矿区有相似的水文地质条件和水化学特征，可建立通用的突水水源识别模型。选取焦作、平顶山、郑州、潞安、鹤壁、永城、义马新安、晋城、峰峰矿区各10对矿井为研究对象，收集并检测各矿井煤层底板石炭系上段和下段薄层灰岩、奥陶系或寒武系灰岩含水层的水质资料，结合已探查的或矿井采掘过程中揭露的综合水文地质信息，分析典型矿井同一含水层在埋深、厚度、岩性、岩溶发育和构造展布等方面的相似性和差异性，研究底板灰岩含水层水化学时空变化规律。用主成分分析法分离出能代表底板灰岩含水层水化学特征的典型离子，用距离判别法建立相似矿井各含水层的识别模型，并用灰色关联度法验证模型的可靠性。比较其他华北型煤田的矿井在水文地质特征和水化学特征方面的相似性与差异性，将建立的识别模型修正后用于其他华北型煤田底板突水水源的识别中。成果可用于识别具有相似水文地质条件的华北型煤田底板的突水水源，意义重大。

华北型煤田是我国煤炭的主产区之一，约占全国煤炭产量的26.1%。因其储量丰富、产量大、交通便利及紧临经济发达的华东、华南地区，在我国能源工业中占有举足轻重的地位。华北型煤田的石炭二叠系煤系地层中分布有数层石炭系薄层灰岩含水层，其下为巨厚的奥陶系或寒武系灰岩含水层，奥灰或寒灰含水层总体上富水性不均一且富水地带水压高。受构造的影响，薄层灰岩含水层及其隔水层中断裂和裂隙较为发育，导致奥灰或寒灰与薄层灰岩间有密切的水力联系。受煤层采动的影响，底板破坏深度内的灰岩含水层及其隔水层中断裂和裂隙将更为发育，因此回采过程中时刻受到薄层灰岩和厚层灰岩含水层地下水的威胁。随着石炭二叠系煤层开采深度的增加，预计其受到的底板灰岩水害威胁将更为严重。. 研究和处理矿井突水对煤矿生产的危害，一般从矿井突水水源和突水通道两方面来解决。因此，判定矿井突水水源就成为治理矿井突水的关键，只有找到了突水水源，才能有针对性地解决矿井突水问题。国内外科研工作者对矿井突水预报做了大量的研究工作，但目前主要的各种方法都存在着各种各样的缺陷。本项目以典型的华北型煤田——平顶山煤田为研究对象，从煤田的各含水层的水化学特征入手，通过主成份分析法筛选出能代表各含水层水化学特征的典型离子，用距离判别法建立突水水源的识别模型，从而得到简便、快捷、准确的突水水源识别模型。. 为建立各含水层及地表水的突水判别模型，做的主要研究工作有：①依据平顶山矿区已有水文地质区划，分析主要含水层埋藏分布特征和水文地质特征；②收集分析已有的充水含水层的水化学资料，并补充收集了七矿、九矿、十一矿、六矿、十矿、一矿、十二矿、二矿、十三矿、首一矿等共计70个水样，进行水质检测；③研究各充水含水层的水化学特征及差异，过滤出各充水含水层的典型离子为六大常规离子Na+ +K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-的离子含量。④利用现代数学方法结合计算机技术，基于充水含水层典型离子组份，建立识别各充水含水层的数学模型。⑤依据实测的各充水含水层的离子组份检验所建立的数学模型，通过验证判别准确率达到93.3%，并用于生产实际中充水含水层的判断。⑥将判别模型应用于焦作矿区及新安矿，验证的准确率达到95%以上。. 通过研究建立了快捷、准确的华北型煤田突水水源的判别方法，通过验证，准确率高，使用方便，适合推广。