潘谢矿区新生界含水层水化学特征分析及其在水源判别中的应用

苏明金，贾少平，李 源，陈晓雷

(淮南矿业集团 地质勘探工程处，安徽 淮南 232052)

近年，两淮煤田发生多起水灾害事故，虽未造成人员伤亡，但造成极大经济损失，并给井下工作人员带来较大精神压力，因而，为有效进行矿井水灾害防治工作，进行灾害水源判别是决定治理工作方案与效果的关键；同时，通过对异常水样归属判别，结合水质资料可以反演水文地质条件，为水害预防及时提供可靠信息[1]。因此，水源判别在矿井安全生产中具有深远的现实与社会意义。

1 水样选取

本次选取统计水样是2010年开始施工至2012年6月结束的钻孔，具有较强时效性，并依据近期编制的各矿井新生界报告[2-4]，对施工钻孔含水层位重新统一界定，排除“串层”钻孔，并剔除一个降深点抽水孔。研究区采样钻孔分布于潘谢矿区的潘一、潘二、潘三、潘北、丁集、顾北与张集矿，基本覆盖淮南矿业集团淮河以北矿井，区域控制程度较高。选取水样共计34个，其中上含7个，中含16个，下含11个，不同含水层位均有控制，如表1和图1所示。

2 含水层常规离子水文化学特征及形成机理

2.1 水化学特征

表1 各含水层水质类型

图1 不同含水层位等高线与控制钻孔分布

2.2 含水层径流特征

三个含水层随埋深增加，矿化度随之增加，地下水运动形式由上含垂直下渗补给、地表水体切割侧向补给运动转变为中、下含含水层内侧向微弱径流为主。如图1，上含水径流大体方向由南向北，主要受控于位于潘谢矿区南边淮河水补给；垂直补给整个区域相对均匀，对径流方向影响不大。中、下含水层内径流方向基本相同，受控于古地形[5]，由西部古潜山补给区向东部潘集背斜倾伏端缓慢运动，趋于静止；采样区中、下含因区域隔水层存在，垂直层位水力联系微弱，侧向古潜山附近对各含水层补给有限水量，因含水层与外界缺乏有效排泄出口，仅以弹性形式储存在含水层内，逐渐形成含水层内水力梯度很小的缓慢径流-滞流区。

2.3 含水层水化学特征形成机理

由含水层水化学特征、径流特征、古沉积环境与溶质运移规律，可以还原含水层水化学特征形成过程[6]。

3 含水层水质类型判别

3个含水层水化学成分形成机理、古沉积环境与当前所处地下水系统位置不同，水质存在明显差异，这为通过辨别不同水质类型判断水源提供物理基础。

3.1 由各含水层阴阳离子组合及含量判别水源

3.1.1 上含水与中、下含水区别

(1)阳离子主要成分由2种或3种常规离子组合，一般为上含水。

3.1.2 中含水与下含水区别

(1)阴离子以Cl-或Cl- SO4- HCO3组合为主，一般为中含水。

3.2 利用BP神经网络进行水源判别[9-10]

综上可知，可以清晰辨别上含水质与中、下含区别；中、下含水质之间大部分也可以明确辨别，可能存在一部分水样通过简单离子组合及含量关系难以辨别，是由于含水层之间存在水力联系发生水质混合或古沉积时期发生水质混合造成，抑或水质演化阶段相似，不论由何种因素造成，它们受制于离子平衡定律以及各离子在水体中运移累积规律，之间“量”还是存在差别，这为利用BP神经网络辨别相近水质不同水源提供可能。

3.2.1 样本设计

利用本次选取的34个水样作为训练样本，判别因素使用了地下水化学特征离子(Na+K-Mg-Ca-Cl-SO4-HCO3)，判别样本选自2012年6月后施工的钻孔，共计9个(水样选取标准同训练样本)，如表2。

3.2.2 模型设计

表2 判别样本 mg/L

运用使用率较高的BP神经网络，采用单隐层BP网络，输入层为7个神经元，中间层为15个神经元，输出层为3个神经元(上含(100)，中含(010)，下含(001))。神经元的传递函数为tansig和logsig，训练函数为trainlm，训练结果达到预期。

3.2.3 测试结果

在Matlab中打开经过训练的网络，导入判别样本数据，进行判别，结果如表3。

表3 BP神经网络判别结果

由表3可知，对9个水样含水层均作出正确判别，并且反映出各含水层之间水样相似程度，其中上含水样与中含水样相似度高于其与下含相似度，中含水样与上、下含水样均有一定相似度，但与下含相似度高于上含，下含与中含相似度较高，这与不同含水层空间位置相对应，符合上文分析的地下水运动规律与水质演化机理。

4 结束语

(1)3个含水层水化学成分形成机理、古沉积环境与当前所处地下水系统位置不同，水质存在明显差异。

(3)由离子组合与相对含量关系可以从3个含水层中直接判别上含水水源，部分判别出中、下含水源。

(4)运用BP神经网络可以很清晰地判别3个含水层水源，以及各含水层水质之间相似程度。

[参考文献]

[1]刘 鑫，陈陆望，等.采动影响下矿井突水水源Fisher判别与地下水补给关系反演[J].水文地质工程地质，2013(4).

[2]淮南矿业集团地质勘探工程处.谢桥井田煤系上覆第三系地层(红层)隔水性补勘验证评价报告[R].淮南：淮南矿业集团地质勘探工程处，1999.

[3]安徽水文勘探队.潘北井田新生界水文地质补充勘探报告[R].宿州:安徽水文勘探队，2011.

[4]江苏二队.潘三矿井田西翼新生界水文地质补充勘探报告[R].徐州:江苏二队，2011.

[5]宋传中,朱 光,刘国生.淮南煤田的构造厘定及动力学控制[J].煤田地质与勘探，2005(1).

[6]王大纯，张人权，等.水文地质学基础[M].北京:地质出版社，1995.

[7]苏明金,李 源,贾少平.潘北矿F1断层组性质与含、导水性分析[J].煤矿开采,2012，17(5)：23-25.

[8]沈照理，朱碗华，钟佐燊.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社，1993.

[9]徐忠杰，杨永国，汤 琳.神经网络在矿井水源判别中的应用[J].煤矿安全，2007(2)：4-6，17.

[10]丛 爽.面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社，1998.