許疃礦32塊段出水水源Fisher識(shí)別分析.doc

1、許疃礦32塊段出水水Fisher識(shí)別分析p 打開(kāi)文本圖片集DOI：10.13800/jki._akjd_b.20_.0113文章編號(hào)： 1672-9315（20_）01-0075-05【摘要】：p ：鑒于許疃礦32塊段3222切眼持續(xù)突水，為了快速有效地判別出該礦出水點(diǎn)的水類(lèi)型，為該礦防治水措施的制定提供科學(xué)依據(jù)，通過(guò)利用所收集的許疃礦32塊段不同含水層常規(guī)水化學(xué)數(shù)據(jù)和與其具有相同水質(zhì)單元的任樓礦部分水化學(xué)數(shù)據(jù)，依據(jù)各含水層地下水化學(xué)組分情況，最終選取了7種能夠區(qū)分各含水層類(lèi)型的水化學(xué)指標(biāo)，并借助SPSS軟件建立了許疃礦突水水的Fisher識(shí)別模型。訓(xùn)練水樣的判別結(jié)果經(jīng)回估后發(fā)現(xiàn)，該模型在許疃

2、礦水類(lèi)型的判別中正確率高，表明此模型在許疃礦水判別中效率較好，可作為許疃礦礦井突水時(shí)快速判別水類(lèi)型的一種依據(jù)，對(duì)該煤礦日后安全生產(chǎn)具有一定的實(shí)際意義。最后對(duì)許疃礦出水點(diǎn)待判水樣進(jìn)行科學(xué)判別，判別結(jié)果為：所有待判水樣均為砂巖水。另外，論文中許疃礦水判別模型建立時(shí)未考慮各含水層混合后的情況，因此該模型還可作進(jìn)一步研究?！娟P(guān)鍵詞】：p ：許疃礦32塊段；Fisher判別法；礦井突水中圖分類(lèi)號(hào)：P 643·1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A0引言水害是影響礦井安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。水害事故一旦發(fā)生，輕則造成財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重時(shí)可能致使人員的傷亡。及時(shí)、準(zhǔn)確判別突水水類(lèi)型是礦井防治水工作的關(guān)鍵步驟。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)

3、者對(duì)此做了大量研究。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于礦井水判別方法較多，例如模糊綜合判別法、灰色系統(tǒng)理論法、可拓識(shí)別法、GIS理論分析p 法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等1。上述方法近些年在水判別中都有應(yīng)用，且效果良好，但均屬于非線性分析p 方法，理論的理解及模型的建立相對(duì)較為復(fù)雜。而線性分析p 法中的水化學(xué)分析p 法是通過(guò)提煉能夠有效反應(yīng)地下水本質(zhì)特征的水化學(xué)指標(biāo)，建立水化學(xué)水識(shí)別模型，判別礦井突涌水水類(lèi)型。其中的Fisher判別法通過(guò)建立判別模型，經(jīng)數(shù)值計(jì)算可快速判別水類(lèi)型，模型相對(duì)簡(jiǎn)單。國(guó)外對(duì)于Fisher判別法在水判別中的應(yīng)用較少，而國(guó)內(nèi)相對(duì)應(yīng)用較多，例如陳江紅、黃平華等2-3將該判別法用于礦井水的識(shí)別，并取得較好

4、的效果。自2021年5月18日以來(lái)，許疃煤礦32塊段3222切眼長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)出水，出水量穩(wěn)定在20 m3/h左右，11月份中旬以來(lái)出水量增加到40 m3/h左右，經(jīng)初步分析p ，懷疑有穩(wěn)定水補(bǔ)給。為不影響礦區(qū)的正常開(kāi)采，必須盡快查明水，判定可能的出水途徑，避免引發(fā)礦井水害事故造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)有關(guān)資料表明，許疃礦主要突水水有砂巖水、四含水和太灰水。3種水樣類(lèi)型中的K+Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO2-4，HCO-3，pH值7種水化學(xué)指標(biāo)中離子具有相對(duì)含量高，易于測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)，屬于常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)，且在上述3種水中區(qū)別較大。在Fisher判別法中可將這些指標(biāo)作為判別因子，建立3個(gè)不

5、同含水層的判別方程式，達(dá)到快速有效判別水的目的。且這些指標(biāo)在水判別Fisher模型中應(yīng)用頻率高4-5，因此，文中選擇建立Fisher判別模型判別許疃礦突水水，并借助SPSS軟件幫助快速建模，最后利用該模型對(duì)許疃礦3222切眼突水水待測(cè)樣本進(jìn)行判別分析p ?？紤]到后期采動(dòng)的影響會(huì)使模型偏離實(shí)際，建模用的水化學(xué)指標(biāo)由許疃礦和與其具有相同水質(zhì)單元的任樓礦早期水樣中測(cè)得，提高了模型的準(zhǔn)確性。1Fisher判別理論1·1Fisher原理Fisher判別分析p 方法的原理6-7是按一定的方向，將高維空間的一個(gè)樣本數(shù)據(jù)組成的向量往低維空間進(jìn)行投影，文中模型是為了使每個(gè)總體多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一維。投影后

6、滿足組與組之間分的很清楚，保證判別變量對(duì)區(qū)分類(lèi)別差異的效果達(dá)到最大。對(duì)組間差與組內(nèi)差添加約束條件，建立特征方程，通過(guò)求解最大特征值便可求出Fisher判別函數(shù)。1·2判別效率檢驗(yàn)為估計(jì)上述判別準(zhǔn)則優(yōu)良性8，采用以訓(xùn)練樣本為基礎(chǔ)的回代估計(jì)法來(lái)計(jì)算誤判率，即利用本論文中建立Fisher判別函數(shù)的已知水的30個(gè)訓(xùn)練樣本，將這些訓(xùn)練樣本進(jìn)行回判。誤判樣本個(gè)數(shù)N與總樣本數(shù)之比稱為誤判率.值的大小直接反映出模型的質(zhì)量。2確定Fisher判別模型2·1選擇判別指標(biāo)判別指標(biāo)的選取是建立Fisher判別模型的前提，水化學(xué)指標(biāo)眾多，為了最大限度區(qū)分水，提高判別的準(zhǔn)確率，選取K+Na+，Ca2+

7、，Mg2+，Cl-，SO2-4，HCO-3，pH共7種組分，其中主要離子占所有溶解鹽的90，且決定了水的化學(xué)類(lèi)型。文中將上述7種組分分別記為_(kāi)1，_2，_3，_4，_5，_6，_7.水類(lèi)型記為_(kāi)14，包括砂巖水，四含水，太灰水。由于許疃礦四含水樣和太灰水樣過(guò)少，尤其是太灰水樣僅僅2個(gè)。而許疃礦、任樓礦均位于臨渙礦區(qū)，兩礦相鄰，屬于同一水文地質(zhì)單元，任樓礦建井初期整個(gè)礦區(qū)內(nèi)開(kāi)采深度和強(qiáng)度均較小，四含水和太灰水受到擾動(dòng)較小，區(qū)內(nèi)水質(zhì)認(rèn)為未發(fā)生變化。為使判別模型更具有科學(xué)性、合理性，因此本論文借用任樓礦建井初期的4個(gè)四含水和6個(gè)太灰水水樣數(shù)據(jù)。指標(biāo)值的測(cè)量均在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得，準(zhǔn)確度較高。建模數(shù)據(jù)見(jiàn)表1

8、（除pH無(wú)單位外，其他因子單位均為mg/L）2·2Fisher模型的建立Fisher判別的關(guān)鍵步驟就是Fisher判別函數(shù)的建立，將許疃礦各含水層常規(guī)水化學(xué)數(shù)據(jù)處理后，運(yùn)用SPSS軟件得到典則判別函數(shù)系數(shù)，建立許疃礦的3類(lèi)水的判別函數(shù)式見(jiàn)表2.y1=-0·013_1-0·229_2+0·185_3+0·081_4+0·070_5+0·075_6+31·651_7-153·9，（6）y2=-0·022_1-0·074_2+0·213_3+0·038_4+0·

9、077_5+0·040_6+38·538_7-185·6，（7）y3=-0·017_1-0·010_2+0·165_3+0·032_4+0·058_5+0·031_6+38·011_7 -181·70.（8）式中，y1，y2，y3為3類(lèi)水判別函數(shù)式；_1為K+Na+ 的濃度；_2為Ca2+的濃度；_3為Mg2+的濃度；_4為Cl-的濃度；_5為SO2-4的濃度；_6為HCO-3的濃度；_7為pH值。2·3訓(xùn)練水樣回估不同含水層常規(guī)水化學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后，F(xiàn)isher判別模型通過(guò)每

10、組樣本的數(shù)據(jù)分別代入3個(gè)判別函數(shù)中，將計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，其中最大值所在水就是該樣本的水類(lèi)型。從表1中可以看出，選取的30個(gè)訓(xùn)練樣本中，判別結(jié)果顯示只有23，24兩個(gè)太灰水樣判別有誤，其他水樣均與實(shí)際分類(lèi)相同，正確率達(dá)到93·3，誤判率=2/30=6·7.說(shuō)明Fisher判別法在判別許疃礦礦井突水水中準(zhǔn)確率高，誤判的水樣在太灰水中，出錯(cuò)的原因可能是因?yàn)樵摰V所采水樣時(shí)間跨度較大，期間由于采掘進(jìn)程的持續(xù)加深，巖層應(yīng)力分布發(fā)生改變，原生裂隙增大及新的采動(dòng)裂隙增加，各含水層間的水力聯(lián)系增強(qiáng)，導(dǎo)致該礦不同含水層之間可能發(fā)生一定程度的混合9。而且許疃礦太灰水水樣數(shù)據(jù)較少，對(duì)太灰含水層水

11、文地球化學(xué)特征的反映不具有全面代表性。但是，該判別法只需知道所選水樣的6大離子的含量以及pH值即可判別水類(lèi)型，這些常規(guī)離子的濃度在普通實(shí)驗(yàn)室條件下即可測(cè)試得到。因此本次利用常規(guī)離子建立許疃礦礦井突水水Fisher判別模型，判別礦井突水水，方法簡(jiǎn)單，判別速度快，并且在許疃礦具有較高的判別正確率，可作為許疃礦突水水快速判別模型。此次建立的許疃礦Fisher水判別模型的準(zhǔn)確率還可以用方差貢獻(xiàn)率來(lái)描述，見(jiàn)表3，在第一個(gè)判別函數(shù)中，方差貢獻(xiàn)率達(dá)到93·3，換句話說(shuō)，從該礦所采集的93·3的水樣信息都可以用該函數(shù)解釋。從表中可以看出，第2個(gè)判別函數(shù)的累積方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到100.因此，

12、若有水樣用第一判別函數(shù)難以判別時(shí)，可以結(jié)合第2判別式共同判斷水。各典則判別函數(shù)質(zhì)心處值見(jiàn)表4.以第1類(lèi)判別函數(shù)為例，類(lèi)水（砂巖水）的質(zhì)心處值為-3·694；類(lèi)水（四含水）質(zhì)心處值為2·718；類(lèi)水（太灰水）質(zhì)心處值為3·746；也可對(duì)比待判水樣的函數(shù)值與表4中3類(lèi)水組別的中心值間的距離大小來(lái)識(shí)別水樣13。圖1為結(jié)合判別函數(shù)1和2的許疃礦3個(gè)含水層的分組圖，此圖也可以利用投點(diǎn)的方式判別水，即水樣落入哪一含水層區(qū)域，則判為該含水層。從圖中也可以清楚地區(qū)分該礦砂巖水和其余2個(gè)含水層，但是四含水和太灰水有交接，若水樣投點(diǎn)時(shí)恰好落入這2個(gè)含水層交界處，則容易造成誤判，以此也

13、可以解釋回估判別中造成誤判的原因。2·4待判水樣的判別上述的許疃礦Fisher判別模型建立后，回估正確率高達(dá)93·3，表明該模型可以用于許疃礦待測(cè)水樣的鑒定，待測(cè)水樣判別結(jié)果見(jiàn)表5.待判水樣為許疃礦3222切眼出水，采用上述建立的許疃礦Fisher判別模型判別分析p 后得知，待測(cè)水樣均為砂巖水。3結(jié)論1）本論文依據(jù)所選訓(xùn)練樣本建立了許疃礦的Fisher水判別模型。訓(xùn)練樣本回估正確率達(dá)到93·3，說(shuō)明此判別法可以用于許疃礦水的科學(xué)判別。對(duì)該礦5個(gè)待判水樣的判別結(jié)果：均為砂巖水；2）此次建立的許疃礦水Fisher判別模型在判別該礦水樣的水時(shí)只需知道常見(jiàn)的六大離子濃度及

14、pH值，帶入方程式計(jì)算出數(shù)值比較即可判別，因此離子濃度和pH值測(cè)定時(shí)應(yīng)盡量保證準(zhǔn)確性。另外，該方法簡(jiǎn)單，可快速判別出許疃礦出水類(lèi)型，對(duì)于該礦防治水措施的制定具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義；3）各含水層之間水混合后會(huì)影響到模型判別的準(zhǔn)確性，而本次許疃礦Fisher水判別模型的建立沒(méi)有考慮混合后的情況，所以該模型還可作進(jìn)一步的研究?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】：p References1李燕，徐志敏，劉勇.礦井突水水判別方法概述J.煤炭技術(shù)，2021，29（11）：87-89.LI Yan，_U Zhimin，LIU Yong.Summary on methods of distinguishing sources of

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