基于PCA-MSA的矿井突水水源判别算法研究.pdf

中图分类号婴2 垒5 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 三 密级公珏 基于P C A ．M S A 的矿井突水水源判别算法研究 AP C A ．M S AB a s e dA r i t h m e t i cR e s e a r c ho n W a t e r - b u r s t i n gS o u r c eD i s c r i m i n a t i o no f m i n e s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 鲁△．S l Z ．1 津／r j “日 安全技术及工程 矿山水害防治 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期型丛绛乞l 丑箩目答辩委员会主 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 J 燃訾 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名盥 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名彳垒；南导 沙f 绰步月歹日 基于P C A ．M S A 的矿井突水水源判别算法研究 摘要矿井突水是威胁矿山安全生产的最大自然灾害之一，正确识别 突水水源可为制定合适的防治水措施提供重要依据，因此，如何快速 有效的判别矿井突水水源具有重要意义。目前，大部分水源判别模型 没有考虑到由于水化学判别指标之间信息叠加从而导致水源误判的 影响。为此，本文以某两个矿山 A 、B 矿山 的水文地质资料和水 化学数据研究对象，引用了主成分分析法对水化学指标进行信息提炼， 并结合两种多元判别方法来建立水源判别模型，并与传统的多元判别 模型 F i s h e r 判别法、B a y e s 判别法、逐步判别法 进行比较，找出 最优的水源判别模型。同时，为了让矿井突水水源判别工作更加自动 化和智能化，通过C 语言开发了矿井突水水源判别系统。本文研究 主要结果如下 1 选取A 矿山各水层的C a 2 、M 9 2 、K N a 、H C 0 3 。、S 0 4 2 。、 C 1 ‘、T D S 的7 种水化学指标参数为数据样本，利用A q u a c h e m 等水化 学分析软件绘制出P i p e r 三线图、常规离子箱图、常规离子与T D S 的 关系图等来分析各水层水化学特性。结果表明各水源具有不同的水化 学特性，且太灰水与奥灰水的各离子分布范围比较接近，两者水化学 特性较相似，难以通过某一单个离子分布规律来区分突水水源。 2 以A 、B 矿山的水化学信息为研究对象，建立F i s h e r 判别 模型、B a y c s 判别模型、逐步判别模型、和与之相应的经过主成分分 析的两种判别模型。研究结果表明，经过主成分分析处理后的F i s h e r 判别模型、B a y e s 判别模型A 矿山的回判和预判正确率分别得到提高 了6 ％、1 8 ％，完全优于传统的F i s h e r 判别模型、B a y e s 判别模型。通 过主成分分析处理后消除了因为各指标信息的叠加而导致其水源误 判的问题，提高了模型识别突水的精度。 3 以矿区各水源的水化学的差异性为理论基础，以F i s h e r 判 别法、B a y e s 判别法和主成分分析法相结合的模型为核心，采用C 语言开发出矿井突水水源判别系统。该系统不仅具有数据存储、查询 功能，还可以快速的判别突水水源，并具有良好的实用性和可靠性， 操作简便。 关键词矿井突水；主成分分析法；多元统计分析；F i s h e r 判别法； B a y e s 判别法；矿井水文地质 分类号 I I AP C A ．M S AB a s e dB a s e dA r i t h m e t i cR e s e a r c ho n W a t e r - b u r s t i n gS o u r c eD i s c r i m i n a t i o no fm i n e s A b s t r a c t M i n ew a t e ri n r u s hi so n eo ft h el a r g e s tn a t u r a ld i s a s t e r s ．a n di t t h r e a t st h e s a f e t yp r o d u c t i o ni nm i n e s ．F i n d i n go u tt h e w a t e ri n r u s h s o u r c ec a np r o v i d ea ni m p o r t a n tb a s i sf o rt a k i n gm e a s u r e st oa v o i dm i n e w a t e rd i s a s t e r s ．T h e r e f o r e ．h o wt od e t e r m i n et h em i n ew a t e ri n r u s hs o u r c e q u i c k l ya n de f f e c t i v e l yi sv e r yi m p o r t a n t ．H o w e v e r , p r e s e n t l y , m o s to ft h e w a t e rs o u r c ed i s c r i m i n a t i o nm o d e l sd on o tt a k ei n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c e a b o u tt h ei n f o r m a t i o ns u p e r i m p o s i t i o no ft h ew a t e rc h e m i s t r yi n d e x e s ． T h i sp a p e rc h o s e nt w om i n e sh y d r o g e o l o g i c a ld a t aa n dw a t e rc h e m i s t r y d a t aa ss t u d yo b j e c t ．A n dI n t r o d u c e dt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s c o m b i n e dw i t ht w om e t h o do fm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sc r e a t e w a t e rd i s c r i m i n a n tm o d e l ．A f t e rC o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o nm u l t i v a r i a t e s t a t i s t i c a la n a l y s i sm o d e l F i s h e rd i s c r i m i n a n tm o d e l 、B a y e sd i s c r i m i n a n t m o d e l 、S t e o w i s ed i s c r i m i n a n tm o d e l ，ao p t i m a ls o u r c ed i s c r i m i n a t i o n m o d e lw a sf o u n d e d ．I no r d e rt om a k et h em i n ew a t e ri n r u s h d i s c r i m i n a t i o nw o r ka u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e ，am i n ew a t e ri n r u s h d i s c r i m i n a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e db yC l a n g u a g e ．T h er e s u l t sa r e a sf o l l o w s 1 W ．a t e rc h e m i s t r yd a t aw a ss e l e c t e di nAm i n e ．w h i c hc o n s t i t u t e o fC a 2 、M 9 2 、K N a 、H C 0 3 。、S 0 4 2 ’、C 1 ‘、T D S ．B yu s i n gw a t e r c h e m i s t r ya n a l y s i ss o f t w a r e A q u a c h e m t od r a w 、p i p e r t r i l i n e a r n o m o g r a p h 、B o xp l o t so fC o n v e n t i o n a li o n 、t h ec h a r to fC o n v e n t i o n a l i o n r e l a t i o n s h i pw i t hT D S ，a n da n a l y z i n gt h eh y d r o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c s o fd i f f e r e n tw a t e rs o u r c e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tW a t e rh a sd i f r e r e n t c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c s ，i ti sh a r dt od i s t i n g u i s hw a t e rb u r s t i n gs o u r c e w i t hs i n g l eI o nd i s t r i b u t i o nl a w ．T h ea c c u r a c yo ft h ew a t e ri n r u s hm o d e l C a nb ei m p r o v e db yu s i n gS A Sd a t ea n a l y s i ss o f t w a r e ． 2 F i s h e rd i s c r i m i n a n tm o d e l ，B a y e sd i s c r i m i n a n tm o d e l ，s t e p w i s e d i s c r i m i n a n tm o d e lw e r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fw a t e rc h e m i s t r yo f A ，Bm i n e s ，a b o v et w od i s c r i m i n a n tm o d e l sw i t hP C Aw e r ea l s o e s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s c r i m i n a n tm o d e l s w i t hP C Ah a v em o r eh i g hc o r r e c tr a t e ，t h eb a c kd i s c r i m i n a t i o nr a t i oa n d I I I t h et h et e x tr a t i ow e r ei n c r e a s e db y6 ％，18 ％．E l i m i n a t et h ei n f l u e n c e c a u s e db yt h es u p e r p o s i t i o no ft h ei n d e x i n f o r m a t i o n ，I m p r o v et h e a c c u r a c yo ft h ew a t e ri n r u s hd i s c r i m i n a n tm o d e l ． 3 T h em i n ew a t e ri n r u s hd i s c r i m i n a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d u s i n gC l a n g u a g e o nt h eb a s i so fw a t e rc h e m i s t r yd i f f e r e n c e sa s t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ．T h ec o r eo ft h e s y s t e mc o n s i s t s o fF i s h e r d i s c r i m i n a n tm e t h o d ，B a y e sd i s c r i m i n a n ta n dc o m b i n e dw i t hp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i sd i s c i m i n a n tm o d e s ，a n dt h es y s t e mw a se s t a b l i s h e d b yC l a n g u a g e ．T h es y s t e mh a s t h ef e a t u r e so fe a s yt o o p e r a t e ， p r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t y , f u r t h e r m o r ei tC a nd i s c r i m i n a n tt h ei n r u s h w a t e rs o u r c eq u i c k l y ． K e yw o r d s m i n ew a t e ri n r u s h ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s P C A ， m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i s M S A ，F i s h e rd i s c r i m i n a n tm e t h o d ，B a y e s d i s c r i m i n a n tm e t h o d ，m i n e h y d r o g e o l o g y C l a s s i f i c a t i o n I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 - 3 主成分分析的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 水化学应用在矿井水害防治的相关理论概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 矿井水害的主要类型及特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 水化学在矿井水害防治的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 矿井常见突水水源的水化学基本特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 矿井水文地质信息的收集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．1 水样采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4 ．2 水样处理和保存⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．3 矿井突水水源判别指标的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 矿井突水水源水化学特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1P i p e r 三线图水质分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 矿井水化学S c h o e l l e r 分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 水化学箱图分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 矿井各水层常规离子与T D S 的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．4 ．1 煤系水常规离子与T D S 的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 ．2 太灰水常规离子与T D S 的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．3 奥灰水常规离子与T D S 的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．5 各水源水化学总体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 矿井突水水源判别数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1B a y e s 判别法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．1 ．1B a y e s 判别法的基本思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．1 ．2 数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．3 基于B a y e s 判别法水源判别的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 逐步判别法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．1 逐步判别法的基本思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．2 数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．3 基于逐步判别法的水源识别的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3F i s h e r 判别法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．3 ．1F i s h e r 判别基本思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 8 4 ．3 ．2 数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．3 基于F i s h e r 判别法的水源判别应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．4 主成分分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 ．1 主成分分析基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 ．2 主成分分析基本算法和步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．3 主成分分析法的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．4 ．4 基于主成分分析的B a y e s 判别分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．4 ．5 基于主成分分析的F i s h e r 判别分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 基于水化学矿井突水水源判别系统的设计与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 3 5 ．1 系统设计的目的与原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 突水水源判别系统语言选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“ 5 ．2 ．1C 抖语言的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．“ 5 ．2 ．2V i s u a lC 6 ．0 开发环境介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 系统开发设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 ．1 系统的基本结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ．2 系统的主要界面及操作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 附蜀专⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 亟堂僮i 金塞羔缝i 金 1 绪论 1 ．1 课题研究背景与意义 1 ．1 ．1 课题研究的背景 矿井突水事故是威胁我国矿山安全开采的五大灾害之一，由于我国矿产分布 广，矿床的水文地质条件复杂多变。矿山在建设和开采的过程中由于受到矿区附 近的地表水和丰富的地下水、老空区水的影响，一般都会给矿山带来不同程度的 损失，轻者因连续透水而使采空区和巷道大量积水，导致增加开采过程中排水量， 提高矿产开采的成本；重者由于大量地下水涌入矿井巷道内，来不及将突水排出， 而导致淹井事故【l 刀。虽然近几年国家加大矿山灾害的预防和治理，但矿山透水 事故依然时常发生，如2 0 0 9 年3 月2 1 日，湖南衡阳市常宁市三角塘镇企业办煤 矿新井在非法开采过程中由于未探明老窑积水，造成了老空区透水事故，透水量 约1 0 0 0 m 3 ，造成1 3 人死亡，直接经济损失3 3 2 万元；2 0 1 0 年3 月2 8 日，华晋 焦煤有限责任公司下属分矿王家岭煤矿由于附近小煤窑老空区积水情况未探明， 导致发生老空区透水事故，事故造成3 8 名矿工遇难；2 0 1 1 年6 月2 0 日，湖南 耒阳都兴煤矿透水事故1 3 人死亡；2 0 1 2 年4 月全国发生四次较大透水事故，共 死亡3 6 人，分别为吉林省蛟河市丰兴煤矿透水事故造成1 2 人死亡、江苏徐州 市孔庄煤矿透水事故造成4 人死亡、河南平顶山煤矿透水造成9 人死亡、贵州省 铜仁市新生煤矿透水事故造成1 1 人死亡【3 】。矿山水害对国家和人民造成大量的 人员伤亡和巨大的财产损失，严重影响矿井的安全生产。 我国矿井水害多发生在煤矿，煤炭是我国的主要能源，目前煤炭能源的使用 量率比其他能源 太阳能、风能、核能等 都高，占全国能源结构的7 0 ％的以上， 所以煤炭的供应对我国可持续发展有着至关重要的作用。而水害对于煤矿的安全 生产威胁是最为严重的，据原煤炭工业部统计资料统计，我国6 0 0 多处重点煤矿 中，就有2 8 5 处煤矿有突水隐患，受到了水害的威胁的矿山占到了4 7 ．5 ％，严重 影响了煤矿的安全开采，其中有储量高达2 5 0 亿吨的煤矿受到水害的威胁。如我 国的华北地区的煤矿，由于水文地质较复杂，矿区周围含水层多样，水量丰富， 其中灰岩含水层的水量最为丰富，华北地区煤矿将近有1 ／2 的矿产储量受到水害 威胁难以开采使用，表1 ．1 为华北地区一些老矿山储量受到水害威胁的概况，从 表中可知，由于受到水害威胁而导致无法开采的煤矿矿产量巨大，严重影了我国 资源的有效开采利用，阻碍经济发展。 表1 - 1 华北地区代表性煤矿受水害威胁的储量概况 我国煤矿主要水害类型【4 】是地表水水害、冲积层水害、砂岩类含水层水害、 灰岩类岩溶水水害，它们的事故的发生率分别为4 ．9 ％、1 ．4 ％、1 ．4 ％、9 2 ．3 ％， 灰岩类岩溶水最煤矿安全生产威胁最大突水水源。在长期的开采过程中，矿井水 害给国家带来的损失巨大。 矿井水害不仅发生在煤矿，而且对于地形比较特殊的金属矿山也会存在，并 且危害较大。如中国目前生产最大的黄金矿山的三山岛金矿，由于矿山是滨海矿 区，矿区三面环海，不仅受到海水突水的危害，还有地表水和第四系水体，且水 量较大，水体之间有相互混合和补给。在三山岛金矿第一期工程的开采过程中不 断的发生突水、涌泥，并且有局部的淹井事故发生，开采过程受到水害的影响巨 大。深部矿山是一个趋势，矿井突水也是制约着深部开采和矿山可持续发展的重 要因素【5 - 7 1 。 当矿区水文地质条件较复杂，开采过程中经常出现大量涌水和涌泥现象，受 矿区附近丰富水层水体的威胁，在这种情况下一般采取深降强排或者是带压开采。 这两种方法各有利弊，深降强排法能防止水害的发生，可以保证矿山安全生产， 但也随之而来的工程弊端和影响有 1 深降强排法引起地下水位的急剧下降， 可能破坏地质稳定而导致地表出现大面积塌方和沉降，对地表建筑物和环境带来 巨大的破坏； 2 矿井排水工程投资大，排水过程中消耗的电量巨大，增加了矿 产开采的成本； 3 对于水文地质复杂的矿区，由于水量丰富且补给水源充足， 涌水量较大，当最大排水量远小于涌水量时，该方法并不能有效的预防水害的发 生。所以在矿山开采过程中不建议采用。带压开采不仅成本低，对环境的影响相 对于深降强排要小，这也是矿山开采常用的方法。但带压开采并不能避免水害的 发生，特别在突水水压较高的矿山，为了有效的预防水害的发生，探明矿井水文 地质情况、涌水量预测、突水水源的预测辨识是关键。 当矿井的涌水量不断增加或者达到某一定值时，防治矿井水害的首要工作是 识别突水的水源，识别它是来源于矿区的地表水、混合水还是地下水层，只有准 2 确的辨识出突水水源的种类，才能进一步准确的预测涌水量的大小，为制定合适 预防水害发生的措施方案提供相应依据。 1 ．1 ．2 课题研究的意义 本文依据矿井各水层水化学差异性，通过对某两个矿井水化学数据资料进行 分析来判别突水水源。从众多突水水源判别模型中选择出判别精度比较高的模型， 并进行优化，提高模型判别突水的精确性。本文开展的研究，不仅可以补充和完 善矿井突水源识别的理论，同时开发出水源判别智能系统使矿井水源判别工作更 加自动化、智能化。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外研究现状 国外有近一百年的矿山开采历史，由于水害对矿井的危害大，社会范围影 响广，也受到了国外的研究学者的关注，在矿井突水机理的研究和水害防治方面 取得到较大的成就和丰富的水害防治经验【8 ‘1 0 】，近6 0 年来，研究学者主要从分 析矿山水文力学性质角度来研究突水的规律。 1 9 4 4 年匈牙利学者伟格弗伦斯第一次提出了相对隔水层的概念，认识到煤 层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压有关；苏联学者B ．U ．斯列沙 辽夫以静力学理论为基础，研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制；上世纪， 6 0 至7 0 年代的研究仍以静力学为基础，但加强了对地质因素作用的研究，主要 是有关隔水层岩性和强度方面的研究；7 0 年代至8 0 年代末，许多国家的学者研 究了煤层底板的破坏机制。现在澳大利亚的研究员通过利用地下水运移数学模型 来对矿井突水的规律、突水形式等进行模拟探讨。同时，由于机械、测量设备等 技术的进步，有更先进、精密仪器的运用于水文地质测量，可以提高原始水文资 料的收集的真实性。但是目前国外针对矿井水化学运用于矿井突水水源判别的研 究文献较少。 1 ．2 ．2 国内研究现状 由于我国矿山水文地质条件复杂，水害对矿井安全生产威胁大，水害发生频 繁。国内学者在矿井水害防治、突水识别和预测等方向做了大量的研究，并将水 化学方法应用于矿井水害防治方向取得较大的突破。 1 、矿井水化学应用的研究 3 水化学理论应用于矿井水害的防治取得了较大的发展[ 1 l , 1 2 ] ，国内很多学者以 矿区地下水的水化学性质作为研究的对象，通过其各水源离子的分布情况来研究 地下水的运动方向和分布情况，且依据各水源水化学的差异性来判别突水水源是 一种快速、科学有效的方法。 利用矿区的水化学信息来识别矿井突水水源，是依据水源的天然 或人工示 踪剂 的物理、化学特性，或同位素等元素的分布情况和变化规律，可通过该途 径来了解矿区各水层的赋存情况、水源之间的联系和结构特征。为了判别矿井突 水水源，首要的工作是分析和找出能代表矿区各水层不通过性质的表型元素 常 规离子、微量元素、同位素、化合物 ，然后通过合适的数学模型进行水源识别。 2 、突水机理方面的研究 2 0 世纪6 0 年代我国有部分学者开始对有关矿井底板突水特征进行研究，随 着我国对资源的大量需求，矿井突水机理的研究【1 3 。7 】也得到了快速的发展，7 0 年代煤炭科学研究总院西安分院就因为将矿压、岩性性质及深度等因素影响对突 水系数的表达标准进行了多次修正。8 0 年代后，各大研究院开始对矿井的突水 机理进行研究，得到一系列的有关矿井突水机理的新理论。如由李白英将煤层底 板分为底板破坏带、完整岩层带、承压水导高带，提出了“下三代”理论；而王 作宇等人则认为煤层在矿压、水压联动做用下可分为超前压力缩段、卸压膨胀段、 采后压力稳定段，提出了了“零位破坏”理论；9 0 年代刘天泉院士认为底板岩 体由导水裂隙带和底板隔水带组成，提出了“薄板模型“ 理论。随着突水机理的 研究深入，更多的相关学者提出了“强渗通道”说、“岩水应力关系“ 说、“关键 层”理论、“四带”划分理论等。 3 、微量元素、同位素方向的研究 虽然在地下水中微量元素的浓度非常小，但由于用于水化学测量的仪器精度 的提高，可以很简单精确的测得微量元素的值，此时，有关学者利用微量元素来 分析矿区各水源的水化学特性来判别突水水源，桂和荣【1 8 】等人对皖北矿区的主 要突水水源的微量元素进行分析，并运用主成分分析方法建立了矿区主要突水水 源的主成分表达式，为判别矿井突水水源提供了理论依据；庄稼【1 9 】通过对鹤壁 矿区五个主要含水层地下水环境同位素组成特征的研究，建立了主要含水层地下 水的同位素鉴别标志，达到了快速、准确判定矿井突水水源的目的；陈陆望等通 过对皖北矿区地下水同位素水文地球化学特征的研究，提出了深层地下水的识别 模式。 4 、常规离子水化学方向的研究 常见的地表水、地下水等水源，分布最广的7 种离子是c a 2 、M f 、K ， N a 、H C O 孓、8 0 4 2 ‘、C 1 。，它们的含量占到水总离子含量的9 0 ％以上，各水层的 4 特性大部分是由这些离子的分布规律来表现。常作为矿井水源判别模型分析的数 据样本。在进行水源判别前期，首先根据常规离子的数据的基本信息来分析矿区 各水层水化学特性，常规的水化学分析法运用较多的为p i p e r 三线图、不同标型 组分含量相关关系法、单个标型组分含量值特征法等【2 0 也】。 利用常规离子对矿井水源进行分析和判别突水水源取得了较大的进展，如李 栋臣【2 3 1 、李明山【2 5 】、李世峥2 6 1 、葛中华【2 刀等学者通过常规离子来解决水害问题 取得较大的进展。 李栋臣【2 3 】在论述了识别白庙煤矿主要含水层水化学特征和突水水源的两种 方法一综合要素法和灰色关联度法，在此基础上预测了白庙煤矿的突水水源，取 得了满意的效果；高卫东【2 4 】等介绍了徐州矿区不同含水层中地下水主要化学特 征，并在此基础上应用水化学法结合灰色关联度理论对徐州矿区董庄煤矿发生的 一次突水进行了预测，判断结果可靠；李明山【2 5 】等通过对姚桥矿四个含水子系 统水文地球化学特征的研究，提出了各子系统特有的水质模型，并确定出能作为 矿井水源判别依据的水溶组分，为矿井防治水提供了依据；李世峰【2 6 】通过水化 学常规的方法进行分析，对太行山中段奥陶系岩溶含水层地下水水化学特征进行 了系统研究，阐述了不同水文地质单元的地下水水化学特征的时空分布规律，为 岩溶水的利用、管理及矿井水害的防治提供了依据；葛中华【2 7 】等运用水化学常 规的方法对徐州某矿井地下水系统中的各含水层水文地球化学特征进行分析，为 矿井突水水源判别提供了水文地球化学依据。此外，成春奇、赵华等也在利用矿 井水质判别突水水源方面做了研究。 5 、应用于水源判别的数学方法的研究 在矿井突水水源判别方法选择的过程中，不同数学模型的应用也越来越广泛 如B a y e s 判别法【2 引、F i s h e r 判别法【2 9 】、聚类分析法【3 0 1 、B P 神经网络【3 、物元可 拓理论【3 2 1 、灰色关联度分析法【3 3 】、支持向量机【3 4 】等方法构建的水源判别模型， 通过数学模型对矿井水化学的数据分析判别突水水源。将矿井水化学数据、数学 理论和计算机科学相结合是现代判别矿井突水水源的趋势，使判别过程定量化、 智能化，提高了矿井水源判别正确率，给水害防治带来了极大的方便。 在这些水源判别理论方法中，大部分并没有考虑到由于水化学判别指标之间 信息叠加而导致水源误判的影响。为消除这种影响，本文首次将主成分分析法与 多元统计分析法相结合应用于矿井突水水源判别模型中，利用主成分分析法对水 化学指标进行信息提炼，把多个彼此相关、信息重叠的指标变量进行重新线性组 合转化为多个彼此独立的综合成分，从而进行后续的水源判别，检验水源判别模 型的预测精度。 5 1 ．3 主成分分析的研究现状 主成分分析法 P r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s 是19 3 3 由霍特林H o t e l l i n g 首 次提出的，主成分分析是利用降维的思想，可对多个指标转化为具有代表性的几 个重要指标。并可对大样本数据进行降维分析，在保证原数据损失很少信息的前 提下将多个研究指标或自变量转化成几个不相关的综合指标，且由新生成的主成 分指标构成的数据样本不仅进行简化、消除了信息复杂繁冗的缺点。 目前，主成分分析法已应用于很多领域[ 3 5 - 3 8 】，比如在人脸识别、水资源承载 能力评价、汽油分类、空中交通管制运行风险识别、灾情综合分类、泥石流综合 防治、煤矿掘进安全生产评价、中药药性识别、类风湿性关节炎症状识别、水质 分析、不同人群对保险产品需求情况、岩性的识别模型等方面的应用，并取得了 良好的效果，具有重要的意义和研究价值。 由于分析问题的复杂性，很难通过一种方法来达到预期的效果，此时主成分 分析