多源數(shù)據(jù)挖掘下潘謝礦區(qū)深部灰?guī)r水突水預(yù)警研究

畢 波 ，陳永春 ，謝 毫 ，安士凱 ，徐燕飛

(1.煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.平安煤炭開(kāi)采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、開(kāi)采深度不斷加大導(dǎo)致礦井突水的威脅不斷增加，水害事故造成的經(jīng)濟(jì)損失一直高居首位[1]；另一方面，高新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)融合，國(guó)內(nèi)各產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)不斷深入[2-4]。武強(qiáng)[5]展望了礦井水防控工作創(chuàng)新研究的重大科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵核心技術(shù)與方法；儲(chǔ)婷婷[6]研究灰?guī)r成分與其中水成分之間的相關(guān)性，揭示了水巖相互作用的機(jī)理；李垣志等[7]、徐星等[8]通過(guò)降低樣本指標(biāo)維度和K 折交叉驗(yàn)證算法，簡(jiǎn)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高突水水源判斷的精度。楊建等[9]、閆鵬程[10]通過(guò)光譜預(yù)處理對(duì)水樣進(jìn)行熒光光譜分析，確定水源類(lèi)型。劉劍民等[11]基于水化學(xué)分析、王心義等[12]基于熵權(quán)?模糊可變集理論、黃平華等[13]基于多元統(tǒng)計(jì)分析，分別建立了礦井突水水源識(shí)別模型。

隨著地殼運(yùn)動(dòng)、人為采動(dòng)等因素的影響，深層灰?guī)r各含水層之間一直進(jìn)行著極其復(fù)雜的物質(zhì)、能量交換。導(dǎo)水陷落柱、斷層構(gòu)造都會(huì)形成地下水系統(tǒng)循環(huán)通道[14]。只簡(jiǎn)單研究各含水層水化學(xué)指標(biāo)之間的“表象差異”，無(wú)法準(zhǔn)確判斷復(fù)雜深層灰?guī)r水突水預(yù)兆。

淮南煤田位于華北板塊東南側(cè)，煤田的潘謝礦區(qū)上覆有巨厚的新生界松散層，又受南北兩翼逆沖斷層和斜切斷層的切割，構(gòu)成一個(gè)較為封閉的水文地質(zhì)單元。礦區(qū)自上而下充水水源主要為新生界松散砂層孔隙水、二疊系煤系砂巖裂隙水、底板石炭?二疊系太原組灰?guī)r(簡(jiǎn)稱(chēng)太灰)和奧陶系灰?guī)r(簡(jiǎn)稱(chēng)奧灰)巖溶裂隙水。

隨著煤礦逐漸向深部開(kāi)采，潘謝礦區(qū)下一階段的主采煤層為A 組煤。對(duì)A 組煤層開(kāi)采威脅最大的因素來(lái)自底板高承壓灰?guī)r水，底板各層灰?guī)r含水層的原始水壓在5 MPa 以上。目前，直接影響煤層安全開(kāi)采的為太原組C2I 組石灰?guī)r含水層，間接影響的為奧陶系和寒武系灰?guī)r(簡(jiǎn)稱(chēng)寒灰)含水層。2017 年5 月25 日，淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二礦12123 工作面底板聯(lián)絡(luò)巷發(fā)生隱伏陷落柱突水淹礦，最初出水水質(zhì)特征為太灰水，當(dāng)數(shù)小時(shí)后轉(zhuǎn)變?yōu)閵W灰水水質(zhì)特征時(shí)突水已無(wú)法控制。而往往重大的突水事故都是深部高壓灰?guī)r水以淺層含水層為通道突入礦井發(fā)生的。通過(guò)探明淺層含水層與深層灰?guī)r水的水力聯(lián)系，查找礦井突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

筆者通過(guò)研究深層灰?guī)r水(奧灰水、寒灰水)對(duì)淺層含水層(上覆石炭–二疊系太原組灰?guī)r、新生界松散層)的影響程度，來(lái)分析發(fā)生奧灰水突水的風(fēng)險(xiǎn)，可提高突水預(yù)警的準(zhǔn)確性，縮小預(yù)判時(shí)間，以期為后續(xù)采取防治措施爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

1 水文觀測(cè)孔水位變化數(shù)據(jù)分析

1.1 潘謝礦區(qū)的補(bǔ)徑排條件

潘謝礦區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，構(gòu)造斷層十分發(fā)育。探明斷距大于3 m 的斷層140 多條，見(jiàn)斷點(diǎn)226 個(gè)，其中正斷層73 條，占總數(shù)52%；兩淮礦區(qū)發(fā)現(xiàn)近30 個(gè)陷落柱。導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育(例如導(dǎo)水陷落柱)區(qū)域各含水層補(bǔ)給充足容易發(fā)生突水事故，而各含水層通常在采掘工作面前方幾十米甚至幾百米的深處，很難探查，風(fēng)險(xiǎn)較大。如何辨別回采區(qū)域內(nèi)淺層含水層與深層高壓灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，是防治水工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前，潘謝礦區(qū)正在使用的地面水文觀測(cè)孔182 個(gè)，其中新生界松散層含水層70 個(gè)、太灰含水層76 個(gè)、奧灰含水層25 個(gè)、寒灰含水層7 個(gè)、陷落柱探測(cè)孔3 個(gè)、火成巖1 個(gè)。潘謝礦區(qū)地面水文觀測(cè)孔布置及突水后水位變化如圖1 所示。圖1 對(duì)潘二礦突水后主要的奧灰、寒灰鉆孔水位下降高度進(jìn)行標(biāo)注，藍(lán)色標(biāo)注鉆孔受斷層影響水位下降高度相對(duì)較高；紅色標(biāo)注鉆孔為潘三礦的(十二O)鉆孔，因受董崗郢次級(jí)向斜影響，與潘二礦突水點(diǎn)無(wú)水力聯(lián)系。可以推斷，各區(qū)域含水層的補(bǔ)給與斷層密切相關(guān)，巖層被拉伸的背斜和富水性良好的斷層都可以作為很好的連通通道。

表1 為潘二礦突水后3 個(gè)月各地面水文觀測(cè)孔水位變化統(tǒng)計(jì)，其中水位高程為礦內(nèi)同一含水層突水前的平均高程。由圖1、表1 可以看出，潘謝礦區(qū)各礦奧灰、寒灰含水層鉆孔突水后水位下降深度隨距突水點(diǎn)的距離(平面距離)增加而減少，說(shuō)明奧灰、寒灰水對(duì)潘二礦突水點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)給。潘謝礦區(qū)各礦的太灰?guī)r溶發(fā)育不均一，具有淺部發(fā)育、斷層帶附近發(fā)育和厚層灰?guī)r發(fā)育的特征。突水后水位也在下降，但水位變化和平均高程差異性很大，并無(wú)規(guī)律可循。說(shuō)明灰?guī)r水也對(duì)突水點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)給，而且是局部通過(guò)奧灰、寒灰間接進(jìn)行補(bǔ)給。新生界松散層含水層地面水文觀測(cè)孔水位幾乎沒(méi)有下降，說(shuō)明新生界松散層含水層對(duì)突水點(diǎn)沒(méi)有明顯補(bǔ)給，且與太原組、奧陶系等灰?guī)r含水層水力聯(lián)系弱。

表1 突水前后地面水文觀測(cè)孔水位變化統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of water level changes in surface hydrological observation holes before and after water inrush

圖1 潘謝礦區(qū)地面水文觀測(cè)孔布置及突水后水位變化Fig.1 Water level changes of hydrological observation holes in Ordovician and Cambrian after water inrush

以前普遍認(rèn)為，由于斷層構(gòu)造的影響，潘謝礦區(qū)為一個(gè)較為封閉的水文地質(zhì)單元，地下水以消耗型為主[15-17]。從各含水層水位高程和突水后的水位變化可以看出，礦井主要充水水源為儲(chǔ)量豐富的奧灰和寒灰水。

1.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的突水危險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別

為確定各灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系，分析潘二礦突水后各水文觀測(cè)孔水位變化，如圖2 所示。從圖2a 可以看出，潘二礦突水一個(gè)月后在距突水點(diǎn)25 km以?xún)?nèi)，奧陶系、寒武系水位下降與距突水點(diǎn)距離成冪函數(shù)(y=94 397x–0.795，R2=0.911 2)變化。說(shuō)明距突水點(diǎn)25 km 以?xún)?nèi)的奧陶系、寒武系、太原組C23 組灰?guī)r和部分太原組C22 灰?guī)r水力聯(lián)系密切。從圖2b 可以看出，距突水點(diǎn)25 km 以外的水文觀測(cè)孔，在突水1 a 后水位也普遍下降，除張集礦外(同期對(duì)灰?guī)r水進(jìn)行抽排)水位下降高度與距突水點(diǎn)距離成反比，而圖2c 顯示突水前1 a 水文觀測(cè)孔水位變化并無(wú)明顯規(guī)律。

圖2 灰?guī)r水文觀測(cè)孔突水前后水位變化與距突水點(diǎn)距離散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plots of water level changes and distances from water inrush point before and after water inrush in the limestone hydrological observation holes

為進(jìn)一步確認(rèn)距突水點(diǎn)較遠(yuǎn)礦井各含水層水力聯(lián)系，對(duì)2017 年潘二礦突水5 個(gè)月后顧橋礦、張集礦、謝橋礦的水文觀測(cè)孔水位變化進(jìn)行分析。由于各水文觀測(cè)孔水位變化不大，為消除隨機(jī)誤差，加入2018 年同期的水位變化和突水前水位高程2 類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類(lèi)，來(lái)評(píng)估與奧灰水水位變化相近的鉆孔。為了便于分析，增加變化為0 的55 號(hào)點(diǎn)，標(biāo)記為水位變化很小的樣本。標(biāo)號(hào)1?18 為奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔，19?54 為太原組灰?guī)r鉆孔(19?28 第三組、29?39 第二組、40?54 第一組)、56?89 為松散層鉆孔(56?64 為下含、65?78 為中含、79?89 為上含)、55 號(hào)為零參考點(diǎn)。

聚類(lèi)分析結(jié)果如圖3 所示，主要分為4 類(lèi)。

圖3 水文觀測(cè)孔聚類(lèi)分析Fig.3 Cluster analysis of hydraulic observational pores

第1 組聚類(lèi)結(jié)果為水位在–200 m 左右的太原組灰?guī)r鉆孔，與其他灰?guī)r鉆孔水力聯(lián)系不大。

第2 組聚類(lèi)結(jié)果為水位變化很平穩(wěn)的鉆孔，其中謝橋礦3 個(gè)奧陶系灰?guī)r孔、2 個(gè)太原組第三組灰?guī)r孔，說(shuō)明謝橋礦太原組第三組灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r水力聯(lián)系緊密。包含顧北礦2 個(gè)太原組第一組灰?guī)r、2 個(gè)松散層下含鉆孔，顧北礦太原組灰?guī)r水與松散層下含水有水力聯(lián)系。包含張集礦1 個(gè)西風(fēng)井松散層鉆孔，說(shuō)明張集礦西風(fēng)井松散層與太原組灰?guī)r有一定的水力聯(lián)系。

第3 組聚類(lèi)結(jié)果為水位變化相對(duì)較大的鉆孔，其中包含顧北礦6 個(gè)奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔和6 個(gè)太原組灰?guī)r鉆孔，說(shuō)明顧北礦太原組灰?guī)r與奧陶系、寒武系灰?guī)r水力密切。包含顧橋礦全部的3 個(gè)奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔和2 個(gè)太原組第二組、第三組灰?guī)r鉆孔，并沒(méi)有太原組第一組鉆孔，說(shuō)明顧橋礦奧陶系、寒武系灰?guī)r與太原組第二組、第三組灰?guī)r有水力聯(lián)系。包含謝橋礦3 個(gè)奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔和2 個(gè)太原組第二組、第三組灰?guī)r鉆孔，并沒(méi)有太原組第一組鉆孔，說(shuō)明謝橋礦與顧橋礦相同，奧陶系、寒武系灰?guī)r與太原組第二組、第三組灰?guī)r有水力聯(lián)系。包含張集礦2 個(gè)奧陶系、寒武系灰?guī)r鉆孔、2 個(gè)太原組灰?guī)r鉆孔和1 個(gè)西風(fēng)井松散層鉆孔。說(shuō)明張集礦奧陶系、寒武系灰?guī)r與太原組灰?guī)r有水力聯(lián)系，且西風(fēng)井松散層與太灰組灰?guī)r有一定的水力聯(lián)系。

第4 組聚類(lèi)結(jié)果包含為55 號(hào)零參考點(diǎn)為水位變化不大的鉆孔，其中大部分的松散層鉆孔和小部分灰?guī)r鉆孔。

通過(guò)聚類(lèi)分析，識(shí)別出各礦突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。謝橋礦太原組灰?guī)r突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有4 個(gè)，其中第三組灰?guī)r孔3 個(gè)、第二組灰?guī)r孔1 個(gè)。顧北礦灰?guī)r突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有6 個(gè)，其中第三組灰?guī)r孔3 個(gè)、第一組灰?guī)r孔3 個(gè)，且有下含與太原組第一組灰?guī)r孔水力聯(lián)系密切的鉆孔3 個(gè)。顧橋礦灰?guī)r突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有2 個(gè)，同一位置其第二、第三組灰?guī)r孔各一個(gè)。張集礦灰?guī)r突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)太原組第二、第三組灰?guī)r孔各一個(gè)、西風(fēng)井松散層鉆孔2 個(gè)。

2 水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘

2.1 水源識(shí)別模型建立

由于各含水層的賦存年代、巖石巖性、補(bǔ)給水源、埋藏深度等條件不同，會(huì)造成礦井水水化學(xué)成分有所不同，通常采用PiPer 三線圖、特征離子等方法來(lái)分析含水層的水化學(xué)特征，來(lái)判別井下巷道出水來(lái)源。但這種方法的廣度和深度都具有局限性，對(duì)于整個(gè)礦區(qū)多對(duì)礦井、多個(gè)含水層的水源識(shí)別難以實(shí)現(xiàn)。尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，各含水層的水力聯(lián)系復(fù)雜，如潘謝礦區(qū)灰?guī)r水都是同一補(bǔ)給源，只是在長(zhǎng)時(shí)間水巖耦合作用下各含水層的水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了微小變化，水化學(xué)成分差別不大。如此復(fù)雜的地下水賦存條件下，通過(guò)傳統(tǒng)手段難以對(duì)特定區(qū)域含水層進(jìn)行精確探查。

為識(shí)別各含水層的水化學(xué)特征，收集整理潘謝礦區(qū)各礦井1980?2018 年的7 000 條水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于研究區(qū)內(nèi)各礦井水質(zhì)化驗(yàn)信息的記錄存在不一致性，且在長(zhǎng)時(shí)間的保存過(guò)程中存在信息偏差導(dǎo)致樣本噪聲大，一般的算法很難準(zhǔn)確對(duì)水源進(jìn)行區(qū)分識(shí)別。隨機(jī)森林算法[18]通過(guò)生成大量獨(dú)立的決策樹(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，具有魯棒性[19]和較強(qiáng)的泛化能力，適用于各含水層水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類(lèi)分析。但隨機(jī)森林算法也有不足，當(dāng)分類(lèi)樣本偏差很大時(shí)，分類(lèi)結(jié)果會(huì)偏向于樣本數(shù)據(jù)多的類(lèi)別。通過(guò)對(duì)數(shù)量少的樣本類(lèi)別進(jìn)行合并或人為增加樣本數(shù)量，提高模型的準(zhǔn)確率。對(duì)比選擇不同參數(shù)后的準(zhǔn)確率和各參數(shù)對(duì)各含水層分類(lèi)的貢獻(xiàn)值見(jiàn)表2。其中MDA(Mean Decrease Accuracy)表示把一參數(shù)變隨機(jī)數(shù)后模型準(zhǔn)確率下降的程度，數(shù)值越大說(shuō)明參數(shù)越重要。MDG(Mean Decrease Gini)表示參數(shù)對(duì)決策樹(shù)分支觀測(cè)值異質(zhì)性的影響，數(shù)值越大說(shuō)明參數(shù)越重要。通過(guò)比較模型準(zhǔn)確率，優(yōu)選參數(shù)為Cl?、礦井類(lèi)別、Na++K+、Ca2+、采樣年限、為參考分類(lèi)依據(jù)。對(duì)于奧灰水分類(lèi)貢獻(xiàn)值比較高的常規(guī)水化學(xué)離子為

表2 水樣各參數(shù)對(duì)于分類(lèi)的貢獻(xiàn)值Table 2 Contribution rate of each parameter of water samples to classification

2.2 基于隨機(jī)森林的突水危險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別

對(duì)于建立的水源識(shí)別模型采用10 折交叉驗(yàn)證方法[7]。把樣本按比例隨機(jī)分成10 份，8 份作為訓(xùn)練樣本，2 份作為測(cè)試樣本。計(jì)算10 次后，取計(jì)算結(jié)果組成混淆矩陣見(jiàn)表3，可以近似評(píng)估各含水層分類(lèi)的準(zhǔn)確率。結(jié)果顯示：奧灰水準(zhǔn)確率90%、砂巖水準(zhǔn)確率95%、太灰水準(zhǔn)確率90%、松散層水準(zhǔn)確率92%。

表3 隨機(jī)森林分類(lèi)結(jié)果混淆矩陣Table 3 Confusion matrix of random forest classification results

有一部分太灰水與奧灰水連通，導(dǎo)致太灰水分類(lèi)準(zhǔn)確性較低。通過(guò)多次隨機(jī)森林計(jì)算，輸出錯(cuò)誤的樣本，篩查樣本錯(cuò)誤率在70%以上，確定為突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。對(duì)每一個(gè)礦井的錯(cuò)誤樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下：

(1) 丁集礦篩查出5 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有10% 砂巖水被錯(cuò)分成松散層，有11% 的松散層水被錯(cuò)分成砂巖水，有4%松散層水被錯(cuò)分成灰?guī)r水，說(shuō)明丁集礦頂板砂巖水主要補(bǔ)給來(lái)自松散層，少部分來(lái)自太灰水。

(2) 顧北礦篩查出7 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有25%奧灰水被錯(cuò)分成太灰水，說(shuō)明顧北礦奧灰水和太灰水有很強(qiáng)的水力聯(lián)系；有5%的太灰水被錯(cuò)分成松散層水，且有4%松散層水被錯(cuò)分成灰?guī)r水，說(shuō)明顧北礦太灰水松散層有一定水力聯(lián)系。

(3) 顧橋礦篩查出1 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有25%奧灰水被錯(cuò)分成太灰水，說(shuō)明顧北礦奧灰水和太灰水有很強(qiáng)的水力聯(lián)系。

(4) 潘北礦篩查出12 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有18%砂巖水被錯(cuò)分成太灰水，說(shuō)明有部分頂板砂巖與太灰有水力聯(lián)系；有15%奧灰水被錯(cuò)分成太灰水，說(shuō)明潘北礦奧灰水和太灰水有一定的水力聯(lián)系。

(5) 潘二礦篩查出1 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有5%太灰水被錯(cuò)分成奧灰水，由于潘二礦發(fā)生過(guò)奧灰水突水事故，奧灰水與太灰水的水質(zhì)基本相同。

(6) 潘三礦篩查出3 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有3%砂巖水被錯(cuò)分成松散層水，說(shuō)明潘三礦的頂板砂巖水與松散層水有水力聯(lián)系；有2 個(gè)第三組灰?guī)r水全部被錯(cuò)分成奧灰水，說(shuō)明潘三礦第三組灰?guī)r水與奧灰水水力聯(lián)系很強(qiáng)。

(7) 潘一礦篩查出3 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有60%松散層水被錯(cuò)分成砂巖水，說(shuō)明潘一礦的松散層水和砂巖水有很強(qiáng)水力聯(lián)系。

(8) 謝橋礦篩查出8 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有23% 奧灰水被錯(cuò)分成太灰水，有22% 太灰水被錯(cuò)分成奧灰水，說(shuō)明謝橋礦奧灰水和太灰水有很強(qiáng)的水力聯(lián)系。

(9) 張集礦篩查出4 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析得出有3%太灰水被錯(cuò)分成砂巖水，有4%砂巖水被錯(cuò)分成太灰水，說(shuō)明有一小部分太灰水通過(guò)裂隙補(bǔ)給煤系砂巖水。

3 快速預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及敏感指標(biāo)確定

運(yùn)用隨機(jī)森林算法篩選出44 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，采用水文觀測(cè)孔水位變化分析出19 個(gè)突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，可以相互驗(yàn)證、互補(bǔ)。

由于各含水層的巖性不同，其地下水水化學(xué)成分也有所不同。找出含水層離子特征，突水危險(xiǎn)源智能檢測(cè)技術(shù)可以為實(shí)施防治水措施提供快速、可靠的依據(jù)，極大地避免礦井發(fā)生突水事故和減少突水事故產(chǎn)生的損失。

為探尋快速識(shí)別灰?guī)r水水源的敏感指標(biāo)，分析含水層水化學(xué)垂直分布特征。分別對(duì)奧灰水、太原組3組灰?guī)r水(三灰水)、太原組1 組灰?guī)r水(一灰水)、新生界松散層四含水(下含水)、新生界松散層三含水(中含水)、新生界松散層一、二含水(上含水)進(jìn)行常規(guī)七大離子分布對(duì)比分析[20]。各含水層常規(guī)離子箱線圖如圖4 所示。

可以看出，奧灰水和三灰水的常規(guī)離子水化學(xué)成分非常接近，說(shuō)明奧灰水和三灰水的水力聯(lián)系緊密。圖4中橙黃線為Cl?含量變化，可以看出與含水層的埋藏深度成正比。綠線為含量變化，與紅線分布成反比。在灰?guī)r含水層SO42?離子與埋藏深度成正比，離子與埋藏深度成反比。因此，可以作為區(qū)分奧灰水、太灰水的敏感指標(biāo)。

圖4 含水層的常規(guī)離子分布Fig.4 Conventional ion distribution of the aquifer

TDS、Cl?相關(guān)性很強(qiáng)，只需要監(jiān)測(cè)TDS 就可以達(dá)到監(jiān)測(cè)其他離子的效果，且TDS 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)很成熟。結(jié)合建立水源識(shí)別模型時(shí)分析出的離子指標(biāo)，綜合考慮確定常規(guī)水化學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為T(mén)DS、同時(shí)需對(duì)水文地質(zhì)條件分析中經(jīng)常采用的溫度、流量、相近水文觀測(cè)孔的水位變化進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

3.2 快速預(yù)警系統(tǒng)建立

對(duì)于傳統(tǒng)的突水危險(xiǎn)預(yù)警，主要依靠現(xiàn)場(chǎng)征兆來(lái)判斷，很難快速、準(zhǔn)確對(duì)突水危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)。如果錯(cuò)過(guò)采取最佳措施的窗口期，很容易造成重大的突水事故。通過(guò)確定各層水源敏感指標(biāo)，運(yùn)用連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)出水地點(diǎn)進(jìn)行突水預(yù)警[21](圖5)。

圖5 灰?guī)r水突水危險(xiǎn)識(shí)別與預(yù)警系統(tǒng)Fig.5 Risk identification and early warning system for limestone water inrush

當(dāng)前期巷道發(fā)現(xiàn)出水時(shí)水量一般很小，根據(jù)附近是否存在斷層等構(gòu)造、是否為灰?guī)r水突水危險(xiǎn)區(qū)來(lái)確定對(duì)應(yīng)的措施。當(dāng)附近存在斷層等構(gòu)造或在判定的灰?guī)r水突水危險(xiǎn)區(qū)，就有可能發(fā)生突水事故。需要設(shè)置在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)定期進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析。當(dāng)出水地點(diǎn)附近不存在斷層等構(gòu)造且不在判別的灰?guī)r水突出危險(xiǎn)區(qū)域，發(fā)生灰?guī)r水突水事件的幾率很小。通過(guò)對(duì)出水溫度、水量、附近地面水文觀測(cè)水位變化等常規(guī)人工監(jiān)測(cè)，并定期對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備將巷道出水的TDS、含量、含量、溫度、流量和附近水文觀測(cè)孔的水位變化等數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂剖?，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)突水危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；取樣化驗(yàn)分析結(jié)果運(yùn)用水源識(shí)別模型進(jìn)行分析，確定出水水源；常規(guī)的人工監(jiān)測(cè)根據(jù)多年防治水經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別是否有突水危險(xiǎn)，3 種分析方法任意一種判別有突水危險(xiǎn)應(yīng)立即采取防治水措施。

構(gòu)建快速準(zhǔn)確突水預(yù)警體系對(duì)礦井出水點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為實(shí)施防治水措施提供快速、可靠的依據(jù)，可以極大地避免礦井發(fā)生突水事故和減少突水事故產(chǎn)生的損失。

4 結(jié)論

a.通過(guò)分析各礦水質(zhì)化驗(yàn)資料、地面水文觀測(cè)水位變化數(shù)據(jù)及潘二礦突水后各水文觀測(cè)孔水位變化的時(shí)空規(guī)律，得出水文觀測(cè)孔的水位變化數(shù)據(jù)比水位高程數(shù)據(jù)更靈敏，潘謝礦區(qū)深層灰?guī)r水由下向上對(duì)淺層灰?guī)r水進(jìn)行補(bǔ)給。

b.獲得潘謝礦區(qū)各含水層水化學(xué)空間分布特征，確定各層含水層分類(lèi)顯著因子；基于改進(jìn)隨機(jī)森林算法，建立潘謝礦區(qū)的水源識(shí)別模型。

c.構(gòu)建快速準(zhǔn)確突水預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦井出水點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于大數(shù)據(jù)分析、水源識(shí)別模型對(duì)灰?guī)r水突水危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，為實(shí)施防治水措施提供快速、可靠的依據(jù)。