灰色关联分析在牛西矿水源判别中的应用

关英斌,郑建,3,丰成,庞小宇

(1.河北工程大学资源学院,河北邯郸056038;2.张家口矿业集团有限公司牛西矿业分公司,河北张家口075600;3.山东省兖矿集团(东华)地质工程公司,山东邹城273500)

由于采矿活动常常会破坏地应力的平衡,各含水层的水力平衡状态也将不可避免地遭到破坏,进而引起矿井涌(突)水,如何确定涌(突)水水源,是矿井安全防治水的关键。一般情况下,根据矿井地质及水文地质条件、水样中某种离子含量对比、井下钻探等方法可以对矿井涌(突)水源进行判别,但是判别过程受人为因素的干扰影响大,结果不可靠。

灰色关联分析是对研究对象建立适当的数学模型,对模型数据进行动态量化分析,确定影响系统变化的主要因素[1-2]。该方法简单、快捷,不需要太多的信息数据,便可较准确地确定评价结果,有效地减少了人为因素的影响。谢玉波[3]应用灰色关联度法判断滕南矿区地下水系统水力联系,孔组抽水有力证明了判别结果的可靠性;吴晓鹏[4]应用灰色关联度法判别峨八井涌水水源,经验证取得满意的结果;付成祥[5]利用灰色关联分析对老采空区渗水水源进行判别,准确地判别出老采空区积水的补给来源。

本文应用灰色关联分析对牛西矿采集水样的水质资料进行分析,快速对含水层的补给水源进行判别。

1 牛西矿概况

张家口矿业集团牛西矿位于河北省西北部,涿鹿县城西约20km,涿鹿煤矿西约5km的蛮子营村附近,行政区划隶属于涿鹿县武家沟镇。牛西矿南翼采区在回采901和9370工作面过程中发生顶板透水事故,水量最大110m3/h,稳定水量75m3/ h,由于顶板砂岩、泥岩遇水泥化严重,水泵不能正常排水,回采工作被迫中断。分析透水事故的主要原因是回采后冒裂带发育至或超过顶板髫髻山组二段安山岩含水层,该含水层富水性中等,根据单位透入水量、水量与季节的变化关系、透水持续时间等迹象表明,含水层有稳定的补给源。

2 灰色关联分析

2.1 灰色关联分析判别原理

灰色关联分析是灰色系统理论的重要组成部分[6],灰色系统理论是华中科技大学邓聚龙教授于1982年提出的,该理论经过近30年的发展,已广泛应用于社会、经济农业等各领域,尤其是分析对象为“小样本”、“贫信息”,为灰色系统理论提供了广阔的发展空间[7-8]。灰色关联分析的特点是充分利用已占有的“最少信息”,对数据进行灰色关联分析处理,得到新的数据系列,使数据变化更具规律性,计算数据之间的关联性,灰色关联分析所利用的关联度值,表征了判别系统特征序列与相关因素序列的关联程度[9-10],为确立决定事物发展变化的主要因素提供数量依据。

2.2 对数据作灰色关联分析处理

为判别透水地点水样与其他出水点水样之间的水力联系,在不同地段出水点及地面河水采集水样8组,进行水质化验分析,将主要化学成分含量作为原始数据,进行灰色关联分析,原始数据为表1所示。

表1 水样主要化学成分原始数据Tab.1 The main chemical composition initial data of the water sample

表2 初值化处理后的数据Tab.2 The data after the initial treatment

为判别与透水点水样之间的关联度,先将透水点水样作为母序列,对原始数据作初值化处理,即原始数据除以对应母序列的值：

式中xi(k)—初值化处理后的数据序列;Xi(k)—原始数据序列;X0(k)—母序列。

与表1相对应,得8个标准化序列,如表2所示。

2.3 关联系数的计算

要求得子序列与母序列之间的关联程度,还必须将子序列对应值与母序列相减,求绝对值,得到新的序列ΔXi(k)(i=1,2,...,7;k=1,2,..., 8),如0.049,0.286,0.034,0.250,0.037,0.020, 0.500,0.012。

式中Li(k)—第i个子序列中的第k个元素与对应母序列之间的关联系数;α—分辨系数,α=0.5。

2.4 关联度的计算

因为关联系数Li(k)是被比较数据列(子序列)与参考数据列(母序列)在各个时刻(即曲线中的各点)的关联程度值Ri,数据多,信息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值,即求其平均值,作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示。

则求得的关联度Ri的大小反应了母序列与子序列之间的关联程度。计算所得关联程度,如表4所示,按关联度大小排列。

表3 各被比较数据列Xi(k)对母序列X0(k)的关联度Tab.3 The association degree of each analyze project between the sequence and maternal subsequence

表4 子序列与母序列关联程度表Tab.4 The association degree between each sequence and maternal subsequence

3 水源判别

关联度Ri的大小反映与母序列之间的关联程度,关联度值越大,表明与母序列之间的关联程度越密切[11],最大关联度为1。显然与透水点水样关系最为密切的是9370副巷和桑干河河水;关系度一般的为804运巷、420水仓运巷、902运巷、288运巷;北翼420运巷与9370地区水源基本无关联。从地理位置上看,9370副巷水样点离透水点最近,可判定9370副巷水样与透水点水样均来至同一水源。桑干河为常年性河流,河流底部即为髫髻山组安山岩,河流北岸为第四系松散粘土砂砾石层,经地面直流电测深探测技术对井下富水区及导水通道的探查结果表明,桑干河北缘地下150m处垂直河流方向有一低阻异常区,分析说明为水源运移通道。最终确定牛西矿南翼采区透水水源来至桑干河河水。

4 结论

1)应用灰色关联分析判别说明,透水点水样与桑干河水样的关联度值比较大,两者存在水力联系的可能性比较大。

2)经地面直流电测深探测结果表明,地下150m处有一由南向北的水流运移通道,最终确定南翼9370地区顶板含水层水源来至地表桑干河,桑干河河水补给髫髻山组安山岩二段含水层,水经采空后形成的顶板冒裂带透入到工作面。

[1]邓聚龙.灰色系统理论教程[M].武汉：华中理工大学出版社,1990.

[2]周书敬,朱志,王飞.基于灰色层次分析的房地产投资决策[J].河北工程大学学报(自然科学版),2010, 27(2)：83-86.

[3]谢玉波.利用灰色关联度法判断滕南矿区地下水系统水力联系[J].中国煤田地质,2001,13(2)：45,48.

[4]吴晓鹏.灰色关联度法在峨八井涌水水源判别中的应用[J].江西煤炭科技,2000(3)：31-33.

[5]付成祥.用灰色关联分析对老采空区渗水水源的判别[J].水力采煤与管道运输,2006.3(3)：23-24.

[6]邓聚龙.灰理论基础[M].武汉：华中科技大学出版社,2002.

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