基于水化学特征的王庄煤矿突水水源判别模型研究

摘要

山西作为全国煤炭大省，突水事故时有发生，在突水防治方面研究较多，但利用水文地球化学方法结合数学模型防治水的研究却几乎没有。矿井突水水害是严重制约矿井正常生产的常见灾害，如何能够正确并且快速的判定煤矿的突水水源位置是有效进行水害防治的最关键技术。以往的突水水源的判定只是通过简单的物理、化学、数学等基础学科和基本手段来决定，错误率高且不准确。近年来，计算机技术和数学模型结合水化学的手段越来越流行，原子吸收分光光度计可以检测出百万分比浓度的数据，非常稳定精确，之后通过在计算机上运行数学模型处理分子化学的大数据，可以在宏观上把握问题的要点和本质。这种微观结合宏观，再通过大数据分析问题的方法非常适合安全要求越来越高的煤矿。
　　本文通过山西长治王庄煤业有限责任公司2014年全年的水文地质资料和2015年1月的涌水数据为研究对象。首先分析王庄煤矿的基础水文报告和地质资料，包括区域含水层，区域隔水层，井田内含水层，井田内隔水层等;其次分析王庄煤矿矿井内突水水源的水化学特征、分布规律、特征离子，计算王庄煤矿冲水强度;再次通过采用数学模型（多组逐步贝叶斯和BP神经网络原理）分别在MATLAB和SPSS软件里面建立突水水源的判别模型，对比分析一年的突水水源水化学数据，算出两种方法的准确率;最后对王庄煤矿1月的未分类的5组突水水源数据进行判别，预测突水水源的位置。帮助煤矿采取快速有效超前的预防突水水害的措施。
　　本研究主要内容包括：⑴王庄煤矿的突水水源类型有四类:王庄煤矿二叠系下统下石盒子组、山西组砂岩裂隙含水层（简称二叠系下统含水层）;王庄煤矿石炭系上统太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙含水层由数层砂岩裂隙含水层（简称石炭系上统含水层）;采空区积水;二灰及奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层（简称二灰及奥陶含水层）。⑵利用MATLAB和SPSS软件，结合数学模型多组逐步贝叶斯和BP神经网络，建立王庄煤矿突水水源判别模型。⑶对比分析一年前的突水水源数据，算出两种方法的准确率。并期的5组未分类数据进行水源位置的判定。⑷利用同位素示踪法验证判别涌水水源位置的正确性。⑸通过治理方案前后涌水量变化再次验证判别模型预测水源位置的正确性。计算机技术和数学模型结合分子化学的当下最流行的方法。地下水的水质类型的形成主要是井田内含水层隔水层的类型不同，补给、径流、排泄途径的不同，贮存条件等的不同导致的。通过分析各个含水层的水化学特征，确定其水质类型及标志性元素或离子;根据每个含水层中典型阴阳离子赋存情况，从而得出其分布规律;另外，随着深度开采，根据纵向上典型离子变化规律，得出各含水层及老窑积水可能存在连通性，为以后的深度分析做铺垫。新型矿井突水水源判别模型以分子化学为基础，分析检测突水水源水化学特征，之后在计算机上运行数学模型处理分子化学的大数据，首先对比归类，之后分析预测。该项目的研究对于矿井内突水情况有着预测和监督两方面的作用。预测作用是指:矿井突水前，水离子的浓度、水位、PH值等等指标，通过数学模型里面的判别函数计算，结合MATLAB和SPSS软件可以准确预测出突水水源类型。结合水文地质图，可以分析出突水水源位置，之后可以采取注浆或者充填的方法，及早将突水水害降到最低。监督的作用是指:采取相应的防治水害的措施后，继续监测水离子浓度、PH值等指标，若这些指标转化的数值通过SPSS计算，不属于任何一种突水水源，则说明防治水工作令人满意。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 技术路线和主要研究内容

2 王庄煤矿及周边概况

2．1 自然地理概况

2．2 矿井地质条件

2．3 井田水文地质

2．4 矿井水文地质类型划分的原则

3 王庄煤矿突水水源的选定

3．1 井田边界及其水力性质

3．2 井田内隔水层简介

3．3 井田内含水层水化学特征

3．4 采空区水化学特征分析

3．5 冲水强度分析

3．6 小结

4 王庄煤矿矿井突水水源判别模型建立

4．1 特征水离子的选定

4．2 特征水离子的测定

4．2 基于多组逐步贝叶斯理论建立矿井突水判别模型

4．3 基于BP神经网络理论建立矿井突水判别模型

4．4 矿井突水判别模型对比分析

5 突水水源判别应用案例

5．1 涌水点治理前水质分析

5．2 二叠系下统含水层涌水治理方案-注浆治理

5．3 采空区涌水治理方案-黄泥(粉煤灰)充填

5．4 涌水点治理后涌水量分析及判别结果检测

6 结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文