專利名稱：一種礦用水源識別方法及識別設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水源識別領(lǐng)域，特別涉及一種礦用水源識別方法及水源識別設備。
背景技術(shù)：
隨著煤礦開采深度的增加和開采規(guī)模的擴大，出現(xiàn)了多種威脅煤礦安全生產(chǎn)的災 害，其中煤礦突水已成為深度開采的一大災害。尤其是近幾年，礦井突水事故頻繁發(fā)生，給 煤礦開采人員的生命帶來了危害，也對煤礦經(jīng)濟造成重大的損失。因此，礦井突水水源的研 究對于突水預測與防治、開采方法的改進，安全度評價具有重大的理論意義。根據(jù)地下水在形成過程中，由于受到含水層的沉積期、地層巖性、建造和地化環(huán)境 等諸多因素的影響，使儲存在不同含水層中的地下水主要化學成分有所不同的原理，多采 用水化學法識別突水水源種類。目前進行礦井突水水源類型的識別，主要是由礦井水害研究專家鑒定檢測突水水 源類型。由礦工收集已知水源類型的水樣和未知水源的水樣，再送給水源分析專家，由專家 對采集的水源水樣測量其化學成分的含量，記錄測量數(shù)據(jù)，再檢測未知水樣的化學成分含 量，將測量結(jié)果與已知水源水樣的測量數(shù)據(jù)做此較，從而判斷未知水樣的水源類型。但是， 這需要礦工遠距離運送水源樣品，長時間等待專家的測量和識別結(jié)果，耽誤了煤礦開采進 度，也耗費礦工的時間和體力，突水嚴重時，難以避免突水災害的發(fā)生，從而給煤礦工作人 員帶來生命危險，給煤礦生產(chǎn)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以實時、實地、快速、準確地識別礦井 突水水源類型的識別方法和識別設備。本發(fā)明提供的一種礦用水源識別方法，包括根據(jù)已知水源的化學特征，建立水源樣品庫；確定識別指標，判斷未知水源類型。相應地，本發(fā)明實施例還提出了一種水源識別設備，其包括樣品庫管理單元，用于建立水源樣品庫；水源識別單元，用于判斷未知水源的類型。上述的水源的化學特征是指水源水樣所屬煤礦的地下常規(guī)水的水化學特征(包 括離子濃度和PH值)。上述的確定識別指標的方法是根據(jù)樣品庫各水源的測量數(shù)據(jù)，從中選出幾個(4 個或4個以上)指標，以后稱所選的指標為識別指標，選擇的標準是它們在每種水源的含量 的變化此其他指標的含量的變化明顯。進一步地，確定識別指標之后，需要判斷識別指標是否有效，其方法是根據(jù)水源 樣品庫的數(shù)據(jù)，以識別指標為變量參數(shù)，為每種水源建立一個判別函數(shù)，并用樣品庫的數(shù)據(jù) 進行回代檢驗；回代檢驗證明識別指標有效后，再采用聚類分析方法做進一步驗證，確保水源樣品庫和識別指標都是有效的。上述的回代檢驗的方法是把樣品庫中的每種水樣代入判別函數(shù)，計算判別值，取 其最大值，則水樣屬于該類型的水，如果所有樣品利用判別函數(shù)判斷的歸類和樣品庫中樣 品的歸類一致，則說明所選的識別指標是有效的，否則要重新建立樣品庫，重新選擇識別指 標。再進一步地，經(jīng)回代檢驗驗證所選的識別指標有效后，需要對樣品庫進行聚類分 析，其實施方法是采用樣品兩兩間的距離作為分類尺度，根據(jù)分類標準劃分樣品類別；樣品 兩兩間的距離越小，說明關(guān)系越密切，將它們歸為一類。如果發(fā)現(xiàn)同種水源的水樣不能聚為 一類，則表明所選的識別指標不合理或者該礦井水的水化學特征此較接近，需要重新建立 水源樣品庫，重新選擇識別指標；如發(fā)現(xiàn)水源的水樣聚為一類，說明所選的識別指標和樣品 庫都是有效的，可以用于識別未知水源的水樣類型。最后，測量未知水源水樣的識別指標的含量，判斷未知水源的類型。具體的識別方 法是將水樣的測量結(jié)果代入判別函數(shù)，計算其判別值，根據(jù)最大判別值來判斷該水樣的水 源類型。與現(xiàn)有技術(shù)相此，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是可迅速、準確地測量出水源的幾種 化學成分的含量，輕松地保存測量數(shù)據(jù)，采用多樣品多測量的方法，建立一個精確地水源樣 品庫，實現(xiàn)了實時、實地、快速、方便、準確地識別待測水樣的類型，避免礦井水害的發(fā)生，減 少煤礦工作人員的負擔，避免了煤礦水害帶來的人員傷亡和煤礦危險事故的發(fā)生。


圖1為本發(fā)明方法的概括框圖；圖2為本發(fā)明實施例的一種礦用水源識別方法流程圖；圖3為本發(fā)明的一種礦用水源識別方法的實施例的樣品水源庫示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細闡述本發(fā)明實施例的技術(shù)方案。附圖1，圖示了本發(fā)明的一種礦用水源識別方法的概括框圖，其方法包括S01，根據(jù)已知水源的化學特征，建立水源樣品庫。首先，根據(jù)水源所屬煤礦的常規(guī) 地下水的化學特征來確定建庫指標，然后測量每種已知水源的指標含量，將測量數(shù)據(jù)建立 成水源樣品庫。所述的已知水源類型比如說可以是礦井砂巖水、奧灰水、頂板水、老窖水、第 四紀松散層水、地面水；所述的測量方法此如說可以采用水劑或粉劑的方法來測量指標含 量；所述的化學特征此如說可以是多種化學離子濃度和PH值。S02，確定識別指標，判斷未知水源類型。所述的確定識別指標的方法是根據(jù)樣品 庫各水源的測量數(shù)據(jù)，選出幾個(4個或4個以上)識別指標，這些指標的特點是它們在每 種水源的含量的變化比其他指標的含量變化明顯；根據(jù)識別指標的數(shù)據(jù)為每種水源建立一 個判別函數(shù)，并采用樣品庫數(shù)據(jù)進行回代檢驗識別指標的有效性；檢驗有效后，再采用聚類 分析方法，進一步驗證識別指標的有效性，避免出現(xiàn)誤判情況；確定識別指標有效性后，測 量未知水源的識別指標含量，判斷其水源類型。下面結(jié)合附圖2詳細闡述一下本發(fā)明實施例的一種礦用水源識別方法的技術(shù)方案。附圖2，是本發(fā)明實施例的一種礦用水源識別方法流程圖，其具體的識別步驟包 括⑴確定識別指標(S12)；⑵建立判別函數(shù)，檢驗識別指標的有效性(S13) ； (3)聚類分 析，進一步驗證識別指標的有效性(S14) ； (4)測量未知水源的識別指標的含量，判斷水源 類型(S15)。S11，根據(jù)已知水源的化學特征，建立水源樣品庫，本實施例以山西省一煤礦為例。 本實施例選擇的已知水源有4種，分別是奧灰水、砂巖裂隙水、頂板水和第四紀松散層水； 根據(jù)該煤礦地下常規(guī)水的化學特征，選擇12種建庫指標來建立水源樣品庫，分別是PH值、 鉀離子含量、錳含量、鈣硬度含量、鎂硬度含量、亞硝酸鹽濃度、鐵含量、碘含量、氟化物含 量、溴含量、氨氮含量、硫酸鹽含量。本發(fā)明不僅僅局限在使用這四種水源類型和這11種離 子濃度及PH值，還可以通過測量煤礦水其他的特征來建立水源樣品庫。每種水源，分別取3次樣品。采用試劑(水劑或粉劑)與水樣樣品發(fā)生化學反應， 產(chǎn)生可吸收的混合物；根據(jù)光吸收原理，采用光學元件測量水樣各個指標的含量。本實施例采用HI93710-01水劑測量水樣PH值，光學元件采用玻璃此色皿，具體 測量步驟包括校零，用比色皿取一定量的一種水源水樣，放入識別儀器中，儀器進行校零； 讀數(shù)，校零完畢后，加入定量HI93710-01水劑，進行測量，儀器顯示讀數(shù)并自動保存測量數(shù) 據(jù)。重新取該水源水樣，按照上述相同的測量步驟，使用與測量指標相應的試劑(水 劑或粉劑)測量建庫指標的含量。最后，每種水源分別測得3組數(shù)據(jù)。所有水樣測量完畢后，儀器自動建立水源樣品庫，本實施例的水源樣品庫如附圖3 所示。S12，確定識別指標。根據(jù)樣品庫各水源的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)本實施例附圖3的測量 數(shù)據(jù)，選擇錳、鐵、氟化物和硫酸鹽作為水源識別指標，它們在每種水源的含量的變化值比 其它指標含量變化值大。S13，建立判別函數(shù)，檢驗識別指標的有效性。其步驟是首先，根據(jù)建立的水源樣品庫中識別指標的測量數(shù)據(jù)，為每種水源建立一個判 別函數(shù)，上述四種水源分別記為A、B、C、D，對應的判別函數(shù)分別記為f (Xi |A)、f(xjB)、 f(xi|C),f(xi|D)0其次，采用回代檢驗判斷識別指標的有效性。具體檢驗方法是取A水源的一個水 樣的識別指標數(shù)據(jù)，分別代入到四個判別函數(shù)，得到四個判別值，找出最大的判別值，此如 說代入f (Xi IA)的判別值最大，則該水樣來自水源A ；然后，利用后驗概率公式計算后驗概率，以確定該水樣來自水源A的概率。如所有樣品按照上述利用判別函數(shù)判斷的歸類和樣品庫中樣品的歸類一致，則說 明所選的識別指標是有效的；若利用判別函數(shù)判斷的歸類和樣品庫中樣品的歸類不一致， 則所選的識別指標是無效的，需要重新建立樣品庫，選擇識別指標。 后驗概率公式P(g/x)=exp[y(g/x)]/∑kexp[y(i/x)]注釋該公式表示樣品來自g類水源的后驗概率，其中y(i/X)是樣品來自i水源 的判別值，k表示水源類型個數(shù)，在用計算機計算的時候，會由于y(i/x)過大或過小而產(chǎn)生溢出。可以利用極差變換解決，即上式可以改寫成 p{8'x)= Tv{y{g,x))
'=I其中y (k/x) = y (k/x) -max (y (i /χ))。S14，聚類分析，進一步驗證識別指標的有效性。經(jīng)回代檢驗驗證識別指標有效后， 還需采用聚類分析方法進一步驗證識別指標的有效性，避免因水源樣品庫中不包含未知水 源所屬的水源類型而出現(xiàn)誤判斷。比如說利用判別函數(shù)判定未知水源屬于C類，而利用聚 類分析又能把新的水樣和C類的其他水樣聚為一類則可以判定新水樣屬于C類，反之如果 利用聚類分析發(fā)現(xiàn)新水樣和C類的其他水樣不能聚為一類，則說明新的水樣可能不屬于C 類。采用聚類分析，可以有效地防止誤判斷的發(fā)生。本實施例采用的聚類分析方法，是以樣品間的距離作為分類尺度。其具體方法 是首先，計算樣品兩兩之間的距離，得出距離矩陣 D
dI 2 d13 … 1η
O d2S ■■· d2fl
— 其中，η表示樣品個數(shù)。由于對稱性，矩陣D的下三角中元素可以由對稱性確定，此處省略不寫。從距離 矩陣上三角中找出最小的元素Clij，這說明第i個樣品與第j個樣品距離最近(即關(guān)系最親 密)，應當首先歸入一組，然后步驟如下首先，把第i個樣品與第j個樣品的相應的各個變量取加權(quán)平均，形成一個新的組 合樣品的數(shù)據(jù)，用它代替第i個樣品，并取消第j個樣品，形成新的樣品數(shù)據(jù)，它此歸并前樣 品數(shù)據(jù)減少一個。其次，根據(jù)新的樣品數(shù)據(jù)，重新計算距離矩陣，這時得到比歸并前降低了一階的方 陣。事實上，這個方陣不必全部重新計算，只要在原來的距離矩陣中去掉第i行和第j列，用 新的組合樣品與剩下的其他樣品之間的距離代替原矩陣第i行和第j列的對應元素便可。最后，從新的距離方陣上三角元素中找出一個最小的元素，這說明新的樣品數(shù)據(jù) 中第i個樣品和第j個樣品距離最近，即他們關(guān)系最密切，應當歸為一類，然后重復進行相 應的上述三點工作。這樣的步驟，重復進行n-1次，則全部樣品最后歸并為一組，按歸組的先后順序及 相應的距離大小做出一張分類圖，根據(jù)選定的距離界限值來劃分歸類。S15，測量未知水源的識別指標含量，判斷水源類型。用比色皿取未知水源水樣，并 采用試劑測量4個識別指標的含量。取3次樣品，測得三組數(shù)據(jù)。分別將三組數(shù)據(jù)按照S13 所述的回代檢驗方法和S14所述的聚類分析方法判斷水樣的水源類型。本實施例的未知水 樣的水源類型按上述方法，經(jīng)儀器識別后，屬于奧灰水。與本發(fā)明方法相對應的識別設備，操縱簡單、測量方便；用戶根據(jù)操作提示內(nèi)容便 可輕松完成校準、測量操作和樣品庫的建立；通過選擇識別指標，便可檢查樣品庫是否準確；識別未知水源水樣時，儀器自動顯示水源類型；達到了實時、實地的識別煤礦突水水源 的目的，進而預防水害的發(fā)生，避免水害帶來的經(jīng)濟損失和人生傷亡事故的發(fā)生，確保煤礦 的安全生產(chǎn)。 盡管通過在此的實施例描述說明了本發(fā)明，和盡管已經(jīng)足夠詳細的描述了本實施 例，申請人不希望以任何方式將權(quán)利要求書的范圍限制在這種細節(jié)上。對于本領(lǐng)域技術(shù)人 員來說另外的優(yōu)勢和改進是顯而易見的。因此，在較寬范圍的本發(fā)明不限于表示和描述的 特定細節(jié)、表達的儀器、方法和說明性例子。因此，可以偏離這些細節(jié)而不脫離申請人總的 發(fā)明概念的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種礦用水源識別方法，其特征在于，其識別步驟包括根據(jù)已知水源的化學特征，建立水源樣品庫；確定識別指標，判斷未知水源類型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水源的化學特征，是指水源水樣所 屬煤礦的地下常規(guī)水的水化學特征(包括離子濃度和PH值)，把水源的化學特征作為建立 水源樣品庫的建庫指標。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的識別指標的選擇方法是根據(jù)樣品 庫各水源的測量數(shù)據(jù)，從中選出幾個(4個或4個以上)指標，以后稱所選的指標為識別指 標，選擇的標準是他們在每種水源的含量的變化比其他指標的含量的變化大。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，識別指標選定后，需進一步驗證指標的有 效性，其方法是根據(jù)水源樣品庫的數(shù)據(jù)，以識別指標為變量參數(shù)，為每種水源建立一個判別函數(shù)，并用 樣品庫的數(shù)據(jù)進行回代檢驗；回代檢驗證明識別指標有效后，再采用聚類分析方法做進一步的檢驗，確保樣品庫和 識別指標都是有效的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的回代檢驗的方法是把樣品庫中的 每種水樣代入判別函數(shù)，計算判別值，取其最大值，則水樣屬于該類型的水，如果所有樣品 利用判別函數(shù)判斷的歸類和樣品庫中樣品的歸類一致，則說明判別函數(shù)是有效的，否則要 重新建立樣品庫，重新檢驗。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的聚類分析方法采用樣品兩兩間的 距離作為分類尺度，根據(jù)分類標準劃分樣品類別；樣品兩兩間的距離越小，說明關(guān)系越密 切，將它們歸為一類。
7.一種礦用水源識別設備，其特征在于，包括樣品庫管理單元，用于建立水源樣品 庫；水源識別單元，用于判斷未知水源的類型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種礦用水源識別的方法及識別設備，其中所述方法包括根據(jù)已知水源的化學特征，建立水源樣品庫；確定識別指標，判斷未知水源類型。相應地，本發(fā)明還公開了一種水源識別設備。本發(fā)明實現(xiàn)了對礦井含水層地下水的化學成分的簡單、快速地測量，能實時、實地的準確判斷未知類型的突水水源，進而預防煤礦水害的發(fā)生，避免突水事故帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。
文檔編號G01N33/18GK101923084SQ201010226709
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者劉德民, 張小衛(wèi), 李建軍, 李永軍 申請人:北京華安奧特科技有限公司;華北科技學院