。科技工作者在实
践工作中积累了丰富经验，形成了以地下水动态分 析、水质类型全分析、同位素分析、放射性元素分 析为代表的传统方法体系和以多元统计学分析、非 线性分析为代表的数理分析方法体系
[6-11]
。
总体上，传统方法可以实时了解地下水环境的 动态变化情况， 适用于含水层间水质特征区别明显，
收稿日期 : 2015-04-16 基金项目 : 国家自然科学基金重点项目 (51034003)；国家科技支撑计划课题 (2012BAC10B03) Foundation item： Key Program National Natural Science Foundation of China(51034003)； The National Science and Technology Pillar Program in the Twelfth Five-year Plan Period(2012BAC10B03) 作者简介 : 牟林 (1985—)，男 ，湖北松滋人，硕士，工程师，从事煤矿水害防治技术研究 . E-mail： moulin@ 引用格式 : 牟林 . 水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用 [J]. 煤田地质与勘探， 2016， 44(3)： 70–74. MOU Lin. Application of dynamic curve prediction method in discriminating water-bursting source[J]. Coal Geology & Exploration, 2016, 44(3)： 70–74.
矿井概况 干河煤矿属霍州煤电集团生产矿井， 设计生产能 力 210 万 t/a，井田内发育有第四系、二叠系、石炭 系、 奥陶系地层， 主要含煤地层为二叠系下统山西组、 石炭系上统太原组，开采山西组 1 号、2 号煤。 干河矿位于郭庄泉域排泄区强径流带上，煤层底 板奥灰水全区带压， 2 煤底板距离奥陶系灰岩约 105 m， 奥灰水位+510~+520 m，首采区奥灰顶界面带水压值 3.2~5.6 MPa，奥灰突水系数 0.03~0.053 MPa/m。 2-112 工作面突水情况 2-112 工作面开采 2 号煤层， 工作面北部有一条 落差 74 m 的正断层，走向 WE，与 2-112 工作面基 本平行展布 (如图 1)， 2-112 工作面回采过程中发生 数次涌水并经历了三个阶段。 第一阶段：6 月 17 日 6:30，工作面推进至切眼 正巷 856 m，副巷 844 m 时，85~87 支架底部自采空 区方向有水流出，水量为 3~5 m3/h，20 日 8：00 涌 水量升至 100 m 3 /h ，工作 面正巷端 头 压力大，1~3 支架伸缩 量 为零、底 鼓 严重，造 成 支架 工作面与断层构造相对位置示意图
Relative position of fault and working face 2-112
第二阶段： 7 月 2 日累计推进至 17.2 m 时，于 22:00 在工作面 15、 57 号支架涌水，工作面总水量 增大到 150 m /h 左右，出水颜色浑浊。截止 7 月 10 日 24: 00，工作面累计推进 34.4 m。 第三阶段：7 月 11 日 8:30，工作面出水明显增 大，出水点明显增多，3— 42、46、72、76、81— 83、
我国是煤炭生产大国， 煤矿水害事故时有发生， 严重威胁我国经济建设和人民生命财产安全。矿井 发生突水事故或出现明显涌水点后，快速判别水源 是防治水工作的重要任务之一
[1-5]
水力联系微弱条件下的涌水水源判别。然而由于聚 煤环境、构造、采掘活动等因素影响，我国华北地 区太原组灰岩水与奥陶系灰岩水可以发生十分密切 的水力联系，导致二者水质区别不明显，造成矿井 可能存在多个突水水源，难以直观判别。新兴的数 学理论分析方法借助先进的计算机系统和数学理论 建立水源判别平台，其原理都是将突水点水质与标 准集对比，最相似的即为突水水源，但不同方法也 存在各种不足之处，如模型建立复杂，需要的数据 量庞大，设置判别模型时，各种指标的量化和权重
摘要 : 为解决矿井水文地质条件复杂矿区的工作面突水后水源难以借助单一方法快速判别的问题， 在现有水源判别方法的基础上，以霍州煤电干河矿 2-112 工作面为例，利用已有勘探数据，提出了 以 “独立识别区 ”和“关键离子 ”为主的用于突水过程分析的水质动态曲线预测法。 “关键离子 ”用于初 步判别水源类型，当水质动态曲线进入“独立识别区”时，可进入二级判别确定突水水源。运用此方 法实现了对干河矿 2-112 工作面突水水源的准确判别，形成了肯定判别仅有太灰水或太灰水、奥灰 水同时参与突水过程的判别方法。 关 键 词 ： 离散型水质；突水水源；关键离子；独立识别区；动态曲线预测法； 文献标识码 ： A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.013 中图分类号 ： TD741
第3期
牟林 : 水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用
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具有人为性，建立标准集时对原始数据的处理可能 造成失真等。 鉴于此，笔者在研究现有方法不足的基础上， 充分考虑地下水背景值的多样性及突水点水质变化 的过程性，提出了适用于突水过程的水质动态曲线 预测法，该方法以水质动态变化数据为研究对象， 以各种现有水质数据为 “ 背景值 ”，以水质变化趋势 为水源判别标准，是传统方法与新兴理论的相互结 合，可以为矿井防治水工作提供决策依据。
1.2
判别方法 建立判别条件需要引入两个基本概念， 即 “关键 离子 ”和 “独立识别区 ”。 所谓 “关键离子 ”，即通过构建 “图表型 ”数据库， 分析是否存在某种离子，不同水源的该离子含量以 某一界限明显区分，当样本中该离子含量大于或小 于临界含量时， 可用于单个水样初步判别突水水源。 所谓 “独立识别区 ”，即 “图表型 ”数据库中，不
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煤田地质与勘探 在出现涌水时实时绘制。 2.4.2
第 44 卷
堆积，由于顶板压力大，导致拉架困难。
2-112 工作面突水水源初步判别 发生涌水后，矿方加强排水管理、实时监控水 情、并组织现场人员实时会诊，认为有 3 种可能的 突水模式： a. 底板隐伏陷落柱突水，理由是回采过程中没 有直接揭露陷落柱，且涌水来自采空区方向，但由 于切巷出水点为散点状，大范围分布，与陷落柱的 集中式出水特点不同，因而否定了该突水模式的可 能性。 b. 底板太灰水通过断裂构造的伴生裂隙突入 矿井，但回采过程中并没有出现底板直接涌水，且 底板钻探探查显示无水，因此该突水模式不成立。 c. 奥灰或太灰水通过断裂带形成的过水通道 侧向补给煤层顶底板砂岩(或灰岩)造成采空区涌 水，理由是工作面北侧发育落差 74 m 断层， K2 灰 岩与煤层基本对接，同时奥灰也可能通过断裂通道 补给上覆含水层，回采后由于断裂带一侧煤柱无法 承受上覆地压而破坏失效，阻水能力不足，导致侧 向突水。 初步认为第三种模式成立， 可以确定 K2 灰岩水 为突水水源之一，但不能确定奥灰水是否参与，这 直接关系到制定下一步的防治水策略，如果水源仅 为 K2 灰岩水，则以加大排水能力为主要策略，如果 有奥灰水参与，则需要采取其他奥灰防突措施，如 注浆改造、留设煤柱、改变采面布置等，不同的防 治策略带来的生产成本差别明显。因此，对充水水 源组成及发展趋势的判别意义重大，其可靠度是无 法用个别水样数据判别结果所能替代的。 2.4 基于离散水质数据的突水水源动态判别 2.4.1 背景值数据整理 a. 收集已有水文地质勘探资料、采掘活动中揭 露的水文地质资料，包括水化学分析数据的各元素 组份，其他能表征含水层特征的数据，如水温、已 知水源的突水点水量，微量元素等，形成信息量更 全的基础数据库，以便辅助判别等 (本文中主要为水 质数据 )。 b. 将各含水层的某一单项数据指标 ( 如某一离 子含量 )用水平直线标示在图表上，同一含水层的不 同背景值样本用相同颜色标示，各含水层之间用不 同颜色标示，形成相互重叠但又相互独立的区间， 所绘制的图表即为背景值图表 (图 2—图 8)。 c. 将涌水点样本的单项数据指标按时间顺序 绘制到各对应的背景值图表之中，样本获取频率应 能有效控制曲线发展趋势，避免漏失信息量。此项
第 44 卷 第 3 期 2016 年 6 月
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY & EXPLORATION
Vol. 44 No.3 Jun. 2016
文章编号 : 1001-1986(2016)03-0070-05
水质动态曲线预测在突水水源判别中的应用
牟 林
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
3
138、 139、 141— 144 支架间都出水，其中原 68 支 架处出水量最大，总出水量由原来的 150 m3/h 增大 至 250 m3/h，最大 350 m3/h，到 14 日至 17 日基本 稳定在 300 m3/h，至 20 日水量减至 250 m3/h。与此 同时工作面压力明显增大，1、2、16、17 支架无活 柱、 3— 15 支架活柱在 5~15 cm， 1— 3 支架处淤泥
同水源样本之间除了存在重叠区域以外，还存在显 著的非重叠区域，突水点样本水质动态曲线进入非 重叠区域后，可以肯定判别水源组成状态。 通过研究已有勘探数据，分析和建立适应于本 井田的“关键离子”和“独立识别区”概念并进行量 化，结合水质动态曲线即可实现突水水源判别。
2 2.1
案例分析
1 1.1
水质动态曲线预测法及相关特点 基本原理 通过整理已有水文地质数据，以图表为表现形
式绘制水质背景值 “数据库 ”，然后将涌水点水质样 本的各单项 指标按照时 间顺序绘制 到背景值图 片 上，形成各指标随时间变化的水质动态曲线，通过 研究水质动态变化曲线随采掘进度、地质条件、充 水水源等相关因素的变化情况，当水质特征和趋势 满足判别条件时，即可实现突水水源动态预警，该 方法可视为 “水质动态曲线预测法 ”。