基于主成分分析的矿井突水水源Bayes判别模型

矿井突水严重威胁矿区安全生产,快速准确地判别突水水源,对有效防治矿井突水灾害有重大意义。根据鹤壁矿区6个主要含水层水化学成分的差异性,选取了Ca2+、Mg2+、Na++K+、CO2-3、HCO-3、Cl-、SO2-47个指标作为突水水源判别的评价因子,并选用鹤壁矿区294个水样作为学习样本,以Matlab为平台,先采用主成分分析法提炼出三个主成分Z1、Z2和Z3。然后把这3种主成分的值作为贝叶斯判别指标,建立了鹤壁矿区突水水源判别模型。利用该模型对鹤壁矿区随机选取22个突水水样进行水源判别,判别正确19个,错误3个,精度达到86%。判别错误的原因,主要是因为有的含水层水化学类型相似或者几个含水层之间存在一定的水力联系。研究结果表明,基于主成分分析的矿井突水水源Bayes判别模型能够满足矿井生产要求,可为防治水工作提供决策依据。     

系统聚类逐步判别法对皖北矿区突水水源的分析

以Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO₄2-、CO₃2-、HCO₃-、pH值与TDS的测试结果为指标,对皖北矿区四含、煤系、太灰、奥灰4个主要突水含水层系统分别进行聚类分析。在此基础上,筛选出能代表各含水层水化学特征的水样进行逐步判别分析,并从中选出了SO₄2-与TDS两种标型组分,建立了皖北矿区突水水源的判别模型,该模型具有较好的判别效果。      

代池坝煤矿深部水文地质条件研究及涌水量预测

代池坝煤矿进入深部开采,通过对矿区深部水文地质条件研究与矿井充水因素分析,认为矿床充水含水层为富水性弱^中等的砂岩裂隙含水层,各含水层间水力联系差,深部开采面临含水层地下水水压变大,具有一定的危险性。矿井主要充水水源为大气降水、含水层砂岩裂隙水、地表水和采空区积水。矿区主要充水通道是煤层开采后形成的导水裂缝带和矿区范围内11个报废钻孔。采用了比拟法的计算:深部标高+320中等的砂岩裂隙含水层,各含水层间水力联系差,深部开采面临含水层地下水水压变大,具有一定的危险性。矿井主要充水水源为大气降水、含水层砂岩裂隙水、地表水和采空区积水。矿区主要充水通道是煤层开采后形成的导水裂缝带和矿区范围内11个报废钻孔。采用了比拟法的计算:深部标高+320⁺50m范围内正常涌水量为234m+50m范围内正常涌水量为234m³/h,最大涌水量为509m3/h,最大涌水量为509m³/h。     

地下水化学特征在岱河矿涌水水源判别中的应用

岱河矿区地下水系统包含三个主要子系统:第四系全新统孔隙含水层、煤系砂岩裂隙含水层组及煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层组。通过对矿区三个子系统地下水化学特征分析,确定各子系统涌出水来源判别依据的水溶组分并建立各子系统所特有的水质模型,进而提出矿井涌水水源判别模式。实际应用表明,该判别模式具有快速准确的特点,可以为了解矿井涌水来源,预测矿井涌水量,防治矿井突水提供理论依据。     

矿井突水水源判别的多组逐步Bayes判别方法研究

矿井突水是采矿过程中最具威胁的自然灾害之一。能否准确快速地判别矿井突水水源,不仅是矿井水文地质工作的主要内容,而且是煤矿防治水工作的重要基础。为了有效判别矿井突水水源,综合考虑水化学指标对水源判别的重要性,基于多组逐步Bayes判别分析理论,选取Na+ K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-共6项指标作为判别因子,利用国内某矿区各主要含水层的35个水样的水质资料作为训练样本,建立了矿井突水水源预测的多组逐步Bayes判别分析模型。实例分析表明,该模型结果与实际情况相符合,说明该模型在矿井突水水源判别中具有良好的实用性和有效性,为判别矿区新的突水水源提供了一种新思路。     

基于主成分分析的多项Logistic回归模型的突水水源判别研究

矿井水害是矿井生产过程中较常见的地质灾害之一。快速有效地判别突水水源是预防矿井水害的关键所在。选取袁店二矿59个水样资料(常量离子含量),利用主成分分析进行处理,得出主成分得分;以主成分得分为自变量,水源类别为因变量建立多项Logistic回归模型;运用该回归模型对59个水样资料进行类型判别,得出综合判别准确率达到86.4%;并通过实例对判别模型进行了验证。研究结果表明:主成分分析法与多项Logistic回归模型相结合的方法在水源判别上具有可行性,不仅消除了常量离子之间的内在影响,而且使判别结果具有一定的准确率,在突水水源判别问题上提供了一种新方法,为矿井防治水提供有效依据。     

焦作矿区地下水水化学特征及涌水水源判别的FDA模型

运用统计学Fisher判别分析(FDA)理论,根据含水层涌水水样的水化学分析结果,建立焦作矿区涌水水源的数学识别模型,分析了矿区地下水水化学特征及形成机制,确定了含水层涌水的补给来源,并对它们进行判别分析及结果验证。结果表明:FDA模型预测涌水水源与常规水化学方法分析结果基本一致;矿区奥灰水补给太灰水特征明显,煤层顶板砂岩水与深部岩溶水联系较弱。FDA模型利用回代估计法所得到的误判率小,适用性强,简易方便,具有较强的涌水水源判别能力。      

矿井涌水水源判别的GRA-SDA耦合模型

选取矿井涌水水源判别中常用的灰色关联分析和逐步判别分析作为基础模型,分析了两者的优缺点及单独使用中存在的问题,提出耦合判别思路,设计了GRA-SDA耦合式水源判别模型。利用某矿区实际样本数据,选取Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-共6组离子以及矿化度作为判别因子,对该模型进行实例验证。分析表明,该模型判别结果与实际情况吻合较好,与单独使用一种分析方法相比较,有效地提高了水源判别正确率。     

代池坝煤矿深部水文地质条件研究及涌水量预测

代池坝煤矿进入深部开采,通过对矿区深部水文地质条件研究与矿井充水因素分析,认为矿床充水含水层为富水性弱~中等的砂岩裂隙含水层,各含水层间水力联系差,深部开采面临含水层地下水水压变大,具有一定的危险性。矿井主要充水水源为大气降水、含水层砂岩裂隙水、地表水和采空区积水。矿区主要充水通道是煤层开采后形成的导水裂缝带和矿区范围内11个报废钻孔。采用了比拟法的计算:深部标高+320~+50m范围内正常涌水量为234m~3/h,最大涌水量为509m~3/h。     

采动影响下矿井突水水源Fisher判别与地下水补给关系反演

为了揭示采动影响下矿井突水水源误判原因,进而推测地下水补给关系,收集了朱仙庄煤矿历年水化学资料,建立了突水水源的Fisher判别模型,并根据水样误判结果以及矿井地质与水文地质条件,反演分析了地下水补给关系.研究结果表明朱仙庄煤矿煤系砂岩裂隙含水层全部水样回判正确,含水层较为封闭,与其他含水层无水力联系;新生界第四含水层、侏罗系砾岩含水层与石炭系或奥陶系灰岩含水层部分水样误判,矿井采动影响下不同时期含水层间的地下水存在不同程度的水力联系,矿井新生界第四含水层水源对侏罗系砾岩含水层存在补给,石炭系或奥陶系灰岩水则通过矿井南部露水补给新生界第四含水层.地下水动力条件的变化验证了地下水补给关系.建立突水水源判别模型,分析回代误判原因,反演地下水补给关系,为正确认识矿井采动影响下地下水循环条件提出了新的研究手段.     

突水水源的独立性权-模糊可变理论识别模型

在煤矿开采过程中,矿井水害事故频繁发生。为快速准确地找出矿井突水水源,降低矿井突水给煤矿生产带来的危害,以赵各庄矿为例,运用独立性权系数与模糊可变理论相结合的方法,选取了Na+,Ca2+,Mg2+,Cl-,SO₄2-和HCO₃-6种水化学指标,对赵各庄矿的20组水样数据进行分析计算。结果表明:独立性权系数-模糊可变理论模型排除了水样中各指标间冗余信息的影响,克服了水样各变量间权重难以确定以及变量对水质影响不均匀的问题,可在一定程度上保证突水水源识别模型的准确度;Cl-权重值远大于其他各项化学指标的权重值,即Cl-对突水水源的识别结果影响较大;采用本文所建模型判别赵各庄矿的8组测试水样,判别准确率达87.5%,表明该模型在矿井突水水源识别中具有重要参考价值。      

主成分分析与Bayes判别法在突水水源判别中的应用

准确有效地判别突水水源是解决矿井水害的前提条件。基于淮北袁店二矿各含水层共59个水样水质化验资料,利用主成分分析法,计算各水样的因子得分,并进行系统聚类,剔除错误样本。利用剩余水样作为学习样本,检验Bayes判别函数的判定准确性,得出准确率为92.5%,并进行交叉验证。利用该判别函数对某工作面底板下一富水区水样进行判别,结果与实际情况吻合。结果指示基于主成分分析与Bayes判别法较单一Bayes判别法更加准确,能够消除样本变量之间的相互影响,实现对突水水源的快速有效判别。      

东胜煤田乌拉素矿区水文地质特征及充水因素研究

近年不断发生的突水事故,给煤矿安全生产带来严重威胁,研究矿区水文地质特征,分析矿井充水因素有重要现实意义。根据东胜煤田乌拉素矿区地质勘探和水文地质资料,对煤层开采导水裂隙带高度进行计算,结果表明:直罗组底部、含煤系地层的裂隙承压水含水层和上部煤层采空区内的积水,是煤层开采时矿井涌水的主要充水水源,矿井充水通道有断层裂隙带、封闭不良钻孔、采动导水裂隙带;其中导水裂隙带会将上部煤层采空区积水导通,使充水强度增大,矿坑涌水量增加。建议开采过程中要做到边探边采,探采结合,预防突水问题。     

华北隐伏型煤矿地下水水化学演化多元统计分析

为了阐明采动影响下华北隐伏型煤矿地下水化学演化规律,选取淮北煤田任楼煤矿为研究示范,运用系统聚类与主成分分析法对任楼煤矿不同时期的四含、煤系、太灰与奥灰含水层地下水水样的常规水化学指标（K++Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO₄2-、HCO₃-与CO₃2-）开展多元统计分析,从而划分不同水化学类型,进而揭示地下水化学形成条件。研究结果表明:地下水"脱硫酸"程度揭示系统逐渐封闭,受采动影响逐渐减弱;"硬化"程度揭示系统逐渐开放,受采动影响逐渐增强;"咸化"作用贯穿于"脱硫酸"与"硬化"作用过程中。而且,地下水因受采动与"咸化"作用影响,"脱硫酸"与"硬化"作用程度表现几乎相反的变化趋势。      

封闭不良天然气孔突水过程的水文地球化学特征

为了查清封闭不良天然气孔突水过程中充水水源的变化规律,开展了气孔出水水文地球化学特征研究。结果表明:“大53”天然气孔突水过程中TDS浓度逐渐降低,初期为SO₄·Cl—Na型水,位于Piper三线图右端部,来自直罗组;中期TDS浓度降至500多mg/L,属于HCO₃·SO₄·Cl—Na型水,位于Piper三线图右端偏下,来自白垩系;期间煤层底部涌出高TDS的SO₄·Cl—Na型水,该水样点位于三线图右端偏上。气孔处理过程中,水样中γ（Ca）/γ（Na）系数均远大于其他水样,且HCO₃- 未检出,为煤层顶板直罗组水化学特征,表明阻隔了2-1煤层与白垩系含水层和2煤—6煤含水层的水力联系。取距离阈值20,分层聚类分析可以将水样分为白垩系水和侏罗系水,距离阈值5又可将侏罗系含水层水细分为直罗组2段、直罗组1段和2煤—6煤含水层水,实现了对气孔突水过程中充水水源变化规律的准确判别。      

蒙陕接壤区煤矿采空区水-岩系统中氟来源及释放规律

采空区是高氟矿井水形成的关键区域,其水-岩系统中氟的来源与溶解释放决定了矿井水中氟的富集或贫化。针对蒙陕接壤区3-1煤采空区矿井水氟来源及释放规律不清晰问题,采用水化学测试、岩石矿物成分分析、矿物扫描电镜与能谱检测,以及室内水-岩作用仿真模拟试验,查明矿井水氟物质来源与赋存载体,揭示岩石中氟释放规律。结果表明：研究区3-1煤矿井水水化学类型主要为HCO₃-Na与SO4-Na型,3-1煤采空区矿井水氟浓度高于3-1煤生产工作面的矿井水浓度,且采空区矿井水pH、Na⁺/Ca²⁺浓度比均大于工作面矿井水。3-1煤采空区矿井水F-的物质来源为泥岩与粉砂岩,2种岩石中氟平均含量分别为741、610 mg/kg,氟在固相中的主要赋存载体为蒙脱石、高岭石、伊利石及绿泥石。采空区水-岩系统中氟的释放受岩性、粒径、pH、温度及Na⁺/Ca²⁺浓度比5个因素影响。其中,泥岩及粉砂岩中的氟比细砂岩中的更容易释放进入水中;无论何种岩性,随着粒径的减小,氟释放F-的浓度增大;此外,碱性、高温及高钠低钙的...     

沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井煤层气地球化学特征及成因

为了研究废弃矿井中煤层气成因,以沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井为例,抽采废弃矿井中煤层气并进行化学组分和同位素测试,并采集部分废弃矿井水样品测试水中离子浓度、pH值等进行研究。结果表明:潘庄区块废弃矿井中煤层气CH₄体积分数平均值为91.99%,CO₂为1.26%,N₂为6.73%;甲烷碳同位素（δ13C₁）值为-31.36‰~-33.53‰,平均-32.25‰,氢同位素（δD）值为-182.76‰~-193.20‰,平均-187.538‰。废弃矿井排采水中阴阳离子主要为Mg2+、K+、HCO₃-、Cl-、Na+、SO₄2-和NO₃-等,产出水型为Mg-（HCO₃）₂型,表明矿井水受到地表水的强烈影响。废弃矿井中煤层气主要以热成因气为主,少量次生生物气。与附近未开采煤储层相比,研究区废弃矿井中的环境更有利于次生生物气的生成。      

煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg成因机制

山西省阳泉市山底河煤矿“老窑水”循环系统多年水质监测数据计算结果显示,煤矿酸性“老窑水”的Ca/Mg值普遍偏低,且存在Ca/Mg值随酸化程度的增强（SO₄2?含量增加或pH减小）而减小的规律。针对这一问题,结合研究区的地球化学物源条件,通过室内试验以及野外监测水样的石膏、方解石、白云石矿物饱和指数与pH变化关系,分析煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg值的成因机制。研究表明:区内石炭系－二叠系的煤系地层中碳酸盐岩夹层、分散状态分布的菱镁矿、黄铁矿是“老窑水”中Ca2+、Mg2+、SO₄2?的物质来源;在黄铁矿氧化水解形成的以硫酸根为主导的酸性溶液中（pH为2.0~4.5）,代表硫酸对石膏、方解石、白云石可溶解性的饱和指数排序为石膏>方解石>白云石,受石膏在高浓度硫酸活性降低并发生沉淀、方解石溶解受Ca2+同离子效应抑制和饱和状态的平衡调节的综合影响,使Ca2+相对含量减少,由于MgSO₄溶度积大于CaSO₄,故Mg2+含量未受上述约束（或较低）,脱白云岩化反应可因Ca2+含量随石膏沉淀而继续进行,加之区内有菱镁矿的溶解,使得Mg2+相对含量增加,最终出现了镁矿酸性“老窑水” Ca/Mg值低的结果。Ca/Mg值可作为煤矿酸性“老窑水”的污染特征指标,应用于环境影响评价。